4位计算器实训

四川师范大学成都学院4位数加法计算器的设计—电子线路实现训练学生姓名学号所在系通信系专业名称通信工程班级2009级通信工程2班指导教师刘强、段纯爽四川师范大学成都学院二○一一年六月目录一、设计任务 (1)二、方案与论证 (1)（一）控制器的选择 (1)（二）显示器的选择 (2)三、系统硬件设计 (3)（一）系统总框图 (3)（二）原理图设计 (3)四、系统软件设计 (5)五、总结与展望 (5)六、参考文献 (6)附录一：系统总电路 (7)附录二：系统功能测试 (8)四则运算如图： (8)时钟显示如图：（创新部分） (8)附录三：系统PCB图 (9)附录四：源代码 (10)电子线路实现训练4位数加法计算器的设计—电子线路实现训练一、设计任务⏹系统通过4×4的矩阵键盘输入数字及运算符。

⏹可以进行4位十进制数以内的加法运算，如果计算结果超过4位十进制数，则屏幕显示E⏹可以进行加法以外的计算（乘、除、减）。

⏹其他功能（时钟显示）⏹画出完整的电路原理图（包含电源部分）和PCB板图。

二、方案与论证（一）控制器的选择控制器主要用于各模块控制对显示、计算等。

控制器的选择有以下三种方案。

方案1：8位AT89S51AT89S51是ATMEL公司生产，该单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。

方案2：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。

FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案3: 32位LM3S615LM3S615采用为小型嵌入式应用方案而优化的32位ARM®CortexTM-M3 v7M结构，可兼容Thumb®的Thumb-2专用指令集处理器内核，可提高代码密度，50-MHz操作。

但其成本太高，故在本系统中不宜采用。

综上述：控制器方案1。

（二）显示器的选择在本计算器系统控制过程中，系统需要对运行的结果做必要的显示。

我们考虑有以下三种显示方案。

方案1：LCD液晶屏液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强的特点。

但由于只需要显示时间和转向、相数这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。

在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶显示芯片，不易维护。

方案2：LED数码管数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度高，称量快，精确可靠，操作简单。

数码显示是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。

方案3：LED点阵模块LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

但成本过高，功能过强大，故在此系统中不宜采用LED点阵。

综上述：显示器选择方案2。

三、系统硬件设计（一）系统总框图图1系统总框图（二）原理图设计电源部分：单片机与TTL电平是兼容的，因此单片机的供电电源一般为+5V。

单片机的电源部分电路直接将40脚接VCC，20脚接GND就可以了。

9V的电压通过整流桥后变成脉动直流电，再经过滤波电路后减小脉动，LM7805用于输出电压为恒定的5V直流电压。

图2直流稳压电源键盘部分：4×4矩阵键盘识别处理，每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU 通信。

每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC ，而接地是通过程序输出数字“0”实现的，键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

12S1SW-PBS2SW-PB S3SW-PB S4SW-PB S5SW-PB S6SW-PB S7SW-PB S8SW-PB S9SW-PB S10SW-PB S11SW-PB S12SW-PB S13SW-PBS14SW-PBS15SW-PBS16SW-PBP10P11P12P13P14P15P16P17图3 4×4矩阵键盘LED 数码管显示部分：下图是七段数码管显示器及其引脚图每个引脚上加限流电阻，在本系统中采用共阳极。

4+5a1b2c3d4e5f6g7h8S 19S 210S 311S 412S1S2S3S4DS1LED 4_LWQc o m 1c o m 2c o m 3afbedhcg图4 LED 数码管显示器四、系统软件设计图5 总流程图五、总结与展望课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。

