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1、 单片机课程设计报告多功能计算器姓 名： 学 号： 专业班级： 日 期： 2011年3月29日目 录第一章 绪论21.1 课题简介21.2 设计目的21.3 设计任务21.4 设计方法3第二章 设计内容及要求4第三章 方案论证与比较53.1 控制部分的设计方案论证与选择-53.2 键盘设计方案与选择-6第四章 硬件系统设计74.1 键盘接口电路74.2 7段LED数码管84.3 程序下载接口84.4 数码管驱动芯片84.5、单片机时钟电路84.6、单片机复位电路9第五章 软件设计105.1 汇编语言和C语言的特点及选择105.2 键扫程序设计105.3 算术运算程序设计115.4 LED显示原
2、理12第六章 系统调试与存在的问题136.1 硬件调试136.2 软件调试13总 结14参考文献15 附录-16 第一章 绪论1.1 课题简介当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的使用。计算器可谓是我们最亲密的电子伙伴之一。本设计着重在于分析计算器软件和开发过程中的环节和步骤，并从实践经验出发对计算器设计做了详细的分析和研究。单片机由于其微小的体积和极低的成本，广泛的应用于家用电器、工业控制等领域中。在工业生产
3、中。单片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。本系统就是充分利用了8051芯片的I/O引脚。系统以采用MCS-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的功能，计算程序则是参照教材。至于位数和功能，如果有需要可以通过设计扩充原系统来实现 。1.2 设计目的通过本次课题设计，应用单片机原理及应用等所学相关知识及查阅资料，完成简易计算器的设计，以达到理论与实践更好的结合、进一步提高综合运用所学知识和设计的能力的目的。通过本次设计的训练，可以使我在基本思路和基本方
4、法上对基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。1.3 设计任务在本次课程设计中，主要完成如下方面的设计任务：1、简要阐述单片机技术发展的国内外现状及LED动态显示和矩阵键盘基本原理；2、掌握MCS-51系列某种产品（例如8051）的最小电路及外围扩展电路的设计方法；3、了解单片机数据转换功能及工作过程；4、完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定；5、用protel软件完成原理电路图的绘制；1.4 设计方法电路采用动态显示，由八位共阳极数码管通过P0口，P2口与单片机分别相连，且数码管A,B,C,D,E,F,G分别依次与单片机的P0口相连，P
5、0口做为字码控制端，数码管的1，2，3，4，5，6，7，8各引脚分别与单片机的P2.0P2.7相连，P2口做为数码管的位控制端，动态显示是每次数码管只显示一位，由于人的视觉停留是0.05到0.2秒之间，当数码管依次点亮各个位时，使循环的频率高于人的视觉停留时间，人们就会认为数码管是同时点亮的，就可以达到动态显示的效果。输入键盘采用4*4键盘。采用软件识别键值并执行相应的操作，程序运行时依次扫描各行，查询是否有键按下，如果有则进入键盘识别处理程序，实现相应的运算，然后通过数码管输出结果，如果没有按键就调用显示程序显示一个0，等待按键按下，在进入按键扫描程序。这样循环执行。 第二章 设计内容及要求
6、基本功能：利用89c51作为主控器组成一个四则运算的计算器。可选器件：51系列单片机、6264、7段LED数码管、74LS244或74LS240、与非门等51系列单片机4*4键盘8位LED显示6264RAM扩展复位电路晶振电路等 第三章 方案论证与比较3.1控制部分的设计方案论证与选择根据设计要求，控制器主要用于红外信号的接收和辨认、控制步进电机的动作，控制显示步进电机的转速等。对于控制器的选择有以下三种方案。方案一：采用计算器专用芯片实现。用计算器专用芯片进行设计并编程实现。这种设计方案计算效率高、速度快、而且成本也相对较低，是厂家做计算器的最佳方案。但是本人对计算器专用芯片掌握的不够，还不
7、足以实现设计计算器，所以这个方案不可去。方案二：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA将所有器件集成到一块芯片上，体积小，节省空间，提高了稳定性；直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，使用方便，硬件测试和实现快捷，开发效率高，工作可靠性好。可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，采用并行的输入输出方式，系统处理速度高，适合作为大规模实时系统的控制核心。由FPGA内部编程实现计算器功能，本设计对数据处理速度的要求不是很高，FPGA的高速处理的优势得不到充分的体现，由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。并
