基于51单片机简易计算器课程设计.doc

电气与电子信息工程学院单片机课程设计设计题目： 简易电子计算器 专业班级： 12级电信（1）班 学号： 201230240111 姓 名： 杨峥 指导教师： 章磊 艾青 设计时间： 2014/06/032014/06/13 设计地点： K2407 课程设计任务书 2013 2014 学年 第2学期学生姓名： 杨峥 专业班级：电子信息工程技术（专）2012（1）班指导教师：艾青、章磊 工作部门： 电气学院电信教研室 一、课程设计题目： 单片机课程设计1. 出租车计价器系统设计2. 医院住院病人呼叫器的设计3. 作息时间控制器4. 数字温度计的设计5. 火灾报警器的设计6. 电子密码锁7. 电子计算器8.学生自选二、课程设计内容 1. 以单片机为核心器件，构造系统； 2. 熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法； 3. 熟悉、掌握单片机汇编语言的软件设计方法； 4. 熟悉、掌握印刷电路板的设计方法； 5. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整； 6. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数； 7. 编写设计说明书，参考毕业设计论文格式撰写设计报告（5000字以上）。三、进度安排1时间安排序 号内 容学时安排（天）1方案论证和总统设计22硬件设计33软件设计34撰写和打印设计报告15设计答辩1合 计10设计指导答辩地点：自控、DSP室2执行要求智能电子产品设计制作共8个选题，每组不超过7人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。四、基本要求（1）进行方案论证并根据要求确定系统设计方案；（2）绘制系统框图和电气原理草图，程序流程图；（3）对相关电路进行电路参数计算和元器件选择；（4）进行软件汇编并调试；（5）利用Proteus和Keil uVision2对系统进行联调；（6）绘制系统原理总图，列出原器件明细表；（7）画出软件框图，列出程序清单；（8）写出使用说明书；（9）对设计进行全面总结，写出课程设计报告。五、课程设计考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。评定项目基本内涵分值课程设计考勤考勤20分课程设计报告完成课程设计任务、报告规范性等情况30分 实物实物制作情况30分答辩回答问题情况20分90100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格第1章 方案的选择与概述1. 单片机概述当今时代，是一个新技术层出不穷的时代。在电子领域，尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。过去习惯于传统电子领域的工程师、技术员正面临着全新的挑战，如不能在较短时间内学会单片机，势必会被时代所遗弃，只有勇敢地面对现实，挑战自我，加强学习，争取在较短的时间内将单片机技术融会贯通，才能跟上时代的步伐。 它所给人带来的方便也是不可否定的，它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单片机的发展迅速，其产品之多令人目不暇接，单片机应用不断深入，新技术层出不穷。20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。2.方案的设计1.1 方案一 根据功能和指标要求，本系统选用MCS-51系列单片机AT89C51为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计。计算器电路包括三个部分：显示电路、4*4键扫描电路、单片机微控制电路。用七段数码管作为显示电路，矩阵键盘作为输入电路。模块图如图1.1所示。AT89C51数码管显示电路输入电路 图1.1 方案一模块图1.2 方案二根据计算器的功能要求，选择AT89C51为主控机，通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计。外部主要由4*4矩阵键盘和一个液晶显示屏构成，内部由一块AT89C51单片机构成。计算器电路包括四个部分：选用LCD作为显示部分，矩阵键盘作为输入部分，运算模块，单片机控制部分。模块图如图1.2所示。单片机运算模块显示模块输入模块 图1.2 方案二模块图1.3整体设计根据简易计算器的功能和指标要求，本设计系统选用MCS-51系列单片机AT89C51为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对简易计算器的设计。计算器电路包括三个部分：显示电路、4*4键扫描电路、单片机微控制电路。具体设计如下：（1）由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，为了得到较好的显示效果，采用七段数码管显示数据和结果。（2）另外键盘包括数字键（09）、符号键（+、-、）、清除键和等号键，故只需要16 个按键即可。（3）执行过程：开机显示零，等待键入数值，当键入数字，通过LCD显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果。