[学士]基于单片机的计算器_secret.pdf

基基于于单单片片机机的的简简易易计计算算器器设设计计第 1 页 共 14 页摘要: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。本任务是个简易的两位数的四则运算，程序都是根据教材内和网络中的程序参考编写而成，在功能上还并不完善，限制也较多。本任务重在设计构思与团队合作，使得我们用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。关键词：单片机计算器范围 加减乘除1 引言 1.1 计算器的历史说起计算器，值得我们骄傲的是，最早的计算工具诞生在中国。中国古代最早采用的一种计算工具叫筹策，又被叫做算筹。这种算筹多用竹子制成，也有用木头，兽骨充当材料的。约二百七十枚一束，放在布袋里可随身携带。直到今天仍在使用的珠算盘，是中国古代计算工具领域中的另一项发明，明代时的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎相同。17 世纪初，西方国家的计算工具有了较大的发展，英国数学家纳皮尔发明的纳皮尔算筹，英国牧师奥却德发明了圆柱型对数计算尺，这种计算尺不仅能做加减乘除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数，指数函数和对数函数，这些计算工具不仅带动了计算器的发展，也为现代计算器发展奠定了良好的基础，成为现代社会应用广泛的计算工具。1.2 电子计算器的特殊键在使用电子计算器进行四则运算的时候，一般要用到数字键，四则运算键和清除数据键。除了这些按键，还有一些特殊键，可以使计算更加简便迅速。2 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 功能在增强，内部资源在增多，引角的多功能化，以及低电压底功耗。3 芯片简介 3.1 MSC-51 芯片简介第 2 页 共 14 页MCS-51 单片机内部结构8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。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。图 1程序存储器(ROM)：8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。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，该串行口既第 3 页 共 14 页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：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，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。时钟电路：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。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL 的 MCS-51 系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品 16 位的 MCS-96 系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图 2。图 2MCS-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，右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：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，右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 3第 4 页 共 14 页图 3Pin9: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，见下图 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 4Pin30: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。4相关知识 4.1 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第 5 页 共 14 页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 1-1 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 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。4.2 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 IO 口的方法,按键数目越多节省 IO 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。本键盘扫描子程序名叫 key，每次要扫描时用 lcall key 调用即可。5计算器硬件电路设计8051 单片机的 P2 口作键盘口，其中 P2.4-P2.7 为键盘扫描输出线，P2.0-P2.3 为键盘扫描输入线。键盘由4*4 共 16 个按键组成，10 个数字键（由0-9 组成）5 个运算符号（加减乘除等于）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，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。6计算器程序设计 6.1 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；27H 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；第 6 页 共 14 页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。6.2 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 4*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，23H-25H,34H-37H,38H,39H,3AH,3BH,3CH,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。6.3 数码管显示数据转换子程序 CONV由于数值单元存放的是二进制数，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。6.4 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-P0.3 位 0，点亮延时 10MS。然后 P1 口输出数值十位七段码，P0.1 位 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。7系统硬件设计选用设备 8051 单片机一片选用设备：8051 弹片机一片，4*4 键盘一个，4 位共阳极的七段数码管一个，连线若干。7.1 系统总框图如下：第 7 页 共 14 页 7.2 计算器硬件线路图图 1-17.3 系统工作原理（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，扫描键值时就不在赋值和显示。等待运算符号的按下，按下等于号就直接与零计算并显示，如加减乘除就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，相当与软复位。（3）在扫描完键盘后，调用数据显示转换子程序，并选择，由于本任务是两位四则运算，只有乘法中结果会超出 FFH 的范围，在此就是选择处理方式，超出范围则跳过数据显示转换子程序，未超出则调用数据显示转换子程序，两种选择都是要把值转换为七段码。第 8 页 共 14 页）调用数码管动态显示子程序，显示数值，重新循环。