一、設計目的
單片機的出現是計算機制造技術高速發展的產物，它是嵌入式控制系統的核心，如今，它已廣泛的應用到我們生活的各個領域，電子、科技、通信、汽車、工業等。本設計是基于51系列單片機來進行的簡單數字計算器設計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進行加、減、乘、除六位整數數范圍內的基本四則運算，并在LED上顯示相應的結果。軟件方面使用C語言編程，并用PROTUES仿真。
二、總體設計及功能介紹
根據功能和指標要求，本系統選用MCS-51系列單片機為主控機，實現對計算器的設計。具體設計及功能如下：
（1）由于要設計的是簡單的計算器，可以進行四則運算，為了得到較好的顯示效果，采用LED 顯示數據和結果。
（2）另外鍵盤包括數字鍵（0～9）、符號鍵（+、-、×、÷）、清除鍵和等號鍵，故只需要16 個按鍵即可，設計中采用集成的計算鍵盤。
（3）執行過程：開機顯示零，等待鍵入數值，當鍵入數字，通過LED顯示出來，當鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內部執行數值轉換和存儲，并等待再次鍵入數值，當再鍵入數值后將顯示鍵入的數值，按等號就會在LED上輸出運算結果。
（4）錯誤提示：當計算器執行過程中有錯誤時，會在LED上顯示相應的提示,如：當輸入的數值或計算得到的結果大于計算器的表示范圍時，計算器會在LED上顯示“CUO”,提示溢出。
三、系統模塊組成框圖：
二、硬件設計
（一）、總體硬件設計
本設計選用AT89C51單片機為主控單元。顯示部分：采用LED動態顯示。按鍵部分：采用4*4集成計算鍵盤；
總電路圖：
（1）4×4集成計算鍵盤
集成計算鍵盤本質上是4×4矩陣鍵盤，矩陣鍵盤采用四條I/O 線作為行線，四條I/O 線作為列線組成鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數就為4×4個。這種行列式鍵盤結構能有效地提高單片機系統中I/O 口的利用率。
矩陣鍵盤的工作原理：
計算器的鍵盤布局如圖2所示：一般有16個鍵組成，在單片機中正好可以用一個P口實現16個按鍵功能，這種形式在單片機系統中也最常用。
矩陣鍵盤內部電路圖如圖所示：
（三）、LED顯示模塊
如圖
本設計采用LED共陰數碼管來顯示輸出數據。共陰數碼管的每一位都是公共的陰極，只有輸入低電平的時候才有可能被點亮，所以位選的時候被選中的位必須是低電平。
本設計采用兩個74HC573鎖存器來驅動數碼管，引腳如上圖所示。74HC573-1是控制段選的，74HC573-2是控制位選的，P2.6和P2.7端口是鎖存使能位，置高電平時鎖存器透明（即輸入和輸出相同），置低電平時鎖存。
74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當使能（G）為高時，Q 輸出將隨數據（D）輸入而變。當使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數據電平上。輸出控制不影響鎖存器的內部工作，即老數據可以保持，甚至當輸出被關閉時，新的數據也可以置入。這種電路可以驅動大電容或低阻抗負載，可以直接與系統總線接口并驅動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅動器和工作寄存器。
HC573引腳功能：
引腳號 符號 名稱及功能
1 OE 3態輸出使能輸入（低電平）
2-9 D0 - D7 數據輸入
12-19 Q0 - Q7 3態鎖存輸出
11 LE 鎖存使能輸入
10 GND 接地(0V)
20 VCC 電源電壓
（四）運算模塊（51單片機控制）
51 單片機是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數器和多功能I/O等一臺計算機所需要的基本功能部件。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器（CPU）、數據存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定時器/計數器、中斷系統及特殊功能寄存器（SFR）。
單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，通過使用單片機編寫的程序可以實現高智能，高效率，以及高可靠性！因此我們采用單片機作為計算器的主要功能部件，可以很快地實現運算功能。
單片機最小系統
復位時單片機的初始化操作，只要給RST引腳加上兩個機器周期以上的高電平信號，就可以使STC89C51單片機復位。本次采用的是12M晶振，按鈕復位電路。
三、軟件設計
現實生活中人們熟知的計算器，其功能主要如下：
1、 鍵盤輸入；
2、 數值顯示；
3、 加、減、乘、除四則運算；
針對上述功能，計算器軟件程序要完成以下程序的設計：
1、 鍵盤輸入檢測程序
2、 LED顯示程序
3、 算術運算程序
1、程序流程圖
系統總流程圖
算術運算程序流程圖
2、程序清單
#include<reg52.h>
#include<math.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
sbit wela=P2^7; //定義端口
sbit dula=P2^6;
long in1,in2,out,x;
int cnt,i,flag;
uchar code num[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; //LED顯示字模，共陰
void delay(uint xms) //延時函數
{
uint j;
for(i=xms;i>0;i--)
for(j=114;j>0;j--);
}
void display() //顯示函數聲明
{
uchar w1,w2,w3,w4,w5,w6,f=0;
long y;
if(x>=0) //顯示六位計時數
{
if(x>=1e6)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[12];
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x3e;
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[0];
dula=0;
delay(2);
return;
}
w1=x%10;w2=x/10%10;w3=x/100%10;w4=x/1000%10;w5=x/10000%10;w6=x/100000%10;
if(f==1||w6)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w6];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w5)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w5];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w4)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w4];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w3)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w3];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w2)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w2];
dula=0;
delay(2);
}
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w1];
dula=0;
delay(2);
}
else
{
y=labs(x);
if(y>=1e5)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[12];
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x3e;
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[0];
dula=0;
delay(2);
return;
}
w1=y%10;w2=y/10%10;w3=y/100%10;w4=y/1000%10;w5=y/10000%10;
