学位论文-—基于msc51单片机实现的四位4乘4矩阵键盘计算器的c语言程序及其protues电路和仿真课程设计报告.doc

单片机原理及接口技术

课程设计报告

设计题目： 计算器设计

信息与电气工程学院
二零一三年七月
哈尔滨工业大学（威海）课程设计报告
计算器设计
单片机体积小，功耗小，价格低，用途灵活，无处不在，属专用计算机。是一种特殊器件，需经过专门学习方能掌握应用，应用中要设计专用的硬件和软件。
近年来，单片机以其体积小、价格廉、面向控制等独特优点，在各种工业控制、仪器仪表、设备、产品的自动化、智能化方面获得了广泛的应用。与此同时，单片机应用系统的可靠性成为人们越来越关注的重要课题。影响可靠性的因素是多方面的，如构成系统的元器件本身的可靠性、系统本身各部分之间的相互耦合因素等。其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重要指标。
数学是科技进步的重要工具，数据的运算也随着科技的进步越发变得繁琐复杂，计算器的出现可以大大解放人在设计计算过程中的工作量，使计算的精度、速度得到改善，通过msc51单片机，矩阵键盘和LED数码管可以实现简单的四位数的四则运算和显示，并当运算结果超出范围时予以报错。
注：这一部分主要描述题目的背景和意义，对设计所采取的主要方法做一下简要描述。字数不要太多，300-500字。

另注：本文要当做模板使用，不要随意更改字体、字号、行间距等，学会使用格式刷。文中给出的各项内容都要在大家的报告中体现，可采用填空的方式使用本模板。
1. 设计任务
结合实际情况，基于AT89C51单片机设计一个计算器。该系统应满足的功能要求为：
(1) 实现简单的四位十进制数字的四则运算；
(2) 按键输入数字，运算法则；
(3) LED数码管移位显示每次输入的数据和运算结果；
(4) 当运算结果超出范围时实现报错。

主要硬件设备：AT89C51单片机、LED数码管、矩阵键盘。

注：这一部分需要写明系统功能需求，用到的主要硬件（参考实验箱的说明书）。
2. 整体方案设计
计算器以AT89C51单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的I/O功能和计算速度，构成整个计算器。通过矩阵键盘输入运算数据和符号，送入单片机进行数据处理。经单片机运算后判断是否超出要求的运算范围，控制LED数码管的输出原理图如图2-1所示。

图2-1 基于单片机的变频调速恒压供水系统原理图
本系统硬件主要由矩阵键盘、I/O输入输出、显示系统……等几部分组成。各模块的主要功能如下：
(1)矩阵键盘将十六进制编码的数字传入单片机。
(2) 单片机扫描键盘信号并接收，对输入的键盘信号进行处理
(3) LED以动态扫描的方式移位显示每次输入的数据和最后的运算结果。
系统的整体设计方案设计图如图2-2所示。

图2-2 系统的整体方案设计图
注：文中出现的所有框图、流程图都要用VISIO画，不允许从文档中裁剪然后粘贴。要注意图的格式，图中的文字大小不要大于正文，图题用五号宋体，居中。
3. 系统硬件电路设计
3.1 时钟电路
本设计采用外部时钟方式，使用外部振荡器产生脉冲信号，采用12MHz的石英晶体振荡器，结构如图3-1。

图3-1 时钟电路和复位电路

3.2 复位电路
本设计采用按键手动电平复位电路，通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现，结构如图3-1。

3.3 数码管显示电路
本设计所用数码管显示电路采用4位红色共阴极数码管接上拉电阻实现，其结构如图3-2。

图3-2数码管显示电路
3.4 键盘输入电路
本设计采用4*4矩阵键盘实现数据和运算法则的输入。按键设置在行、列线的交点上，行列线分别连接的按键开关的两端，并通过上来电阻街道+5V上。无按键按下时，行、列线均处于高电平，当有按键按下是，相对应的行和列电平为低电平。此特点也用于单片机I/O口对矩阵键盘的扫描。
矩阵键盘和单片机的连接如图3-2所示。

图3-2 矩阵键盘与单片机的连接图
注：以上各部分按照电路功能模块化介绍器件选型、器件特性、电路设计思路、电路功能等，要注意与第2小节中的整体方案设计图相对应。文中出现的电路原理图同样不能从资料中裁剪，可从自己设计的Proteus图中拷贝。
4. 系统程序设计
4.1 主程序流程图
单片机控制I/O口循环扫描键盘状态，当检测到有按键按下时，将按键信号输入单片机，处理并输出显示，若无按键按下，则保持前一个数据的显示状态。
系统主程序流程图如图4-1所示。

