【正文】 t years,the application of SCM is a growing,while driving more traditional contorl detectioen technology realtime detection and automatic coontrol of microputer application syystem,the microcontroller is ofen used as a core ponent,but only SCM knowledge is notenough,the structure should be based on specific hardware,software and hardware bination to be improved Calculator in people’ s daily lives is one of the moremon electronic on this concept,this design is AT89C51 microcontroller,LCD display,control buttons designed for the based function with a simple with using this microcontroller design and Clanguage programming microcontrollers,resources and all of its chip i/0 port functions and basic use of the the KEIL, PROTUES and the mon use of LCD displays and general use of the keyboard Keywords AT89C51 LCD control buttons 3 引言 當(dāng)今社會(huì)，隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，電子產(chǎn)品已經(jīng)走進(jìn)了家家戶戶，無(wú)論是生活或?qū)W習(xí)，還是娛樂(lè)和消遣，幾乎樣樣都離不開(kāi)電子產(chǎn)品，大型復(fù)雜的計(jì)算能力是人腦所不能勝任的，而且比較容易出錯(cuò)。計(jì)算器作為一種快速通用的計(jì)算工具方便了用戶的使用。計(jì)算器可謂是我們最親密的電子伙伴之一。本設(shè)計(jì)著重在于計(jì)算器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)， 為人們的生活帶來(lái)了便利 。 4 1 緒論 隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人們的生活水平在逐步的提高，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，猶如雨后春筍的變化。計(jì)算器在人們的日常生活中是比較常見(jiàn)的電 子產(chǎn)品之一，如何將常見(jiàn)的計(jì)算器技術(shù)更加成熟，充分利用已有的軟件和硬件條件，設(shè)計(jì)出更加出色的計(jì)算器，使其更好的為各行業(yè)服務(wù)，成了如今電子領(lǐng)域重要的研究課題 。 人們的日常生活中已經(jīng)離不開(kāi)計(jì)算器了，社會(huì)的各個(gè)角落都有它的身影，比如商店，辦公室，學(xué)校等等。因此設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單使用的計(jì)算器會(huì)有很大的實(shí)際意義。 設(shè)計(jì)內(nèi)容和章節(jié)分配 隨著嵌入式的快速發(fā)展，單片機(jī)本著它簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，抑郁設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)被設(shè)計(jì)者使用。通過(guò)此次設(shè)計(jì)的完成，對(duì)字符液晶顯示模塊的工作原理，比如初始化，清屏，顯示，調(diào)用及 外特性 有較清楚的認(rèn)識(shí)，并會(huì)使用 LCD 實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的顯示，在充分分析內(nèi)部邏輯的改練的同時(shí)，進(jìn)行軟件編譯和調(diào)試。 第一 章 為設(shè)計(jì)的背景，意義介紹，簡(jiǎn)明扼要的闡述設(shè)計(jì)的理念和成果，第二章為系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)介紹，主要從設(shè)計(jì)的功能，方案的確定以及選擇原因和系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成來(lái)介紹。第三章為主要芯片內(nèi)介紹，詳細(xì)介紹了芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳分布。 第四章為設(shè)計(jì)的核心，即硬件電路設(shè)計(jì)，此章將硬件電路分成為若干模塊，分別解釋好了模塊的硬件設(shè)計(jì)電路，第五章為軟件設(shè)計(jì)，沖語(yǔ)言的懸著，控制字的確定，流程圖的介紹到最后的仿真與調(diào)試，通過(guò)這幾章的介紹，完 成簡(jiǎn)易計(jì)算器的設(shè)計(jì)。 5 2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 功能介紹 基本功能 根據(jù)所學(xué)知識(shí)，自行設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算器，該計(jì)算器能夠?qū)崿F(xiàn)加減乘數(shù)四則運(yùn)算。 擴(kuò)展功能 ； 。 方案論證與比較 控制部分的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 方案一：采用計(jì)算器專用芯片實(shí)現(xiàn)。 