51单片机的简单计算器设计与仿真

1、基于单片机的简易计算器设计与仿真 设计题目：基于单片机的简易计算器设计与仿真 一、设计实验条件： 地 点：自动化系实验室 实验设备：PCM(装有 Keil ; Protues ; Word ; Visio ) 二、设计任务： 本系统选用AT89C5单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现 对计算器的设计，具体设计如下： (1) 由于设计的计算器要进行四则运算，为了得到较好的显示效果，经综合分 析后，最后采用 LCD 显示数据和结果。 (2) 采用键盘输入方式，键盘包括数字键(09)、符号键(+、-、X、十)、 清除键(onc)和等号键(=),故只需要16个按键即可，设计中采用集成的计算

2、 键盘。 (3) 在执行过程中，开机显示零，等待键入数值，当键入数字，通过 LCD显示出 来，当键入+、 -、 *、 /运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次 键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结 果。 (4) 错误提示：当计算器执行过程中有错误时，会在LCD上显示相应的提示,如: 当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时，计算器会在 LCD上提 示overflow ;当除数为0时，计算器会在LCD上提示error。 设计要求：分别对键盘输入检测模块；LCD显示模块；算术运算模块；错误处理 及提示模块进行设计，并用Visio画系统方框图

3、，keil与protues仿真 分析其设计结果。 三、设计时间与设计时间安排： 1、设计时间：6月27日7月8日 2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料：3 具体设计（含上机实验）： 编写课程设计说明书：2 答辩： 1 四、设计说明书的内容： 天（6 月 27 日 6 月 29 日 ） 6天（6月 30日 7 月 5日） 天（7月 6日 7 月 7日） 天（ 7 月 8 日） 1、前言： （ 自己写， 组员之间不能相同，写完后将 红字删除，排版时注意对齐 ） 本设计是基于 51 系列单片机来进行的数字计算器系统设计，可以完成计算 器的键盘输入，进行加、减、乘、除基本四则运算，并在LCD上显示相

4、应的结果； 设计电路采用AT89C51单片机为主要控制电路，利用 MM74C92作为计算器4*4 键盘的扫描IC读取键盘上的输入；显示采用字符 LCD静态显示；软件方面使用 C语言编程，并用PROTUE仿真。 2、设计题目与设计任务： 现实生活中人们熟知的计算器，其功能主要如下：（ 1）键盘输入；（ 2）数 值显示；（3）加、减、乘、除四则运算； （4） 对错误的控制及提示。 针对上述功能，计算器软件程序要完成以下模块的设计： （1） 键盘输入检测 模块；（2）LCD示模块；（3）算术运算模块；（4）错误处理及提示模块。 3、主体设计部分： 1）、系统模块图： (2)、算术运算程序流程图: 数

5、值送显示缓冲 (3)、系统总流程图: N 读取键码 1 卩V 数字键 清零键 功能键 1 F 1P 键入数值 根据上次功能键和输入 状态清零 的数据计算结果 * N 本次功能键？丫 结果送显示缓冲 结果送显示缓冲 等待数值键入 等待数值键入 数值送显示缓冲 结果送显示缓冲 等待数 值键入 LCD显示 （4）、硬件设计： （一）、总体硬件设计: 本设计选用AT89C51单片机为主控单元； 显示部分：采用LCD静态显示; 按键部分：采用4*4键盘；用MM74C92为4*4键盘扫描IC,读取输入的键值。 总体设计效果如下图： ;dMU Eg 血 ?1 IM. 円2 P1J rt- rijs FIJI

6、 pi.- rm* fZAD r2JIU.ll 工曲I? F3MI3 L4焙闻F7 ErJT- a Zk 1* r 旳 rsEt nnnn nnnB 呛他U百 *iaRxt n IT.- E “zinr 叮孑右 ra.E F3-TT1 科型楚 n*a jan HOH nn+ （二八单片机接口电路说明: 1、手动上电复位电路： 当VCCh电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫 秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。 工作期间，按下S, C放电。S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单 片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。 C

7、-I HI 2、内部时钟模式电路： XTAL1 只需在XTAL和XTAL2引脚连接一个晶 GZD 当单片机工作于内部时钟模式的时候， 体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，在使用时对于电容的选择 有一定的要求： 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择 3= C2=30+10p或 30-10pF； 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择 3= C2=40+10p或 40-10pF； 3、AT89C5单片机引脚介绍： VCC 供电电压。 GND接地。 P0口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收 8TTL门电流。当P0 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于

8、外部程序数 据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部 必须被拉咼。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输 出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2口： P2口为一个内部上拉电阻的 8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出 4个TTL门电流，当P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高

