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1、单片机课程设计题 目： 简易计算器的设计 班 级： 姓 名： ， 学 号： ， 指导教师： ， 设计时间： 09.12.28-09.12.31 ， 评语：成绩 1 摘 要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。本题目是实现两位数的加减运算的简易计算器，实现键盘输入，由七段LED数码管输出；程序都是根据教材内和网络中的程序参考编写而成，在功能上还并不十分完善，限制也较多。本设计重在设计构思，使得我们用专业知识、
2、专业技能分析和解决问题，通过设计使得我们对所学知识彻底巩固。关键词：单片机，计算器，范围，加减目 录1 设计说明11.1 设计内容11.2 设计要求11.3设备及工作环境12 硬件方案12.1 设计思路12.2 原理电路图22.3 主要元件功能说明22.4 硬件工作原理阐述73 软件方案83.1 分析论证83.2 程序流程图93.3 程序清单104 调试过程及结果分析165 设计总结16参考文献161.设计说明1.1设计内容本次的设计是利用单片机设计简单的计算器，本设计利用单片机的I/O接口设计24键盘，8个键依次对应03、“+”、“-”、“=”和清除键。通过检测不同数字键、功能键的按下，可以
3、进行小于255的数的加减乘除运算，并可连续运算。当键入值大于255时，将自动清零，可以重新输入。对应每一个数字键按下的同时，LED显示按下键的值，并显示最后的运算结果。1.2设计要求要求能实现小于255的数的加减运算，采用24键盘，8个键依次对应03、“+”、“-”、“=”和清除键。根据输入键的按下实现不同的功能，最终结果通过LED显示。1.3设备及工作环境8051单片机一片、七段四显示数码管一个、排阻一个、导线若干、12MHz晶振一个、30pF电容两个所有设备均工作在常温下(070)2.硬件方案2.1设计思路本设计利用单片机的I/O接口设计24键盘，两行四列分别由单片机的P2.4P2.5及P
4、2.0-P2.3输入输出数据。采用P0口和P1.0-P1.3输出数据到数码管显示由键盘输入的数据及最终计算结果。2.2 原理电路图图2.1 硬件电路图2.3主要元件功能说明2.3.1单片机概述单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需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。单片机经过1、2、3，3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增
5、强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。2.3.2芯片简介MSC-51芯片简介：8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用
6、于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。定时/计数器(ROM)8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的
7、控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。图2.2 单片机结构图MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，下图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图2.3图2.3单片机引脚图Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个
8、时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2.4。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 图2.4单片机复位电路Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部
9、程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令
10、数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。2.3.3相关知识 数码管显示在本任务中用4位数码管显示当前数值的千，百，十，个，由于数码管个数多，如采用静态显示方式，则占用单片机的I/O口线太多，如果用定时器/计数器的串行移位寄存器工作方式及外接串入并出移位寄存器74LS164的方式，则电路复杂。所以，在数码管个数较多时，常采用动态显示方式。如图2.1所示为单片机应用系统中的一种数码管动态显示电路图，4位数码管的相同段并联在一起，由一个8位I/O（P1口）输出字形码控制显示
11、某一字形，每个数码管的公共端由另外一个I/O口（P0口)输出的字位码控制，即数码管显示的字形是由单片机I/O口输出的字形码确定，而哪个数码管点亮是由单片机I/O口输出的字位码确定的。4个数码管分时轮流循环点亮，在同一时刻只有1个数码管点亮，但由于数码管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留特性，所以适当地选取循环扫描频率，看上去所有数码管是同时点亮的，察觉不出闪烁现象。动态显示方式所接数码管不能太多，否则会因每个数码管所分配的实际导通时间太少，使得数码管的亮度不足。在本任务中，为了简便，字形码和字位码都没由加驱动电路，在实际应用中应加驱动电路。数码管有共阴极和共阳极两种，对于共阳数码管，字形驱动输出0
