简单计算器设计课程设计论文.doc
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1、单片机原理及应用课程设计简单计算器设计The Design of Simple Calculator院 系: 机电汽车工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化姓 名: 学 号: 指导老师: 2014年6月30日I目 录第一章 绪论1第二章方案论证22.1芯片2 2.1.1方案构思2 2.2输入模块22.2.1方案构思22.2.2方案比较与选择32.3显示模块42.3.1方案构思42.3.2方案比较与选择5第三章计算器硬件设计53.1系统组成及硬件框图53.2元器件简介53.2.1STC89C52特点53.2.2LCD1602液晶显示屏11第四章计算器设计原理分析134.1设计方案的确定 13
2、4.2计算器硬件方案及硬件资源分配144.2.1硬件资源分配144.2.2系统的硬件设计144.2.3键盘电路的设计154.2.4显示电路的设计16 第五章计算器软件设计174.1计算器的软件规划174.2主模块的程序设计174.3显示模块的程序设计18 4.2键盘模块的程序设计19参考文献20结束语21附录一 电路原理图22附录二 软件程序 23附录三 元件清单 2828第1章 绪论随着社会的发展,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
3、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。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
4、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;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。1.1 本文结构概述本文主要从方案论证,计算器硬件设计,计算器设计原理分析以及计算器软件设计进行了概述。第2章 方案论证2.1 芯片2.1.1 方案构思本设计中的芯片可以采用STC89C52处理器,配备相应的外设。 单片机是单片微型机的简称,故又称为微控制器MCU(Micro Control Unit)。通常由单块
5、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STC89C52RC是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory)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。 从设计的实用
6、性、方便性和成本等诸多方面考虑,最终选择了以STC89C52RC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。2.2 输入模块2.2.1 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 2-2-1 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
7、原理图如图1-2-2所示。 图 2-2-2 矩阵键盘输入2.2.2 方案比较与选择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。2.3 显示模块2.3.1 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,
8、势必存在浪费I/O口资源的问题。如图1-3-1所示。图 2-3-1 4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。图 2-3-2 4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。2.3.2 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
9、,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。第3章 计算器硬件设计3.1 系统组成及硬件框图显示模块单片机振荡电路4*4键盘模块 复位电路 图3-1-1 系统组成及硬件框图3.2 元器件简介3.2.1 STC89C52特点1、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;5) 三级加密程序存储器;6) 32个可编程I/O口线、三个
10、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CMOS 8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
11、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、STC89C52RC的引脚功能单片机STC8
12、9C52RC为40引脚芯片,见图3-2-1。图 3-2-1 STC89C52RC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
13、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)。P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2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)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行
14、MOVX DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(例如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时,P2口也接收高八位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3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)。P3口亦作为STC89C52特殊功能(第二功能)使用,如表3-2-1所示。在Flash编程和校验时,P3口也接收一
15、些控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)表 3-2-1 STC89C52的P3口第二功能(2)其他引脚说明:RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRT0位可以使此功能无效。DISRT0默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG:
16、当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于所存地址的低八位字节。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只要一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。PSEN:程序存储允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当
17、STC89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲;在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。EA/VPP:外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000HFFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意是:如果加密LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。 图3-2-2 晶振外接结构引脚图XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振
18、荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为1MHz,时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz24MHz内选择,在本设计电路中选用了12MHz。电容取20PF左右。机器周期=12*时间周期,如12MHz的机器周期为1微秒。(3)控制或复位引脚RESET此脚为高电平时(约2个机器周期)可将单片机复位。RST/VPD:当出现两个机器周期高电平时,单片机复位。复位后,P0P3输出高电平;SP寄存器为07H;其它寄存器全部清零;不影响RAM状态,如图3-2-3所示。 图 3-2-3 复位电路4、单片机的现状及发展方向单片机是为了工业
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