毕竟课程设计不同于实验课，电路图都要自己设计。

静下心来，仔细分析题目，再加上指导老师的说明与提示，心中才有了谱。

将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。

最后调试阶段，哪怕一个小小的错误也会使结果出不来。

结果终于出来了，又发现有的地方还应改进。

通过这次课程设计，使我受益颇多。

既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了常用集成电路芯片的使用。

在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。

同时，也培养了我认真严谨的工作作风。

六、参考文献[1] 李群芳,张士军,黄建.单片微型计算机与接口技术（第3版）.电子工业出版社,2010.[2] 戴佳，戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲.电子工业出版社，2006.[3] 徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计.北京:电子工业出版社,1997.[4] 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用(第三版).南京:东南大学出版社,1997.[5] 李刚,林凌,姜苇.51系列单片机系统设计与应用技巧.北京:北京航天航空大学出版社.[6] 王晓君.安国臣等.MCS—51及兼容单片机原理与选型.北京-电子工业出版社,2003.附录一：系统总电路123321DCBATitleNumberSize A4Date:1-Jul-2011 Sh ee File:C :\Docum ent s and Set tings\XPMUser\桌面\Draw P101P112P123P134P145P15(MOSI)6P16(MISO)7P17(SC K)8R ST 9P30(RXD)10P31(TXD)11P32(INT0)12P33(INT1)13P34(T0)14P35(T1)15P36(WR )16P37(RO)17XTAL218XTAL119GND 20P20(A8)21P21(A9)22P22(A10)23P23(A11)24P24(A12)25P25(A13)26P26(A14)27P27(A15)28PSEN 29ALE(PR OG)30EA(VPP)31P07(AD7)32P06(AD6)33P05(AD5)34P04(AD4)35P03(AD3)36P02(AD2)37P01(AD1)38P00(AD0)39VCC 40AT89S51/STC 89C 51U1P10P11P12P13P14P30P31P32P33P34P35P36P37P20P21P22P23P24P25P26P27VCC VCC 543712891610112S1S2S3S4edhcgS 4S 1afS 2S 3bD1LED4_LW QX1X2X3R 1510R 2510R 3510R 4510R 5510R 6510R 7510R 8510P00P01P02P03P04P05P06P07VCC 1D-2D+3GND 4USBJ1D31N4148VCCR 11510R 12510R 13510R 14510P20P21P22P24Q18550Q28550Q38550Q48550VCCX1X2X3X4R ESTK5R 9200R 1010K R EST C 322UFVCC11223DC/AC J69V~~+-B RIDG 1234D4+C 4470+C 7220UC 50.1u fC 60.1UD5po werR 2510KVin 12GNDVout 3LM7805U5Y112M H zC 130PC 230Pa fb e d hc g x49com 1R 12R 23R 34R 45R 56R 67R 78R 8LS110KS1SW -PB S2SW -PB S3SW -PB S4SW -PB S5SW -PB S6SW -PB S7SW -PB S8SW -PB S9SW -PB S10SW -PB S11SW -PB S12SW -PB S13SW -PBS14SW -PBS15SW -PBS16SW -PBP10P11P12P13P14P15P16P17VCC P00P01P02P03P04P05P06P07P15P16P17R EST afbedhcg图6 系统总电路附录二：系统功能测试四则运算如图：图7 运算界面时钟显示如图：（创新部分）图8 时钟界面附录三：系统PCB图图9 系统PCB图附录四：源代码#include<regx51.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define KEY P1uchar code dutable[]={ //段位编码0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};uchar code wetable[]={ //位选码0x01,0x02,0x04,0x08};Ucharw,num,ss,s1,wei1,wei, str1[]={0,0,0,0,0},str2[]={0,0,0,0}; char shi=0,fen=0,miao=0,flag=0,t0=0;long temp,temp1,str[]={16,16,16,16,16};void shuju();void delay(uint z)//延时函数（单位ms）{uchar i;uint j;for(j=z;j>0;j--)for(i=114;i>0;i--);}void init() //定时器T0初始化程序{TMOD=0x01; //T0工作于方式1TH0=(65536-10000)/256;//设定初值定时10msTL0=(65536-10000)%256;ET0=1 ;//打开T0开关EA=1; //打开总开关TR0=1; //启动T0}void timer0() interrupt 1 //T0中断函数{TH0=(65536-10000)/256;TL0=(65536-10000)%256;t0++; //中断次数}void shaomiao() //键盘扫描函数{uchar w1,w2;P1=0xff;KEY=0x0f;w1=KEY&0xx0f;if(w1!=0x0f) //检测是否有键按下{delay(5); //消抖if(w1!=0x0f){wei++; //按键次数KEY=0xf0;w=(w1|w2); //确定按键码while(KEY!=0xf0); //等待按键释放delay(5); //消抖while(KEY!