【文章內容簡介】 容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供廣闊的天地。 在開發(fā)流程上較簡單 ,一般經過繪制原理圖 、 編寫程序 、 仿真 、 下載和硬件測試。在編程上常用的是匯編語言和 C 語言。匯編語言編程較難，可讀性和可移植性比較差。而 C 語言雖然執(zhí)行效率沒有匯編語言高，但語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達化類型多樣化，數據結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特點。在功耗上 MCS51 系列的 8051 推出時的功耗達 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右 [3]，隨著對單片機功耗的要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 4 機制造商基本都采用了 CMOS(互補金屬氧化物半導體工藝 )。在價格上一片單片機芯片價格在幾元左右有著價格低廉，操作簡單，實用方便，等優(yōu)點 ， 因此單片機廣泛用于智能產品，智能儀表，測控技術，智能接口等。 方案比較與選擇 （ 1） 開發(fā)流程： FPGA 開發(fā)流程 （ 設計輸入 、 綜合 、 適配 、 時序仿真與功能仿真 、 編程下載和硬件測試）復雜，而單片機開發(fā)流程（繪制原理圖 、 編寫程序 、 仿真 、 載 和硬件測試）較簡單的多。 （ 2） 編程 :： FPGA 常采用 VHDL 和 VORILOG。 VHDL 語法嚴格，顯呆板，但是一旦語法檢查通過，程序上出錯的機會就比較小。 VORILOG 很靈活，類似 C，比較容易上手，語法檢查通過，程序也不一定正確 。 而單片機常采用 C 語言 ， C 語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達化類型多樣化，數據結構類型豐富，具有結構化的控制語句，程序設計自由度大，有很好的可重用性，可移植性等優(yōu)點。 （ 3） 功率消耗：由于 FPGA 集成度很高，所以功耗較大。而單片機在功耗上 MCS51系列的 8051 推出時的功耗 達 630mW，而現(xiàn)在的單片機普遍都在 100mW 左右。 （ 4） 芯片價格：一片 FPGA 芯片價格在 100 元以上，而一片普通的單片機芯片在幾元在左右。 （ 5） 資源利用率： FPGA 芯片的引腳在 100 只以上，而單片機只有 40 只引腳，但本設計只需 23 個接口。 通過以上比較，從設計的復雜性，實用性，方便性，資源利用率，功耗和成本出發(fā)，選擇了以 STC90C516RD+單片機作為中央處理單元進行科學計算器的設計，這樣設計能夠實現(xiàn) 12 位的四則運算以及一些函數。 3 系統(tǒng)設計 總體設計 系統(tǒng)組成 本設計可分為 5 個模塊 ，分別是單片機主控模塊， LCD 液晶顯示模塊，電源模塊，編碼鍵盤模塊和復位電路。單片機主控模塊以 STC90C516RD+單片機為核心進行數據處理 ，LCD 液晶顯示模塊以 LCD1602 液晶顯示初始狀態(tài)，數據和運算結果。電源模塊為整個設計提供必不可少的電能。編碼鍵盤模塊為整個設計提供數據輸入。復位電路則當系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或者要恢復初始狀態(tài)設計的電路。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 復 位 電 路電 源 模 塊單 片 機 主控 模 塊L C D 液 晶 顯示 屏 模 塊編 碼 按 鍵模 塊 圖 系統(tǒng) 框圖 XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 5 工作原理 上電后， LCD 屏初始狀態(tài)為 0，按下編碼 按 鍵 上的 按鍵會在 LCD 屏上顯示相應的按鍵。如果按下函數按鍵輸入數值再按 ?=?鍵計算結果會在 LCD 屏上顯示。如果按下數值按鍵再 按功能鍵，輸入數值并按 ?=?鍵計算結果會在 LCD 屏上顯示。如果有需要恢復初始狀態(tài)，則需按下復位鍵，使用方法同一般的計算器。 硬件設計 本設計可分為 5 個模塊，分別是單片機主控模塊， LCD 液晶顯示模塊，電源模塊，編碼鍵盤模塊和復位電路。主控模塊采用 STC90C516RD+型號單片機實現(xiàn)， LCD 液晶顯示模塊選用 LCD1602 型號 LCD 顯示屏，編碼鍵盤模塊由 35 個普通按鍵構成。單片機 P2 口和P3 口 做為數據 輸入口，與鍵盤連接， P0 口為數據輸出端與 LCD 液晶顯示屏第 7 引腳至第14 引腳相連為液晶顯示屏輸入數據。 、 、 分別與 LCD 液晶顯示屏的第 4 引腳，第 5 引腳，第 6 引腳相連，控制 LCD 液晶顯示屏 顯示。 