【正文】 定時計數(shù)器、串行通訊等，是 計算器 設計的核心。總體原理為：利用 STC89C54RD+ 單片機構(gòu)造多功能 處理 ，可 進行計時以及監(jiān)控外部中斷系統(tǒng) ，通過 C 語言對單片機的編程即可 進行運算傳送信號 ，并可以通過鍵盤進行各種功能的轉(zhuǎn)換，當輸出的信號通過顯示器顯示輸出的信息 。 硬件系統(tǒng)以STC89C54RD+單片機為控制核心 ，輔以 LCD1602 液晶顯示、鍵盤輸入 模塊 等電路實現(xiàn) 計算器 的基本功能； 軟件系統(tǒng)包括 包含延時模塊、鍵掃模塊、顯示模塊、定時模塊、監(jiān)控函數(shù)模塊 。 總體設計框圖如圖 1 所示。 圖 1 總體硬件電路框圖 3 2 計算器硬件系統(tǒng)設計 STC89C54RD+單片機 簡介 以 STC89C54RD+單片機為控制核心，外擴外圍電路，完成 計算器 所需要的外圍電路。顯示 模塊 ，輸入 模塊 ，復位 模塊 等。 STC89C54RD+單片機內(nèi)部 配以基本單元：即 三個定時 /計數(shù)器 、 5 個中斷源。可由編程來實現(xiàn) 根據(jù) 定時 、 計數(shù) 時計數(shù)溢出而產(chǎn)生的 中斷申請信號 中斷功能， 并由 LCD1602 液晶對 被 測值進行顯示。 STC89C54RD+系列單片機，具有反應速度極快，工作效率特高的特點。 STC89C54RD+單片機 的基本特點是 低功耗 、 高性能 ， 片內(nèi) 由 4KB 可編程 /擦除只讀存儲器的 8 位 COMS 微控制器 組成 ， 通過結(jié)合 高密度 、 非易失存儲技術(shù) 來保證單片機引腳與相應指令系統(tǒng)的高兼容度 。 由于 芯片 里 FLASH 的存在，因此可以通過通用的非易失存儲編程器實現(xiàn)在線編程以及重復編程等功能 。 在通常情況下，當系統(tǒng)掉電時，數(shù)據(jù)存儲器的 內(nèi)容 立即會 被保存 下來 ， 而此時 單片機其他一切 都會停止工作 ，直到 產(chǎn)生 下一個中斷或硬件復位 信號整個系統(tǒng)才會重新開始工作。 STC89C54RD+的內(nèi)部特點：具有 40 個引腳、 8K 片內(nèi)程序存儲器空間、 256B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器， 32 個外部雙向輸入 /輸出 I/O 口， 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個狗（ WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 STC89C54RD+引腳圖 如圖 2 所示。 圖 2 STC89C54RD+引腳圖 4 電源 模塊 電源電路是 給 計算器 提供電源 ，此電路包括 一個 發(fā)光二極管、電阻、導線組成。光二極管 的作用 主要是 ： 運用二極管的單向?qū)щ?特 性 來提示 電源是否接通 或觀察電源是否一直保持 通電正常、穩(wěn)定，并且 100Ω的電阻與二極管串聯(lián)，其作用是保護二極管不會因為電流 突然變大而被燒壞 。 電源電路是采用 USB 接口來供電， 如圖 3 所示。 圖 3 電源 電路 復位 模塊 復位電路的作用是按下復位鍵可以使顯示界面回到最開始的地方。課程設計按鍵復位電路由 一 個電阻一個電容和一個按鍵組成，大小分別為 10181。F， 1k， 200Ω，1KΩ電阻一端接 電源 ，另一端接電容的 正 極接到單片機的復位引腳，按鍵與 10181。F電容并聯(lián)，當按鍵按下時， 1kΩ電阻與 VCC 直接相連，在 RST 產(chǎn)生復位所需的高電平。當按鍵松開的， VCC 給電容充電， RST 仍為高電平，而當電容充電完成后，相當于短路，則為低電平，正常工作。 復位電路如圖 4 所示。 圖 4 復位電路 時鐘模塊 晶振電路的作用是產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率。 