基于51單片機的簡易計算器論文設計.doc

電子設計結課論文 題 目 系 別 專 業(yè) 學生姓名 學 號 題目類型 題目類型 理論研究 實驗研究 工程設計 工程技術研究 軟件開發(fā) 年 月 日 基于基于 5151 單片機的簡易計算器單片機的簡易計算器 摘要 摘要 工程實踐教學環(huán)節(jié)是為了學生能夠更好地鞏固和實踐所學專業(yè)知識而設置 的 在本次工程實踐中 我以 智能化測量控制儀表原理與設計 MCS 51 系列單片微 型計算機及其應用 課程中所學知識為基礎 設計了簡易計算器 本系統(tǒng)以 MCS 51 系列 中的 8051 單片機為核心 能夠實現(xiàn)兩位數(shù)的四則運算 該系統(tǒng)通過檢測矩陣鍵盤掃描 判斷是否按鍵 經(jīng)數(shù)據(jù)轉換把數(shù)值送入數(shù)碼管動態(tài)顯示 本系統(tǒng)的設計說明重點介紹了如下幾方面的內容 1 基于單片機簡易計算器的基本功能 同時對矩陣鍵盤及 1602 顯示原理進行了簡 單的闡述 2 介紹了系統(tǒng)的總體設計 給出了系統(tǒng)的整體流程框圖 并對其進行了功能模塊劃 分及所采用的元器件進行了詳細說明 3 對系統(tǒng)各功能模塊的軟 硬件實現(xiàn)進行了詳細的設計說明 關鍵詞 關鍵詞 MCS 51 8051 單片機 計算器 加減乘除 目錄 目錄 第一章第一章 緒論緒論 1 1 2 設計目的 1 1 3 設計任務 1 1 4 章節(jié)安排說明 1 第二章第二章 計算器系統(tǒng)簡介計算器系統(tǒng)簡介 2 2 1 單片機發(fā)展現(xiàn)狀 2 2 2 計算器系統(tǒng)現(xiàn)狀 2 2 3 簡易計算器系統(tǒng)簡介 3 第三章第三章 主要器件簡介主要器件簡介 4 3 1 MCS 51 系列單片機簡介 4 3 2 其它器件簡介 7 3 2 1 1602 顯示 7 3 2 2 矩陣按鍵 7 第四章第四章 計算器系統(tǒng)設計計算器系統(tǒng)設計 9 4 1 計算器硬件電路設計 9 4 2 2 主程序設計 9 結語 17 參考文獻參考文獻 18 第一章 緒論 1 第一章 緒論 1 1 課題簡介課題簡介 單片機由于其微小的體積和極低的成本 廣泛的應用于家用電器 工業(yè)控制等領域 中 在工業(yè)生產(chǎn)中 單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支 也是頗具生命力 的機種 單片機微型計算機簡稱單片機 特別適用于控制領域 故又稱為微控制器 本系統(tǒng)就是充分利用了 8051 芯片的 I O 引腳 系統(tǒng)統(tǒng)采用 MSC 51 系列單片機 Intel8051 為中心器件來設計計算器控制器 實現(xiàn)了能根據(jù)實際輸入值顯示并存儲 計算 程序則是參照教材 至于位數(shù)和功能 如果有需要可以設計擴充原系統(tǒng)來實現(xiàn) 1 2 設計目的 通過本次工程實踐 運用 智能化測量控制儀表原理與設計 MCS 51 系列單片微 型計算機及其應用 所學知識及查閱相關資料 完成簡易計算器的設計 達到理論知識 與實踐更好結合 提高綜合運用所學知識和設計能力的目的 通過本次設計訓練 可以使我們在基本思路和基本方法上對基于 MCS 51 單片機的嵌 入式系統(tǒng)設計有一個比較感性的認識 并具備一定程度的設計能力 1 3 設計任務 在本次工程實踐中 主要完成如下方面的設計任務 1 簡要綜述單片機技術發(fā)展的國內外現(xiàn)狀及數(shù)碼管動態(tài)顯示和矩陣鍵盤基本原理 2 掌握 MCS 51 系列某種產(chǎn)品 例如 8051 的最小電路及外圍擴展電路的設計方法 3 了解單片機數(shù)據(jù)轉換功能及工作過程 4 完成主要功能模塊的硬件電路設計及必要的參數(shù)確定 5 用 protues 軟件完成原理電路的繪制 6 完成系統(tǒng)設計說明書 1 4 章節(jié)安排說明 整個設計總共分為四個章節(jié) 第一章是前言部分 主要介紹了設計基于單片機簡易 計算器的意義 目的及主要內容 第二章簡要介紹了單片機發(fā)展的國內外現(xiàn)狀及鍵盤掃 描 數(shù)據(jù)轉換 和動態(tài)顯示原理進行了簡要的說明 第三章是器件簡介 這一部分主要 介紹了系統(tǒng)的所用主要器件的選擇 第四章是系統(tǒng)詳細設計階段 