系統(tǒng) 原理圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng) 原理圖 主控模塊設計 采用 STC90C516RD+單片機，單片機是為了工業(yè)控制需要滿足而誕生的，是自動控制系統(tǒng)的核心部件，因而也主要用于工業(yè)控制、智能化儀器儀表、家用電器中。它具有體積小，功能多、價格低 、使用方便、系統(tǒng)設 計靈活等優(yōu)點，應用領域不斷擴大，除了工業(yè)控制 ； 智能化儀表 ； 通訊 ； 家用電器外，在智能化高檔電子玩具產品中也大量采用單片機芯片作為核心控制部件 [4]。 由于單片機主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣， 高溫，強電磁干擾，甚至含有 腐蝕性氣體，在太空中工作的單片機控制系統(tǒng)，還必須具有抗輻射能力，這決定了單片機 CPU于通用微機 CPU具有不同的技術特征和發(fā)展方向： （ 1） 可靠性高； （ 2） 控制功能往往很強，數值計算交叉； （ 3） 指令系統(tǒng)比通用微處理器慢的多； XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 6 （ 4） X 系列芯片取代； （ 5） 抗干擾性強，工作溫度范圍寬。 主控芯片 STC90C516RD+特點 （ 1） 主要性能： ? 61K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 (壽命： 10000 寫 /擦循環(huán) ) ? 全靜態(tài)工作： 0Hz33MHz ? 三級加密程序存儲器 ? 128*8 位內部 RAM ? 32 條可編程 I/O 線 ? 三個 16 位定時器 /計數器 ? 5 個中斷源 ? 全雙工 UART 串行通道 ? 低功耗的閑置和掉電模式 ? 掉電后中斷可喚醒 ? 看門狗定時器 ? 雙數據指針 ? 掉電標識符 ? 片內振蕩器和時鐘電路 （ 2） STC90C516RD+的功能特性 STC90C516RD+是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 61K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。與工業(yè) 80C51 產品指令和引腳完全兼容 [5]， 片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編 Flash，使得 STC90C516RD+眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC90C516RD+具有以下標準功能： 61k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數據指針，三 16 位定時器 /計數器， 一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。此外， STC90C516RD+可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 （ 3） STC90C516RD+引腳與事物圖 STC90C516RD+ 單片機 實 物圖和 40 引腳芯片圖如圖 所示 。 XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 7 圖 STC90C516RD+實 物圖（左）引腳圖（右） 顯示電路的設計 當系統(tǒng)需要顯示少量數據時，采用 LCD液晶顯示屏 進行顯示是一種經濟實用的方法。單片機 的 P0口為數據輸出端與 LCD液晶顯示屏第 7引腳至第 14引腳相連為液晶顯示屏輸入數據。 、 、 LCD液晶顯示屏的第 4引腳，第 5引腳，第 6引腳相連，控制 LCD液晶顯示屏 顯示， LCD1602接 口 電路如圖 。 圖 LCD1602 接口電路 LCD 液晶顯示屏 應用簡介 模塊內部自帶字符發(fā)生存儲器（ CGROM） ,字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和 日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母 “A”的代碼是（ 41H），顯示時模塊把代碼 41H 發(fā)給液晶模塊，我們就能在液晶上看到字母 “A”。 1602 液晶模塊內部的控制器共有 11 條控制指令，豐富的指令可以完成液晶的時序控制、 工作方式式設置和數據顯示等。 采用的 LCD1602 液晶模塊是標準 16 針插座， LCD1602 引腳說明 [6]如表 1 所示。 XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 8 表 LCD1602 引腳說明 第 1 腳 VSS 為地電源 第 2 腳 VDD 接 5V正電源 第 3 腳 V0 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接 地電源時對比度最高，對比度過高時會產生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。 第 4 腳 RS 為寄存器選擇，高電平選擇數據寄存器、低電平選擇指令寄存器。 第 5 腳 RW 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 當 RS 和 RW 共同為低電平時 （ 00）可以寫入指令或者顯示地址； 當 RS 為低電平 RW 為高電平時（ 01）可以讀入忙信號； 當 RS 為高電平 RW 為低電平時（ 10）可以寫入數據。 第 6 腳 E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7～ 14 腳 D0～ D7 為 8 位雙向數據線。 第 15～ 16 腳 背光陽極和背光陰極。 2 、 LCD 的特點： （ 1）低壓微功耗； （ 2）平板型結構； （ 3）被動顯示型 (無眩光，不刺激人眼，不會引起眼睛疲勞 )； （ 4）顯示信息量大 (因為像素可以做得很小 )； （ 5）易于彩色化 (在色譜上可以非常準確的復現(xiàn) )； （ 6）無電磁輻射 (對人體安全，利于信息保密 )； （ 7）長壽命 (這種器件幾乎沒有什么劣化問題，因此壽命極長，但是液晶背光壽命有限，不過背光部分可以更換 )。 按 鍵 模塊 設計 鍵盤模塊由鍵盤陣列實現(xiàn)，行列與單片機的 、 、 、 、 、 、 相連，豎列與單片機的 、 、 、 、 5X7的矩陣鍵盤做為整個系統(tǒng)的數據輸入。 矩陣鍵盤采用 7條 I/O線作為行線， 5條 I/O線作為列線組成鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上設置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的數量就為 5X7個，這樣行列式鍵盤結構能有效的提高單片機系統(tǒng)中 I/O口的利用率。 按鍵 接口 電路如圖 。 （ 1） 按 鍵 簡介 每個按鍵都有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接 口和 CPU通信。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地；另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能 [7]。 XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 9 圖 按鍵 接口電路 （ 2） 工作原理 當無按鍵閉合時， P2口與 ～ ；當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O 口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線 ～ ，從行線 P2口輸出低電平，讀入列線數據，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線 ～ ，若有某一列為低電平，則對應行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進行同樣的鍵操作。 電源設計 電源做為整個系統(tǒng)不可缺少的一部份，電源設計為插針式，即可用干電池供電又可用USB供電方便靈活。 復位電路設計 復位電路設計分為兩部份，硬件復位和軟件復位，這樣設計方便靈活便于操作。 軟件設計 軟件設計包括算法設計和程序設計。 算法設計與實現(xiàn) 將一個普通的中序表達式轉換為逆波蘭表達式的一般算法是： （ 1）首先構造一個運算符棧，此運算符在棧內遵循越往棧頂優(yōu)先級越高的原則。 （ 2）讀入一個用中綴表示的簡單算術表達式，為方便起見 ,設該簡單算術表達式的右端多加上了優(yōu)先級最低的特殊符號 “”。 （ 3）從左至右掃描該算術表達式，從第一個字符開始判斷，如果該字符是數字，則分析到該數字串的結束并將該數字串直接輸出。 （ 4）如果不是數字，該字符則是運算符，此時需比較優(yōu)先關系。 XX大學 2021屆本科畢業(yè)論文 （設計） 10 做法如下：將該字符與運算符棧頂的運算符的優(yōu)先關系相比較。如果，該字符優(yōu)先 關系高于此運算符棧頂的運算符，則將該運算符入棧。倘若不是的話，則將棧頂的運算符從棧中彈出，直到棧頂運算符的優(yōu)先級低于當前運算符，將該字符入棧。 （ 5）重復上述操作 12 直至掃描完整個簡單算術表達式，確定所有字符都得到正確處理，我們便可以將中綴式表示的簡單算術表達式轉化為逆波蘭表示的簡單算術表達式。 算法 流程圖如圖 所示 。 輸 入 一 個 中 綴 式 表 示的 簡 單 運 算 表 達 式 ‘ ’