（4）错误提示：当计算器执行过程中有错误时，会在LCD上显示相应的提示,如：当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时，计算器会在LCD上提示溢出；当除数为0时，计算器会在七段数码管上提示错误。线路原理框图如图1.3所示。51系列单片机系统4*4键盘LCD显示 晶振电路复位电路图1.3 线路原理框图第2章 单元电路的硬件2电路设计原理开始初始化参数初始化LCD显示有键输入？读取键码LCD显示数字键清零键功能键状态清零输入数值数值送显示缓冲YN等待数值输入结果送显示缓冲根据上次功能键和输入的数据计算结果本次功能键？等待数值输入结果送显示缓冲等待数值输入结果送显示缓冲图1.4 系统总流程图2.1键盘接口电路计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方式，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种方式，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条I/O 线作为行线，四条I/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。这样键盘上按键的个数就为44个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。矩阵键盘的工作原理：计算器的键盘布局如图2.1所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用。图2.1矩阵键盘布局图电路中采用4*4键盘作为输入电路模块的话，电路连线会比较简单，而且这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。但是在硬件电路设计的过程中，实验室没有提供矩阵键盘，所以我们将4*4的矩阵键盘换成了16个独立按键。采用独立按键的方式的话，会占用大量的I/O 口资源，但是在这种情况下，编程会很简单。矩阵键盘内部电路图如图2.2所示（见下页）。2.2显示模块本设计采用LCD1602液晶显示屏来显示输出数据。通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应数据。LCD1602管脚图如图2.3所示。图2.2 矩阵键盘内部电路图图2.3 LCD1602管脚图2.3运算模块（单片机控制）MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机AT89C51作为计算器的主要功能部件，可以很快地实现运算功能。 图2.4 AT89C51管脚图管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。第3章 仿真和调试3.1 KEIL uVision与 porteus仿真软件3.1.2 Porteus介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 其功能特点：（1）原理布图 （2）PCB自动或人工布线 （3）SPICE电路仿真Keil uVision3是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,他还能嵌入汇编，您可以在关键的位置嵌入，使程序达到接近于汇编的工作效率。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强， 使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。系统功能：Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使您能在很短的时间内就能学会使用keil c51来开发您的单片机应用程序 。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 3.2 proteus 7.1 介绍 Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点：（1） 全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。（2）具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、1 C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。3.1.3测试结果截图 加法计算 减法计算 图3.1 加法计算结果 图3.2 减法计算结果乘法计算 除法计算 图3.3 乘法计算结果 图3.4 除法计算结果 4.心得与体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为电子信息工程专业的学生来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。 我的题目是简易计算器，对于我们这些实践中的新手来说，这是一次考验。怎么才能找到课堂所学与实际应用的最佳结合点？怎样让自己的业余更接近专业？怎样让自己的计划更具有序性，而不会忙无一用？这都是我们所要考虑和努力的。经过查找资料，编写程序，加深了对单片机的了解与认识，通过本次试验，最大的收获就是仿真容易，而做实物却会遇到各种各样的困难。在电脑上仿真，只要程序写对，电器元件连接好就会得出结果。而做实物，首先，焊接方面因为技术所限和焊枪的一些硬件上的不足，造成焊出来的效果特别差。