單片機工作所需的同步時鐘信號由由以下兩種方法獲得，第一：由單片機片內(nèi)時鐘電路結(jié)合外部晶振、電 5 容產(chǎn)生；第二：直接從單片機外部引入脈沖信號。設計中用第一方法，有石英晶體和微調(diào)電容（一般取值 30pF 左右）組成，石英晶體產(chǎn)生震蕩，單片機振蕩電路產(chǎn)生的脈沖信號稱振蕩信號，它的頻率等于石英晶體的振蕩頻率（ fosc） ,簡稱晶振頻率，振蕩脈沖信號還不是單片機工作所需的時鐘信號，時鐘信號必須由振蕩脈沖信號經(jīng)單片機片內(nèi)時鐘電路的處理后才能產(chǎn)生。 課程設計晶振電路主要 由振蕩電路和分頻電路組成。其中振蕩電路由高增益反相器以及并聯(lián)外 接的石英晶體和電容構(gòu)成產(chǎn)生振蕩脈沖。而分頻電路則用于把振蕩脈沖分頻，已得到所需的時鐘信號。振蕩電路由單片機芯片的 XTAL1 端輸入， XTAL2 端輸出。 此時同時 并接一個石英晶體振蕩器 以及 兩個 30pF 電容。而STC89C54RD+中自帶有分頻電路所以不需要外接電路對脈沖信號進行分頻。晶振頻率是 12MHz。如圖 5 所示。 圖 5 時鐘 電路 下載 模塊 由于 STC89C54RD+支持 flash 在線寫入、擦除，所以下載電路是必不可少的部分。由下載口進行單片機與電腦的連接。并 由 下載電路產(chǎn)生電源提供給單片機工作。 主要 是 由 P P31 兩個引腳下載，實現(xiàn)計算機與單片機的通信。 顯示模塊 發(fā)光二極管 LED是單片機應用系統(tǒng)中的一宗簡單而常用的輸出設備，其在系統(tǒng)中的主要作用是顯示單片機的輸出數(shù)據(jù)、狀態(tài)等。因而作為典型的外圍器件，LED顯示單元是反映系統(tǒng)輸出和操作輸入的有效器件。 LED具備數(shù)字接口可以方便的和大年紀系統(tǒng)連接；它的優(yōu)點是價格低，壽命長，對電壓電流的要求低及容易實現(xiàn)多路等，因而在單片機應用系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。 液晶 LCD1602 顯示器用于輸入信號以及運算結(jié)果的顯示。 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型 液晶模塊 。它由若干個 5X7 或者 5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間 6 隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和 行間距 的作用。 1602 型 LCD 基本操作程序如表 1 所示。 表 1 LCD1602 基本操作程序 操作 輸入 輸出 讀狀態(tài) RS=L， R/W=H， E=H D0—D7=狀態(tài)字 寫指令 RS=L， R/W=L， D0—D7=指令碼， E=高脈沖 無 讀數(shù)據(jù) RS=H， R/W=H， E=H D0—D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) RS=H， R/W=L， D0—D7=數(shù)據(jù)， E=高脈沖 無 電路主要由電位器、可變換串行及并行通信方式的短接電路、供電電路構(gòu)成，具體電路如圖 6 所示。 圖 6 LCD1602 顯示電路 輸入模塊 輸入模塊的作用是給單片機系統(tǒng)提供輸入信號。通過外部按鍵使單片機接收信號，課程設計采用的是 4*4 的矩陣鍵盤和 6 個獨立式鍵盤。在矩陣式鍵盤中，行連接線和列連接線分別占用 4 條 I/O 口線，共連接 16 個按鍵。行線連接的接口為輸入口，用于輸入按鍵的行位置信息，列線連接的接口為輸出口，用于輸出掃描電平，當按鍵按下鍵時由高電平變?yōu)榈碗娖?，如圖 7 所示。 6 個獨立式鍵盤按鍵的一端并接在一起接地。當按下某個鍵，該鍵處變?yōu)榈碗娖?。如圖 8 所示。 圖 7 4*4 矩陣式鍵盤 7 圖 8 6 個獨立式鍵盤 電路原理圖 電路原理圖見附錄 A。 電路實物圖 電路實物圖見附錄 B。 元器件清單 元器件清單見附錄 C。 