基于8051与1601LCD设计的计算器

1、 密级： nanchang university学 士 学 位 论 文thesis of bachelor（20082012年）题 目: 基于8051与1601lcd设计的计算器 英文题目: in 8051 and 1601 lcd design calculator 学 院: 系 别: 信息工程系 专 业: 电子信息工程 班 级: 电子信息工程（本） 学生姓名: 学 号: 8051107013 指导老师: 起讫日期: 2012年2月1日2012年4月30日 目录摘要.1第1章 绪论.3第2章 方案论证与设计.42.1 要求与内容.42.2 方案一.62.3 方案二.62.4 方案三.72.5

2、 方案四.72.6 方案论证与设计.7第3章 硬件模块介绍.73.1 系统模块图.83.2 单片机.83.3 输入模块：键盘扫描.93.4 运算模块：单片机控制.113.5 显示模块：lcd1602.11第4章 软件设计.124.1 读键输入程序流程图设计.124.2 主程序流程图设计.13最后总结.14第5章 硬软件的调试.155.1 调试.155.2 实验结果与性能达标.16结 论.17致 谢.18参考文献.18附录一 系统原理图.19附录二 程序源代码.20 摘要当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所

3、未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。过去习惯于传统电子领域的工程师、技术员正面临着全新的挑战，如不能在较短时间内学会单片机，势必会被时代所遗弃，只有勇敢地面对现实，挑战自我，加强学习，争取在较短的时间内将单片机技术融会贯通，才能跟上时代的步伐。 它所给人带来的方便也是不可否定的，它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单片机的发展迅速，其产品之多令人目不暇接，单片机应用不

4、断深入，新技术层出不穷。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。本设计是由单片机实现的模拟计算器，它不仅能实现数据的加减乘除运算，而且还能使数据及其计算结果在数码管上显示出来，能够实现0-256的数字四则运算。本设计是用单片机at89c51来控制，采用共阳极数码显示，软件部分是由c语言来编写的。设计任务利用键盘和数码管设计一个简单的数学计算器，可以完成简单的如加，减，乘，除的四则运算，并将运算结果在数码管上显示出来。 abstra

5、ctthe modern era, is a new technology emerge in endlessly era. in the electronic field, especially automation intelligent control field, the traditional division components or digital logic circuit consists of the control system is unprecedented speed is single chip microcomputer intelligent control

6、 system is replaced. scm has small, strong function, the cost is low, the wide application advantages, such as, say, intelligent control and automatic control is the core of the single chip microcomputer. at present, a study and application of the climax of the single chip microcomputer is factory,

7、schools and enterprises and institutions rise on a large scale. the past used to traditional electronic fields of engineers, technicians are faced with new challenges, such as not in a relatively short period of time to learn a single-chip microcomputer, certainly will will be thrown up by age, only

8、 brave to face reality, challenge ourselves, strengthen learning, for in a relatively short time will of single chip microcomputer mastery, to keep up with the pace of the times.it brings convenience is not negative, it on a chip integrated within the functions of computer parts, constitute a kind o

9、f single chip microcomputer. since the 1980 s, the international on mcu development rapidly, its product of dazzling, scm unceasingly thorough, new technology are endless. the 20 th century, electronic technology has experienced rapid growth in its promotion, modern electronic product almost permeat

10、ed every area of society a powerful impetus to the development of the social productive forces and the enhancement of social informatization, and at the same time, make modern electronic products to further improve the performance, product update rhythm also more and more quickly.this design is by m

11、icrocomputer simulation calculator, it can not only realize the data add, subtract, multiply and divide operation, and still can make the data and results in digital tube displayed, will be able to realize the 0-256 digital arithmetic. this design is at89c51 single chip microcomputer to control with

12、, of all the anode digital display, software part is written by the c language. design taskusing a keyboard and digital pipe design a simple mathematical calculator, can complete simple as add, subtract, multiply, divide arithmetic, and the operation result in digital tube will be displayed. 第一章 绪论计

13、算器（calculator）是微型电子计算机的一种特殊类型。它与一般通用计算机的主要区别在于程序输入方式的不同。计算器的程序一般都已经固定，只需按键输入数据和运算符号就会得出结果，很容易就能掌握。而一般计算机的程序可以根据需要随时改动，或重新输入新的程序。简易计算器主要用于加减乘除；科学计算器，又增添了初等函数运算（有的还带有数据总加、求平均值等统计运算）。现代电子计算器首次问世是1963年。那时的计算器是台式的，在美国波士顿的电子博览会上展出过。与计算机相比，它小巧玲珑，计算迅捷，一般问题不必事先编写复杂的程序。随着社会需求，计算器也从原有单一的数字加减计算演变为复杂的多种运算。现在不在单一

