基于单片机的简易计算器设计

目录引言...................................................................1第一章设计原理及要求..................................................21.1设计方案的确定....................................................21.2系统的设计方案....................................................21.3系统的设计要求....................................................2第二章硬件模块设计....................................................42.1单片机AT89C51....................................................42.1.1AT89C51芯片的特点............................................52.1.2管脚说明.....................................................52.1.3振荡器特性...................................................72.1.4芯片擦除.....................................................72.2键盘控制模块......................................................72.2.1矩阵键盘的工作原理...........................................82.2.2键盘电路主要器件介绍.........................................82.3LCD显示模块.....................................................102.3.1显示电路....................................................112.3.2LCD1602主要技术参数.........................................112.3.3引脚功能说明................................................112.4运算模块（单片机控制）...........................................12第三章软件设计.......................................................143.1功能介绍.........................................................143.2系统流程图.......................................................143.3程序.............................................................16第四章系统调试.......................................................174.1软件介绍.........................................................174.1.1KeiluVision2仿真软件简介...................................174.1.2protues简介.................................................17内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4.2软件调试.........................................................184.2.1软件分析及常见故障..........................................184.2.2仿真结果演示................................................204.3硬件调试.........................................................21结束语................................................................23参考文献..............................................................24附录..................................................................25致谢..................................................................36内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言计算工具最早诞生于中国，中国古代最早采用的一种计算工具叫筹策，也被叫做算筹。这种算筹多用竹子制成，也有用木头，兽骨充当材料的，约二百七十枚一束，放在布袋里可随身携带。另外直到今天仍在使用的珠算盘，是中国古代计算工具领域中的另一项发明，明代时的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎相同。17世纪初，西方国家的计算工具有了较大的发展，英国数学家纳皮尔发明的“纳皮尔算筹”，英国牧师奥却德发明了圆柱型对数计算尺，这种计算尺不仅能做加、减、乘、除、乘方和开方运算，甚至可以计算三角函数、指数函数和对数函数。这些计算工具不仅带动了计算器的发展，也为现代计算器发展奠定了良好的基础，成为现代社会应用广泛的计算工具。1642年，年仅19岁的法国伟大科学家帕斯卡引用算盘的原理，发明了第一部机械式计算器，在他的计算器中有一些互相联锁的齿轮，一个转过十位的齿轮会使另一个齿轮转过一位，人们可以像拨电话号码盘那样，把数字拨进去，计算结果就会出现在另一个窗口中，但是它只能做加减运算。1694年，莱布尼兹在德国将其改进成可以进行乘除的计算。此后，一直到20世纪50年代末才有电子计算器的出现。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章设计原理及要求1.1设计方案的确定本设计是以单片机AT89C51为核心的简易计算器设计，要通过芯片AT89C51实现计算器程序运行来完成加、减、乘和除的简单计算功能。本设计运算模块由AT89C51实现，数据输入模块由4*4矩阵键盘电路实现，输出数据模块由LCD显示电路实现，再外加一个时钟电路和一个复位电路完成整个简易计算器的设计。1.2系统的设计方案本设计由以下几部分组成：AT89C51单片机系统（运算模块）、键盘电路、显示电路、时钟电路和复位电路构成，计算器系统框图如图1-1所示。图1-1计算器系统框图1.3系统的设计要求为了更好地实现系统的功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：1、优化硬件电路内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3采用软件设计与硬件设计相结合的方法。尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应的时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器（MCU）的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统的时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能地通过软件来实现硬件功能。2、可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下争取较少数量的芯片。3、灵活的功能扩展功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标之一。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展。根据提出的系统设计方案，结合以上三条原则，确定了系统硬件的设计。计算器主要由以下一些功能模块组成：非编码键盘模块、运算模块（单片机内部）和LCD液晶显示模块等。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。AT89C51单片机、LCD液晶显示屏显示电路和键盘电路是整个电路的核心，它们能实现系统的功能要求。简易计算器主要包括：键盘电路、运算电路和输出显示电路。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4第二章硬件模块设计在本设计中主要用到的硬件：单片机AT89C51、液晶显示屏LCD1602、4*4矩阵键盘。单片机AT89C51的硬件资源分配：(1)P3口：作为输入口，与键盘连接，实现数据的输入；(2)P0、P2口：作为输出口（P2口为高位，P0口为低位），控制LCD液晶显示屏显示数据的结果；(3)P1口和部分P3口：作为液晶显示屏LCD1602显示输出。2.1单片机AT89C51本设计所用单片机采用AT89C51单片机，它兼容于MCS－51系列单片机，而且具有1000次可擦写的FLASHMEMORY，方便于系统的开发以及参数的修改。尽管它是8位机，但它的处理精度完全满足系统的设计要求。该种单片机的最高频率可达到24MHz。在12MHz时，其处理速度完全达到设计要求，AT89C51的实物图及引脚图如图2-1所示。图2-1单片机AT89C51实物图及引脚图内蒙古工业大学本科毕业设计说明书52.1.1AT89C51芯片的特点AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，他的特点如下：1、与MCS-51兼容2、1000写/擦循环3、4K字节可编程闪烁存储器4、数据保留时间：10年5、全静态工作：0Hz-24Hz6、三级程序存储器锁定7、128*8位内部RAM8、32可编程I/O线9、两个16位定时器/计数器10、5个中断源11、可编程串行通道12、低功耗的闲置和掉电模式13、片内振荡器和时钟电路2.1.2管脚说明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口能够用于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FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0口输出原码，此时P0口外部必须被拉高。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。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出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，且作为输入。当作为输出时，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。当P2口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，可接收和输出4个TTL门电流。当P3口写入“1