分為硬件設計和程序 設計 按照程序設計的各部分實現(xiàn)的功能不同 將整個軟件系統(tǒng)分成了三個塊 并對每 第二章 計算器系統(tǒng)簡介 2 一個功能塊所采用的元器件進行了詳細介紹 此外還編寫了主要功能模塊的基本程序 詳盡闡述了各模塊的工作過程 還有總流程圖 源代碼 硬器件鋪線圖 第二章 計算器系統(tǒng)簡介 3 第二章 計算器系統(tǒng)簡介 2 1 單片機發(fā)展現(xiàn)狀 單片機的發(fā)展趨勢 低功耗 CMOS 化 微型單片化 主流與多品種共存 單片機從 8 位 16 位到 32 位 數(shù)不勝數(shù) 應有盡有 有與主流 C51 系列兼容的 也有不兼容的 但 它們各具特色 互成互補 為單片機的應用提供廣闊的天地 縱觀單片機的發(fā)展過程 可以預示單片機的發(fā)展趨勢 大致有 1 低功耗 CMOS 化 MCS 51 系列的 8051 推出時的功耗達 630mW 而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右 隨著對單片機功耗要求越來越低 現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS 互補金屬 氧化物半導體工藝 象 80C51 就采用了 HMOS 即高密度金屬氧化物半導體工藝 和 CHMOS 互補高密度金屬氧化物半導體工藝 CMOS 雖然功耗較低 但由于其物理特征決定 其工作速度不夠高 而 CHMOS 則具備了高速和低功耗的特點 這些特征 更適合于在要 求低功耗象電池供電的應用場合 所以這種工藝將是今后一段時期單片機發(fā)展的主要途 徑 2 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器 CPU 隨機存取數(shù)據(jù)存儲 RAM 只讀程 序存儲器 ROM 并行和串行通信接口 中斷系統(tǒng) 定時電路 時鐘電路集成在一塊單一 的芯片上 增強型的單片機集成了如 A D 轉換器 PMW 脈寬調制電路 WDT 看門狗 有些單片機將 LCD 液晶 驅動電路都集成在單一的芯片上 這樣單片機包含的單元電路就 更多 功能就越強大 甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做 制造出具有自 己特色的單片機芯片 此外 現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小 重量輕 這就要求單片機除了功能強和功耗低 外 還要求其體積要小 現(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝形式 其中 SMD 表面封裝 越 來越受歡迎 使得由單片機構成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展 3 主流與多品種共存 現(xiàn)在雖然單片機的品種繁多 各具特色 但仍以 80C51 為核心的單片機占主流 兼 容其結構和指令系統(tǒng)的有 PHILIPS 公司的產(chǎn)品 ATMEL 公司的產(chǎn)品和中國臺灣的 Winbond 系列單片機 所以 C8051 為核心的單片機占據(jù)了半壁江山 而 Microchip 公司的 PIC 精 簡指令集 RISC 也有著強勁的發(fā)展勢頭 中國臺灣的 HOLTEK 公司近年的單片機產(chǎn)量與日 俱增 與其低價質優(yōu)的優(yōu)勢 占據(jù)一定的市場分額 此外還有 MOTOROLA 公司的產(chǎn)品 日 本幾大公司的專用單片機 在一定的時期內 這種情形將得以延續(xù) 將不存在某個單片 機一統(tǒng)天下的壟斷局面 走的是依存互補 相輔相成 共同發(fā)展的道路 第二章 計算器系統(tǒng)簡介 4 2 2 計算器系統(tǒng)現(xiàn)狀 計算器一般由運算器 控制器 存儲器 鍵盤 顯示器 電源和一些可選外圍設 備及電子配件通過人工或機器設備組成 低檔計算器的運算器 控制器由數(shù)字邏輯電 路實現(xiàn)簡單的串行運算 其隨機存儲器只有一 二個單元 供累加存儲用 高檔計算 器由微處理器和只讀存儲器實現(xiàn)各種復雜的運算程序 有較多的隨機存儲單元以存放 輸入程序和數(shù)據(jù) 鍵盤是計算器的輸入部件 一般采用接觸式或傳感式 為減小計算 器的尺寸 一鍵常常有多種功能 顯示器是計算器的輸出部件 