14、的在某一方面而是涉及到生活的方方面面.计算器为人们日常生活中省去了大量的时间和精力，成为现代社会最普遍、最实用的计算工具，作为学习电子行业的我们，就更应该更贴近生活，开发制作一些具有实用意义，又具有学习意义的小产品。在设计中，把理论与实践相结合，用理论来指导实践，通过实践更好的掌握理论知识，达到全面提高各方面的专业知识和专业技能。因此针对以上方面，在贴近自己的实际生活中，结合自己专业特点，选择用8051单片机来设计简易计算器，一方面，简易计算器对我们来说比较熟悉，对没有很多设计经验的我们来说也比较容易能接受，容易激发我们的兴趣。另一方面，在单片机百花齐放的时代，我们需放点精力在单片机上，针对为

15、何选8051，因为它是一种通用型的单片机，性价比较高，虽然是8位的单片机，但现在应用的量及范围还很大，同时，因51单片机发展的历史长，学习资料比较多而且完善。总之，这是我选择用8051来设计简易计算器的原因。 第二章 方案设计与论证2.1 要求与内容 为了满足计算器的基本要求，可以基本的运算（加减乘除），数据归零和出错警告提示，我们采用基于单片机设计计算器，并用lcd 液晶显示数据，4*4 的矩阵键盘实现数据输入，程序语言我们使用c语言。2.2 方案一此方案中，该计算器的设计采用了现场可编程逻辑器件fpga的asic设计，并基于超高速硬件描述语言vhdl在xilinx公司的spartanii系

16、列的2sc200pq2085芯片上编程实现整个系统的控制。计算器以fpga为核心控制器，系统由分频模块、运算模块和译码显示模块四个模块构成。利用硬件描述语言编程，仿真调试后下载到可编程逻辑器件上实现。对计算器工作的过程进行判断和处理。2.3 方案二 用数字逻辑电路设计简易计算器，此方案中，用两块带并行输入的bcd码计数器74ls192芯片，和一块8位数比较器74ls682,，两块bcd七段译码器，两个数码管和脉冲发生电路来实现的。该计算器用555做时钟信号发生器，通过选择开关把cp脉冲加到计数器，计数器置数时，先将置数开关合上，再通过bcd拨码开关置数，完成后将置数开关复位，计数器的输出要通过

17、七段译码器送到数码管显示，将计数器的输出信号送到比较器与所设的上限数值进行比较，将比较结果再通过继电器输出，将结果送到脉冲信号发生器，进行加减法计算。2.4 方案三基于arm简易计算器的设计此方案中，基于jxarm9-2410实验箱实现计算机器，要求可实现带括号以及优先级的计算器。可运算加减乘除等基本运算。它的计算原理置操作数栈为空，操作符栈压入元素"#"(它具有最高优先级),依次读入表达式中的每个字符ch，如果ch是操作数，则ch压入操作数栈，如果ch是操作符，那么将ch和操作符栈顶元素进行优先级比较（如×优先级高于）。如果优先级大于当前栈顶元素，那么将其压栈，

18、如果其优先级小于当前栈顶元素，那么执行取当前栈顶操作符，如果优先级相等，则当前操作符出栈.2.5 方案四基于单片机的简易计算器设计此方案中，硬件主要由四部分组成，核心部分为8051单片机芯片，按键部分是一个keypad-calculator键盘，采用软件识别键值，并执行相应的操作。显示部分是一个1601液晶显示器。软件部分主要用c程序语言来实现。执行过程：开机显示零，等待键入数值，当键入数字，经通过数码管显示出来，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，按等号就会在数码管上输出运算结果。2.6 方案论证与设计方案一：用fp

19、ga来实现 ，可以将所有器件集成在一块芯片上，体积大大减小，外围电路也比较简单，易于实现，但其运算速度比单片机实现慢，价格也比较昂贵。方案二：利用逻辑运算电路，由加法器，控制器，延时电路以及一些辅助电路构成，然后对单元电路进行焊接，组合，比较直观、逻辑器件分工鲜明、思路也比较清晰，但是由于通道的元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。方案三：采用对于现有的开发硬件平台的试验箱来实现，对于设计的器件运用不会太复杂，费用也较低，但是在这种基础上的设计比较没有普遍性，很少能拥有这种条件的。方案四：采用8051单片机加上外围的键盘模块和液晶显示模块，通过

