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单片机课程设计 题目： 简易计算器的设计
院 系：信息工程学院 班 级： 自动化1班 姓 名：黄浩 学 号： 2010550123 指导教师：张莹
目录
1 设计说明.... 1 1.1 设计内容.... 1 1.2 设计要求.... 1 1.3设备及工作环境.... 1 2 硬件方案.... 1 2.1 设计思路.... 1 2.2 原理电路图.... 2 2.3 主要元件功能说明.... 2 2.4 硬件工作原理阐述.... 7 3 软件方案.... 8 3.1 分析论证.... 8 3.2 程序流程图.... 9 3.3 程序清单.... 10 4 调试过程及结果分析..... 16 5 设计总结..... 16 参考文献..... 16
1.设计说明
1.1设计内容
本次的设计是利用单片机设计简单的计算器，本设计利用单片机的I/O接口设计2×4键盘，8个键依次对应0～3、“+”、“-”、“=”和清除键。通过检测不同数字键、功能键的按下，可以进行小于255的数的加减乘除运算，并可连续运算。当键入值大于255时，将自动清零，可以重新输入。对应每一个数字键按下的同时，LED显示按下键的值，并显示最后的运算结果。
1.2设计要求
要求能实现小于255的数的加减运算，采用2×4键盘，8个键依次对应0～3、“+”、“-”、“=”和清除键。根据输入键的按下实现不同的功能，最终结果通过LED显示。
1.3设备及工作环境
8051单片机一片、七段四显示数码管一个、排阻一个、导线若干、12MHz晶振一个、30pF电容两个
所有设备均工作在常温下(0℃～70℃)
2.硬件方案
2.1设计思路
本设计利用单片机的I/O接口设计2×4键盘，两行四列分别由单片机的P2.4\P2.5及P2.0-P2.3输入输出数据。采用P0口和P1.0-P1.3输出数据到数码管显示由键盘输入的数据及最终计算结果。
2.2原理电路图
图2.1 硬件电路图
2.3主要元件功能说明
2.3.1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，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。
2.3.2芯片简介
MSC-51芯片简介：
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。
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：
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：
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。
图2.2 单片机结构图
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，下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2.3
图2.3单片机引脚图
Pin9: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，见图2.4。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2.4单片机复位电路
Pin30: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。
2.3.3相关知识
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2.1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。
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I/O口的方法,按键数目越多节省I/O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。
2.4 硬件工作原理阐述
8051单片机的P2口作键盘口，其中P2.4-P2.5为键盘扫描输出线，P2.0-P2.3为键盘扫描输入线。键盘由2*4共8个按键组成，4个数字键（由0-3组成）3个运算符号（加减等于）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。
3.软件方案
3.1 分析论证
程序工作过程如下：
(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，扫描键值时就不再赋值和显示。等待运算符号的按下，按下等于号就直接计算并显示，如加减就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，相当于软复位。
(3)在扫描完键盘后，调用数据显示转换子程序把值转换为七段码。
(4)调用数码管动态显示子程序，显示数值，重新循环
3.2 程序流程图
3.3 程序清单
3.3.1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；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。
3.3.2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2*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，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。
3.3.3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。
3.3.4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为0，点亮延时10MS。然后P1口输出数值十位七段码，P0.1为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。
程序源代码:
DISPBUF EQU 30H ;显示数据存储位置
ORG 0000H ;主程序的入口地址
START:MOV DISPBUF,#0C0H ;4个数码管显示"0000"字形数据
MOV DISPBUF+1,#0C0H
MOV DISPBUF+2,#0C0H
MOV DISPBUF+3,#0C0H
