1、1 引言 1.1 概述 众所周知单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本设计要制作的就是单片机于生活中最为常见的 几 种应用 简易计算器。本简易计算器 以 AT89S52 单片机作为核心，可以显示简易的计算和时间，时间可以人为设定；另外还可以显示当前的日历，显 示格式为年（四位），月（两位），日（两位）。设置时间的位切换、设
2、定数值、启动定时器、切换日历通过外部中断来实现。简易计算器不仅可以进行简易的计算还可以显示时间。简易计算器显示电路由 LCD1602 组成， 制作 该 装置的材料需要有软硬件的支持，硬件方面 AT89C51 单片机，晶振，电源，液晶屏 LCD1602。 1.2 设计思路 1、 本课题 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， 所以 采用 LCD 显示数据和结果 ； 2、 计算器部分： 键盘包括数字键 (0-9)、符号键 (+、 -、 *、 /)、清除键 (ON/C)和等号键 (=)，故需要 16个按键，设计中采用矩阵键盘 ； 3、 时间显示的部分，有年、月、日、时、分、
3、秒、时间显示和计算器控制键的分别设置，故需要 8 个独立的按键； 3、执行程序：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：当单片机执行程序中有错误时，会在 LCD 上显示相应的提示，如：当输入的数值或计算器得到的结果大于计算器的显示范围时，计算器会在 LCD 上提示溢出；当除数为 0 时，计算器会在 LCD 上提示错误，显示“ error”。 2 单片机及其应用 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技
4、术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 图 2.1 AT89S52 2.1 单片机介绍 单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用 处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU 集成在一个芯片中，使计算机
5、系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。 INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳 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，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的 74 系列，或者60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的 话，电路一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能
6、，高效率，以及高可靠性！ 单片机的硬件特性 ： 单片机集成度高。单片机包括 CPU、 4KB 容量的 ROM（ 8031 无）、 128 B 容量的 RAM、 2 个 16 位定时 /计数器、 4 个 8 位并行口、全双工串口行口 。 系统结构简单，使用方便，实现模块化 。 2.2 单片机的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。 导弹 的导航装置，飞机上各种仪表的控 制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡 ，民用豪华轿车的安全保障系统， 录像机 、 摄像机 、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电
7、子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： （ 1） 在 智能仪器 仪表上的应用 （ 2） 在工业控制中的应 用 （ 3） 在家用电器中的应用 （ 4） 在计算机网络和通信领域中的应用 （ 5） 单片机在医用设备领域中的应用 （ 6） 在各种大型电器中的模块化应用 （ 7） 单片机在汽车设备领域中的应用 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域
8、都有着十分广泛的用途。 2.3 AT89S52 单片机 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 和在系统可编程 Flash，使 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
9、数据指针， 3 个 16 位定时器 /计数器， 1 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。另外， 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。 主要性能 ： 1、 与 MCS-51 单片机产品兼容 2、 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 3、 1000 次擦写周期 4、 全静态操作： 0Hz 33Hz 5、 三级加密程序存储器 6、 32
10、个可编程 I/O 口线 7、 三个 16 位定时器 /计数器 8、 八个中断源 9、 全双工 UART 串行通道 10、 低功耗空闲和掉电模式 l1、 掉电后中断可唤醒 l2、 看门狗定时器 l3、 双数据指针 l4、 掉电标识符 图 2.2 AT89S52 引脚结构 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL 逻辑电平。对 P0 端口写 “1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， P0口也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， P0具有内部上拉电阻。在 flash 编程时， P0口也用来接收指令字节；在程序校
11、验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P1 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外， P1.0 和 P1.2 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2）和 定时器 /计数器 2 的触发输入（ P1.1/T2EX），具体如下表所示。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器 /计数器
12、 T2 的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器 /计数器 T2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统 编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用 16位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR）时， P2 口送出高八位地址
13、。在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时， P2口输出 P2锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash编程和校验时， P3
14、口也接收一些控制信号。 引脚号第二功能 ： P3.0 RXD（串行输入） P3.1 TXD（串行输出） P3.2 INT0(外部中断 0) P3.3 INT0(外部中断 0) P3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 WR(外部数据存储器写选通 ) P3.7 RD(外部数据存储器写选通 ) RST: 复位输入。晶振工作时， RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后， RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。 DISRTO 默认状态下，复 位高电
15、平有效。 ALE/PROG： 地址锁存控制信号（ ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（ PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， ALE 脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 “1”， ALE 操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。否则， ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置
16、对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号（ PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时， PSEN 将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令， EA 必须接 GND。为了执行内部程序指令， EA 应该接 VCC。在 flash编程期间， EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 3 LC
17、D1602 的原理及其应用 3.1 LCD1602 的介绍 LCD1602 已很普遍了，具体介绍我就不多说了，市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD，多出来的 2 条线是背光电源线 VCC(15 脚 )和地线 GND(16 脚 )，其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样。 3.2 LCD1602 的 引脚 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 3.1所示 :
18、 表 3.1 LCD1602 的引脚说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 表 3.1：引脚接口说明表 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
19、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 LCD1
20、602 的指令 1602液晶模块内部的控制器共有 11条控制指令，如表 3.2所示： 表 3.2 LCD1602 的指令说明 编号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生
21、存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器 地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM） 1 0 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 1 1 读出的数据内容 表 3.2：控制命令表 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1为高电平、 0为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者
22、 右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4位总线，低电平时为 8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7的点阵字符，高电平时显示 5x10的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地 址设置。 指令 8： DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信
23、号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 与 HD44780相兼容的芯片时序表如下： 表 3.3 LCD1602 基本操作时序说明 读状态 输入 RS=L， R/W=H， E=H 输出 D0 D7=状态字 写指令 输入 RS=L， R/W=L， D0 D7=指令码， E=高脉冲 输出 无 读数据 输入 RS=H， R/W=H， E=H 输出 D0 D7=数据 写数据 输 入 RS=H， R/W=L， D0 D7=数据， E=高脉冲 输出 无 3.4 LCD1602 的 RAM 地址映射及标准字
24、库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图 3.1是 1602的内部显示地址。 图 3.1 LCD1602的内部地址 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 表 3.4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” 。 表 3.4 CGROM 和 CGRAM 中字符代码与字符图形对应关系
