简易计算器设计课程设计分析

课程设计(论文)

题目名称简易计算器设计

课程名称单片机原理及应用

学生姓名

学号

系、专业

指导教师

2013 年6 月24 日

本设计是基于51系列的单片机进行的十进制计算器系统设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加、减、乘、除3位无符号数字的简单四则运算，并在LED上相应的显示结果。

设计过程在硬件与软件方面进行同步设计。硬件方面从功能考虑，首先选择内部存储资源丰富的AT89C51单片机，输入采用4×4矩阵键盘。显示采用3位7段共阴极LED动态显示。软件方面从分析计算器功能、流程图设计，再到程序的编写进行系统设计。编程语言方体设计以及高效性和功能性对C语言和汇编语言进行比较分析，针对计算器四则运算算法特别是乘法和除法运算的实现，采用汇编语言进行编程，并用proteus仿真。

关键词：计算器；AT89C51芯片；数码管；矩阵键盘

第1章设计说明 (1)

1.1 设计要求 (1)

1.2 性能指标 (1)

1.3 设计方案的确定 (1)

第2章单片机主要原理 (2)

2.1 单片机概述 (2)

2.2 单片机最小系统 (4)

2.3 七段共阳极数码管 (5)

第3章硬件设计 (5)

3.1 键盘电路的设计 (5)

3.2 显示电路的设计 (6)

第4章软件设计 (7)

4.1 系统设计 (7)

4.2 显示与按键设计 (9)

第5章调试与仿真 (11)

5.1 Keil C51单片机软件开发系统 (11)

5.2 proteus的操作 (12)

第6章心得体会 (16)

参考文献 (17)

致谢 (18)

附录程序清单 (19)

第1章设计说明

1.1 设计要求

要求能实现小于255的数的加减乘除运算，采用4×4键盘，根据输入键的按下实现不同的功能，最终结果通过LED显示。

1.2 性能指标

本课程设计的十进制加法计算器的计算范围为0~255，计算结果全为整数，计算结果溢出结果不显示。

1.加法：三位加法，计算结果超过255溢出不显示

2.减法：三位减法，计算结果若小于零溢出不显示

3.乘法：三位数乘法

4.除法：整数除法

5.有清零功能

1.3 设计方案的确定

按照设计要求，本课题需要使用数码管显示和扩展4*4键盘，由于AT89C51芯片的I/O口不够多，而且为了硬件电路设计的简单化，故选择串行动态显示和用P1口扩展4*4键盘，扩展的4*4键盘定义十个数字键，六个功能键，使用串行动态显示显示运算结果。

主程序进行初始化，采用行列扫描进行查表得出键值，每次按键后调用显示子程序。

第2章单片机主要原理

在该课程设计中，主要用到一个AT89C51芯片和串接的共阴数码管。作为该设计的主要部分，下面将对它们的原理及功能做详细介绍和说明。

2.1 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。

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：

（1）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。

（2）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。

（3）程序存储器(ROM)：

8051单片机具有64KB程序存储器寻址空间，程序存储器内外统一编址，用来存放用户程序、表格、常数。当引脚EA=1时，程序从内部的程序存储器开始执行，当内部程序存储器中的程序执行完毕后，在转向外部的程序存储器。当引脚EA=0时，程序从外部程序存储器开始执行。

（4）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。当P0口作为通用的I/O接口使用时，漏极处于开路状态，所以需接上拉电阻。

（5）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。

（6）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。

（7）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1.1

图1.1 单片机引脚

1.电源引脚：

VCC：电源正（一般接+5V电源）

GND:电源接地端

2.复位引脚：

RST：复位引脚。当该引脚保持两个机器周期以上的高电平时，单片机就可恢复初始状态。

3.端口引脚：

P0.0-P0.7:P0口，8位双向线。

P1.0-P1.7:P0口，8位双向线。

P2.0-P2.7:P0口，8位双向线。

P3.0-P3.7:P0口，8位双向线。

4.时钟电路：

XTAL1和XTAL2：外接晶振引脚。晶振信号直接加在XTAL1和XTAL2两端。

5.控制引脚：

ALE/、、EA/Vpp组成MCS控制总线。

EA/Vpp（31引脚）：程序存储器的内外部选通线。当EA =1时，选通内部程序存储器中的程序，当片内程序存储器存放的指令读完后再读外部存储器指令；当EA=0时，不管片内有无程序存储器，一律读取外部程序存储器程序。