有發(fā)光二極管顯示器 或液晶顯示器等 除顯示計算結果外 還常有溢出指示 錯誤指示等 計算器電源采 用交流轉換器或電池 電池可用交流轉換器或太陽能轉換器再充電 為節(jié)省電能 計 算器都采用 CMOS 工藝制作的大規(guī)模集成電路 見互補金屬 氧化物 半導體集成電路 并在內部裝有定時不操作自動斷電電路 計算器可選用的外圍設備有微型打印機 盒式磁帶機和磁卡機等 2 3 簡易計算器系統(tǒng)簡介 本計算器是以 MCS 51 系列 8051 單片機為核心構成的簡易計算器系統(tǒng) 該系統(tǒng)通過 單片機控制 實現(xiàn)對 4 4 鍵盤掃描進行實時的按鍵檢測 并把檢測數(shù)據(jù)存儲下來 整個 計算器系統(tǒng)的工作過程為 首先存儲單元初始化 顯示初始值和鍵盤掃描 判斷按鍵位 置 查表得出按鍵值 單片機則對數(shù)據(jù)進行儲存與相應處理轉換 之后送入數(shù)碼管動態(tài) 顯示 整個系統(tǒng)可分為三個主要功能模塊 功能模塊一 實時鍵盤掃描 功能模塊二 數(shù)據(jù)轉換為了數(shù)碼管顯示 功能模塊三 數(shù)碼管動態(tài)顯示 第三章 主要器件簡介 5 第三章 主要器件簡介 3 1 MCS 51 系列單片機簡介 8051 是 MCS 51 系列單片機的典型產(chǎn)品 以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解 8051 單片機包含中央處理器 程序存儲器 ROM 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 定時 計數(shù)器 并行接口 串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線 地址總線和控制總線等三大總 線 現(xiàn)在我們分別加以說明 中央處理器中央處理器 中央處理器 CPU 是整個單片機的核心部件 是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器 能處理 8 位 二進制數(shù)據(jù)或代碼 CPU 負責控制 指揮和調度整個單元系統(tǒng)協(xié)調的工作 完成運算和控 制輸入輸出功能等操作 數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器 RAM RAM 8051 內部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元 它們是統(tǒng)一編 址的 專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù) 用戶只能訪問 而不能用于存放用戶數(shù) 據(jù) 所以 用戶能使用的 RAM 只有 128 個 可存放讀寫的數(shù)據(jù) 運算的中間結果或用戶 定義的字型表 圖 3 1 8051 內部結構圖 程序存儲器程序存儲器 ROM ROM 8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM 用于存放用戶程序 原始數(shù)據(jù)或表格 定時定時 計數(shù)器計數(shù)器 ROM ROM 8051 有兩個 16 位的可編程定時 計數(shù)器 以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序 轉向 并行輸入輸出并行輸入輸出 I O I O 口 口 8051 共有 4 組 8 位 I O 口 P0 P1 P2 或 P3 用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸 全雙工串行口全雙工串行口 8051 內置一個全雙工串行通信口 用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送 該串行口既 可以用作異步通信收發(fā)器 也可以當同步移位器使用 第三章 主要器件簡介 6 中斷系統(tǒng) 中斷系統(tǒng) 8051 具備較完善的中斷功能 有兩個外中斷 兩個定時 計數(shù)器中斷和一個串行中 斷 可滿足不同的控制要求 并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇 時鐘電路 時鐘電路 8051 