9、，且 作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16位地址外 部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1 ” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号。 P3口： P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL门电 流。当P3口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL ）这是由 于上拉

10、的缘故。 P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口： RXD（串行输入口）TXD （串行输出口）/INTO （外部中断0） /INT1 （外部中断 1 ） T0 （记时器 0外部输入） T1 （记时器 1外部 输入） /WR （外部数据存储器写选通） /RD （外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平 时间。 ALE/PROG当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE端以不变的频率周期输出正脉

11、冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意 的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止 ALE的输出可在SFR8E哋址上置0。此时，ALE只有在执行 MOVX MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外 部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效 的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP :当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（OOOOH-FFFFH）,

12、不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为 RESET当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程 期间，此引脚也用于施加 12V编程电源（VPP。 XTAL1 :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 4、单片机与复位、时钟电路连接电路图: C3 30 - .订m| xi. .11 .rpvQTai C4 1 - - ,uTE：Ta Ou O O Dy67 BB75 XTAI 1 P0.0/AD0 PQ/AD1 XTAL2 P0.3/AD3 P0 5iAD5 P0,6；AD6 AST P0.7JAD7 P2 D/

13、A8 P21倔 F2.2/A1： I-SEN P2.3/A11 ALE P2.4/A13 FX p O C/A 4 q P2.6/A14 P2.7/A15 P1 n P3.CVRXD F 1 1 P3.1/TKD Pl 2 F3.2/NTT P1 3 F3.iNTT P1 4 P3 4/T0 Fl 5 PS T1 pi.e P3.6AWR P1.r p? d 19 ! 1S 36 : 9 3；: ；矽 科T8兀引 28 : 39 I T7： 二 忙： 17 : 21 : ”： R1 E601 1.-2 （三）键盘接口电路: 计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方 式，

14、在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的I/O 口资源，因此在很多 情况下都不采用这种方式，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条I/O线 作为行线，四条I/O线作为列线组成键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一 个按键。这样键盘上按键的个数就为4X4个。这种行列式键盘结构能有效地提高 单片机系统中I/O 口的利用率 矩阵键盘的工作原理： 计算器的键盘布局如图1所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用 一个P 口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用 图1矩阵键盘布局图 矩阵键盘内部电路图如图2所示: 为了进一步节省单片机I/O 口资源，我们在设计中使用了 MM74C9

15、2芯片。 MM74C92是一款4*4键盘扫描IC ,它可检测到与之相连的4*4键盘的按键输入, 并通过数据输出口将按键相应的编码输出。其引脚图如图3所示： Pin Assignment for DIP -Vcc LJAtAOur A RQWr3 HQW r4 DATA OUT R BSCHLATOft 竺 DATA OUT J iKtm mE im第h 上 ULjrpfrnCTT 2L QflTApai C DATA AVAILABLE COLUMN )(3 cai UMH XI COlUMM K2 Top View MWI94C922 图3 MM94C22硬件图 MM74C922I 脚说明：

16、 Y1Y4 （脚1脚4）: 4*4键盘第一列至第四。 X1X4 （脚11、10、8、7）: 4*4键盘第一行至第四行。 （3） DOADO（ Dataout AD,脚 1417）:按键之 BCD码输出，其中 DO/为 LSB DOD为 MSB VCC （脚18）:电源脚，+3V+15V ab126计算公式大全 GND （脚9）:接地管脚。新艺图库 OSC（ Oscillator ，脚5）:键盘扫描电路之频率所需外加电容的连引脚。 KBM（Keyboard Mask，脚6）:内部消除开关弹跳电路所外加电容的引脚。 （8）OE（ Output Enable，脚13）:芯片使能脚，接低电位可使芯片使

17、能。 （9）DA（ Data Available ，脚12）:数据有效输出脚。任一按键按下时，此脚 位会输出高电位，按键释放后此脚又会恢复为低电位。 MM74C92对各按键的响应如下表所示： Truth TabFes (Pins D thrcutjli 11) Switch Position C 12345078910 tl Y1.X1 Y1_X2 Y1X3 Y1.X4 2X1 Y2.X2 Y2.X3 2X4 V3.X1 3X2 3 X3 YJti D A T A O u A 0 C D f NnTfl 1) 0 0 0 u 0 ft (Pihs12ttirDigh19 Bwitch Pocr

18、ticri (I a a 1 a 1 a o ( 121314151?1819 V4.X1 V4 X2 V4,X3V4,X4 Y$(Nate1|. Y5 (hlotel), 6 (Nate VE 1), X1X2X0X4 A 0 u T A 8 i； D EfNote 1) 0 0 0 o 0 0 1 VOmr mr MM/dt 亿 如下图4所示，在本设计中，计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到 MM74C92的X1-X4、Y1-Y4引脚，MM74C92的数据输出口与单片机的 P2 口相连, MM74C92的DA引脚经过一个非门连接到单片机的/INTO脚，当MM74C92检测到 键盘输入时

