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單片機課程設計 題目： 簡易計算器的設計
院 系：信息工程學院 班 級： 自動化1班 姓 名：黃浩 學 號： 2010550123 指導教師：張瑩
目錄
1 設計說明.... 1 1.1 設計內容.... 1 1.2 設計要求.... 1 1.3設備及工作環境.... 1 2 硬件方案.... 1 2.1 設計思路.... 1 2.2 原理電路圖.... 2 2.3 主要元件功能說明.... 2 2.4 硬件工作原理闡述.... 7 3 軟件方案.... 8 3.1 分析論證.... 8 3.2 程序流程圖.... 9 3.3 程序清單.... 10 4 調試過程及結果分析..... 16 5 設計總結..... 16 參考文獻..... 16
1.設計說明
1.1設計內容
本次的設計是利用單片機設計簡單的計算器，本設計利用單片機的I/O接口設計2×4鍵盤，8個鍵依次對應0～3、“+”、“-”、“=”和清除鍵。通過檢測不同數字鍵、功能鍵的按下，可以進行小于255的數的加減乘除運算，并可連續運算。當鍵入值大于255時，將自動清零，可以重新輸入。對應每一個數字鍵按下的同時，LED顯示按下鍵的值，并顯示最后的運算結果。
1.2設計要求
要求能實現小于255的數的加減運算，采用2×4鍵盤，8個鍵依次對應0～3、“+”、“-”、“=”和清除鍵。根據輸入鍵的按下實現不同的功能，最終結果通過LED顯示。
1.3設備及工作環境
8051單片機一片、七段四顯示數碼管一個、排阻一個、導線若干、12MHz晶振一個、30pF電容兩個
所有設備均工作在常溫下(0℃～70℃)
2.硬件方案
2.1設計思路
本設計利用單片機的I/O接口設計2×4鍵盤，兩行四列分別由單片機的P2.4\P2.5及P2.0-P2.3輸入輸出數據。采用P0口和P1.0-P1.3輸出數據到數碼管顯示由鍵盤輸入的數據及最終計算結果。
2.2原理電路圖
圖2.1 硬件電路圖
2.3主要元件功能說明
2.3.1單片機概述
單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片機微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領域，故又稱為微控制器。
通常，單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統。
單片機經過1、2、3，3代的發展，目前單片機正朝著高性能和多品種方向發展，它們的CPU功能在增強，內部資源在增多，引腳的多功能化，以及低電壓低功耗。
2.3.2芯片簡介
MSC-51芯片簡介：
8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：
中央處理器：
中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。
數據存儲器(RAM)：
8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。
定時/計數器(ROM)
8051有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。
并行輸入輸出(I/O)口：
8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。
全雙工串行口：
8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。
中斷系統：
8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。
時鐘電路：
8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。
圖2.2 單片機結構圖
MCS-51的引腳說明：
MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。現在我們對這些引腳的功能加以說明：如圖2.3
圖2.3單片機引腳圖
Pin9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統即初始復位。初始化后，程序計數器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統即從0000H地址開始執行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態，8051的初始態。
8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見圖2.4。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部RAM的數據不丟失。