內置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路 用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序 但 8051 單片機需外置振蕩電容 單片機的結構有兩種類型 一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式 即哈佛 Harvard 結構 另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一 的結構 即普林斯頓 Princeton 結構 INTEL 的 MCS 51 系列單片機采用的是哈佛結構的 形式 而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS 96 系列單片機則采用普林斯頓結構 下圖是 MCS 51 系列單片機的內部結構示意圖 3 2 圖 3 2 MCS 51 結構圖 MCS 51 的引腳說明 MCS 51 系列單片機中的 8031 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結構 右圖是它們的引腳配置 40 個引腳中 正電源和地線兩根 外置石英振蕩器的時鐘線兩 根 4 組 8 位共 32 個 I O 口 中斷口線與 P3 口線復用 現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以 說明 MCS 51 的引腳說明 MCS 51 系列單片機中的 8031 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結構 右圖是它們的引腳配置 40 個引腳中 正電源和地線兩根 外置石英振蕩器的時鐘線兩 根 4 組 8 位共 32 個 I O 口 中斷口線與 P3 口線復用 現(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以 說明 如圖 3 3 第三章 主要器件簡介 7 圖 3 3 雙列直插式封裝引腳圖 Pin9 RESET Vpd復位信號復用腳 當 8051 通電 時鐘電路開始工作 在 RESET 引腳 上出現(xiàn) 24 個時鐘周期以上的高電平 系統(tǒng)即初始復位 初始化后 程序計數(shù)器 PC 指向 0000H P0 P3 輸出口全部為高電平 堆棧指針寫入 07H 其它專用寄存器被清 0 RESET 由高電平下降為低電平后 系統(tǒng)即從 0000H 地址開始執(zhí)行程序 然而 初始復位不 改變 RAM 包括工作寄存器 R0 R7 的狀態(tài) 8051 的初始態(tài) 8051 的復位方式可以是自動復位 也可以是手動復位 此外 RESET Vpd還是一復用 腳 Vcc掉電其間 此腳可接上備用電源 以保證單片機內部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失 見下圖 3 4 為兩種復位方式和兩種時鐘方式 Pin30 ALE 當訪問外部程序器時 ALE 地址鎖存 的輸出用于鎖存地址的低位字 節(jié) 而訪問內部程序存儲器時 ALE 端將有一個 1 6 時鐘頻率的正脈沖信號 這個信號可 以用于識別單片機是否工作 也可以當作一個時鐘向外輸出 更有一個特點 當訪問外 部程序存儲器 ALE 會跳過一個脈沖 如果單片機是 EPROM 在編程其間 將用于輸入編程脈沖 Pin29 當訪問外部程序存儲器時 此腳輸出負脈沖選通信號 PC 的 16 位地址 數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在 P0 和 P2 口上 外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到 P0 口上 由 CPU 讀入并 執(zhí)行 Pin31 EA Vpp程序存儲器的內外部選通線 8051 和 8751 單片機 內置有 4kB 的程 序存儲器 當 EA 為高電平并且程序地址小于 4kB 時 讀取內部程序存儲器指令數(shù)據(jù) 而 超過 4kB 地址則讀取外部指令數(shù)據(jù) 如 EA 為低電平 則不管地址大小 一律讀取外部程 序存儲器指令 顯然 對內部無程序存儲器的 8031 EA 端必須接地 第三章 主要器件簡介 8 在編程時 EA Vpp腳還需加上 21V 的編程電壓 