MOV 37H,#00H ;数值初始化
MOV 27H,#00H
MOV 26H,#00H
MOV 25H,#00H
MOV 24H,#00H
MOV 23H,#00H
MOV R3,#00H
MOV R5,#00H
MOV R4,#00H
LOOP: LCALLKEY ;调用键盘扫描子程序
MOV R6,27H
CJNE R6,#00H,START ;清除键判断
MOV R6,26H
CJNE R6,#00H,FA ;显示数据转换子程序选择
LCALL CONV ;调用数码管显示数据转换子程序
FA: LCALL DISPSCAN ;调用数码管动态显示子程序
SJMP LOOP
KEY: MOVP2,#0FH ;键盘扫描子程序 ;低4位送1
MOV A,P2 ;行输入
ANL A,#0FH
CJNE A,#0FH,K10 ;有按下跳转
RET
K10: JBP2.0,K20 ;第一列
K11: MOVP2,#0EFH ;一行一列
JB P2.0,K12
CJNE R5,#00H,L1
MOV R4,#00H
INC R5
MOV R3,#1H
L1: LJMP CEND
K12: MOVP2,#0DFH
JB P2.0,K13
CJNE R5,#00H,L2
MOV R4,#00H
INC R5
MOV R3,#2H
L2: LJMP CEND
KIL: LJMPKEND
L4: LJMPCEND
K20: JBP2.1,K30 ;第二列
K21: MOVP2,#0EFH
JB P2.1,K22
LJMP DYU
K22: MOV P2,#0DFH
JB P2.1,K23
MOV 25H,#3H
LJMP OPR
CCTV:LJMP KEND
K30: JBP2.2,K40 ;第三列
K31: MOVP2,#0EFH
JB P2.2,K32
MOV 25H,#0H
LJMP OPR
K32: MOV P2,#0DFH
JB P2.2,K33
MOV 25H,#2H
LJMP OPR
K40: JBP2.3,KEND ;第四列
K41: MOVP2,#0EFH
JB P2.3,K42
INC 27H
LJMP KEND
K42: MOV P2,#0DFH
JB P2.3,K43
MOV 25H,#1H
LJMP OPR
OPR: INC R4 ;键值存储
CJNE R5,#00H,CHANG
CJNER4,#2H,KBK
ZHI: MOV A,20H
MOV B,#0AH
MUL AB
MOV20H,25H
ADD A,20H
CJNER5,#00H,CZH
MOV 23H,A
LJMP KEND
CZH: MOV 24H,A
LJMP KEND
KEND:MOV P2,#0FH
MOV A,P2
ANL A,#0FH
CJNEA,#0FH,KEND
RET
CHANG: CJNE R4,#2H,HONG
AJMP ZHI
HONG:JNC CEND
INC R5
MOV 20H,25H
MOV24H,25H
LJMP CEND
KBK: JNC CEND
MOV 20H,25H
MOV 23H,25H
LJMP CEND
DYU: MOV R5,#00H ;结果计算
MOV R4,#00H
MOV25H,#00H
CJNER3,#1H,S
MOV A,23H
ADD A,24H
MOV 23H,A
SJMP CEND
S: CJNE R3,#2H,S1
CLR C
MOV A,23H
CJNEA,#00H,JIANFA
MOV23H,#0EH
SJMP CEND
JIANFA:SUBB A,24H
MOV 23H,A
SJMP CEND
S1: CJNE R3,#3H,S2
MOV A,23H
MOV B,24H
MOV A,23H
MUL AB
MOV R6,B
CJNER6,#00H,CHENG
MOV 23H,A
SJMP CEND
S2: CJNE R3,#4,CEND
MOV A,24H
CJNE A,#00H,ZY
MOVA,#00H
SJMP CEND
ZY: MOV A,23H
MOV B,24H
DIV AB
MOV 23H,A
CEND:MOV P2,#0FH
MOV A,P2
ANL A,#0FH
CJNEA,#0FH,CEND
CONV: CJNE R5,#02H,BEI ;数码管显示数据转换子程序
MOV A,24H
AJMP JING
BEI: MOV A,23H
JING: MOVB,#64H
DIV AB
MOV DPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVDISPBUF+2,A
MOV A,B
MOVB,#0AH
DIV AB
MOVCA,@A+DPTR
MOVDISPBUF+1,A
MOV A,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVDISPBUF,A
RET
DISPSCAN:MOV R0,#DISPBUF ;数码管动态显示子程序
MOV R2,#4H
MOV A,#1H
SC: PUSH ACC
MOV A,@R0
MOV P1,A
POP ACC
MOV P0,A
LCALLDELAY1
RL A
INC R0
DJNZR2,SC
MOVP0,#1H
RET
DEL12: MOV R6,#1EH
DEL2: MOV R7,#64H
DEL1: DJNZ R7,DEL1
DJNZ R6,DEL2
RET
DELAY1:MOV R6,#70 ;延时程序
D2: MOV R7,#100
DJNZ R7,$
DJNZ R6,D2
RET
TABLE:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H ;------字符表------
DB92H,82H,0F8H,80H,90H
DB88H,83H,0C6H,0A1H,86H
END
4.调试过程及结果分析
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，扫描键值时就不再赋值和显示。等待运算符号的按下，按下等于号就直接计算并显示，如加减就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，相当于软复位。
3.在扫描完键盘后，调用数据显示转换子程序把值转换为七段码。
4.调用数码管动态显示子程序，显示数值，重新循环。
参 考 文 献
[1] 李华.单片机原理及应用[M].兰州:兰州大学出版社，2001
[2] 卓越科技.MCS-51单片机原理与应用实例[M].北京:电子工业出版,2008
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