图4-1 主程序流程图

4.2 键盘扫描子程序流程图
先检测是否有按键按下，当有按键按下时，逐行检测每一行的列状态，将准确的键盘信号输入单片机。
……
键盘扫描流程图如图4-2所示。

图4-2 键盘扫描流程图

4.3 按键处理输出显示子程序流程图
输出的子程序包括运算数的输出和结果输出，当有数字键按下，之前的数字左移一位，最新按下的数字显示在第一位，当有符号键按下，屏幕清零，当有等号键按下，判断运算结果是否符合要求，若符合要求，输出结果，不符合要求，输出报错提示。
输出显示子程序流程图如图4-3所示。

图4-3按键处理显示输出子程序流程图
5. 系统调试
这一部分分为Proteus软件仿真调试和硬件调试两部分，分别给出调试过程、调试时应注意的问题，分析遇到的问题及问题的解决方法，Proteus调试可截屏运行结果图形并加以分析。
5.1 Proteus软件仿真调试
……
5.2 硬件调试
……
6. 程序清单
#include <reg51.h>
#include <math.h>
#include <absacc.h>
#include <string.h>
#include<stdio.h>
unsigned char key_scan();
void delay10ms();
unsigned char key_free();
void display();
void display1(unsigned int number1);
void display2(unsigned int number2);
void display3(unsigned int number3);
void display4(unsigned int number4);
void display_result();
void delay(unsigned int time);
void key_deal();
void display_error();
void caculate();
void put_offleds();

unsigned char numbertable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6d,0x7D,0x07,0x7f,0x6f};//1至9的共阴显示段码
unsigned char errortable[]={0x86};//报错时使用的段码
unsigned char weitable[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7}; //共阴数码管位选
unsigned int temp,temp1,temp2,number1,number2,number3,number4,a1,a2,a3,a4,b1,b2,b3,b4,c1,c2,c3,c4,way,k,k1,waytest,result_test;
unsigned int Result;result1,result2,result3,result4,E_test;
unsigned char key;
void main()
{

while(1)
{
key_scan();
key_free();
key_deal();
}

}
//新的显示函数
void display()
{
display1(number1);
delay(6);
display2(number2);
delay(6);
display3(number3);
delay(6);
display4(number4);
delay(6);

}

void display1(unsigned int number1)
{
P2= weitable[3];
P1=numbertable[number1];
}
void display2(unsigned int number2)
{
P2= weitable[2];
P1=numbertable[number2];
}
void display3(unsigned int number3)
{
P2= weitable[1];
P1=numbertable[number3];
}
void display4(unsigned int number4)
{
P2= weitable[0];
P1=numbertable[number4];
}
//结果显示程序
void display_result()
{

display1(result1);
delay(6);
display2(result2);
delay(6);
display3(result3);
delay(6);
display4(result4);
delay(6);

}

//定义延时程序
void delay(unsigned int time)
{
unsigned int i,j;
for(i=time;i>0;i--)
{
for(j=112;j>0;j--);
};
}
//按键扫描子程序
unsigned char key_scan()
{

P0=0x0f; //对所有行置高电平，列全为低电平
//P0=0xff;
temp1=P0;
if(temp1!=0x0f) //如果有按键按下
{
//put_offleds();
//delay(3);
temp1=P0; //延时消抖
if(temp1!=0x0f)
{
P0=0xf0; //翻转扫描列状态
//P0=0xff;
temp2=P0;

if(temp1==0x0e) //若第一行有按键按下
{ k=0; //键盘按下动作标记
switch(temp2)
{
case 0xe0: //第一列有人按下
key=7;break;
case 0xd0: //第二列有人按下
key=8;break;
case 0xb0: //若第三列有人按下
key=9;break;
case 0x70: //若第四列有人按下
key='/';break;
}
}
else if (temp1==0x0d)
//若第二行有按键按下
{ k=0; //键盘按下动作标记
switch(temp2)
{
case 0xe0: //第一列有人按下
key=4;break;
case 0xd0: //第二列有人按下
key=5;break;
case 0xb0: //若第三列有人按下
key=6;break;
case 0x70: //若第四列有人按下
key='*';break;
}
}

else if(temp1==0x0b) //若第三行有按键按下
{ k=0; //键盘按下动作标记
switch(temp2)
{
case 0xe0: //第一列有人按下
key=1;break;
case 0xd0: //第二列有人按下
key=2;break;
case 0xb0: //若第三列有人按下
key=3;break;
case 0x70: //若第四列有人按下
key='-';break;
}
}
else if (temp1==0x07) //若第4行有按键按下
{ k=0; //键盘按下动作标记
switch(temp2)
{
case 0xe0: //第一列有人按下
key='.';break;
case 0xd0: //第二列有人按下
key=0;break;
case 0xb0: //若第三列有人按下
key='=';break;
case 0x70: //若第四列有人按下
key='+';break;
}
}

}

}

k+=1;

return key;