其次，各条线路要确保导通，这就要每条都拿万用表来测量，焊接时，也要注意各引脚的位置是否正确，正负极等等，完成之后还不一定会出现结果，还需要再次调试。本次实验，让我收获很多，感谢老师的答疑，也感谢同学的帮助，不仅加深了知识方面，更加锻炼了动手能力，相信以后遇到这方面问题不再会不知所措，让我把知识和实践结合到一起，通过这次实践，我了解自己的不足，汇编语言掌握的不够，焊接方法的不足，使我更加了解以后该在哪个方面补充的自己的不足，总体来说本次课程设计是成功的，使我了解到更多课本上没有的知识，最后再次感谢所有帮助过我的老师和同学们。附录附录1：源程序代码#include /头文件#define uint unsigned int / #define uchar unsigned charsbit lcden=P23; /定义引脚sbit rs=P24;sbit rw=P20;sbit busy=P07;char i,j,temp,num,num_1;long a,b,c; /a,第一个数 b,第二个数 c,得数float a_c,b_c;uchar flag,fuhao;/flag表示是否有符号键按下，fuhao表征按下的是哪个符号uchar code table=7,8,9,0,4,5,6,0,1,2,3,0,0,0,0,0;uchar code table1=7,8,9,0x2f-0x30,4,5,6,0x2a-0x30,1,2,3,0x2d-0x30,0x01-0x30,0,0x3d-0x30,0x2b-0x30;void delay(uchar z) / 延迟函数uchar y;for(z;z0;z-) for(y=0;y0) c=a-b; else c=b-a; while(c!=0) write_date(0x30+c%10); c=c/10; if(a-b0) write_date(0x2d); write_date(0x3d); /再写= a=0;b=0;flag=0;fuhao=0; else if(fuhao=3)write_com(0x80+0x4f); write_com(0x04); c=a*b; while(c!=0) write_date(0x30+c%10); c=c/10; write_date(0x3d); a=0;b=0;flag=0;fuhao=0; else if(fuhao=4)write_com(0x80+0x4f); write_com(0x04); i=0; c=(long)(float)a/b)*1000); while(c!=0) write_date(0x30+c%10); c=c/10; i+; if(i=3) write_date(0x2e); if(a/b=0) write_date(0x30); write_date(0x3d); a=0;b=0;flag=0;fuhao=0; break; case 15:write_date(0x30+table1num);flag=1;fuhao=1; break; main()init();while(1) keyscan();附录2：系统原理图附录3：仿真图附录4：实物效果图附录5 元器件清单序号名称型号规格数量 1电阻1K1 2排阻10 K1 3电位器5 K1 4电容22PF1 5 AT89C511 6 LCD1602 1 7四二输入与门74LS0818 晶振 12MHZ1 9按键17参考文献1 谭浩强.C 程序设计. 北京：清华大学出版社，20022 王为青，程国刚. 单片机 Keil Cx51 应用开发技术.北京：人民邮电大学出版社，20073百度文库 基于单片机的信号发生器设计4张友德，赵志英，涂时亮. 单片机微型机原理、应用和实验. 单片机课程设计成绩评定表姓 名杨峥学 号201230240111专业班级12级电子信息工程技术课程设计题目： 基于单片机简易计算器设计课程设计答辩或质疑记录：1、按键如何识别 ?答：采用4*4矩阵键盘，键盘的行和列之间都有公共端相连，四行和四列的8个公共端分别接P1.0P1.7，这样扫描P1口就可以完成对矩阵键盘的扫描，对比P1口的扫描结果和各按键的地址，我们就可以得到是哪个键按下。2、1602 RS RW 引脚分别实现什么功能 ?答：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器，RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 3、按键去抖动如何在程序中实现 ？答：编写一个延时程序判断按键是否按下， 延时一小段时间， 判断按键是否仍然是按下状态。成绩评定依据：实物制作（30）：课程设计考勤情况（20）：课程设计答辩情况（20）：完成设计任务及报告规范性（30）：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字： 2014年 6 月 日第1章 方案的选择与概述41. 单片机概述42.方案的设计51.1 方案一51.2 方案二61.3整体设计6第2章 单元电路的硬件82电路设计原理82.1键盘接口电路92.2显示模块92.3运算模块（单片机控制）11第3章 仿真和调试133.1 KEIL uVision与 porteus仿真软件133.12Porteus介绍1332 proteus 7.1 介绍143.13测试结果截图154.心得与体会15附录16附录1：源程序代码16附录2：系统原理图24附录3：仿真图24附录4：实物效果图25附录5 元器件清单27参考文献27