20、软件编程，仿真，调试，符合要求后将程序用编程器写入到单片机芯片上，利用单片机的中断响应计算器运算的请求，然后进行相应的处理。利用ram存放计算器系统存储的数据，从而可以根据需要随时的读入和写出。虽然处理速度比arm速度慢，但是用来设计计算器还是能满足要求，而且单片机的接口简单，方便我们使用，同时降低了我们的设计成本。因此我们选择单片机来实现的方案。用8051单片机作为中央处理单元进行计算器的设计。针对软件编程，看个人习惯，用汇编来实现或者用c语言程序来实现都可以。c语言可能会更加简短和容易理解，实现起来比汇编要快一点。总结 采用方案四利用单片机来实现，对单片机快速发展的时代，单片机的应用正在不

21、断地走向深入。研究单片机，熟练单片机的开发流程对应届毕业生来说是很有难度且有重要意义的，通过自己对这次简易计算器的设计和实践，能够掌握单片机的设计流程及基本原理，对单片机的认识有个质的飞跃。作为大学生的我们，尤其是电子信息专业的我们，对于开发单片机，探索单片机，增强自己的专业技术技能，为我国的高科技技术贡献一份自己力所能及的力量更是特别重要。系统模块图： 单 片 机 输入 模块 显示 模块 第三章 硬件模块介绍3.2 单片机80c51 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。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器

22、（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，可以进行很快地实现运算功能，如图2-1所示： 3.3 输入模块：键盘扫描 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，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。为此，我们引入了矩

23、阵键盘的应用，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 4×4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2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。 8/*=-+976543201 图2：矩阵键盘布局图 p30 p31p32p33p34p35 p36 p37 图3：矩阵键盘内部电路图由图 3矩阵键盘内部电路图可以知道， 当无按键闭合时， p30p33与p34p37

24、之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条 i/o 口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线 p34p37 为输入状态，从行线 p30p33 输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，行线轮流输出低电平，从列线 p34p37 读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果，可确定按键编号。 但是键闭合一次只能进行一次键功能操作， 因此须等到按键释放后， 再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。 3.4 运算模块：单片机控制 at80c51 单片机是在一块芯片中集成了 cpu、ram、rom、定时器/

25、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。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）。35 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，可以进行很快地实现运算功能。 3.5 显示模块：lcd1602 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

26、数据以使lcd实现不同的功能或显示相应数据。 第四章 软件设计4.1 读键输入程序流程图设计 为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码键码。为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。列扫描信号进行读入行的信号判断该列是否有列的输出是则进行按照行列计算键盘的值，查表取得键码并返回若否则进行再次扫描。其程序框图如下： 开始 初始化地址参数 4列扫描完？ 该列有键输入？ 列扫描信号移位 返回 输出列扫描信号 读入行信号 是 按照行列计算键值 查表得键码 等待按键释放 返回否4.2主程序流程图设计 运算主程序设计首先初始化参数，送led低位显示“0”

27、，高位不显示。然后扫描键盘看是否有键输入，若有，读取键码。判断键码是数字键、清零键还是功能键（“+”“-”“*”“/”“=” ），是数值键则送led显示并保存数值，是清零键则做清零处理，是功能键则又判断是“=”还是运算键，若是“=”则计算最后结果并送led显示，若是运算键则保存相对运算程序的首地址。运算主程序框图如3-4所示： 开始等待数值键入结果送显示缓冲保存结果和功能键计算最后结果其它键是“=”本次功能键根据上次功能键和输入的数据计算结果数值送显示缓冲状态清零输入数值初始化参数lcd显示有键输入读取键码功能键盘清零键键码是？数字键盘 图4.2 运算主程序框图 最后总结 ： 本设计采用 80

28、s51芯片，实现了利用单片机进行了一个简单计算器设计。允许对输入数据进行加减乘除运算及 lcd 显示。如果设计对象是更为复杂的计算器系统，其实际原理与方法与本设计基本相同。 另外，实例所设计的计算器是用 lcd 液晶显示的，当然也可以用其他的器件显示，这样就可以显示出更多的字符，在此基础上，还可以编写更加完善的程序来实现更多的计算功能。 设计的关键所在，必须非常熟悉单片机的原理与结构，同时还要对整个设计流程有很好的把握，将单片机和其他模块完整的衔接。 第五章 硬软件的调试 5.1调试 一般lcd易出现的现象，我再做实验的时候遇到过以下几种情况：状态1 上电之后，1601的第一行全黑，即16个5

29、x8黑块产生原因：液晶根本就没有进行初始化操作，需要检查连线或者程序。运气不好的情况下就是整块lcd是坏的。状态2 运算结果显示乱码 产生原因：在本作品的程序中，我只设计了最多三位数运算，结果最多只能显示四位数，超过了就不能够正常的运算或显示，如果要实现更多的位的运算或显示更多的位的数则需要在程序中做些改动。5.2实验结果与性能达标1. 加法运算 2. 减法运算 3. 乘法运算 4. 除法运算 我的计算器只能进行最多三位数结果最多显示四位数的四则运算，如果要进行更大的数的运算则只需要在程序中稍加改动即可。 结论 经过近两个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪

30、里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用到的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。急于求成是不好的，我有所感受。如果省略了那些必要的步骤，急于求成，不仅会浪费时间

31、，还会适得其反。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。 在此次的毕业设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要要性。一份耕耘，一份收获。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础

32、。 本次毕业设计让我学到了很多，也学会到了要怎么样去面对困难，不要对知识一知半截，要有的求实的能力，通过老师的帮助我学到了很多在平时的没有注意到的动东西及知识，更美没有深入的的去理解，通过这次我要更加的明确自己。更要注重自己在各方面的锻炼能力，把握机会。这次的设计非常的感谢老师们。 致 谢毕业设计就要结束了，在这一段时间里，我感到自己的收获是非常大的，使我在专业技能、动手能力多方面都有了很大的提高。在整个设计过程中，受到了我们老师和同学的热切关注和耐心辅导，特别是对我进行了系统的讲解和指导，对设计提出了很多建设性的意见及建议，对我的设计起到了指导性和决定性的作用，还教给了我们遇到问题，如何去分

33、析问题、解决问题的方法。使我受益匪浅。从接受课题到现在完成毕业设计论文，尤其是在课题设计的前期准备工作和设计的过程中，导师提出了许许多多宝贵的设计意见，在最后的论证修改过程中老师还在百忙之中，抽出时间对我的论文提供了必要的指导和帮助。这使得我能够顺利的完成毕业设计工作。在这里我向他表示真诚的感谢！同时得到了同组同学的支持与帮助，使我深刻的体会到了良师益友给我带来的帮助，在此表示深深的感谢！感谢母校的辛勤培育之恩！感谢它给我提供的良好学习及实践环境，使我学到了许多新的知识，掌握了一定的操作技能。感谢和我在一起进行课题研究的同学们，和他们在一起讨论、研究使我受益非浅。感激师友的教诲和 参考文献 1

34、 胡 辉. 单片机原理与应用. 北京:中国水利水电出版社，20072 林志琦. 单片机原理接口及应用（c语言版）. 北京:中国水利水社，20073 赵克林. c语言实例教程. 北京:人民邮电出版社，20074 姜承昊. 最新led驱动电路设计、应用与制造新技术新工艺实用手册.北京:中国科学技术文献出版社,20085 6 附录一：系统原理图附录二：程序源代码#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned ch

35、arsbit dw=p27;sbit lo=p26;sbit e=p16;sbit lcdrs=p21;sbit rw=p15;uchar temp,num,i;uchar code table13="hello world !"extern unsigned char temp13,temp23;/uchar code table1="somewhere i belong!"uchar code asc_code='0','1','2','3','4','5'

36、;,'6','7','8','9','+','-','e','=','*','/'uchar keyscan();void calcul();/*- 延时函数-*/void delay(uchar z) uchar x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);/*- 判忙函数-*/ bit lcd_check_busy(void) p0= 0xff; lcdrs=0; rw=1; e=0;

37、_nop_(); e=1; return (bit)(p0 & 0x80); /*- 写指令函数-*/void write_com(uchar com) while(lcd_check_busy(); /忙则等待 delay(5); e=0; lcdrs=0; rw=0; e=1; p0=com; e=0; /*- 写数据函数-*/void write_data(uchar dat) while(lcd_check_busy(); /忙则等待 delay(5); e=0; lcdrs=1; rw=0; e=1; p0=dat; e=0;void init() lo=0; dw=0; e

38、=0; write_com(0x38); /*显示模式设置*/ delay(5); write_com(0x38); delay(5); write_com(0x38); delay(5); write_com(0x38); write_com(0x08); /*显示关闭*/ write_com(0x01); /*显示清屏*/ write_com(0x06); /*显示光标移动设置*/ delay(5); write_com(0x0f); /*显示开及光标设置*/*- 清屏函数-*/void lcd_clear(void) write_com(0x01); delay(5); /*- 写入字符

39、函数-*/ void lcd_write_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char data) if (y = 0) write_com(0x80 + x); else write_com(0xc0 + x); write_data( data); /*- 显示函数-*/void display(int a)uchar bai,shi,ge; bai=a/100; shi=a/10%10; ge=a%10; if(bai!=0) write_data(asc_codebai); write_data(asc_codeshi); write_data(asc_codege); /*- 键盘扫描-*/uchar keyscan() p3=0x7f; temp=p3; temp=temp&0x0f; while(temp!=0x0f) /检测是否有按键按下 delay(5);/清抖 temp=p3;temp=temp&0x0f;wh