(最终)1602显示的计算器

基于单片机的1602显示的简易计算器

刘哲

电子121 学号2012131017

摘要：单片机是一个单芯片形式、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。他的出现及发展是计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展，并正在深深地改变我们的社会。本设计是基于51单片机来进行的数值计算器系统的设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加减乘除八位数范围内的基本四则运算，并在LCD上显示出来。涉及电路采用AT89C51单片机为主要控制电路，利用4*4矩阵键盘作为计算器的数字以及运算符的输入，显示采用字符LCD静态显示。软件方面使用C语言编程，并用开发板制作和演示。

关键词：51单片机，矩阵键盘，LCD，运算器

1 引言

本次课程设计，我是基于单片机STC89C51的控制能力，使用包括单片机芯片，1602液晶显示屏，行列式键盘等来设计一个简单的计算器，本计算器因为按键的关系，仅实现了加减乘除四个基本计算法则的运算，初步实现了一个计算器所具有的基本功能。

2 总体架构

2.1 设计预想

本设计使用STC89C52单片机作为主控芯片，利用矩阵键盘输入0~9十个数值和加减乘除四个运算法则，通过芯片的运算，在LCD上显示过程和结果。2.2 设计思路

根据课程设计要求和设计指标，本系统采用STC89C52作为主控芯片，通过拓展必要的外部电路，实现对计算器的设计，具体设计思路如下：由于要显示的运算式和结果，为了达到良好的显示效果，本系统采用LCD1602液晶显示屛作为显示模块。计算器一般包括数字键（0~9），符号键（+、—、*、/），清零按键，等号按键，故采用4*4矩阵键盘结合键盘扫描技术容易达到要求，并且电路和程序也比较简单。

鉴于本设计的计算器的难度和功能上的要求，在本设计中决定使用语言功能丰富，表达能力强，使用方便灵活，可移植性好的C语言编程，这样有利于减少工作量和代码量，提高设计效率。

2.3 设计图

图1 系统总体设计图

3 硬件系统设计

3.1 主控芯片STC89C52单片机

STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

其主要的功能特性有：

1、兼容MCS51指令系统

2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；

3、32个双向I/O口；

4、256x8bit内部RAM；

5、3个16位可编程定时/计数器中断；

6、时钟频率0-24MHz；

7、2个串行中断，可编程UART串行通道；

8、2个外部中断源，共8个中断源；

9、2个读写中断口线，3级加密位；

10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

图2 主控芯片STC89C52单片机

3.2 矩阵键盘

矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组。

3.2.1 矩阵键盘的结构和工作原理

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，

列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。

3.2.2 矩阵式键盘的按键识别方法

<1>确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。

行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。

1、判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。

2、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。

<2>确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“高低电平翻转法”。

首先让P3口高四位为1，低四位为0,。若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。

然后让P3口高四位为0，低四位为1,。若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。

图3 矩阵键盘仿真结构

3.3 LCD1602液晶显示屏

1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。

3.3.1 1602LCD 主要技术参数：

显示容量:16×2 个字符

芯片工作电压:4.5—5.5V

工作电流:2.0mA(5.0V)

模块最佳工作电压:5.0V

字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

3.3.2 引脚功能说明

1602LCD 采用标准的 14脚（无背光）或 16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 10-13

所示:

编号符号引脚说明编号符号引脚说明

1 VSS 电源地 9 D

2 数据

2 VDD 电源正极 10 D

3 数据

3 VL 液晶显示偏压 11 D

4 数据

4 RS 数据/命令选择 12 D

5 数据

5 R/W 读/写选择 13 D

6 数据

6 E 使能信号 14 D

7 数据

7 D0 数据 15 BLA 背光源正极

8 D1 数据 16 BLK 背光源负极

3.3.3 引脚接口说明

第 1 脚：VSS 为地电源。

第 2 脚：VDD接 5V正电源。

第 3 脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。

第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。

第 6 脚：E端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第 7～14脚：D0～D7为 8 位双向数据线。

第 15脚：背光源正极。

第 16脚：背光源负极。

3.3.4 显示屏显示的说明以及执行流程图、原理图

图4 1602LCD 内部显示地址

例如第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否直接写入 40H 就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平 1 所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，

如图5所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B （41H），显示时模块把地址 41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

图5 显示器模块地址

否

否

图表 6 写数据流程图表 7 写命令流程

图表 8 判断LCD 是否忙碌，忙则返回1 图9 液晶屏电路

图10 显示器引脚和芯片引脚

3.4 电源模块设计

由于ATC89C52和LCD1602都采用5V 供电，而且其他模块功能也使用5V 电平，本系统采用USB 数据线供电，最终得到稳定的5V 电平供给系统使用，其电路如下：

图11 电源模块电路图

3.5 蜂鸣器/流水灯模块设计

3.5.1 蜂鸣器模块

如下图所示，用一个Speaker和三极管、4.7k电阻接到单片机的P2.3引脚

上，构成声音提示音电路，如图所示为按键提示音电路。

图12 蜂鸣器模块LED电路

3.5.2 流水灯模块

LED流水灯是运用单片机原理和一些芯片功能，结合C语言或者汇编语言，实现灯的亮灭方式。本设计中采用8个LED发光二极管并有4种流水灯变化花样，电路图如下图所示；

图13 8为LED指示电路

3.6 系统总体电路原理图

图14 系统总体电路原理图

4 系统软件设计

本设计采用大笑循环嵌套方式的软件设计思想，大循环一直在运行，使计算器一直处在工作状态，并不断扫描键盘，小循环用于识别数字是否输入完成，一旦检测到输入的是运算符，则转换输入数值并储存起来，最后按下等于号则根据运算符计算两个数值，并通过LCD显示出来。

