毕业设计(论文)_基于MC51单片机的简易计算器设计说明.doc
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1、 . 电 毕业设计(论文)题 目: 基于单片机的简易计算器 专业名称: 电子信息工程技术 姓 名: 学 号: 班 级: 08级通信与信息技术班 指导教师: (2011届)2010年 12月 30日摘要摘要 近几年单片机技术的发展很快,其中电子产品的更新速度迅猛。计算器是日常生活中比较的常见的电子产品之一。如何才能使计算器技术更加的成熟,充分利用已有的软件和硬件条件,设计出更出色的计算器呢。本设计是以AT89S52单片机为核心的计算器模拟系统设计,输入采用46矩阵键盘,可以进行加、减、乘、除9位带符号数字运算,并在LCD1602上显示操作过程。科技的进步告别了以前复杂的模拟电路,一块几厘米平方的
2、单片机可以省去很多繁琐的电路。现在应用较广泛的是科学计算器,与我们日常所用的简单计算器有较大差别,除了能进行加减乘除,科学计算器还可以进行正数的四则运算和乘方、开方运算,具有指数、对数、三角函数、反三角函数与存储等计算功能。计算器的未来是小型化和轻便化,现在市面上出现的使用太阳能电池的计算器,使用ASIC设计的计算器,如使用纯软件实现的计算器等,未来的智能化计算器将是我们的发展方向,更希望成为应用广泛的计算工具。关键词 AT89S52 LCD1602 计算器 矩阵键盘目录第一章前言11.1 系统开发背景11.2 系统开发意义11.3 设计目的1第二章方案论证22.1 方案构思22.2 方案比较
3、与选择2第三章系统硬件设计与说明33.1系统组成与总体框图33.2元件简介33.2.1 AT89S52特点33.2.2 74LS08简要说明93.2.3 LCD1602液晶显示屏12第四章设计原理分析154.1 设计方案的确定154.2计算器硬件方案与硬件资源分配154.2.1 硬件资源分配154.2.2 系统的硬件设计154.2.3 键盘电路的设计174.2.4 显示电路的设计18第五章计算器的软件设计195.1计算器的软件规划195.2 键盘扫描的程序设计195.3 显示模块的程序设计195.4 主程序的设计205.5 软件的可靠性设计20结束语22致23参考文献24附录25附录一:硬件实
4、物图25附录二:系统程序清单2643 / 47第一章 前言1.1 系统开发背景随着社会的发展,科学的进步,人们的生活水平在逐步的提高,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的常见的电子产品之一。如何使计算器技术更加的成熟,充分利用已有的软件和硬件条件,设计出更出色的计算器,使其更好的为各个行业服务,成了如今电子领域重要的研究课题。1.2 系统开发意义今天,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。1.3 设计目的本设计旨在进一步掌握单
5、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。1、对字符液晶显示模块的工作原理,如初始化、清屏、显示、调用与外特性有较清楚的认识,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,以与利用单片机对液晶模块的驱动和操作; 2、在充分分析部逻辑的概念,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
6、件电路和软件程序。第二章 方案论证2.1 方案构思本设计可以采用两种方案,一种是以FPGA为核心处理芯片,配备相应的外设;另外一种是以AT89S52处理器,配备相应的外设。1、方案一:采用FPGA控制FPGA是一种高密度的可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高达500万门/片以上,系统性能可达200MHz。由于FPGA器件集成度高,方便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普与和应用,并一度在高密度的可编程逻辑器件领域中独占鳌头。但是而基于 SRAM编程的FPGA,其编程信息需存放在外部存储器上 ,
7、需外部存储器芯片 ,且使用方法复杂 ,性差,而其对于一个简单的计算器而言,实用FPGA有点大材小用,成本太高。2、方案二:采用AT89S52单片机是单片微型机的简称,故又称为微控制器MCU(Micro Control Unit)。通常由单块集成电路芯片组成,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与外部设备相结合,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AT89S52以MCS-51为核,是单片机中最典型的代表,应用于各种控制领域。2.2 方案比
8、较与选择通过以上两种方案论证和比较,从设计的实用性,方便性和成本出发,选择了以AT89S52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浮点数的加减和三位浮点数的乘除运算。第三章 系统硬件设计与说明3.1系统组成与总体框图与门模块LCD液晶显示屏模块电源模块AT89S52主控制模 块编码键盘模块图3.1 系统组成与总体框图3.2元件简介3.2.1 AT89S52特点图3.2.1-1 单片机AT89S521、主要性能: (1) 8031 CPU与MCS-51 兼容 8K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) 全静态工作:0Hz-33MHz 三级加密程序存储器 1
9、28*8位部RAM 32条可编程I/O线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗的闲置和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符 片振荡器和时钟电路 (2) 管脚说明: VCC:供电电压。 GND:接地。2、AT89S52的功能特性描述AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 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 和在系统 可编程Fla
10、sh,使得AT89S52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。AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,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, 片晶振与时钟电路。此外, AT89S52 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 Fla
11、sh。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、AT89S52引脚功能AT89S52 单片机为40 引脚芯片见图3.2.1-2。图3.2.1-2 AT89S52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
12、阻。 P1口:P1 口是一个具有部上拉电阻的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,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部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 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),具体如下表所示。 在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能:P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出 P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向
13、控制) P1.5 MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO(在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用)P2口:P2 口是一个具有部上拉电阻的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,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 口使用很强的部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的容
14、。 在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口:P3 口是一个具有部上拉电阻的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,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部电阻的原因,将输出电流(IIL)。 P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如表3.2.1所示。 表3.2.1 P3口管脚 备选功能:端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(记时器0外部输
15、入)P3.5T1(记时器1外部输入)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。 此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。(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DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字
16、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,因此它可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,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。 PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S52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
17、,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0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行部程序存储器的指令。 FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1:反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 XTAL1,XTAL2接石英晶体振荡器。如图3.2.1-3所示外接晶体
18、引脚图。C2XTAL2悬空XTAL2C1XTAL1外部振荡信号XTAL1GND GND接地 接地a部方式b外部方式图3.2.1-3晶振外接结构引脚图XTAL1是片振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz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/VP
19、D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0;不影响RAM状态。如图3.2.1-4所示。 图3.2.1-4 按键电平复位AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能,故而取代了89CXX系列的下载方式,也是因为这样,ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机,现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。 4、AT89S52的编程方法 编程前,须按编程模式表设置好地址、数据与控制信号;顺序如下: 在地址线上加上要编程单元的地址信号。在数据线上加上要写入的数据字节。激活相应的控制信号。将EA/Vpp端加上+12V编程电压。每
20、对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序位,加上一个ALE/PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的,大多数约为50us。改变编程单元的地址和写入的数据,重复步骤,直到全部文件编程结束。单片机的现状与发展方向:单片机是为了工业控制需要满足而诞生的,是自动控制系统的核心部件,因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小,功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点,应用领域不断扩大,除了工业控制,智能化仪表,通讯,家用电器外,在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。由于单片机主要面向工业控制,工作环境比较恶劣,入高温,强电磁干扰,甚至含有
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