用計(jì)算器專用芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)并編程實(shí)現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)方案計(jì)算效率高，速度快，而且成本也相對(duì)較低，是廠家做計(jì)算器的最佳方案。但是由于本人對(duì)計(jì)算器專用芯片掌握的不夠，還不足以實(shí)現(xiàn)設(shè) 計(jì)計(jì)算器，所以這個(gè)方案不可取。 方案二：采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA 將所有器件集成到一塊芯片上，體積小，節(jié)省空間，提高了穩(wěn)定性，直接面向用戶，既有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開(kāi)發(fā)效率高，工作可靠性好，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，采用并行的輸入輸出方式，系統(tǒng)處理速度高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。由 FPGA 內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算器功能，本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求不是很高， FPGA 的告訴處理的有事得不到充分的體現(xiàn)，由于集成度高，使其成本偏高 ，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)的工作，并且 FPGA 的價(jià)格相對(duì)比較高，性價(jià)比太低，所以這個(gè)方案不考慮。 方案三：用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 6 由于單片機(jī)集成了運(yùn)算器電路，控制電路，存儲(chǔ)器，終端系統(tǒng)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器以及輸入、輸出口電路等，所以單片機(jī)設(shè)計(jì)控制電路省去了很多分立元器件，由于單片機(jī)是可編程芯片， 并且它可以運(yùn)用 C 語(yǔ)言編寫，對(duì)于一些復(fù)雜的計(jì)算功能， 可以調(diào)用 C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)。使編寫程序變得非常簡(jiǎn)單，所以該課題用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，不僅功能抑郁實(shí)現(xiàn)，而且精確度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，并且由于其成本低，體 積小，技術(shù)成熟和功耗小等有點(diǎn)，切技術(shù)比較成熟，性價(jià)比也相當(dāng)高，更重要的是本人經(jīng)過(guò)幾年的學(xué)習(xí)，對(duì)單片機(jī)已有深刻的理解，并且可以靈活運(yùn)用。 綜上所述，并通過(guò)各個(gè)方面綜合比較為達(dá)到最佳效果，我們采用方案三利用單片機(jī)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 顯示電路的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 方案一： 數(shù)碼管顯示是使用 8 段數(shù)碼管來(lái)顯示，采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示，具有程序簡(jiǎn)單，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精準(zhǔn)的也較高，操作簡(jiǎn)單。顯示直觀的特點(diǎn)，但是數(shù)碼管僅僅只能顯示一些數(shù)字，無(wú)法顯示出一些常用的字符，并且硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜， 程序算法等缺點(diǎn)，所以 不適合用來(lái)做本設(shè)計(jì)。 方案二：采用 LM1602 液晶顯示 （一） 基本特性 1.+5v 電壓，對(duì)比度可調(diào)； ，如：清屏，字符閃爍，光標(biāo)閃爍，顯示移位等多種功能； 80 字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 DDRAM； 160 個(gè) 5*7 點(diǎn)陣的字型的字符發(fā)生器 CGROM。 個(gè)可由用戶自定義的 5*7 的字符發(fā)生器 CGRAM。 （二）接口定義 LM1602 接口定義如下 所示； 引腳號(hào) 標(biāo)識(shí) 說(shuō)明 PIN1 GND 接 0V PIN2 VCC 接 PIN3 V0 對(duì)地接電阻 4702K PIN4 RS RS=0，指令寄存器； RS=1，數(shù)據(jù)寄存器 7 PIN5 R/W R/W=0，寫； R/W=1，讀 PIN6 E 允許信號(hào) PIN7 D0 數(shù)據(jù) 0 PIN8 D1 數(shù)據(jù) 1 PIN9 D2 數(shù)據(jù) 2 PIN10 D3 數(shù)據(jù) 3 PIN11 D4 數(shù)據(jù) 4 PIN12 D5 數(shù)據(jù) 5 PIN13 D6 數(shù)據(jù) 6 PIN14 D7 數(shù)據(jù) 7 PIN15 LED+ 背光正極，接 5V PIN16 LED 背光負(fù)極，接 0V 綜上所述， LM1602 的顯示效果 好，功能齊全，所以我們選擇 LM1602 液晶顯示 ，該液晶屏幕有 16 個(gè)引腳，他能顯示 32 個(gè)字符，并且硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，顯示美觀。 鍵盤設(shè)計(jì)方案的選擇 方案一 :獨(dú)立鍵盤 獨(dú)立鍵盤為一端接地，另一端接 I/O 口，并且要接上拉電阻。