ALE/（30引脚）：地址锁存信号。

：访问外部程序存储控制信号。

2.2 单片机最小系统

单片机最小系统就是支持主芯片正常工作的最小部分，是单片机工作的最基本的配置，包括主控芯片、复位电路和晶振电路。如图2.1

图2.1 单片机最小系统

2.3 七段共阳极数码管

图2.2 七段共阳数码管

图为七段共阳数码管的引脚图，从左到右数码管的段码分别为a,b,c,d,e,f,g 和小数点dp，低电平时点亮，最右边为位选端。

第3章硬件设计

简易数字计算器系统硬件设计主要包括：键盘电路，显示电路以及其他辅助电路。下面分别进行设计。

3.1 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。通用计算机使用的标准键盘就是编码键盘。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。但大多数智能仪器和电子产品的按键数目都不太多（20个以内），为了降低成本和简化电路通常采用非编码键盘。非编码键盘的接口电路有设计者根据需要自行决定，按键信息通过接口软件来获取。本课题需要的是16个按键，故选择用非编码键盘。

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4×4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五所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用一个P1口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用。

具体电路连接如图3.1所示:

图3.1 4*4键盘接口电路

3.2 显示电路的设计

当系统需要显示少量数据时，采用LED数码管进行显示是一种经济实用的方法。数码管显示有静态显示和动态显示两种方法。为了减少端口的使用，故选择动态显示。电路如下图3.2所示：

图3.2 三位数码管显示电路

第4章软件设计

在十进制加法计算器的软件规划要求下，简易计算器的程序主要包括以下功能模块：（1）主模块，为系统的初始化。（2）显示与读键模块，分为判键程序段、运算操作子程序、显示子程序等部分；

4.1 系统设计

（1）系统模块图

单片机输入模块

运算模块

图4.1 系统模块图

此系统包括输入、运算和显示模块，由单片机控制。其中通过输入键盘模块将数字0~9和运算符号“+”、“-”、“*”、“/”输入单片机进行运算；运算模块分别根据输入的运算符进行加减乘除运算；显示模块将运算后的数值通过动态扫描使之在数码管上输出。

（2）系统总流程图

主程序主要是用来进行初始化的，调用其他子程序，清空各个标志位，清空缓存区，读取键码，判断功能，在LED 上作出回应，主程序流程图如图4.2所示。

1.数字送显示缓冲程序设计

简易计算器所显示的数值最大位三位。要显示数值，先判断数值大小和位数，如果是超过三位或大于255，将不显示数字。可重新输入数字，再次计算。

2.运算程序的设计

首先初始化参数，送LED 三位显示“0”，其它位不显示。然后扫描键盘看是否有键输入，若有，读取键码。判断键码是数字键、清零键还是功能键，是数值键则送LED 显示并保存数值，是清零键则做清零处理，是功能键则又判断是“=”还是运算键，若是“=”则计算最后结果并送LED 显示，若是运算键则保存相对运算程序的首地址。

否 是

显示模块

从初始化参数

LED 显示

按键输入？

读取按键

功能键

根据上次功能键和输入的数据计算结果

保存结果和功能键

开始

数字键请零键等待数值输入

数值显示中

图4.2主程序流程图

4.2 显示与按键设计

（1）LED显示程序设计

LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也称为七段LED显示器。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。简易计算器用到的数字0~9的共阳极字形代码如下表：

表1 共阳极数码管段码对照表

显示字型g f e d c b a 段码

00 1 1 1 1 1 1 0c0h

10 0 0 0 1 1 0 0f9h

2 1 0 1 1 0 1 1 0a4h

3 1 0 0 1 1 1 1 0b0h

4 1 1 0 0 1 1 0 99h

5 1 1 0 1 1 0 1 92h

6 1 1 1 1 1 0 1 82h

70 0 0 0 1 1 1 0f8h

8 1 1 1 1 1 1 1 80h

9 1 1 0 1 1 1 1 90h

（2）读键子程序设计

为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码——键码。为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。其程序框图如图4.3。

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。

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。

读键程序使用的是反转法读键，不管键盘矩阵的规模大小，均进行两次读键。第一次所有列线均输出低电平，从所有读入键盘信息（行信息）；第二次所有行线均输出低电平，从所有行线读入键盘信息（列信息）。将两次读键信息进行组合就可以得到按键的特征编码，然后通过查表得到按键的顺序编码。将各特征编码按希望的顺序排成一张表，然后用当前读得的特征码来查表。当表中有该特征码时，它的位置就是对应的顺序编码；当表中没有该特征码时，说明这是一个没有定义的键码，与没有按键（0FFH）同等看待。

否

开始

初始化地址参数输出列扫描信号列扫描信号移位

读入行信号

是

否

是

图4.3 计算键值子程序流程图

第5章 调试与仿真

下面用KEIL uVision3与 proteus 仿真软件介绍十进制加法计算器的仿真与调试。

5.1 Keil C51单片机软件开发系统

（1）系统的整体结构

C51工具包的整体结构中，其中uVision 是C51 for Windows 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE

本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文件

(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位

生成绝对目标文件(.ABS)。ABS 文件由OH51转换成标准的Hex 文件，以供调试器

dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行

调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM 中。

（2）采用KEIL 开发的89c51单片机应用程序步骤：

1.在uVision 集成开发环境中创建新项目（Project ），扩展文件名为.UV2,

并为该项目选定合适的单片机CPU 器件（本设计采用ATMEL 公司下的

AT89C51）

2.用uVision 的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件（.ASM ）,也可以

使C 语言文件（扩展名.C ），并将该文件添加到项目中去。一个项目文件可以包含多

4列扫描完？

返回

按照行列计算键值

查表得键码

等待按键得键码

开始

个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。

3.通过uVision 3的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及Debug调试器的功能。

4.对项目中的源文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个项目。

5.对没有语法错误的程序进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的ROM中。

5.2 proteus的操作

（1）硬件电路图的接法操作

1.放置选择（删除）元器件

2.移动元器件

3.缩放视图

4.连接导线

5.仿真，调试

（2）简易计算器设计原理图

图5.1 简易计算器原理电路图

（3）单片机系统PROTEUS设计与仿真过程

Proteus强大的单片机系统设计与仿真功能，使它可成为单片机系统应用开发和改进手段之一。全部过程都是在计算机上通过Proteus来完成的。其过程一般也可分为三步：

1.在ISIS平台上进行单片机系统电路设计、选择元器件、接插件、连接电路和电气检测等，简称Proteus电路设计。

2.在Keil平台上进行单片机系统程序设计、编辑、汇编编译、代码级调试，最后生成目标代码文件（*.hex）。简称Proteus源程序设计和生成目标代码文件。

3.在ISIS平台上将目标代码文件加载到单片机系统中，并实现单片机系统的实时交互、协同仿真。它在相当程度上反映了实际单片机系统的运行情况。简称Proteus 仿真。

在Proteus中将硬件电路全部接好以后，将Keil中生成的.hex文件导入到单片机中，点击开始仿真按钮，电路开始仿真。可以观察到：数码管显示“000”；分别依次按下按键“5”、“+”、“6”和“=”，可以看到数码管显示“11”；也可以分别调试其它功能键，结果发现调试结果与预期的理论值相吻合，即本次课设已成功。

仿真结果如下：

图5.24+5的仿真结果

图5.3 8-2的仿真结果

图5.4 21*10的仿真结果

图5.5 66/3的仿真结果

图5.6 计算器清零

第6章心得体会

刚开始接到这个计算器的课程设计任务时，因为以前做过类似的题目，于是在脑海中初步构建了编写程序的一些控制程序。但是由于缺乏编写大量程序的经验，不能如行云流水般的将全部的各部分代码写出，于是去网上查找相关资料，了解计算器的输入控制原理、运算处理以及显示的原理。了解之后自己尝试编写程序,经过三四天的辛苦工作，终于初步把所需要的程序编好了，于是就进行仿真，在仿真期间也发现了许多错误，基本上都是平日容易犯的错误，比如忘记了子程序标号、死循环程序、标点符号的漏写等。经过反复的编译差错，仿真编译通过后，于是开始在Proteus中连硬件电路，全部接完电路之后将.Hex文件导入进行仿真，发现软件与硬件不能够对应协调工作，于是分别对软件和硬件进行检查，经过反复的仿真调试，并且在同学的帮助和自己对每个子程序进行仿真观察下，终于在课设快结束时成功的调试出结果了。这就是我这两周课程设计的经过，看似简单，过程却曲折艰辛。

通过这次课程设计，我进一步熟练了对Proteus软件的操作。在编写程序的过程中，遇到了很多问题，使我发现自己以前学习上存在的不足，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，对单片机汇编语言掌握得不够好。通过与同学探讨和请教老师，终于把问题都解决了，并加深了对计算器工作的原理的了解。同时也掌握了做课程设计的一般流程，为以后的设计积累了一定的经验。做课程设计时，先查

阅相关知识，把原理吃透，确定一个大的设计方向，在按照这个方向分模块的把要实现的功能用流程图的形式展示。学会了怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪。总之，通过这次的设计，进一步了解了单片微型计算机及应用原理，收获很大，对软件编程、排错调试、查阅资料等方面得到较全面的锻炼和提高。

同时通过本次课程设计的学习，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程，我还深深的体会到设计课的重要性和目的性所在。为了完成项目，在网络上找到了许多相关的资料，大大扩充自己的知识面，使许多以前想解决却无法解决的困难迎刃而解。将书本上的理论知识和实际有机地结合起来，

理论中得出结论。锻炼了实际分析问题和解决问题的能力，提高了适应实际的能力，为今后的学习和实践打下了良好的基础。此次课设还巩固和综合运用所学过的原理知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

参考文献

[1]周航慈.单片机应用程序设计技术（修订版）.北京航空大学出版社

[2]江世明、黄同成.单片机原理及应用.中国铁道出版社

[3]张志良.单片机原理与控制技术.第2版. 机械工业出版社

[4]康华光.电子技术基础（第5版）. 高等教育出版社出版，2006

[5]蒋力培.单片微机系统实用教程(第1版).机械工业出版社

[6]姜志海、刘连鑫.单片微型计算机原理及应用.电子工业出版社，2011