TI杯大学生电子设计大赛——计算器设计报告

摘要本设计采用一片MSP430F2254单片机作为系统输入、计算、显示、控制的核心。采用4*4键盘作为输入设备，LCD（1602）作为输出设备。进行计算时，用户通过键盘输入算式，经单片机处理，显示器就可以显示计算结果。AbstractBasedononemicrocontroller,thesystemcanachievefunctionsofinputing,calculating,displayingandcontrolling.A4*4keyboardisusedasitsinputdeviceandaLCD(1602)servesasitsoutputequipment.Whileusingthecalculator,usercaninputtheequationbythekeyboard,theLCDwillsoonshowtheresultaftermicrocontroller'sprocessing.一、方案设计与论证1.概述根据题目要求，整个计算器分为单片机计算控制模块、键盘输入模块、LCD显示模块。各模块基本系统框图如图1-1所示。对于每个模块，先提出多个方案进行比较和论证，最终确定适合整个系统的最佳方案。2.各模块方案的提出、选择及论证（1）输入模块①键盘的排布形式方案一：阶梯式键盘图1-2阶梯式键盘将按键以阶梯形式排布。该方案优点在于排布方式新颖，节省I/O口。其劣势在于占用额外元件且扫描方式复杂。方案二：矩阵键盘键盘输入模块图1-1系统总框图计算控制模块LCD显示模块图1-3矩阵键盘将按键以矩阵形式排布。该方案的优点在于外观整齐大方，接线方式统一，比独立式键盘（由一个I/O口单独识别一个按键）节约了许多系统资源，但在一些较复杂项目中还是显得过于占用硬件。鉴于系统工作量不是很大，我们选择方案二。②键盘值读取方法方案一：中断式在键盘按下时产生一个外部中断通知CPU，并由中断处理程序通过不同位址读取资料线上的状态来判断哪个按键被按下。方案二：反转式先将所有行扫描线输出低电位，读取列值。若列值有一位是低，则表明该行与低电位对应列的键被按下，接着所有列扫描线输出低电位，再读行值。根据读到的值组合就可以查表得到键码。方案三：扫描式对键盘上每一行送低电位，其他为高电位，然后读取列值。若列值中有一位是低，表明该行与低电位对应列的键被按下，否则扫描下一行。结合实际编程需要，我们选择方案三。（2）计算控制模块①单片机选用选用MSP430系列单片机，其优点在于体积小、低功耗，同等价格下功能强大，开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。运行速度快，抗干扰能力强。②单片机供电方案一：由独立电源对系统进行供电，可用一节7.2V干电池和稳压电路将电压分别稳压到5V和3.3V，实现对LCD显示器和单片机独立供电。其优点在于，可将系统做成简易便携式产品，其缺点在于，需要芯片较多，资金投入稍增。方案二：用实验稳压电源（5V）对LCD进行供电，利用并口线跟台式机相连即可对单片机供电。此方案优点在于，电源供电电压稳定，功率强劲，但其不够灵活方便。根据题目要求，我们选择方案二。（3）LCD显示模块采用32位LCD显示。此方案体积较小，较易实现，成本低廉，可显示2行×16字中文及符号，内容丰富。二、理论分析与硬件设计1、输入电路输入电路如图1-4所示。图1-4如图1-5所示，当列中PD7送低位，其他列送高位，则若PD0为低位，按键7被按下；如果PD0~3都为高位，则说明这一列没有按键被按下，继续扫描下一列，这样往复扫描就可以实现键盘的输入。图1-52.计算控制电路（略）3.显示电路显示电路如图1-6所示。图1-6键盘输入的数据经过单片机控制，在LCD上实时显示，数据处理的结果也会及时的显现出来。最终确定的系统电路图如图1-7所示。图1-7三、软件设计及创新1、程序流程图系统主要控制电路由一片单片机MSP430F2254组成，它既控制键盘输入的扫描及数据运算，又控制LCD实时显示输入数据和计算结果。键盘输入和LCD显示程序流程图如图1-8所示。2、基本功能与创新①能够实现＋（加）、－（减）、×（乘）、÷（除）、√（平方根）等题目要求功能。②将数值定义为实整型，扩大了计算范围（0~65535）。③能够进行连续运算，即将上一步的计算结果带入下一步进行计算（连续计算的次数由屏幕能够显示的内容决定）。④能够在0~65535范围之内计算任意数的任意次方根。⑤能够在0~65535范围之内计算任意数的任意次幂。⑥“=”加任意数字键清楚屏幕内容。⑦显示开机画面“welcome！”。图1-8开始LCD显示开机画面有新指令？NY判断指令清屏计算出错清除屏幕内容乘法运算错误提示执行指令显示结果加法运算减法运算除法运算乘幂运算开根运算四、系统测试按照系统电路图连接好电路，打开电源进行测试。1、显示测试将键盘输入的数据实时显示在LCD上，测试数据如表2-1所示。输入数据显示结果误差44无√√无4＋54＋5无表2-12、计算测试举例对各种运算进行测试，测试结果如表2-2所示。运算输入数据显示结果误差加法12＋512＋5=17无减法8－138－13=-5无乘法2×32×3=6无除法4÷34÷3=1.3333无开根√5√5=2.2361无乘幂2^42^4=16无连续运算(2＋3－4)×52＋3=－4=×5=5无表2-23、结论经过对系统的分析与测试，此系统基本达到设计制作要求。