基于C51单片机的简易电子计算器制作(含源文件)-学术论文

成都大学首届电子创意设计竞赛1成都大学成都大学首届电子创意设计竞赛首届电子创意设计竞赛技术报告技术报告项目名称：项目名称：基于 51 单片机的简易计算器项目负责人：项目负责人：黄义城 学院：学院：电子信息工程学院专业：专业：通信工程班级：班级：2012 级 2 班联系电话联系电话：134 3893 8854技术指导：技术指导：李毅，聂祥电子邮件：电子邮件：306291872qq.com项目起止时间：项目起止时间：2013 年 3 月-5 月电子信息工程学院电子信息工程学院“第二课第二课”科创工作室科创工作室20122012 年年 5 5 月月 1717 日日成都大学首届电子创意设计竞赛3项目人员负责项目人员负责 名称基于 51 单片机的交通灯控制系统姓名所在学院、专业 学号项目中 分工负责人黄义城电信学院通信专业201210315220软件 田欣电信学院通信专业201210315105软件、硬件成员刘蔓霄电信学院通信专业201210315228软件、硬件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，充分利用已有的硬件和软件条件，设计出更出色的计算器。本设计是以 STC89C52 单片机为核心的计算器模拟系统设计，输入采用 4*4矩阵键盘，可以进行加、减、乘、除带符号数字运算（六位整数、两位小数） ，并在液晶显示屏 LCD1602 上静态显示操作过程及结果。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。关键词： 单片机； 液晶显示屏； 计算器； 矩阵键盘成都大学首届电子创意设计竞赛4引言现如今，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。一、项目总体设计框架一、项目总体设计框架1 1、芯片、芯片 STC89C52STC89C52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，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 STC89C52 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。2、输入模块采用矩阵式键盘作为输入模块、输入模块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。其原理图如图所示。图 矩阵键盘输入成都大学首届电子创意设计竞赛53 3、显示模块、显示模块采用 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，势必存在浪费 I/O 口资源的问题。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。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。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，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。4 4、硬件资源分配、硬件资源分配主要用到的硬件：单片机 STC89C52 、液晶显示屏 LCD1602 、4*4 按键键盘硬件分配：1、P1 口：作为输入口，与键盘连接，实现数据的输入；2、P0、P2 口：作为输出口（P2 口为高位，P0 口为低位） ，控制 LCD 液晶显示屏显示数据的结果；3、液晶显示屏 LCD1602 显示输出。二、计算器硬件设计1、系统组成及硬件框图图 2-1-1 系统组成及硬件框图2、元器件简介2.1 STC89C52 特点显示模块蜂鸣器电路单 片 机键盘输入模块成都大学首届电子创意设计竞赛6图 2-2-1 单片机 STC89C521,、主要性能：与 MCS-51 单片机产品兼容；8K 字节在系统可编程 Flash 存储器；1000 次擦写周期；全静态操作：0Hz-33Hz；三级加密程序存储器；32 个可编程 I/O 口线、三个 16 位定时器/计数器、8 个中断源；全双工 UART 串行通信；低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。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。2.22.2 LCD1602LCD1602 液晶显示屏液晶显示屏 1、液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式计算机、数字摄像机、PDA 移动通信工具等众多领域。2、LCD1602 的应用简介LCD1602 液晶显示器采用 HD44780 及其兼容芯片作为点阵式 LCD 的控制器驱动器，还采用 HD44100 进行 LCD 的时分割驱动。HD44780 的内部结构主要包括显示数据 RAM（DDRAM） 、字符发生器 ROM（CGROM） 、字符发生器 RAM（CGRAM） 、指令寄存器 IR、数据寄存器 DR、地址计数器 AC（Address Counter）和忙标志成都大学首届电子创意设计竞赛7BF（Busy Flag）等逻辑电路。1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式设置和数据显示等。采用的 LCD1602 液晶模块是标准 16 针插座，接口电路如图 2-2-5 所示，及各引脚说明如表 2-2-2 所示。图 2-2-5 LCD1602 的引脚接口电路图 第 1 脚Vss 为地电源 第 2 脚VDD 接 5V 正电源 第 3 脚Vo 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱， 接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使 用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚Rs 为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平选择指 令寄存器。 第 5 脚Rw 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时选择指 令寄存器。 第 6 脚E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块 执行命令。 第 7-14 脚D0-D7 为 8 位双向数据线。 第 15-16 脚背光阳极和背光阴极。 表 2-2-2 LCD1602 的引脚说明3、其他方面简介DDRAM 用来暂存显示字符的代码，共 80 个字节，DDRAM 的各个单元对应着显示屏上的各个字符位，如图 2-2-6 所示。因此，DDRAM 的地址也就意味着显示字符的地址，显示字符时首先要向 LCD 送显示字符地址。LCD 16 字*2 行成都大学首届电子创意设计竞赛80 00 10 20 30 40 50 60 70 80 90A0B0C0DOEOF1 0 2 7 4 04 14 24 34 44 54 64 74 84 94A4B4C4D4E4F5 0 6 7 图 2-2-6 DDRAM 单元地址与显示屏字符位的对应关系三、系统的硬件设计三、系统的硬件设计为了更好地实现系统的功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：1、 优化硬件电路采用软件设计与硬件设计相结合的方法。尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应的时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器（MCU）的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统的时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能地通过软件来实现硬件功能。2、 可靠性及抗干扰设计根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下争取较少数量的芯片。3、 灵活的功能扩展功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展。根据提出的系统设计方案，结合以上三条原则，确定了系统硬件的设计。计算器主要由以下一些功能模块组成：非编码键盘模块、运算模块（单片机内部） 、LCD 液晶显示模块等。该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。STC89C52 单片机与 LCD 液晶显示屏显示电路是整个电路的核心，它们能实现系统的功能要求。简易计算器主要包括：键盘电路、运算电路、输出显示电路。成都大学首届电子创意设计竞赛9前面说明了该系统的设计，系统采用了比较简单的设计方案，所以该系统的硬件设计的总外围电路不会产生过多的干扰。下面对系统的外围电路分别作了说明。键盘部分采用 4*4 按键键盘，显示部分采用 LCD 液晶显示屏完全能够很好地实现显示方面的要求。4、键盘电路的设计键盘可分为两类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘是较多按键（20 个以上）和专用驱动芯片的组合；当按下某个按键时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件干预。通用计算机使用的键盘就是编码键盘。在智能仪器中，使用并行接口芯片8279 或串行接口 HD7279 均可以组成编码键盘，同时还可以兼顾数码管的显示驱动，其相关的接口电路和接口软件均可在芯片资料中得到。当系统功能比较复杂，按键数量很多时，采用编码键盘可以简化软件设计。非编码键盘成本低廉。从成本角度出发，本设计选用的是非编码键盘。如图图 键盘电路5、显示电路的设计当系统需要显示少量数据时，采用 LCD 液晶显示屏进行显示是一种经济实用的方法。P0 口作为液晶显示的数据端口，P2.0-P2.2 口作为其控制端口，控制 LCD 液晶显示屏显示输出数据。最终显示电路如图所示成都大学首届电子创意设计竞赛106 6、其它电路部分、其它电路部分四、 计算器软件设计成都大学首届电子创意设计竞赛11五、项目总结与体会五、项目总结与体会这个项目的选择是基于提升自我的目的，在程序设