基于51单片机的简易计算器设计毕业论文.docx

1、11 基于单片机的简易计算器设计 摘要 . 2 关键字 ： 80C51 LCD1602 4*4 矩阵键盘 计算器 . 2 第一章 绪论 . 3 1.1 系统开发背景 . 3 1.2 系统开发意义 . 3 1.3 设计目的 . 3 1.4 设计任务 . 3 第二章 单片机发展现状 . 4 2.1 目前单片机的发展状况 . 4 2.1.1 单片机的应用场合 . 4 2.2 计算器系统现状 . 5 2.3 简易计算器系统介绍 . 5 第三章 系统硬件设计及说明 . 6 3.1 系统组成及总体框图 . 7 3.2 AT89S52 单片机介绍 . 7 3.3 其它器件介绍及说明 . 10 3.3.1 L

2、CD1602 液晶显示 . 10 3.3.2 4*4 矩阵扫描按键 . 13 第四章 PROTEUS 模拟仿真 . 14 第五章 系统硬件设计及说明 . 16 第六章 软件设计 . 17 6.1 汇编语言和 C语言的特点及选择 . 17 6.2 源程序代码 . 17 12 摘要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，但仅单片机方面的知识是不够的，还应根据具体硬件结构、软硬件结合，来加以完善。 计算机在人们的日常生活中是比较常见的电子产品之一。可是它还在发展之中，以后必将出现

3、功能更加强大的计算机，基于这样的理念， 本次设计主要以80C51 单片机为控制芯片，用 C语言进行编程实现，通过 4*4 矩阵键盘控制，输出用液晶屏 LCD1602 显示，该计算器可以实现一般的加减乘除四则混合运算。 关键字 ： 80C51 LCD1602 4*4 矩阵键盘 计算器 13 第一章 绪论 1.1 系统开发背景 随着社会的发展，科学的进步，人们的生活水平在逐步的提高，尤其是微电子技术的发展，犹如雨后春笋般的变化。电子产品的更新速度快就不足惊奇了。计算器在人们的日常中是比较的常见的电子产品之一。如何使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的软件和硬件条件，设计出更出色的计算器，使其更好的

4、为各个行业服务，成了如今电子领域重要的研究课题。 1.2 系统开发意义 今天，人们的日常生活中已经离不开计算器了，社会的各个角落都有它的身影，比如商店，办公室，学校。因此设计一款简单实用的计算器会有很大的实际意义。 1.3 设计 目的 通过本次硬件与软件相结合的实践，运用单片机基础、 MCS-51 系列单片微型计算机及其应用所学知识及查阅相关资料，完成简单专用计算器的设计，达到理论知识与实践更好的结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。 通过本次设计训练，可以使我们在基本思路和基本方法上对基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统设计和按键操作有一个比较感性的认识，并具备一定程度的设计能力。

5、1.4 设计任务 在本次设计实践中，主要完成如下方面的设计任务： 1）简要综述单片机技术发展的国内外现状及液晶屏显示和矩阵键盘基 本原理； 2）掌握 MCS-51 系列某种产品（例如 AT89S52）的最小电路及外围扩展电路的设计方法； 3）了解单片机数据转换功能及工作过程； 4）完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定； 14 第二章 单片机发展现状 2.1 目前单片机的发展状况 单片机的发展趋势：低功耗 CMOS 化；微型单片化；主流与多品种共存；单片机从 8 位、 16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片

6、机的应用提供广阔的天地。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1） 信 低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 8051 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺 )。象 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺 )和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺 )。 CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低 功耗象电池供电的应用场合

7、。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 2） 微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 (CPU)、随机存取数据存储 (RAM)、只读程序存储器 (ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、 PMW(脉宽调制电路 )、 WDT(看门狗 )、有些单片机将 LCD(液晶 )驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自 己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低

8、外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装 )越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 3）主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品， ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip 公司的 PIC 精简指令集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MO

9、TOROLA 公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 2.1.1 单片机的应用场合 15 智能仪器仪表 单片机 用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。 1）智能仪器仪表 机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。 单片机 在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机

10、器人、数控机床、自 动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。 2）实时工业控制 单片机 还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用 单片机 方便地实现。在这类系统中，利用 单片机 作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等 。 3）家用电器 家用电器是 单片机 的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。 另外，在交通领域 中，汽车、火车、飞机、航天器等均有 单片机

11、的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子还有分 布式系统的前端模块等等 。 2.2 计算器系统现状 计算器一般由运算器、控制器、存储器、键盘、显示器、电源和一些可选外围设备及电子配件通过人工或机器设备组成。低档计算器的运算器、控制器由数字逻辑电路实现简单的串行运算，其随机存储器只有一、二个单元，供累加存储用。高档计算器由微处理器和 只读存储器实现各种复杂的运算程序，有较多的随机存储单元以存放输入程序和数据。键盘是计算器的输入部件，一般采用接触式或传感式。为减小计算器的尺寸，一键常常有多种功能。显示器是计算器的输出部件，有发光二极管显示器或液晶显示器等。除显示计算结果外，还常有溢出指

