单片机设计实验报告简单计算器的设计.doc

目录
1.总体方案选择 2
1.1 实验要求： 2
1.2方案设计 2
2.硬件原理电路图的设计及分析 2
2.1主控模块 2
2.1.1 STC89C52单片机主要特性 3
2.1.2 STC89C52单片机管脚图 4
2.1.3 STC89C52单片机的中断系统 4
2.1.4 STC89C52单片机的定时/计数器 4
2.2矩阵键盘模块设计： 5
2.2.1矩阵键盘原理介绍 5
2.2.2矩阵键盘电路设计 5
2.3 LCD液晶显示器简介 6
2.3.1液晶模块简介 6
2.3.2液晶显示部分与89S52的接口 7
3系统软件设计 9
3.1系统软件流程图 9
3.2系统整体原理图 10
4.系统调试 11
4.1硬件调试 11
4.2软件调试 11
4.3调试结果 12
5. 心得体会 13

1.总体方案选择
1.1 实验要求：
1) 通过小键盘实现数据的输入，并在LED数码管上显示
2) 实现+、-、*、/
3) 在LED数码管上显示结果
4) 并有清零，退出功能
1.2方案设计
本系统以STC89C52单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、液晶显示灯功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。单片机通过检测键盘读取使用者按下对用功能的按键，然后通过单片机内部运放把运算的结果显示在液晶屏幕上。

图1-1系统结构框图
本系统结构如图1-1所示，本设计可分为以下模块：单片机主控模块、键盘模块、功率放大模块、闹铃模块、按键设置模块。下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。
2.硬件原理电路图的设计及分析
2.1主控模块
STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。
STC89C52单片机的基本组成框图见图2-1。

图2-1
2.1.1 STC89C52单片机主要特性
1. 一个8 位的微处理器(CPU)。
2. 片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。
3. 片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。
4. 四个8 位并行I／O 接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。
5. 两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
6. 五个中断源的中断控制系统。
7. 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。
2.1.2 STC89C52单片机管脚图

图2-2 89S52单片机管脚图

1. 时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2：
2. 控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA：
3. 输入/输出端口P0/P1/P2/P3：
2.1.3 STC89C52单片机的中断系统
STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。
2.1.4 STC89C52单片机的定时/计数器
在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。
2.2矩阵键盘模块设计：
2.2.1矩阵键盘原理介绍
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
2.2.2矩阵键盘电路设计

图2-3矩阵键盘硬件连接图
首先辨别键盘中有无键按下，有单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入行线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部列线置为低电平，然后将列线的电平状态读入累加器A中。如果有按键按下，总会有一根行线电平被拉至低电平从而使行线不全为1。
判断键盘中哪一个键被按下使通过将列线逐列置低电平后，检查行输入状态来实现的。方法是：依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列；如果不全为1，则所按下的键必在此列，而且是在与零电平行线相交的交点上的那个键。
2.3 LCD液晶显示器简介
液晶是一种既具有液体的流动性又具有光学特性的有机化合物，它的透明程度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这特点便可做成字符显示器。
液晶显示器(LCD)英文全称为Liquid Crystal Display，它一种是采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。
显示接口用来显示系统的状态，命令或采集的电压数据。本系统显示部分用的是LCD液晶模块，采用一个16×1的字符型液晶显示模块。
2.3.1液晶模块简介
LCD1602液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式，hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF），显示数RAM（DDRAM），字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM），地址计数器RAM(AC)。IR用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM和CGRAM,或者暂存从DDRAM和CGRAM读出的数据，BF为1时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM用来存储显示的字符，能存储80个字符码， CGROM由8位字符码生成5*7点阵字符160中和5*10点阵字符32种.8位字符编码和字符的对应关系，可以查看参考文献（30）中的表4. CGRAM是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅64字节，可以自定义8个5*7点阵字符或者4个5*10点阵字符，AC可以存储DDRAM和CGRAM的地址，如果地址码随指令写入IR,则IR自动把地址码装入AC，同时选择DDRAM或CGRAM但愿，LCD1602液晶模块的引脚图如图2-4所示。