图表15 软件系统总框图

5 系统功能调试

5.1 总体实物测试

图16 制作出来的系统实物图5.2 LCD1602初始状态显示

图17 LCD1602初始状态显示

5.3 各项功能测试

图18 加法运算图19 减法运算

图20 乘法运算图21 除法运算由于以上测试结果可知，计算器的各项功能正常，基本达到了设计要求。5.4 不足之处

此次设计尚有许多不足之处，比如：只实现了加减乘除四个运算法则；没有实现小数部分的运算；没有删除功能键，当输入错误时，只能通过系统重启来复位。

6 小结

经过一番努力，本系统基本实现了设计之初的预想，实现了设计要求中的功能，基本完成了此次课程设计的要求和目地。在设计的过程中，也遇到了不少的困难，例如在LCD上显示任意位整数，显示任意位小数点，在输入小数的时候小数点的处理问题等等，最后通过不断的查阅资料，请教别人，修改程序，下载调试等过程，终于把遇到的问题逐一解决了，尽管有些问题解决得不是太令人满意，但也从中通过自己的努力和思考来解决的，得了很多，也学习到了很多。例如LCD1602的显示与接口技术，矩阵键盘的扫描程序等等，这些技术对熟练掌握单片机技术和以后单片机开发都是非常有用的。在设计的过程中的思考，用自己的智慧来解决问题，这对于我以后的生活工作都是十分有帮助的。

附录1 源程序清单

/**************************

| 7 | 8 | 9 | + |

- - - - - - - - - - - - -

| 4 | 5 | 6 | - |

- - - - - - - - - - - - -

| 1 | 2 | 3 | * |

- - - - - - - - - - - - -

| 0 | = | C | / |

*/

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

/******************LCD1602**********************/

#define LCD_RS P2_4

#define LCD_RW P2_5

#define LCD_EN P2_6

#define LCD_DA P0

#define KEY P3

#define Speak P2_3

#define LED P2_2

#define KEY_1 P2_0

#define LED1 P1

/**************************/

uchar code table[]= {" "};

/*****************************/

uchar code table1[]={" Welcome to "};

uchar code table2[]={" 51 MCU Counter "};

/*************************/

uchar code table3[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; uchar code table4[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe};

uchar code table5[]={0x7e,0xbd,0xdb,0xe7}; uchar code table6[]={0xe7,0xdb,0xbd,0x7e};

/************************/

long int data_a=0;

long int data_b=0;

long int data_c=0;

uchar dispaly[10];

uchar i,j;

uchar flag=1;

uchar n=1;

uchar k=0;

uchar num=0;

uchar key=0xff;

uchar a=0;

uchar b=5;

uchar x=0;

/****************************/

void delay(uint time)

{

uint i,j;

for(i=time;i>0;i--)

for(j=110;j>0;j--);

}

/************************/

void delay_fmq(uint time)

{

uint x,y;

for(x=time;x>0;x--)

for(y=5;y>0;y--);

}

/*********************/

void spk()

{

LED=0;

for(j=0;j<100;j++)

{

Speak=0;

delay_fmq(5);

Speak=1;

delay_fmq(5);

}

LED=1;

}

/*************

***************/

void write_com(uchar com) {

LCD_RS=0;

LCD_RW=0;

LCD_DA=com;

delay(2);

LCD_EN=1;

delay(2);

LCD_EN=0;

}

/***************************/ void write_date(uchar date)

{

LCD_RS=1;

LCD_RW=0;

LCD_DA=date;

delay(2);

LCD_EN=1;

delay(2);

LCD_EN=0;

}

/**********************/

void W_lcd(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data)

{

if(y==0)

{

write_com(0x80 + x);

}

else

{

write_com(0xc0 + x);

}

write_date(Data);

}

/*****************/

void LCD_Write_String(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) {

if(y==0) {

write_com(0x80 + x);

}

else

{

write_com(0xC0 + x);

}

while(*s)

{

write_date(*s);

s++;

}

}

/*******************************/ void LCD_init()

{

write_com(0x38);

write_com(0x0c);

write_com(0x01);

}

/********************************/ void cartoon()

{

spk();

write_com(0x80);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_date(table1[i]);

delay(100);

}

write_com(0xc0);

for(i=0;i<16;i++)

{

write_date(table2[i]);

delay(100);

}

spk();

delay(200);

}

/**************************/

short keycheckdown()

{

short temp1,temp2,temp,a=0xff;

KEY=0xf0;

delay(20);

temp1=KEY;

KEY=0xff;

delay(20);

KEY=0x0f;

delay(20);

temp2=KEY;

KEY=0xff;

temp=(temp1&0xf0)|(temp2&0xf); switch(temp)

{

/******************/

case 0xee :a=7;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xed :a=8;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xeb :a=9;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xe7 :a=0x0a;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

/******************/

case 0xde :a=4;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xdd :a=5;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xdb :a=6;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xd7 :a=0x0b;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

/*********** *********/

case 0xbe :a=1;

if(flag==1)

{

spk();

}

break;

case 0xbd :a=2;