圖2.4單片機復位電路
Pin30:ALE/當訪問外部程序器時，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節。而訪問內部程序存儲器時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當訪問外部程序存儲器，ALE會跳過一個脈沖。
如果單片機是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。
Pin29:當訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負脈沖選通信號，PC的16位地址數據將出現在P0和P2口上，外部程序存儲器則把指令數據放到P0口上，由CPU讀入并執行。
Pin31:EA/Vpp程序存儲器的內外部選通線，8051和8751單片機，內置有4kB的程序存儲器，當EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內部程序存儲器指令數據，而超過4kB地址則讀取外部指令數據。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內部無程序存儲器的8031,EA端必須接地。
在編程時，EA/Vpp腳還需加上21V的編程電壓。
2.3.3相關知識
數碼管顯示
在本任務中用4位數碼管顯示當前數值的千，百，十，個，由于數碼管個數多，如采用靜態顯示方式，則占用單片機的I/O口線太多，如果用定時器/計數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，則電路復雜。所以，在數碼管個數較多時，常采用動態顯示方式。
如圖2.1所示為單片機應用系統中的一種數碼管動態顯示電路圖，4位數碼管的相同段并聯在一起，由一個8位I/O（P1口）輸出字形碼控制顯示某一字形，每個數碼管的公共端由另外一個I/O口（P0口)輸出的字位碼控制，即數碼管顯示的字形是由單片機I/O口輸出的字形碼確定，而哪個數碼管點亮是由單片機I/O口輸出的字位碼確定的。4個數碼管分時輪流循環點亮，在同一時刻只有1個數碼管點亮，但由于數碼管具有余輝特性及人眼具有視覺暫留特性，所以適當地選取循環掃描頻率，看上去所有數碼管是同時點亮的，察覺不出閃爍現象。動態顯示方式所接數碼管不能太多，否則會因每個數碼管所分配的實際導通時間太少，使得數碼管的亮度不足。在本任務中，為了簡便，字形碼和字位碼都沒由加驅動電路，在實際應用中應加驅動電路。數碼管有共陰極和共陽極兩種，對于共陽數碼管，字形驅動輸出0有效，字位驅動輸出1有效；而對于共陰數碼管則相反，即：字形驅動輸出1有效，字位驅動輸出0有效。
矩陣按鍵
鍵盤是單片機系統中最常用的人機對話輸入設備，用戶通過鍵盤向單片機輸入數據或指令。鍵盤控制程序需完成的任務有：監測是否有鍵按下，有鍵按下時，在無硬件去抖的動電路時，應用軟件延時方法消除按鍵抖動影響；當有多個鍵同時按下時，只處理一個按鍵，不管一次按鍵持續多長時間，僅執行一次按鍵功能程序。
矩陣按鍵掃描程序是一種節省I/O口的方法,按鍵數目越多節省I/O口就越可觀，思路：先判斷某一列（行）是否有按鍵按下，再判斷該行（列）是那一只鍵按下。但是，在程序的寫法上，采用了最簡單的方法，使得程序效率最高。本程序中，如果檢測到某鍵按下了，就不再檢測其它的按鍵，這完全能滿足絕大多數需要，又能節省大量的CPU時間。
本鍵盤掃描程序的優點在于：不用專門的按鍵延時程序，提高了CPU效率，也不用中斷來掃描鍵盤，節省了硬件資源。另外，本鍵盤掃描程序，每次掃描占用CPU時最短，不論有鍵按下或者無鍵按下都可以在很短的時間完成一次掃描。
2.4 硬件工作原理闡述
8051單片機的P2口作鍵盤口，其中P2.4-P2.5為鍵盤掃描輸出線，P2.0-P2.3為鍵盤掃描輸入線。鍵盤由2*4共8個按鍵組成，4個數字鍵（由0-3組成）3個運算符號（加減等于）組成，1個清除鍵（作用相當于整體復位）。4個數碼管用于顯示當前數值的千，百，十，個，采用動態顯示方式，P1口接4個數碼管的七段，P0口分別接4個數碼管的公共端，P1口輸出數碼管的字形碼，P0口輸出數碼管的字位碼。
3.軟件方案
3.1 分析論證
程序工作過程如下：
(1)首先賦予顯示緩沖初始值‘00 00’，并把數據存儲單元清零。
(2)主程序調用鍵盤掃描子程序，判斷鍵值，是數字第一次直接賦予23H單元，如是第二次輸入數字，則把第一次值乘十后與第二次值相加，結果存儲到23H單元，并R4計數2次，表示已輸入兩位，掃描鍵值時就不再賦值和顯示。等待運算符號的按下，按下等于號就直接計算并顯示，如加減就R5加一并把R4清零，表示可以輸入下一操作數，與第一次相同，并等待等于鍵按下。清零鍵則不管在任何情況下都清零，相當于軟復位。
(3)在掃描完鍵盤后，調用數據顯示轉換子程序把值轉換為七段碼。
(4)調用數碼管動態顯示子程序，顯示數值，重新循環
3.2 程序流程圖
