基于单片机的简易计算器的设计

江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第1页共36页基于单片机的简易计算器的设计摘要近几年单片机技术的发展很快，其中，电子产品的更新速度迅猛。计算器是日常生活中比较常见的电子产品之一。如何才能使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的硬件和软件条件，设计出更出色的计算器。本设计是以STC89C52单片机为核心的计算器模拟系统设计，输入采用4*4矩阵键盘，可以进行加、减、乘、除带符号数字运算（六位整数、两位小数），并在液晶显示屏LCD1602上静态显示操作过程及结果。关键词：单片机；液晶显示屏；计算器；矩阵键盘江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第2页共36页目录序言………………………………………………………………….4第1章方案论证………………………………………………….51.1芯片……………………………………………………….51.1.1方案构思…………………………………………….51.1.2方案比较与选择……………………………………….51.2输入模块…………………………………………………….61.2.1方案构思…………………………………………….61.2.2方案比较与选择…………………………………….61.3显示模块…………………………………………………….71.3.1方案构思…………………………………………….71.3.2方案比较与选择…………………………………….8第2章计算器硬件设计………………………………………….92.1系统组成及硬件框图………………………………………….92.2元器件简介……………………………………………….92.2.1STC89C52特点……………………………………….92.2.2LCD1602液晶显示屏………………………………….15第3章计算器设计原理分析…………………………………….183.1设计方案的确定…………………………………………….183.2计算器硬件方案及硬件资源分配…………………………….183.2.1硬件资源分配……………………………………….18江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第3页共36页3.2.2系统的硬件设计…………………………………….183.2.3键盘电路的设计……………………………………….193.2.4显示电路的设计……………………………………….20第4章计算器软件设计……………………………………….214.1计算器的软件规划……………………………………….214.2主模块的程序设计……………………………………….214.3显示模块的程序设计……………………………………….224.4键盘模块的程序设计……………………………………….24参考文献………………………………………………………….27结束语………………………………………………………….28致谢………………………………………………………….29附录一电路原理图…………………………………………….30附录二软件程序…………………………………………….31江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第4页共36页基于单片机的简易计算器的设计序言随着社会的发展，科学的进步，人们的生活水平在逐步地提高，尤其是微电子技术的发展犹如雨后春笋般的变化。电子产品的更新速度快就不足惊奇了。计算器在人们的日常中是比较常见的电子产品之一，如何使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更出色的计算器，使其更好地为各个行业服务，成了如今电子领域重要的研究课题。现如今，人们的日常生活中已经离不开计算器了，社会的各个角落都有它的身影，比如商店、办公室、学校……因此设计一款简单实用的计算器会有很大的实际意义。本设计旨在进一步掌握单片机理论知识，理解嵌入式单片机系统的硬软件设计，加强对实际应用系统设计的能力。通过本设计的学习，使我掌握单片机程序设计和微机接口应用的基本方法，并能综合运用本科阶段所学软、硬件知识分析实际问题，提高解决毕业设计实际问题的能力，为单片机应用和开发打下良好的基础。1、对字符液晶显示模块的工作原理，如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清楚的认识，并会使用LCD（液晶显示模块）实现计算结果的显示；掌握液晶显示模块的驱动和编程，设计LCD和单片机的接口电路，以及利用单片机对液晶显示模块的驱动和操作；2、在充分分析内部逻辑的概念，进行软件和调试，学会使用，并能够以其为平台设计出具有四则运算能力简易计算器的硬件电路和软件程序。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第5页共36页第1章方案论证1.1芯片1.1.1方案构思本设计中的芯片可以采用两种方案，一种是以FPGA为核心处理芯片，配备相应的外设；另一种是以STC89C52处理器，配备相应的外设。1、方案一：采用FPGA控制FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件，自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来，FPGA的集成密度和性能提高很快，其集成密度最高达500万门/片以上，系统性能可达200MHz。由于FPGA器件集成密度高，方便易用，开发和上市周期短，在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用，并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。