8 3 計算器軟件系統(tǒng)設計 應用 C 語言編 來編寫課題程序 ，它由 監(jiān)控 函數(shù) 、 液晶顯示 、 鍵掃 、 延時、定時 等模塊組成。 具體程序見附錄 D。 單片機資源 使用 P1： 基本輸入輸出口； ： E(1602 液晶 )； ： RW(1602 液晶 )； ： RS(1602 液晶 )； ： T0（定時 /計數(shù)器 ） ； 監(jiān)控函數(shù)模塊 監(jiān)控 函數(shù) ，用于設置 上電或復位后能自動顯示系統(tǒng)提示符 “P”，調(diào)用各個主要模塊， 主要 實現(xiàn) 計算器 的 加、減、乘、除、開方、平方等功能 。 相關 程序流程圖如圖 9 所示 ， 具體程序見附錄 D。 圖 9 監(jiān)控 函數(shù)流程圖 顯示模塊 液晶顯示是通過在主程序中調(diào)用相關的液晶功能函數(shù)來執(zhí)行相應功能，經(jīng)過液晶接在單片機上的 P2部分管腳，通過液晶功能函數(shù) LCD1602的調(diào)用對液晶進行操作，將各類指令寫入液晶模塊，用來驅(qū)動液晶以實現(xiàn)不同的顯示功能。 簡單來 9 說，就是 用作 LCD1602液晶屏顯示，將顯示的數(shù)據(jù)傳送至 LCD1602模塊化函數(shù)中，將需要顯示的內(nèi)容顯示在 LCD1602液晶屏上。 相關 程序流程圖如圖 10所示 ，詳細程序見附錄 D。 圖 10 液晶顯示流程圖 鍵掃模塊 當 有 操作按鍵按下時，單片機 首先會 先 判斷 鍵值，然后 依據(jù)判斷出的 鍵值 來執(zhí)行相應的鍵功能程序 ，并由液晶顯示操作狀態(tài) 。 相關 程序流程圖如圖 11 所示 ，詳細 程序見附錄 D。 圖 11 按鍵程序流程圖 延時模塊 10 延時模塊用于延時，等待等需要的調(diào)用。 定時模塊 定時器 0，以工作方式 1 工作，采用中斷方式 。 系統(tǒng)程序清單 課題軟件系統(tǒng)程序清單 見附錄 D。 11 4 實物調(diào)試 操作使用說明 該設計利用 4*4 矩陣鍵盤 和 6 個獨立按鍵 作為數(shù)據(jù)和命令的輸入裝置 ,LCD1602 液晶 為 顯示器，實現(xiàn)的運算有加、減、乘、除、平方 SQU、開方 SQR、三角函數(shù)（ sin、 cos、 tan）、十進制轉(zhuǎn)十六進制 DEC、十六進制轉(zhuǎn)十進制 HEX。 采用 4*4 矩陣鍵盤 和 6 個獨立按鍵 作為輸入端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入功能。設計鍵盤的各個按鍵功能如 表 2 所示。 表 2 按鍵功能設置 0 1 2 3 tan 復位 4 5 6 7 cos DEC 8 9 + — sin HEX * / = SQU SQR 無 如 表 2 所示， 此計算器我用了 23 個按鍵 ， 10 個數(shù)字鍵， 4 個常用運算鍵， 1個等號鍵， 1 個清零鍵， 1 個 平方 鍵， 1 個開方鍵， 3 個三角函數(shù)運算鍵， 1 個 十進制轉(zhuǎn)十六進制按 鍵 和 1 個 十六進制轉(zhuǎn)十進制按鍵。 當計算器 上電后能自動顯示系統(tǒng)提示符 “P.”，進入準備工作狀態(tài)。 這時 輸入數(shù)字， 液晶屏會顯示輸入的數(shù)據(jù)，輸入完數(shù)據(jù)后按下功能鍵，再按“ =”鍵，屏幕上顯示出計算的結(jié)果。如果要再次計算，按下復位鍵，重新初始化。 測試過程 界面顯示以及測試的結(jié)果：各層界面顯示以及測試的結(jié)果與示波器所測得圖形及參數(shù)為： （ 1）當上電顯示后，顯示的是系統(tǒng) 提示符 “P.”，進入準備工作狀態(tài) 。 如圖 12 所示。 12 圖 12 上電顯示界面 （ 2） 當輸入 12 加 27 后，得出計算結(jié)果 39。如圖 13 所示 圖 13 計算結(jié)果 顯示界面 （ 3）當輸入數(shù)字 765，按下 十進制轉(zhuǎn)十六進制 DEC 功能鍵后，計算的的數(shù)據(jù)為2FD。如圖 14 所示。 13 圖 14 計算結(jié)果 顯示界面 （ 4）當輸入數(shù)字 2，按下