8、且FPGA的价格相对较高，性价比太低。方案三、用单片机实现。由于单片机集成了运算器电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等，所以用单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。由于单片机是可编程芯片，并且它可以运用C语言编写，对于一些复杂的计算功能，可以调用C语言库函数。使编写程序变得非常简单。所以该课题用单片机实现，不仅功能易于实现，而且精确度高，稳定性好，抗干扰能力强。并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，且技术比较成熟。性价比也相当高。更重要的是本人经过几年的学习，对单片机已有深刻的理解，并且可以灵活运用。综上所述，并通过各个方面综合比较为达到最佳效果
9、。我们采用方案三利用单片机控制器。3.2键盘设计方案与选择方案一：独立键盘。独立键盘为一端接地，另一端接I/O口，并且要接上拉电阻。这种键盘的硬件都很容易实现，但每一个按键就要用一个I/O口，非常的浪费单片机的I/O口资源，不适合本次设计。方案二：自制编码键盘。编码键盘的电路如图1-9所示，这种键盘有编程简单，占用资源少，但其硬件比较复杂，要用很多的二极管，不是很理想。 图1-9、自制编码键盘电路图方案三：4*4矩阵式键盘。其电路图如图图1-10所示，这种键盘的硬件简单，使用的I/O口也不多，而且这种键盘的编程方法已很成熟。所以本次设计采用这种矩阵式键盘。第四章 硬件系统设计硬件系统是指构成微
10、机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以AT89S51单片机为主控单元。显示部分：采用7段LED动态显示。按键部分，采用4*4键盘。 4.1 键盘接口电路计算机输入数字和其他功能按键时要用到很多按键，在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的I/O口资源，因此在很多情况下都不采用这样的方式，而是采用矩阵键盘的方式。矩阵键盘采用四条I/O线作为行线，四条I
11、/O线作为列线组成键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的数量就为4*4个。这样行列式键盘结构能有效的提高单片机系统中I/O口的利用率。计算器的键盘布局如图3.2所示：一般有16个键组成，在单片机中正好有一个P端口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中最常用。图3.2 矩阵键盘内部电路4.2 7段LED数码管利用集成的LED数码管（四位）4.3 程序下载接口利用串行口芯片232烧录入程序4.4 数码管驱动芯片利用244芯片驱动数码管显示4.5、单片机时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电
12、路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚X1，输出端为引脚X2，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。 此电路采用12MHz的石英晶体。时钟电路如下图2-2： 图2.2时钟电路4.6、单片机复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时
13、间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4s才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。在本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如下图2-3。图2-3、复位电路第五章 软件设计5.1 汇编语言和C语言的特点及选择本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有
14、汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。在本设计中采用C语言编写软件程序。主程序的设计详见附录三。 YN开始有键闭合否？去抖动确有键按下判断键号释放返回返回YNYN5.2 键扫程序设计键扫程序的过程为：开始时，先判断是否有键闭合，无键闭合时，返回继续判断，有键闭合时，先去抖动，然后确定是否有键按下，若无键按下，则返回继续判断是否有键闭合，若有键按下，则判断键号，然后释放，若释放按键完毕，则返回，若没有释放按键，则返回继续释放。其流程图如图4.1所示。图4.1 键扫程序流程图5.3 算术运算程序设计开始运算符是？加乘减除运算结溢出？是否溢出错误信息清零，不显示数值送显示缓冲YYNN算术运算程序的过程为：先判断输入的运算符是+、-、*、/ 中的哪一个，若是+或-，则要判断运算结果是否溢出，溢出则显示错误信息，没溢出就显示运算结果，若是/，则要先判断除数是否为零，为零就显示错误信息，不为零则显示运算结果，若是-，则直接显示运算结果。其流程图