图2-4 LCD1601引脚图
寄存器选择控制如表2-1。
表2-1寄存器选择控制
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
2.3.2液晶显示部分与89S52的接口
如图2-5所示。用89C51的P2口作为数据线，用P3.2、P3.1、P3.0分别作为LCD的E、R/W、RS。其中E是下降沿触发的片选信号，R/W是读写信号，RS是寄存器选择信号本模块设计要点如下：显示模块初始化：首先清屏，再设置接口数据位为8位，显示行数为1行，字型为5×7点阵，然后设置为整体显示，取消光标和字体闪烁,最后设置为正向增量方式且不移位。向LCD的显示缓冲区中送字符，程序中采用2个字符数组，一个显示字符，另一个显示电压数据，要显示的字符或数据被送到相应的数组中，完成后再统一显示.首先取一个要显示的字符或数据送到LCD的显示缓冲区，程序延时2.5ms,判断是否够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。

图2-5 LCD1602与STC89C52的接口
3系统软件设计
3.1系统软件流程图

图3-1 软件流程图
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3.2系统整体原理图

4.系统调试
4.1硬件调试
计算器的电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。
在本计算器的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的，以下为主要的问题：
（1）程序调试初期液晶一直没有正常显示，总在第一行显示黑条。
解决：经调查发现液晶对比度没有调好，旋转液晶调节对比度用的电位器直到液晶显示正常。
（2）开始时程序一直不能往单片机下载。
解决：检查复位电路，时钟电路，以及单片机的供电系统，后来发现晶振没有起振，最终把晶振的起振电容换了就能够下载程序。
4.2软件调试
计算器是多功能的数字型设备，可以根据用户按下的按键记录要计算的数值。并通过单片机内部运算计算出结果并在屏幕上显示。计算器的功能很多，所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：
1．每次计算一次数值运算后，屏幕上会残留以前换算的结果，进行下一次运算的时候也没有消除。
解决：经过分析初步确认是液晶在进行下一次运算的时候没有进行清屏，在上一次运算完成后，进行新一次运算的时候单片机对液晶进行处理使其进行清屏处理，最后解决了此问题。
2．当用户按下按键的时候，单片机读取的数值跟设定的数值不对。
解决：重新检查矩阵键盘电路的连接，重新建立一个新的对应关系。
4.3调试结果
经过一系列的问题查找后系统最终能正常工作，并完成所有的功能。
以下为系统仿真图:
图4-1系统仿真图

5. 心得体会
通过这次课程设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。经过我长时间的设计及调试，本系统基本能实现设定的要求。通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，键盘等。并且我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。我的动手能力得到了很大的提高，创新意识得到了锻炼。
在整个设计过程中，虽然忙碌劳累，但也充实快乐，老师每天都会不厌其烦的陪着我们在机房，有任何问题都会对我们倾囊相授，在这我想向陪伴我们三年的老师说声谢谢，你们辛苦了！
参考文献
[1] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009年
[2] 吴运昌．模拟电子线路基础．广州：华南理工大学出版社，2004年
[3] 阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，1997年
[4] 张晓丽等．数据结构与算法．北京：机械工业出版社，2002年
[5] 马忠梅等． ARM&Linux嵌入式系统教程．北京：北京航空航天大学出版社，
[6] 李建忠．单片机原理及应用．西安：西安电子科技大学，2002年
[7] 韩志军等.单片机应用系统设计[M].机械工业出版社，2004
[8] 周润景等. Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].电子工业出版社，
[9] 马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006
[10] 刘树中，孙书膺，王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J].微计算机信息，2007

系统源程序
#include <reg52.h>
#include"LCD1602.h"
#include"math.h"
//端口及函数说明----------------------------------------------------------------------------
#define Key_port P2 //按键

unsigned char key_scan(void); //键盘扫描函数

bit FlagN = 0; //是否有数字按下 ,按下后置1
bit FlagO = 0; //是否有操作符按下，按下后置1
bit FlagD = 0; //是否按下小数点，按下后置1
bit FlagNegX=0;
bit FlagNegY=0;