12、有效，字位驱动输出1有效；而对于共阴数码管则相反，即：字形驱动输出1有效，字位驱动输出0有效。矩阵按键键盘是单片机系统中最常用的人机对话输入设备，用户通过键盘向单片机输入数据或指令。键盘控制程序需完成的任务有：监测是否有键按下，有键按下时，在无硬件去抖的动电路时，应用软件延时方法消除按键抖动影响；当有多个键同时按下时，只处理一个按键，不管一次按键持续多长时间，仅执行一次按键功能程序。矩阵按键扫描程序是一种节省I/O口的方法,按键数目越多节省I/O口就越可观，思路：先判断某一列（行）是否有按键按下，再判断该行（列）是那一只键按下。但是，在程序的写法上，采用了最简单的方法，使得程序效率最高。本程序
13、中，如果检测到某键按下了，就不再检测其它的按键，这完全能满足绝大多数需要，又能节省大量的CPU时间。本键盘扫描程序的优点在于：不用专门的按键延时程序，提高了CPU效率，也不用中断来扫描键盘，节省了硬件资源。另外，本键盘扫描程序，每次扫描占用CPU时最短，不论有键按下或者无键按下都可以在很短的时间完成一次扫描。2.4 硬件工作原理阐述8051单片机的P2口作键盘口，其中P2.4-P2.5为键盘扫描输出线，P2.0-P2.3为键盘扫描输入线。键盘由2*4共8个按键组成，4个数字键（由0-3组成）3个运算符号（加减等于）组成，1个清除键（作用相当于整体复位）。4个数码管用于显示当前数值的千，百，十，
14、个，采用动态显示方式，P1口接4个数码管的七段，P0口分别接4个数码管的公共端，P1口输出数码管的字形码，P0口输出数码管的字位码。3.软件方案3.1 分析论证程序工作过程如下：(1)首先赋予显示缓冲初始值00 00，并把数据存储单元清零。(2)主程序调用键盘扫描子程序，判断键值，是数字第一次直接赋予23H单元，如是第二次输入数字，则把第一次值乘十后与第二次值相加，结果存储到23H单元，并R4计数2次，表示已输入两位，扫描键值时就不再赋值和显示。等待运算符号的按下，按下等于号就直接计算并显示，如加减就R5加一并把R4清零，表示可以输入下一操作数，与第一次相同，并等待等于键按下。清零键则不管在任
15、何情况下都清零，相当于软复位。(3)在扫描完键盘后，调用数据显示转换子程序把值转换为七段码。(4)调用数码管动态显示子程序，显示数值，重新循环存入内存单元Y将第一次输入的数字10+第二次输入的数字Y N是否是数字键扫描键盘 有输入则计算键值计算结果并送内存单元调用显示子程序显示结果是否是清零YN等待输入等号开始是否第一次输入数字N3.2 程序流程图3.3 程序清单3.3.1存储单元分配30H单元:数值个位显示单元；31H单元：数值十位显示单元；32H单元：数值百位显示单元；33H单元：数值千位显示单元；23H单元：第一操作数存储单元；24H单元：第二操作数存储单元；25H单元：键值暂存单元；2
16、7H单元：清除键状态；34H-37H单元：结果数据转换暂存单元；38H-39H单元：结果高低8位暂存单元；R5单元：操作数计数单元；R4单元：操作数数值位数计数单元；R3单元：运算符号存储单元。3.3.2主程序设计主程序进行程序中用到的一些存储单元的初始化，数值显示和2*4键盘扫描。首先，进行存储单元初始化，给数码管显示单元30H-33H赋予“0000”字形数据，将数值计数单元，存储单元，赋予初值零。之后，调用键盘扫描子程序，和数码管显示数据转换程序，数码管动态显示子程序。主程序不断进行键盘扫描，数码管显示数据转换子程序和动态显示子程序。3.3.3数码管显示数据转换子程序CONV由于数值单元存
17、放的是二进制数，而用户熟悉的是十进制数，所以应将数值单元中的二进制转换为十进制数，即BCD码。要通过数码管显示出当前数值，还必须将BCD码进一步转换为七段码，转换的最终结果数据存放于显示缓冲区30H-33H单元中，其中30H单元存放数值的个位七段码，31H单元存放数值的十位七段码，32H单元存放数值的百位七段码，33H单元存放数值的千位七段码。3.3.4数码管动态显示子程序本任务由P1口输出字形码，P0口输出字位码。先将存放于30H单元的数值个位七段码由P1口输出，同时P0口输出使数值个位显示数码管点亮的字位码。由于采用的是共阳数码管，所以只有该位数码管对应的P0.0为1，其他位P0.1-P0
18、.3为0，点亮延时10MS。然后P1口输出数值十位七段码，P0.1为1，数值十位数码管点亮，延时10MS。接着P1口输出数值百位七段码，P0.2为1，数值百位数码管点亮，延时10MS。最后P1口输出数值千位七段码，P0.3为1，数值千位数码管点亮，延时10MS。程序源代码:DISPBUF EQU 30H ;显示数据存储位置 ORG 0000H ;主程序的入口地址 START:MOV DISPBUF,#0C0H ;4个数码管显示0000字形数据 MOV DISPBUF+1,#0C0H MOV DISPBUF+2,#0C0H MOV DISPBUF+3,#0C0H MOV 37H,#00H ;数值
19、初始化 MOV 27H,#00H MOV 26H,#00H MOV 25H,#00H MOV 24H,#00H MOV 23H,#00H MOV R3,#00H MOV R5,#00H MOV R4,#00HLOOP: LCALL KEY ;调用键盘扫描子程序 MOV R6,27H CJNE R6,#00H,START ;清除键判断 MOV R6,26H CJNE R6,#00H,FA ;显示数据转换子程序选择 LCALL CONV ;调用数码管显示数据转换子程序FA: LCALL DISPSCAN ;调用数码管动态显示子程序 SJMP LOOPKEY: MOV P2,#0FH ;键盘扫描子程