這種鍵盤的硬件實(shí)現(xiàn)很容易，且靈敏度高，易于易于控制，但是對(duì) I/O 的資源消耗很大，但是本設(shè)計(jì)的按鍵個(gè)數(shù)比較多，這樣就不適合用獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)了 方案二：自制編碼鍵盤 編碼鍵盤編程簡(jiǎn)單，占用資源少，但是硬件比較復(fù)雜，要用很多的三極管，成本高，所以不太理想。 方案三： 4*4 矩陣鍵盤。 這種 鍵盤的硬件實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單， i/o 的資源占用比獨(dú)立鍵盤少一半，而且這種鍵盤的編碼也很簡(jiǎn)單，并且運(yùn)用也十分廣泛，即節(jié)約成本，也方便，符合本設(shè)計(jì)的需求 本設(shè)計(jì)采用 MCS51 系列單片機(jī) AT89C51 來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算器。通過(guò)擴(kuò)展必要的外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算器的設(shè)計(jì)。由鍵盤輸入數(shù)值，在通過(guò) 8051 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ， 8 然后在通過(guò) I/O 口輸出送到 LCD 顯示屏，最后由 1602LCD 顯示模塊輸入數(shù)值和結(jié)果。設(shè)計(jì)出以單片機(jī)為核心 包括開(kāi)關(guān)模塊，擴(kuò)展模塊，運(yùn)算模塊和顯示模塊。系統(tǒng)框圖如下圖 21 所示： 圖 21簡(jiǎn)易計(jì)算器的系統(tǒng)框圖 硬件電路是采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法保證設(shè)計(jì)電路的標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化。硬件電路的設(shè)計(jì)最重要的選擇在于控制的單片機(jī)，并確定與之配套的外圍芯片，使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。軟件設(shè)計(jì)的方法與開(kāi)發(fā)環(huán)境的選取有著直接的關(guān)系，本系統(tǒng)由于是采用 51 系列單片機(jī)，因此使用 Keil C 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)， protues 仿真軟件進(jìn)行仿真。此編程工具相比匯編語(yǔ)言具有結(jié)構(gòu)化，適用范圍大，可移植性好，開(kāi)發(fā)效率高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，先編寫各 個(gè)功能模塊子程序，然后進(jìn)行組合調(diào)整，經(jīng)過(guò) keil 調(diào)試后，達(dá)到設(shè)計(jì)功能要求，并在 protues 中仿真。 在設(shè)計(jì)中采用 AT89C51 單片機(jī)作為微處理器，低電壓，高性能 CMOS8 為單片機(jī)，片內(nèi)含有 4k 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 128B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲(chǔ)單元。 硬件方面完成包括鍵盤控制， LCD 屏幕顯示控制，預(yù)算控制等設(shè)計(jì) ，采用 LCD 顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果 ； （ 09），符號(hào)鍵（ +， ， *， /），清零鍵和等號(hào)鍵，設(shè)計(jì)中采用 4*4鍵陣； ：鍵入數(shù)字，通過(guò) LCD 顯示出來(lái)，當(dāng)鍵入運(yùn)算符號(hào)鍵時(shí)確定選擇的符號(hào)切將前面鍵入的數(shù)儲(chǔ)存，等待下一個(gè)數(shù)字的鍵入，按等號(hào)鍵就會(huì)先查詢運(yùn)算的符號(hào)，在進(jìn)行運(yùn)算，最后顯示出結(jié)果在 LCD 上。 運(yùn)算模塊 AT89C51 主控制器 顯示模塊 擴(kuò)展模塊 開(kāi)關(guān)模塊 9 3 主要芯片的介紹 AT89C51 選擇及介紹 隨著集成電路工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了單片機(jī)， 等多種單片機(jī)。 DSP：它從16~32 位，內(nèi)部采用哈佛結(jié)果體系，特別適合數(shù)據(jù)處理。 16 位 DSP 適合中高級(jí)工程控制到簡(jiǎn)單語(yǔ)音 /圖片（不含視頻） 處理， 32 位 DSP 設(shè)個(gè)復(fù)雜的語(yǔ)音 /圖片 /視頻處理。 ARM:是 32 位單片機(jī)。由于結(jié)構(gòu)和計(jì)算速度的原因，目前適合做事務(wù)處理或者中低端的應(yīng)用和中高級(jí)工程控制。而 AT89C51 是 AT89C51 是一種帶 4K 字 節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī) 。 該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存 儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器 。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 。 51 單片機(jī)雖然和 DSP， ARM 相比處理速度和運(yùn)算速度上都比較慢，但是其體積小，質(zhì)量輕，借個(gè)便宜，他的速度可以滿足本次 實(shí)驗(yàn)的要求，所以我們采用 AT89C51 這款單片機(jī) AT89C51 內(nèi)部原理圖如圖 31 所示 。 圖 31AT89D51的內(nèi)部原理圖 引腳如圖 32 所示： 10 圖 32 AT89C51的引腳圖 開(kāi)發(fā)工具的介紹