3.3 程序清單
3.3.1存儲單元分配
30H單元:數值個位顯示單元；31H單元：數值十位顯示單元；32H單元：數值百位顯示單元；33H單元：數值千位顯示單元；23H單元：第一操作數存儲單元；24H單元：第二操作數存儲單元；25H單元：鍵值暫存單元；27H單元：清除鍵狀態；34H-37H單元：結果數據轉換暫存單元；38H-39H單元：結果高低8位暫存單元；R5單元：操作數計數單元；R4單元：操作數數值位數計數單元；R3單元：運算符號存儲單元。
3.3.2主程序設計
主程序進行程序中用到的一些存儲單元的初始化，數值顯示和2*4鍵盤掃描。首先，進行存儲單元初始化，給數碼管顯示單元30H-33H賦予“0000”字形數據，將數值計數單元，存儲單元，賦予初值零。之后，調用鍵盤掃描子程序，和數碼管顯示數據轉換程序，數碼管動態顯示子程序。主程序不斷進行鍵盤掃描，數碼管顯示數據轉換子程序和動態顯示子程序。
3.3.3數碼管顯示數據轉換子程序CONV
由于數值單元存放的是二進制數，而用戶熟悉的是十進制數，所以應將數值單元中的二進制轉換為十進制數，即BCD碼。要通過數碼管顯示出當前數值，還必須將BCD碼進一步轉換為七段碼，轉換的最終結果數據存放于顯示緩沖區30H-33H單元中，其中30H單元存放數值的個位七段碼，31H單元存放數值的十位七段碼，32H單元存放數值的百位七段碼，33H單元存放數值的千位七段碼。
3.3.4數碼管動態顯示子程序
本任務由P1口輸出字形碼，P0口輸出字位碼。先將存放于30H單元的數值個位七段碼由P1口輸出，同時P0口輸出使數值個位顯示數碼管點亮的字位碼。由于采用的是共陽數碼管，所以只有該位數碼管對應的P0.0為1，其他位P0.1-P0.3為0，點亮延時10MS。然后P1口輸出數值十位七段碼，P0.1為1，數值十位數碼管點亮，延時10MS。接著P1口輸出數值百位七段碼，P0.2為1，數值百位數碼管點亮，延時10MS。最后P1口輸出數值千位七段碼，P0.3為1，數值千位數碼管點亮，延時10MS。
程序源代碼:
DISPBUF EQU 30H ;顯示數據存儲位置
ORG 0000H ;主程序的入口地址
START:MOV DISPBUF,#0C0H ;4個數碼管顯示"0000"字形數據
MOV DISPBUF+1,#0C0H
MOV DISPBUF+2,#0C0H
MOV DISPBUF+3,#0C0H
MOV 37H,#00H ;數值初始化
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 ;調用鍵盤掃描子程序
MOV R6,27H
CJNE R6,#00H,START ;清除鍵判斷
MOV R6,26H
CJNE R6,#00H,FA ;顯示數據轉換子程序選擇
LCALL CONV ;調用數碼管顯示數據轉換子程序
FA: LCALL DISPSCAN ;調用數碼管動態顯示子程序
SJMP LOOP
KEY: MOVP2,#0FH ;鍵盤掃描子程序 ;低4位送1
MOV A,P2 ;行輸入
ANL A,#0FH
CJNE A,#0FH,K10 ;有按下跳轉
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 ;鍵值存儲
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 ;結果計算
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 ;數碼管顯示數據轉換子程序
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 ;數碼管動態顯示子程序
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 ;延時程序
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.調試過程及結果分析
1.首先賦予顯示緩沖初始值‘00 00’，并把數據存儲單元清零。
2.主程序調用鍵盤掃描子程序，判斷鍵值，是數字第一次直接賦予23H單元，如是第二次輸入數字，則把第一次值乘十后與第二次值相加，結果存儲到23H單元，并R4計數2次，表示已輸入兩位，掃描鍵值時就不再賦值和顯示。等待運算符號的按下，按下等于號就直接計算并顯示，如加減就R5加一并把R4清零，表示可以輸入下一操作數，與第一次相同，并等待等于鍵按下。清零鍵則不管在任何情況下都清零，相當于軟復位。
3.在掃描完鍵盤后，調用數據顯示轉換子程序把值轉換為七段碼。
4.調用數碼管動態顯示子程序，顯示數值，重新循環。
參 考 文 獻
[1] 李華.單片機原理及應用[M].蘭州:蘭州大學出版社，2001
[2] 卓越科技.MCS-51單片機原理與應用實例[M].北京:電子工業出版,2008
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