}
//延时程序
void delay10ms()
{unsigned char i,j;
for(i=0;i<25;i++)
{
for(j=0;j<80;j++)
{
} //延时1ms
}
}

//等待按键释放
unsigned char key_free()
{
key=key_scan();
P0=0x0F; //所有行置高电平
//P0=0xff;
temp=P0;
while(temp!=0x0F) //如果仍有键按下
{
temp=P0;
} ;

return(key);//返回键值

}

//按键处理程序
void key_deal()
{
//对按下次数初始化

if(key=='.') //如果是清零符号
{
number1=0;
number2=0;
number3=0;
number4=0;
//k=0;
display();
waytest=0;
result_test=0;
E_test=0;
//嵌入显示程序
}

if(key!='+'&&key!='-'&&key!='*'&&key!='/'&&key!='.'&&key!='=') //如果key是数字
{
/*if(E_test==1)
{
number1=0;
number2=0;
number3=0;
number4=0;
E_test=0;
} */

if(k==1)
{

number4=number3;
number3=number2; //移位显示
number2=number1;

//number1=key;
}

//k1=k;
number1=key;

/*if(k==5)
{
display_error();
}*/

display(); //嵌入显示程序

}

if(key=='+'||key=='-'||key=='*'||key=='/') //如果key是运算符
{
way=key;
if(waytest!=1)
{

a1=number1;
a2=number2;
a3=number3;
a4=number4;
}
waytest=1;
number1=0;
number2=0;
number3=0;
number4=0;
display();
//k=0;
//记录运算法则
//合成第一个运算数字赋值给number1并对number清零
}
if(key=='=')
{ E_test=1;

// k=0;
if(waytest==1) //对第二个数进行赋值并对number清零
{ b1=number1;
b2=number2;
b3=number3;
b4=number4;
}
caculate(); //调用运算程序

if(Result!=0x79)
{
display_result();
}
else
{
display_error();
}

}

}

void display_error() //定义报错显示程序
{
P2=weitable[1];
P1=0x79;
}

//新的运算子程序
void caculate()
{ unsigned int Number1,Number2;

Number1=a1+(a2*10)+(a3*100)+(a4*1000);
Number2=b1+(b2*10)+(b3*100)+(b4*1000);
switch(way)
{
case '+': //加号运算
Result=Number1+Number2;
if(a4+b4>9) //报错标记
{
Result=0x79;

}
break;
case '-': //减法运算
Result=Number1-Number2;
if(Number1<Number2)
{
Result=0x79; //报错标记

}
break; //考虑溢出设计
case '*': //乘法运算
Result=Number1*Number2;
if(a4*b4!=0||a3*b3!=0)
{ //报错标记
Result=0x79;
}
break;
case '/': //除法运算
Result=Number1/Number2;
if(Number1<Number2)
{
Result=0x79; //报错标记
}
break;
default:
Result=Number1;
break;
}
result4=Result/1000;
result3=Result%1000/100;
result2=Result%100/10;
result1=Result%10;

}
//定义关闭数码管函数
void put_offleds()
{
P1=0x00;
P2=0xff;
}
……
注：以上程序清单的格式不能更改，采用Courier New字体，5号大小，背景色不能缺，注意排列整齐、注释等。
7.小结
本部分对整个设计过程进行总结说明，对取得的成果进行简单评价，对存在的问题给出以后的展望或解决办法。

其他格式说明
以下主要对文中出现的图、表以及公式格式给出相关示例，请大家按照如下格式编排。

对图的格式要进行设置，首先设置其版式为“嵌入型”，然后将图和图下面的图号及图题居中排列，如图2-1所示。

图2-1 水罐液位控制结构图

XXXX。XXX如表2-1所示。
表2-1 XXX
材料
名称
化学成分（％）
力学性能
C
Mn
Cr
其他
抗拉强度
σb
/N/mm2
屈服强度
σs
/N/mm2
弹性模量
E
/N/mm2
伸长率
δ
/％
布氏硬
度
/HBS
…
…

对于文中出现的所有公式，要求必须用公式编辑器进行编辑，并在后面作相应的标号，具体格式如下例所示，右对齐，公式本体依靠在公式号和公式本体之间加入空格实现居中。
(2-1)
(2-2)
报告内容编号说明：
1. 节标题（小三黑体，段前段后6磅间距，顶格）
1.1 条标题（小四黑体，段前6磅间距，顶格）
(1) 一级子项标题（小四号宋体，首行缩进2字，行间距与正文相同，1.25倍行距，英文括号，编号与后面文字之间空一格，可加粗突出显示，也可不加粗）
(2) 哈尔滨工业大学本科课程设计报告模板
1) 二级子项标题（小四号宋体，首行缩进2字，英文半括号，编号与后面文字之间空一格，不加粗）
2)
① 三级子项标题（编号形式有区别，别的同二级子项标题）