20、序 ;低4位送1 MOV A,P2 ;行输入 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,K10 ;有按下跳转 RETK10: JB P2.0,K20 ;第一列K11: MOV P2,#0EFH ;一行一列 JB P2.0,K12 CJNE R5,#00H,L1 MOV R4,#00H INC R5 MOV R3,#1HL1: LJMP CENDK12: MOV P2,#0DFH JB P2.0,K13 CJNE R5,#00H,L2 MOV R4,#00H INC R5 MOV R3,#2HL2: LJMP CENDKIL: LJMP KENDL4: LJMP CENDK20: JB P2
21、.1,K30 ;第二列K21: MOV P2,#0EFHJB P2.1,K22LJMP DYUK22: MOV P2,#0DFHJB P2.1,K23MOV 25H,#3HLJMP OPRCCTV:LJMP KENDK30: JB P2.2,K40 ;第三列K31: MOV P2,#0EFHJB P2.2,K32MOV 25H,#0HLJMP OPRK32: MOV P2,#0DFHJB P2.2,K33MOV 25H,#2HLJMP OPRK40: JB P2.3,KEND ;第四列K41: MOV P2,#0EFHJB P2.3,K42INC 27HLJMP KENDK42: MOV P2
22、,#0DFHJB P2.3,K43MOV 25H,#1HLJMP OPROPR: INC R4 ;键值存储CJNE R5,#00H,CHANGCJNE R4,#2H,KBKZHI: MOV A,20HMOV B,#0AHMUL ABMOV 20H,25HADD A,20HCJNE R5,#00H,CZHMOV 23H,ALJMP KENDCZH: MOV 24H,ALJMP KENDKEND:MOV P2,#0FHMOV A,P2ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,KENDRETCHANG: CJNE R4,#2H,HONG AJMP ZHIHONG:JNC CENDINC R5MOV
23、 20H,25HMOV 24H,25HLJMP CENDKBK: JNC CENDMOV 20H,25HMOV 23H,25HLJMP CENDDYU: MOV R5,#00H ;结果计算MOV R4,#00HMOV 25H,#00HCJNE R3,#1H,SMOV A,23HADD A,24HMOV 23H,ASJMP CENDS: CJNE R3,#2H,S1CLR CMOV A,23HCJNE A,#00H,JIANFAMOV 23H,#0EHSJMP CENDJIANFA:SUBB A,24HMOV 23H,ASJMP CENDS1: CJNE R3,#3H,S2MOV A,23HMO
24、V B,24HMOV A,23HMUL ABMOV R6,BCJNE R6,#00H,CHENGMOV 23H,ASJMP CENDS2: CJNE R3,#4,CENDMOV A,24HCJNE A,#00H,ZYMOV A,#00HSJMP CENDZY: MOV A,23HMOV B,24HDIV ABMOV 23H,ACEND:MOV P2,#0FHMOV A,P2ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,CENDCONV: CJNE R5,#02H,BEI ;数码管显示数据转换子程序 MOV A,24HAJMP JINGBEI: MOV A,23HJING: MOV B,#64HD
25、IV ABMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+2,AMOV A,BMOV B,#0AHDIV ABMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+1,AMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF,ARETDISPSCAN:MOV R0,#DISPBUF ;数码管动态显示子程序MOV R2,#4HMOV A,#1HSC: PUSH ACCMOV A,R0MOV P1,APOP ACCMOV P0,ALCALL DELAY1RL AINC R0DJNZ R2,SCMOV P0,#1HRETDEL12: MOV R6,#1EHDEL2
26、: MOV R7,#64HDEL1: DJNZ R7,DEL1DJNZ R6,DEL2RETDELAY1:MOV R6,#70 ;延时程序D2: MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,D2RETTABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H ;-字符表- DB 92H,82H,0F8H,80H,90H DB 88H,83H,0C6H,0A1H,86H END4.调试过程及结果分析1.首先赋予显示缓冲初始值00 00，并把数据存储单元清零。2.主程序调用键盘扫描子程序，判断键值，是数字第一次直接赋予23H单元，如是第二次输入数字，则把第一次值乘十后与第二次值相加，结果存储到23H单元，并R4计数2次，表示已输入两位，扫描键值时就不再赋值和显示。等待运算符号的按下，按下等于号就直接计算并显示，如加减就R5加一并把R4清零，表示可以输入下一操作数，与第一次相同，并等待等于键按下。清零键则不管在任何情况下都清零，相当于软复位。3.在扫描完键盘后，调用数据显示转换子程序把值转换为七段码。4.调用数码管动态显示子程序，显示数值，重新循环。参 考 文 献1 李华.单片机原理及应用M.兰州:兰州大学出版社，20012 卓越科技.MCS-51单片机原理与应用实例M.北京:电子工业出版,2008