12、示、错误指示等。计算器电源采用交流转换器或电池，电池可用交流转换器或太阳能转换器再充电。为节省电能，计算器都采用 CMOS 工艺制作的大规模集成电路（见互补金属-氧化物 -半导体集成电路），并在内部装有定时不操作自动断电电路。计算器可选用的外围设备有微型打印机、盒 式磁带机和磁卡机等。 2.3 简易计算器系统介绍 本计算器是以 51系列 8051 单片机为核心构成的简易计算器系统。该系统通过单片机控制，实现对 4*4 键盘扫描进行实时的按键检测，并把检测数据存储下来。整个计算器系统的工作过程为：首先存储单元初始化，显示初始值和键盘扫描，判断按键位置，查表得出按键值，单片机则对数据进行储存与相应

13、处理转换，16 之后送入 LCD 显示。整个系统可分为三个主要功能模块：功能模块一，实时键盘扫描；功能模块二， LCD 显示；功能模块三，计算。 第三章 系统硬件设计及说明 为了更好的实现系统得功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则： 1、 优化硬件电路 采用软件设计与硬件设计相结合的方法；尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器 (MCU)的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统得时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能的通过软件来实现硬件功能。 2、 可靠性及抗干扰设计 根据可靠性设计理论，系

14、统所用芯片数量越少，系统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下力争使用较少数量的芯片。 3、 灵活的功能扩展 功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下，能够通过修改软件程序，完成功能的升级和扩展。 根据第提出的系统设计方案，结合以上三条原则，确定了系统硬件的设计。计算器主要由以下一些功能模块构成：非编码

15、键盘模块、 LCD液晶显示屏 模块等。 该系统的硬件设计采用了模块化的设计方法。 AT89S52 单片机与 LCD液晶显示屏显示 电路是整个电路的核心，它们实现系统的功能要求。 简易计算器主要包括：键盘电路，显示电路。 下图为总体硬件结构 17 前面叙述了该系统的设计说明，系统采用了比较简单的设计方案，所以该系统的硬件设计的总外围电路不会产生过多的干扰。在下面的阐述中，对系统的外围电路分别予以介绍。键盘部分采用 编码键盘， 显示部分采用 LCD液晶显示屏 完全能够很好的实现显示方面的要求。 3.1 系统组成及总体框图 3.2 AT89S52 单片机介绍 51 系列单片机 系统 4*4 键盘 L

16、CD 显示 晶振电路 复位电路 线路原理框图 18 图 3.2.1-1 单片机 AT89S52 1、主要性能： (1) 8031 CPU 与 MCS-51 兼容 8K字节可编程 FLASH 存储器 (寿命： 1000 写 /擦循环 ) 全静态工作： 0Hz-33MHz 三级加密程序存储器 128*8 位内部 RAM 32条可编程 I/O 线 三个 16 位定时器 /计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 片内振荡器和时钟电路 (2) 管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 2、 AT89S52 的功

17、能特性描述 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在19 系统 可编程 Flash，使得 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位 定时器

18、 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。 此外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串 口、中断继续工 作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash。同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 4、 AT89S52的编程方法 编程前，须按编程模式表设置好地址、数据及控制信号；顺序如下：

19、 在地址线上加上要编程单元的地址信号。 在数据线上加上要写入的数据字节。 激活相应的控制信号。 将 EA/Vpp端加上 +12V编程电压。 每对 Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序机密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，大多数约为 50us。改变编程单元的地址和写入的数据，重复 步骤，直到全部文件编程结束。 单片机的现状及发展方向： 单片机是为了工业控制需要满足而诞生的，是自动控制系统的核心部件，因而也主要用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器中。它具有体积小，功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点，应用领域不断扩大，除了工业控制，智能化仪表，

20、通讯，家 用电器外，在智能化高档电子玩具产品中也大量采用单片机芯片作为核心控制部件。 由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，入高温，强电磁干扰，甚至含有腐蚀性气体，在太空中工作的单片机控制系统，还必须具有抗辐射能力，这决定了单片机 CPU 于通用微机 CPU 具有不同的技术特征和发展方向： (1) 可靠性高； (2) 控制功能往往很强，数值计算交叉； 110 (3) 指令系统比通用微处理器慢的多； (4) X 系列芯片取代； (5) 抗干扰性强，工作温度范围宽。 3.3 其它器件介绍及说明 3.3.1 LCD1602 液晶显示 字符型液晶显示模块是一种专用于显示字母 、 数字 、符号等点阵式 LCD，目 前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公 司的 1602 字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般 1602 字符型液晶显示器 实物如下图所示： 1602 字符型液晶显示器实物图 1602LCD 的基本参数及引脚功能 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，两者尺寸差别如下图所示：