但是基于SRAM编程的FPGA，其编程信息需存放在外部存储器上，需外部存储器芯片，且使用方法复杂，保密性差，而其对于一个简单的计算器而言，使用FPGA有点大材小用，成本太高。2、方案二：采用STC89C52单片机是单片微型机的简称，故又称为微控制器MCU（MicroControlUnit）。通常由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU，存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机广泛应用于智能产品，智能仪表，测控技术，智能接口等，具有操作简单、实用方便、价格便宜等优点。而其中STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容；且是单片机中最典型的代表，应用于各种控制领域。1.1.2方案比较与选择江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第6页共36页通过以上两种方案的论证和比较，从设计的实用性、方便性和成本等诸多方面考虑，最终选择了以STC89C52单片机作为中央处理单元进行计算器的设计，这样设计能够实现对六位整数、两位小数的加、减、乘、除的四则运算。1.2输入模块1.2.1方案构思1、方案一：采用独立式按键作为输入模块独立式按键输入模块，其特点是：直接用I/O口构成单个按键电路，接口电路配置灵活、按键识别和软件结构简单；但是当键数较多时，占用I/O口较多，比较浪费资源。其原理图如图1-2-1所示。图1-2-1独立的功能按键2、方案二：采用矩阵式键盘作为输入模块矩阵式按键输入模块，其特点是：电路和软件稍复杂，但相比之下，当键数越多时，越节约I/O口，比较节省资源。其原理图如图1-2-2所示。图1-2-2矩阵键盘输入1.2.2方案比较与选择江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第7页共36页本设计中的输入模块使用的是矩阵键盘输入。键盘输入预置用于计算，按键较多。若是采用独立按键，需频繁按键，为软件设计增加负担，且操作界面不友好；若是采用矩阵式按键，可以方便地输入一个数值，使操作界面更具有人性化，且节约了宝贵的I/O口资源。通过对比，故采用方案二作为系统输入模块。1.3显示模块1.3.1方案构思1、方案一：采用LED数码管静态显示采用LED数码管的静态显示，其特点是：其亮度较高；这种显示方式接口，编程容易且管理简单；不足的是，占用的I/O的线资源较多。如果采用单片机或CPLD/FPGA来控制的话，势必存在浪费I/O口资源的问题。如图1-3-1所示。图1-3-14位数码管静态显示2、方案二：采用LED数码管动态显示采用LED数码管的动态显示，其特点是：其亮度比静态显示的亮度要差一些；但其电路比较简单，适合于显示位数较多的情况。如图1-3-2所示。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第8页共36页图1-3-24位数码管的动态显示3、方案三：采用LCD1602液晶显示采用LCD1602液晶显示，其特点是：可以调节其背光亮度，这种显示方式接口，编程虽然有些麻烦，但管理较方便，占用的I/O口资源线也不多。1.3.2方案比较与选择本设计中的显示模块使用的是LCD1602液晶显示。在计算器运算中，需显示的数字、符号较多，按很据个方面的特点，而后可以发现LCD液晶显示，虽然在价格上的确是稍贵于LED数码管；但数码管在硬件设计电路中，会因线太多、线路复杂而过于繁琐，则舍弃LED数码管，选择LCD液晶显示。通过对比，故采用方案三作为系统显示模块。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第9页共36页第2章计算器硬件设计2.1系统组成及硬件框图图2-1-1系统组成及硬件框图2.2元器件简介2.2.1STC89C52特点图2-2-1单片机STC89C521、主要性能：（1）与MCS-51单片机产品兼容；（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；（3）1000次擦写周期；（4）全静态操作：0Hz-33Hz；江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第10页共36页（5）三级加密程序存储器；（6）32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、8个中断源；（7）全双工UART串行通信；（8）低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；（9）看门狗定时器；（10）双数据指针；（11）掉电标识符。2、STC89C52的功能特性概述STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门口定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器，8K字节在系统可编程Flash。同时，该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3、STC89C52的引脚功能单片机STC89C52为40引脚芯片，见图2-2-2。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第11页共36页图2-2-2STC89C52引脚图（1）口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用；作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。江苏技术师范学院毕业设