第 9 页 共 14 页（48 程序源代码;显示缓冲区首地址定义DISPBUF EQU 30H;主程序的入口地址ORG 0000H;4 个数码管显示“0000”字形数据START:MOV DISPBUF,#0C0HMOV DISPBUF+1,#0C0HMOV DISPBUF+2,#0C0HMOV DISPBUF+3,#0C0HMOV 37H,#00H ;数值初始化MOV 27H,#00HMOV 26H,#00HMOV 25H,#00HMOV 24H,#00HMOV 23H,#00HMOV R3,#00HMOV R5,#00HMOV R4,#00H;调用键盘扫描子程序LOOP:LCALL KEYMOV R6,27HCJNE R6,#00H,START ;清除键判断MOV R6,26H;显示数据转换子程序选择CJNE R6,#00H,FA;调用数码管显示数据转换子程序LCALL CONV;调用数码管动态显示子程序FA:LCALL DISPSCANSJMP LOOPKEY:MOV P2,#0FH ;键盘扫描子程序MOV A,P2ANL A,#0FHCJNE A,#0FH,K10RETK10:JB P2.0,K20K11:MOV P2,#0EFHJB P2.0,K12CJNE R5,#00H,L1MOV R4,#00HINC R5MOV R3,#1HL1:LJMP CENDK12:MOV P2,#0DFHJB P2.0,K13CJNE R5,#00H,L2MOV R4,#00HINC R5MOV R3,#2HL2:LJMP CENDK13:MOV P2,#0BFHJB P2.0,K14CJNE R5,#00H,L3MOV R4,#00HINC R5MOV R3,#3HL3:LJMP CENDK14:MOV P2,#7FHJB P2.0,KILCJNE R5,#00H,L4MOV R4,#00H第 1 页 共 14 页INC R5MOV R3,#4HKIL:LJMP KENDL4:LJMP CENDK20:JB P2.1,K30K21:MOV P2,#0EFHJB P2.1,K22LJMP DYUK22:MOV P2,#0DFHJB P2.1,K23MOV 25H,#3HLJMP OPRK23:MOV P2,#0BFHJB P2.1,K24MOV 25H,#6HLJMP OPRK24:MOV P2,#7FHJB P2.1,cctvMOV 25H,#9HLJMP OPRcctv:ljmp kendK30:JB P2.2,K40K31:MOV P2,#0EFHJB P2.2,K32MOV 25H,#0HLJMP OPRK32:MOV P2,#0DFHJB P2.2,K33MOV 25H,#2HLJMP OPRK33:MOV P2,#0BFHJB P2.2,K34MOV 25H,#5HLJMP OPRK34:MOV P2,#7FHJB P2.2,KENDMOV 25H,#8HLJMP OPRK40:JB P2.3,KENDK41:MOV P2,#0EFHJB P2.3,K42INC 27HLJMP KENDK42:MOV P2,#0DFHJB P2.3,K43MOV 25H,#1HLJMP OPRK43:MOV P2,#0BFHJB P2.3,K44MOV 25H,#4HLJMP OPRK44:MOV P2,#7FHJB P2.3,KENDMOV 25H,#7HLJMP OPROPR:;键值存储INC R4CJNE R5,#00H,CHANGCJNE R4,#2H,KBKZHI:MOV A,20HMOV B,#0AHMUL ABMOV 20H,25H第 2 页 共 14 页ADD A,20HSJMP CENDCJNE R5,#00H,CZHS:CJNE R3,#2H,S1MOV 23H,ACLR CLJMP KENDMOV A,23HCZH:CJNE A,#00H,JIANFAMOV 24H,AMOV 23H,#0EHLJMP KENDSJMP CENDKEND:MOV P2,#0FHJIANFA:SUBB A,24HMOV A,P2MOV 23H,AANL A,#0FHSJMP CENDCJNE A,#0FH,KENDS1:CJNE R3,#3H,S2RETMOV A,23HCHANG:MOV B,24HCJNE R4,#2H,HONGMOV A,23HAJMP ZHIMUL ABHONG:JNC CENDMOV R6,BINC R5CJNE R6,#00H,CHENGMOV 20H,25HMOV 23H,AMOV 24H,25HSJMP CENDLJMP CENDS2:CJNE R3,#4,CENDKBK:JNC CENDMOV A,24HMOV 20H,25HCJNE A,#00H,ZYMOV 23H,25HMOV A,#00HLJMP CENDSJMP CENDDYU:;结果计算ZY:MOV A,23HMOV R5,#00HMOV B,24HMOV R4,#00HDIV ABMOV 25H,#00HMOV 23H,ACJNE R3,#1H,SCEND:MOV P2,#0FHMOV A,23HMOV A,P2ADD A,24HANL A,#0FHMOV 23H,ACJNE A,#0FH,CEND第 3 页 共 14 页RETCHENG:MOV R3,BMOV B,#64HDIV ABMOV 36H,AMOV A,BMOV B,#0AHDIV ABMOV 35H,AMOV 34H,BMOV DPTR,#TABLEXIAN:MOV A,34HADD A,#6HMOV B,#0AHDIV ABMOV 25H,AMOV 34H,BMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF,AMOV A,35HADD A,#5HADD A,25HMOV B,#0AHDIV ABMOV 25H,AMOV 35H,BMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+1,AMOV A,36HADD A,#2HADD A,25HMOV B,#0AHDIV ABADD A,37HMOV 37H,AMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+3,AMOV 36H,BMOV A,BMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+2,ADJNZ R6,XIANMOV 26H,#1HAJMP CENDCONV:;数码管显示数据转换子程序CJNE R5,#02H,BEIMOV A,24HAJMP JINGBEI:MOV A,23HJING:MOV B,#64HDIV ABMOV DPTR,#TABLEMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+2,AMOV A,BMOV B,#0AHDIV ABMOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF+1,AMOV A,B第 4 页 共 14 页MOVC A,A+DPTRMOV DISPBUF,ARET;数码管动态显示子程序DISPSCAN:MOV R0,#DISPBUFMOV R2,#4HMOV A,#1HSC:PUSH ACCMOV A,R0MOV P1,APOP ACCMOV P0,ALCALL DELAY1RL AINC R0DJNZ R2,SCMOV P0,#1HRETDEL12:MOV R6,#1EHDEL2:MOV R7,#64HDEL1:DJNZ R7,DEL1DJNZ R6,DEL2RETDELAY1:MOV R6,#70D2:MOV R7,#100DJNZ R7,$DJNZ R6,D2RET ;-字符表-TABLE:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99HDB 92H,82H,0F8H,80H,90HDB 88H,83H,0C6H,0A1H,86HDB 8EHEND9 结论本系统就是充分利用了 8051 芯片的I/O 引脚。系统统采用MSC-51 系列单片机Intel8051 为中心器件来设计计算器控制器，实现了能根据实际输入值显示并存储，计算程序则是参照教材。至于位数和功能，如果有需要可以设计扩充原系统来实现。通过这次毕业设计，使我们得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面系统的锻炼。使我们在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。参考文献1 单片机应用技术（汇编语言），中国劳动社会保障出版社，2006.62网络文章：http:/ 部分资料。第 5 页 共 14 页