【文章內(nèi)容簡介】 容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。 在開發(fā)流程上較簡單 ,一般經(jīng)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(dá)化類型多樣化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型豐富，具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，程序設(shè)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(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在 100mW 左右 [3]，隨著對單片機(jī)功耗的要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片XX大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 4 機(jī)制造商基本都采用了 CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝 )。在價格上一片單片機(jī)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(jī)廣泛用于智能產(chǎn)品，智能儀表，測控技術(shù)，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(shè)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(fù)雜，而單片機(jī)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(yán)格，顯呆板，但是一旦語法檢查通過，程序上出錯的機(jī)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(jī)常采用 C 語言 ， C 語言簡潔，使用方便，靈活，運算豐富，表達(dá)化類型多樣化，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型豐富，具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，程序設(shè)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(jī)在功耗上 MCS51系列的 8051 推出時的功耗 達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)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(jī)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(jī)只有 40 只引腳，但本設(shè)計只需 23 個接口。 通過以上比較，從設(shè)計的復(fù)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(jī)作為中央處理單元進(jìn)行科學(xué)計算器的設(shè)計，這樣設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn) 12 位的四則運算以及一些函數(shù)。 3 系統(tǒng)設(shè)計 總體設(shè)計 系統(tǒng)組成 本設(shè)計可分為 5 個模塊 ，分別是單片機(jī)主控模塊， LCD 液晶顯示模塊，電源模塊，編碼鍵盤模塊和復(fù)位電路。單片機(jī)主控模塊以 STC90C516RD+單片機(jī)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ，LCD 液晶顯示模塊以 LCD1602 液晶顯示初始狀態(tài)，數(shù)據(jù)和運算結(jié)果。電源模塊為整個設(shè)計提供必不可少的電能。編碼鍵盤模塊為整個設(shè)計提供數(shù)據(jù)輸入。復(fù)位電路則當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤或者要恢復(fù)初始狀態(tài)設(shè)計的電路。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 復(fù) 位 電 路電 源 模 塊單 片 機(jī) 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(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)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(yīng)的按鍵。如果按下函數(shù)按鍵輸入數(shù)值再按 ?=?鍵計算結(jié)果會在 LCD 屏上顯示。如果按下數(shù)值按鍵再 按功能鍵，輸入數(shù)值并按 ?=?鍵計算結(jié)果會在 LCD 屏上顯示。如果有需要恢復(fù)初始狀態(tài)，則需按下復(fù)位鍵，使用方法同一般的計算器。 硬件設(shè)計 本設(shè)計可分為 5 個模塊，分別是單片機(jī)主控模塊， LCD 液晶顯示模塊，電源模塊，編碼鍵盤模塊和復(fù)位電路。主控模塊采用 STC90C516RD+型號單片機(jī)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(gòu)成。單片機(jī) P2 口和P3 口 做為數(shù)據(jù) 輸入口，與鍵盤連接， P0 口為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。 、 、 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(shè)計 采用 STC90C516RD+單片機(jī)，單片機(jī)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(shè) 計靈活等優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(chǎn)品中也大量采用單片機(jī)芯片作為核心控制部件 [4]。 由于單片機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)，還必須具有抗輻射能力，這決定了單片機(jī) CPU于通用微機(jī) CPU具有不同的技術(shù)特征和發(fā)展方向： （ 1） 可靠性高； （ 2） 控制功能往往很強，數(shù)值計算交叉； （ 3） 指令系統(tǒng)比通用微處理器慢的多； XX大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)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(nèi)部 RAM ? 32 條可編程 I/O 線 ? 三個 16 位定時器 /計數(shù)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(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)識符 ? 片內(nèi)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(chǎn)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC90C516RD+具有以下標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)指針，三 16 位定時器 /計數(shù)器， 一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)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。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 （ 3） STC90C516RD+引腳與事物圖 STC90C516RD+ 單片機(jī) 實 物圖和 40 引腳芯片圖如圖 所示 。 XX大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 7 圖 STC90C516RD+實 物圖（左）引腳圖（右） 顯示電路的設(shè)計 當(dāng)系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時，采用 LCD液晶顯示屏 進(jìn)行顯示是一種經(jīng)濟(jì)實用的方法。單片機(jī) 的 P0口為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。 、 、 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(yīng)用簡介 模塊內(nèi)部自帶字符發(fā)生存儲器（ CGROM） ,字符有：阿拉伯?dāng)?shù)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(nèi)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(shè)置和數(shù)據(jù)顯示等。 采用的 LCD1602 液晶模塊是標(biāo)準(zhǔn) 16 針插座， LCD1602 引腳說明 [6]如表 1 所示。 XX大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)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(diào)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(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 4 腳 RS 為寄存器選擇，高電平選擇數(shù)據(jù)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(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。 當(dāng) RS 和 RW 共同為低電平時 （ 00）可以寫入指令或者顯示地址； 當(dāng) RS 為低電平 RW 為高電平時（ 01）可以讀入忙信號； 當(dāng) RS 為高電平 RW 為低電平時（ 10）可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳 E 端為使能端，當(dāng) 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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)； （ 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(zhǔn)確的復(fù)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(shè)計 鍵盤模塊由鍵盤陣列實現(xiàn)，行列與單片機(jī)的 、 、 、 、 、 、 相連，豎列與單片機(jī)的 、 、 、 、 5X7的矩陣鍵盤做為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的數(shù)量就為 5X7個，這樣行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效的提高單片機(jī)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(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 9 圖 按鍵 接口電路 （ 2） 工作原理 當(dāng)無按鍵閉合時， P2口與 ～ ；當(dāng)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(shù)據(jù)，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(yīng)行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結(jié)果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進(jìn)行同樣的鍵操作。 電源設(shè)計 電源做為整個系統(tǒng)不可缺少的一部份，電源設(shè)計為插針式，即可用干電池供電又可用USB供電方便靈活。 復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位電路設(shè)計分為兩部份，硬件復(fù)位和軟件復(fù)位，這樣設(shè)計方便靈活便于操作。 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計包括算法設(shè)計和程序設(shè)計。 算法設(shè)計與實現(xiàn) 將一個普通的中序表達(dá)式轉(zhuǎn)換為逆波蘭表達(dá)式的一般算法是： （ 1）首先構(gòu)造一個運算符棧，此運算符在棧內(nèi)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(shù)表達(dá)式，為方便起見 ,設(shè)該簡單算術(shù)表達(dá)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(shù)表達(dá)式，從第一個字符開始判斷，如果該字符是數(shù)字，則分析到該數(shù)字串的結(jié)束并將該數(shù)字串直接輸出。 （ 4）如果不是數(shù)字，該字符則是運算符，此時需比較優(yōu)先關(guān)系。 XX大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文 （設(shè)計） 10 做法如下：將該字符與運算符棧頂?shù)倪\算符的優(yōu)先關(guān)系相比較。如果，該字符優(yōu)先 關(guān)系高于此運算符棧頂?shù)倪\算符，則將該運算符入棧。倘若不是的話，則將棧頂?shù)倪\算符從棧中彈出，直到棧頂運算符的優(yōu)先級低于當(dāng)前運算符，將該字符入棧。 （ 5）重復(fù)上述操作 12 直至掃描完整個簡單算術(shù)表達(dá)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(shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)化為逆波蘭表示的簡單算術(shù)表達(dá)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(dá) 式 ‘ ’