double X = 0.0,Y = 0.0,RES = 0.0; //X为第一个操作数 Y为第二个操作数
unsigned char OPER = 0; //操作符号
int Num[16]={0}; //存放结果位
//-------------------------------------------------------------------------------
void delay(unsigned int i)
{
unsigned int x,y;
for(x= 0;x<i;x++)
for(y = 0;y<110;y++);
}

while(Num[i]==0)//判断第一个不为0的数
{
i++;
}
k = 4-i;
if(i > 3) //RES<1时
{
LCDDispChar(2,2,'0');
LCDDispChar(3,2,'.');
for(l=0;l<4;l++)
{
LCDDispNum(4+l,2,Num[l+4]);
}
}
else
{
for(j = 0;j<k;j++) //显示所有的整数部分
{
LCDDispNum(2+j,2,Num[i++]);
}
LCDDispChar(2+j,2,'.');j++;
for(l=0;l<4;l++)
{
LCDDispNum(2+j,2,Num[l+4]);
j++;
}
}
}

//计算部分的函数
//传入参数：x-运算数1，y运算数2，oper运算符号
//返回值：运算结果
void Calculate(void)
{
switch (OPER)
{
case 11:RES = (double)X*1.0+Y;break;
case 12:RES = (double)X*1.0-Y;break;
case 13:RES = (double)X*1.0*Y;break;
case 14:RES = (double)X*1.0/Y;break;
default:break;
}
}
//主函数
void main()
{
unsigned char i=0;
unsigned int temp = 0;
unsigned char location = 0;//当前显示指针位置
FlagN = 0;
FlagO = 0;
FlagD = 0;
FlagNegX=0; FlagNegY=0;

LCDInit();

while(FlagO)
{
LCDCursor();
while(FlagN) //输入X的过程中 没有按下操作符建 按下后跳出
{
i = key_scan();OPER = i; //取得操作符
if((i>=0) && (i<10))
{
if(FlagD) //当没有按下小数点时
{
X=X*10+i;
}
else //按下小数点后的情况，
{ //储存值以便显示
Num[temp+4] = i; //更新X值以便计算
if(temp == 0)
X = X + (double)i/10;
if(temp == 1)
X = X + (double)i/100;
if(temp == 2)
X = X + (double)i/1000;
if(temp == 3)
X = X + (double)i/10000;
if(temp == 4)
X = X + (double)i/100000;
temp++;
}
LCDDispNum(location++,1,i);
}
else if(i == 10) //显示小数点
{
LCDDispChar(location++,1,'.');
}
else if(i == 12 && X==0) //按下‘-’号
{
FlagN=0;
FlagNegX=1;
LCDDispChar(location++,1,'-');
}
}//输入X
if(FlagNegX)
{
X=0-X;
}
if(i == 11) //显示操作符
LCDDispChar(location++,1,'+');
else if(i == 12)
LCDDispChar(location++,1,'-');
else if(i == 13)
LCDDispChar(location++,1,'X');
else if (i == 14)
LCDDispChar(location++,1,'/');
else
LCDDispChar(location++,1,'?');

temp = 0;FlagD = 0; FlagN = 0; FlagO = 0; //所有标志位清零

while(FlagO) //没有按下=时
{
i = key_scan();
if((i>=0) && (i<10))
{
if(!FlagD) //当没有按下小数点时
{
Y=Y*10+i;
}
else
{
Num[temp+4] = i;
if(temp == 0)
Y = Y + (double)i/10;
if(temp == 1)
Y = Y + (double)i/100;
if(temp == 2)
Y = Y + (double)i/1000;
if(temp == 3)
Y = Y + (double)i/10000;
if(temp == 4)
Y = Y + (double)i/100000;
temp++;
}
LCDDispNum(location++,1,i);
}
else if(i == 12 && Y==0) //按下‘-’号
{
FlagNegY=1;
LCDDispChar(location++,1,'(');
LCDDispChar(location++,1,'-');
}
if(i == 10) //显示小数点
{
LCDDispChar(location++,1,'.');
}
}
if(!FlagNegY)
{
Y=0-Y;
LCDDispChar(location++,1,')');
}
if (i == 15)
LCDDispChar(location++,1,'=');
}
LCDNotCursor();
Calculate();
connum(RES);
while(1);
}