if(f==1||w5)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w5];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w4)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w4];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w3)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w3];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w2)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w2];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w1];
dula=0;
delay(2);
}
}
void keyscan() //鍵盤掃描函數
{
uchar temp;
P1=0xfe;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xee:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+7;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+7;
x=in2;
}
}
break;
case 0xde:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+8;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+8;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbe:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+9;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+9;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7e:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=4;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xfd;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xed:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+4;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+4;
x=in2;
}
}
break;
case 0xdd:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+5;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+5;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbd:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+6;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+6;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7d:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=3;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xfb;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8); //消除抖動
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xeb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+1;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+1;
x=in2;
}
}
break;
case 0xdb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+2;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+2;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+3;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+3;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7b:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=2;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xf7;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0) //證明有鍵按下,if語句是為了讓鍵盤松開
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xe7:
cnt=0;
in1=0;
in2=0;
out=0;
flag=0;
x=0;
break;
case 0xd7:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+0;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+0;
x=in2;
}
}
break;
case 0xb7: //如果得到符號位
switch(flag)
{
case 1:
out=in1+in2; //加
break;
case 2:
out=in1-in2; //減
break;
case 3:
out=in1*in2; //乘
break;
case 4:
if(in2)
out=in1/in2; //除
break;
}
x=out;
in1=0;
in2=0;
cnt=0;
flag=0;
break;
case 0x77:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=1;
}
break;
}
while(temp!=0xf0) //等待按鍵松開
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
}
void main() //主函數
{
while(1)
{
keyscan();
display();
}
}
四、設計總結
1、軟件調試
在軟件調試的過程中，一開始沒有做數值溢出方面的控制，導致LED顯示的輸入數據或計算結果與實際不相符。通過多次調試，軟件能夠正常運行，基本實現與其功能，通過矩陣鍵盤輸入第一個數據后，按下所需運算符號后，再次通過矩陣鍵盤輸入第二個數據，最后按下等號，能夠正確顯示計算結果。如需繼續計算，繼續按照上述步驟輸入數據即可。
2、硬件調試（略）
3、總結
課程設計是培養我們綜合運用所學知識，發現、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環節，是對我們實際工作能力的具體訓練和考察過程。隨著科學技術發展的日新日異，單片機已經成為當今計算機應用中空前活躍的領域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為計算機專業的學生來說掌握單片機的開發技術是十分重要的。 設計基于單片機設計簡易計算器，對于我這個實踐中的新手來說，這是一次考驗。這次課程設計我學到很多很多的東西，學會了怎么在遇到問題時去解決問題。不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識，掌握了一種系統的研究方法，可以進行一些簡單的編程。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，還要斷學習單片機的相關知識。
附錄
1、加法 15+4
結果
2、減法 17-7
3、乘法15*4
4、除法 100/10
5、顯錯 33333*444
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