3 2 其它器件簡介 3 2 1 1602 顯示 1602 液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了 160 個不同的點陣字符圖形 這些 字符有 阿拉伯數(shù)字 英文字母的大小寫 常用的符號 和日文假名等 每一個字符都 有一個固定的代碼 比如大寫的英文字母 A 的代碼是 01000001B 41H 顯示時模塊 把地址 41H 中的點陣字符圖形顯示出來 我們就能看到字母 A 因為 1602 識別的是 ASCII 碼 試驗可以用 ASCII 碼直接賦值 在單片機程序中還可 以用字符型常量或變量賦值 如 A 3 2 2 矩陣按鍵 鍵盤是單片機系統(tǒng)中最常用的人機對話輸入設備 用戶通過鍵盤向單片機輸入數(shù)據(jù)或 指令 鍵盤控制程序需完成的任務有 監(jiān)測是否有鍵按下 有鍵按下時 在無硬件去抖 的動電路時 應用軟件延時方法消除按鍵抖動影響 當有多個鍵同時按下時 只處理一 個按鍵 不管一次按鍵持續(xù)多長時間 僅執(zhí)行一次按鍵功能程序 矩陣按鍵掃描程序是一種節(jié)省 IO 口的方法 按鍵數(shù)目越多節(jié)省 IO 口就越可觀 思路 先判斷某一列 行 是否有按鍵按下 再判斷該行 列 是那一只鍵按下 但是 在程 序的寫法上 采用了最簡單的方法 使得程序效率最高 本程序中 如果檢測到某鍵按 下了 就不再檢測其它的按鍵 這完全能滿足絕大多數(shù)需要 又能節(jié)省大量的 CPU 時間 本鍵盤掃描程序的優(yōu)點在于 不用專門的按鍵延時程序 提高了 CPU 效率 也不用中 斷來掃描鍵盤 節(jié)省了硬件資源 另外 本鍵盤掃描程序 每次掃描占用 CPU 時最短 不論有鍵按下或者無鍵按下都可以在很短的時間完成一次掃描 第四章 計算器系統(tǒng)設計 9 第四章 計算器系統(tǒng)設計 4 1 計算器硬件電路設計 8051 單片機一片 4 4 鍵盤一個 1602 lcd 一個 連線和電阻和開關若干 8051 單 片機的 P3 口作鍵盤口 P0 為 1602 接口 4 2 計算器程序設計 include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar j 在鍵盤檢測函數(shù)中使用 判斷是否有按鍵按下 有則加 1 sbit d P2 6 點按鍵判斷 void delay uchar z 延時函數(shù) uchar x y for x z x 0 x for y 110 y 0 y uchar code A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 lcd 調用顯示數(shù)組 uchar keyscan 鍵盤檢測 uchar temp key j 0 if d 0 delay 100 if d 0 key 16 while d 0 j P3 0 xfe temp P3 if temp 0 xfe delay 100 第四章 計算器系統(tǒng)設計 10 temp P3 if temp 0 xfe j switch temp case 0 x7e key 3 break case 0 xbe key 2 break case 0 xde key 1 break case 0 xee key 0 break while P3 0 xfe P3 0 xfd temp P3 if temp 0 xfd delay 100 temp P3 if temp 0 xfd j switch temp case 0 x7d key 7 break case 0 xbd key 6 break case 0 xdd key 5 break case 0 xed key 4 break while P3 0 xfd P3 0 xfb temp P3 if temp 0 xfb 第四章 計算器系統(tǒng)設計 11 delay 100 temp P3 if temp 0 xfb j switch temp case 0 x7b key 11 break case 0 xbb key 10 break case 0 xdb key 9 break case 0 xeb key 8 break while P3 0 xfb P3 0 xf7 temp P3 if temp 0 xf7 delay 100 temp P3 if temp 0 xf7 j switch