=0xf0);}}elsew=0xff; //无按键按下switch(w) //按下相应按键给num赋相应初值，确定执行何种功能case 0xe7: num=0; break; //0case 0xeb: num=1; break;//数字键1case 0xed: num=2; break;//数字键2case 0xee: num=3; break;//数字键3case 0xd7: num=4; break;//数字键4case 0xdb: num=5; break;//数字键5case 0xdd: num=6; break;//数字键6case 0xde: num=7; break;//数字键7case 0xb7: num=8; break;//数字键8case 0xbb: num=9; break;//数字键9case 0xbd: num=10; break;//+功能case 0xbe: num=11; break;//-功能case 0x77: num=12; break;//*功能case 0x7b: num=13; break;// /功能case 0x7d: num=14; break;// =功能case 0x7e: num=15; break;//清零功能case 0xff: num=16; break;//无按键default:break;}}void shuju() //数据处理函数{shaomiao();//调用扫描函数if(num<10) //num<10显示数字{if(wei>4) //显示4位数字{wei=1;str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;}str[wei]=num; //将数字num赋给数组str[wei]//将数字保存到变量temp中if(str[1]!=16)temp=str[1];if(str[2]!=16)temp=str[1]*10+str[2];if(str[3]!=16) temp=str[1]*100+str[2]*10+str[3];if(str[4]!=16) temp=str[1]*1000+str[2]*100+str[3]*10+str[4];if(temp==0) wei=0;}if(num==10) //如num=10则加功能键按下标志位ss=1，数组初始化，将当前数字赋给变量temp1保存，按键次数wei清零{str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;ss=1;temp1=temp;temp=0; wei=0;}if(num==11) //如num=11则减功能键按下标志位ss=2，数组初始化，将当前数字赋给变量temp1保存，按键次数wei清零{str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;ss=2;temp1=temp;temp=0; wei=0;}if(num==12) //如num=12则乘功能键按下标志位ss=3，数组初始化，将当前数字赋给变量temp1保存，按键次数wei清零{str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;ss=3;temp1=temp;temp=0; wei=0;}if(num==13) //如num=13则除功能键按下标志位ss=4，数组初始化，将当前数字赋给变量temp1保存，按键次数wei清零{str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;ss=4;temp1=temp;temp=0; wei=0;}if(num==14) //如num=14则等功能键按下标志位s1=4，数组初始化，按键次数wei 清零{str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;s1=1;wei=0;}if(num==15) 如num=15则清零功能键按下，标志位flag++，数组初始化，按键次数wei,功能标志位ss清零,{flag++;if(flag>3){flag=0;}str[4]=str[3]=str[2]=str[1]=16;str1[4]=str1[3]=str1[2]=str1[1]=0;temp=0; wei=0; temp1=0; ss=0;}if(num==16) //如无按键保持当前数字{str[4]=str[4];str[3]=str[3];str[2]=str[2];str[1]=str[1];str1[4]=str1[4];str1[3]=str1[3];str1[2]=str1[2];str1[1]=str1[1];temp=temp; wei=wei;temp1=temp1; ss=ss;}if(s1==1){s1=0;switch(ss) //根据功能标志位ss执行相应功能{case 0: break;case 1: temp=temp+temp1;break;case 2: temp=temp1-temp;break;case 3: temp=temp*temp1;break;case 4: temp=temp1/temp;break;default:break;}}if(temp!=0) //分离temp的个十百千位{str1[4]=temp/1000;str1[3]=temp%1000/100;str1[2]=temp%100/10;str1[1]=temp%10/1;if(str1[1]!=0)wei1=1;if(str1[2]!=0)wei1=2;if(str1[3]!=0)wei1=3;if(str1[4]!=0)wei1=4;}else{wei1=1;str1[1]=0;}}void display1() //计算器显示函数{char a;for(a=1;a<wei1+1;a++){if(temp<0||temp>9999){P2=wetable[0];P0=dutable[14];}else{P2=wetable[a-1];P0=dutable[str1[a]];delay(10);}}}void display2()//时间显示函数{uchar i1;for(i1=0;i1<4;i1++){P2=wetable[i1];P0=dutable[str2[i1]];delay(10);}}void diaoshi() //调时函数{if(t0==100) //定时1000ms t0清零，秒加1 {t0=0;miao++;if(miao>59) //加到60秒后秒清零，分加1 {miao=0;fen++;if(fen>59) 加到60分后分清零，时加1{fen=0;shi++;if(shi>23)shi=0;}}}}if(num==10){fen++;if(fen>59){fen=0;shi++;}}if(num==11){fen--;if(fen<0){fen=59;}}if(num==12) {shi++;if(shi>23) {shi=0;}}if(num==13) {shi--;if(shi<0){shi=23;}}str2[0]=fen%10; //分离时，分的个，十位str2[1]=fen/10;str2[2]=shi%10;str2[3]=shi/10;}void main() //主函数{init(); //调用定时器0初始化函数while(1) //循环{shuju();if(flag==3) //如连按键cl键3次显示时间 {diaoshi();display2();}Else //否则显示计算器数display1();}}附录实训题目选择1、数字温度计设计设计任务：⏹测量误差<0.5℃；⏹温度测量范围：⏹超出量程可声光报警。