19、，DA产生高电平，与之相连的/INTO检测到低电平，给单片机一个中 断，单片机从P2 口的低四位读入键盘上按下的键的值。 也話. 込 Qu . -C2 U1 KBlVt asc 4 is in 14 12 13 DE A P G D D 图4 键盘接口电路图 （四八LCD显示模块: 本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。通过 D0-D7引脚向LCD写指 令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应数据。 图5 LCD模块 LCD1 （五）运算模块（单片机控制）： MCS-51单片机是在一块芯片中集成了 CPU RAM ROM定时器/计数器和多 功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。

20、如果按功能划分，它由如下功能 部件组成，即微处理器（CPU、数据存储器（RAM、程序存储器（ROM/EPROM 并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR 。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能， 尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能， 高 效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件， 可以很 快地实现运算功能 、软件编程： 1、主函数设计： 函数声明 /* #in clude #in clude #defi ne uchar un sig ned char #defi ne uint

21、 un sig ned int char tran slate(i nt keycode); void arithmetic。; void ini t_LCM(); void write_data(char ddata); void write_com(char comma nd); void check_BF(); void clearLCD(); void display(long a); void dealerror(); void dataoverflow(); 定义变量和数组 /* long x=0,y=0,num=0; int operators,input,iny=0; char

22、 key; char error5=error; char overflow8=overflow; sbit EN=P3A4; sbit R_W=P3A5; sbit RS=P3A6; 主函数 * /* main() EA=1; EX0=1; IT0=1; P2=0 xff; display(0); init_LCM(); write_data(0 x30); while(1) 2、分块程序设计： (1)、键盘输入检测程序设计： 有键按下时，单片机响应外部中断 0，转入外部中断 0 中断处理函数，在中 断处理函数中完成对按键的判断，以进行下一步的程序处理 键值转化为键盘上按键值函数 */ ch

23、ar translate(int keycode) switch(keycode) case 0: return 7; break; case 1: return 4; break; case 2: return 1; break; case 3: return c; break; case 4: return 8; break; case 5: return 5; break; case 6: return 2; break; case 7: return 0; break; case 8: return 9; break; case 9: return 6; break; case 10:

24、 return 3; break; case 11: return =; break; case 12: return /; break; case 13: return * break; case 14: return -; break; case 15: return +; break; 外部中断 0处理函数 */ void INT_0(void) interrupt 0 using 0 key=translate(P2 if(key=0) / 判断按下的键是否为数值 num=num*10+(key-0); if (operators0) y=num; iny=1; else x=num;

25、 if(num-8) / 当前数值是否超出限定范围 display(num); else dataoverflow(); else switch(key) case c: x=0; y=0; num=0; iny=0; operators=0; display(num); break; case =: arithmetic(); iny=0; operators=0; num=0; break; case +: if (operators) arithmetic(); operators=1; num=0; break; case -: if (operators) arithmetic();

26、 operators=2; num=0; break; case 1*1. if (operators) arithmetic(); operators=3; num=0; break; case /: if (operators) arithmetic(); operators=4; num=0; break; （2）、算术运算程序设计： /* 算术运算函数 */ void arithmetic() if (iny) switch(operators) case 1: x=x+y; num=x; if(num-8) display(num); else dataoverflow(); bre

27、ak; case 2: x=x-y; num=x; if(num-8) display(num); else dataoverflow(); break; case 3: x=x*y; num=x; if(num-8) display(num); else dataoverflow(); break; case 4: if (y=0) dealerror(); else x=x/y; num=x; if(num-8) display(num); else dataoverflow(); break; y=0; (3)、LCD显示程序设计: 利用LCD静态显示，通过程序向LCD写指令字或数据使L

28、CD完成不同功能或 显示相应数据 /*LCD 初始化函数 */ void init_LCM() write_com(0 x30); write_com(0 x30); write_com(0 x30); write_com(0 x38); write_com(0 x08); write_com(0 x01); write_com(0 x06); write_com(0 x0e); LCD 写数据函数 void write_data(char ddata) RS=1;/* 写指令*/ R_W=0; EN=1;/* 使能信号开 */ P仁ddata;/*将数据送入pl 口 */ EN=O;/*使能信号关*/ check_BF(); /*LCD 写指令函数 */ void write_com(char command) RS=O;/*写指令*/ R_W=O; EN=1;/*使能信号开*/