temp case 0 x77 key 15 break case 0 xb7 key 14 break case 0 xd7 key 13 break case 0 xe7 key 12 break while P3 0 xf7 return key sbit rs P1 0 定義 lcd 引腳 第四章 計算器系統(tǒng)設計 12 sbit rw P1 1 sbit en P2 5 void wc uchar a lcd 寫指令函數(shù) delay 5 rs 0 寫指令 rw 0 寫 P0 a en 0 delay 10 en 1 void wd uchar a lcd 寫數(shù)據(jù)函數(shù) delay 5 rs 1 寫數(shù)據(jù) rw 0 寫 P0 a en 0 delay 5 en 1 unsigned long sum1 sum2 sum1 為第一個數(shù) sum2 為第二個數(shù) uchar g1 s1 小數(shù)位 float sum 1 sum 2 xs1 xs2 把按下的小數(shù)記為 xs void main uchar i k ji dian xsw1 xsw2 ts i 統(tǒng)計數(shù)字按下次數(shù) k 為判斷是否按下運算符并判斷是 什么運算 ji 為按下總次數(shù) 顯示地址用 dain 為記是否按下點 xsw 為輸入的小數(shù)位的多少的標注 d 1 delay 15 wc 0 x38 delay 15 wc 0 x38 第四章 計算器系統(tǒng)設計 13 delay 15 wc 0 x38 wc 0 x0c wc 0 x06 wc 0 x01 wc 0 x80 0 x0f wd 0 x30 初始位為 0 wc 0 x80 0 x0f while 1 keyscan if j 0 當有按鍵按下 keyscan 函數(shù)使 j 才寫入數(shù)據(jù) if keyscan 15 如果輸入為歸零 k 0 sum1 0 sum2 0 ji 0 sum 1 0 sum 2 0 xsw1 0 xsw2 0 xs1 0 xs2 0 ts 0 dian 0 wc 0 x06 wc 0 x01 wc 0 x80 0 x0f wd 0 x30 wc 0 x80 0 x0f 歸零 else if 9 keyscan switch keyscan case 10 wd A keyscan k 1 break case 11 wd A keyscan k 2 break case 12 wd A keyscan k 3 break case 13 wd A keyscan k 4 break else if 0 keyscan keyscan 16 如果按下為數(shù)字或小數(shù)點 第四章 計算器系統(tǒng)設計 14 ji lcd 顯示用到 標記地址 if k 0 判斷是否按下運算符 如果按下 把后面的數(shù)交給 sum2 if keyscan 16 如果按下為小數(shù)點 wd A 16 顯示點 dian 表示已經(jīng)按下點 sum 0 else if dian 0 wd A keyscan xsw2 按下多少位小數(shù) xs2 xs2 10 keyscan else wd A keyscan sum2 a keyscan sum2 sum2 10 keyscan else if keyscan 16 如果按下為小數(shù)點 wd A 16 顯示點 dian 表示已經(jīng)按下點 else if dian 0 wd A keyscan xsw1 按下多少位小數(shù) xs1 xs1 10 keyscan else 第四章 計算器系統(tǒng)設計 15 wd A keyscan sum1 a keyscan sum1 sum1 10 keyscan wc 0 x07 寫指令 寫一個屏幕右移 else if keyscan 14break case 2 sum 1 sum1 xs1 100 break case 3 sum 1 sum1 xs1 1000 break else sum 1 sum1 if xsw2 0 switch xsw2 case 1 sum 2 sum2 xs2 10 break case 2 sum 2 sum2 xs2 100 break case 3 sum 2 sum2 xs2 1000 break else sum