51單片機(jī)多位十進(jìn)制數(shù)計(jì)算器電路與程序設(shè)計(jì)

    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地提高，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展猶如雨后春筍般的變化。電子產(chǎn)品的更新速度快就不足驚奇了。計(jì)算器在人們的日常中是比較常見(jiàn)的電子產(chǎn)品之一，如何使計(jì)算器技術(shù)更加的成熟。充分利用已有的軟件和硬件條件，設(shè)計(jì)出更出色的計(jì)算器，使其更好地為各個(gè)行業(yè)服務(wù)，成了如今電子領(lǐng)域重要的研究課題。

現(xiàn)如今，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)角落都有它的身膨，比如商店、辦公室、學(xué)校。因此設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用的計(jì)算器會(huì)有很大的實(shí)際意義。

•      為了培養(yǎng)學(xué)生在查閱資料、復(fù)習(xí)、學(xué)習(xí)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行包括光、機(jī)、電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真、編程、調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)的綜合能力培養(yǎng)；
•      是對(duì)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)前的一次大型練兵，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立地分析、解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)際能力。
•      培養(yǎng)學(xué)生用專業(yè)的、簡(jiǎn)潔的文字,清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。
  

1.3 設(shè)計(jì)要求

1. 系統(tǒng)通過(guò)4×4的矩陣鍵盤輸入數(shù)字及運(yùn)算符。

2. 可以進(jìn)行多位十進(jìn)制數(shù)以內(nèi)的運(yùn)算（包括加，減，乘，除，冪次方，對(duì)數(shù)等功能），如果計(jì)算結(jié)果超過(guò)顯示范圍，則屏幕顯示E。

3. 可顯示輸入時(shí)的數(shù)字及結(jié)果；

4. 設(shè)計(jì)控制電路總體方案；

5. 電路的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試。

2.1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)是一個(gè)可以進(jìn)行多位十進(jìn)制數(shù)以內(nèi)的運(yùn)算（包括加，減，乘，除，冪次方，對(duì)數(shù)等功能）的計(jì)算器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。它的硬件電路主要由五部分組成，一個(gè)AT89C51單片機(jī)芯片、一個(gè)八位共陽(yáng)極的數(shù)碼管、一個(gè)四乘四的矩陣鍵盤、手動(dòng)清零電路和起振電路。軟件程序主要由四部分組成：主程序、矩陣鍵盤掃描程序、算術(shù)運(yùn)算程序和顯示程序。

在硬件的選擇和連接上，單片機(jī)選擇AT89C51,數(shù)碼管選擇共陽(yáng)機(jī)八位數(shù)碼管，鍵盤4*4矩陣鍵盤。數(shù)碼管的A,B,C,D,E,F,G,DP分別依次與單片機(jī)的P0.0—P0.7管腳相連，P0口做為單片機(jī)的字碼控制端，數(shù)碼管的1，2，3，4，5，6，7，8各引腳分別與單片機(jī)的P2.0—P2.7管腳相連，鍵盤的第0行到第3行依次與單片機(jī)的P1.1—P1.3,鍵盤的第0列到第3列依次與單片機(jī)的P1.4—P1.7，AT89C51接12MHZ晶振。

圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)基本功能

1.計(jì)算器可顯示8位數(shù)字，開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，只有數(shù)碼管最低位顯示為“0”，其余位全部不顯示。

2.第一次按下時(shí)，顯示“D1”；第二次按下時(shí)，顯示“D1D2”；第三次按下時(shí)，顯示“D1D2D3”，8個(gè)全顯示完畢，再按下按鍵下時(shí)，顯示E。

3.可以設(shè)置計(jì)算范圍，對(duì)計(jì)算結(jié)果在該范圍內(nèi)的兩個(gè)無(wú)符號(hào)數(shù)進(jìn)行＋、-、*、/、^、對(duì)數(shù)運(yùn)算，并顯示計(jì)算結(jié)果。輸入數(shù)字或結(jié)果超出設(shè)定范圍時(shí)，屏幕顯示E；做減法運(yùn)算時(shí)，當(dāng)被減數(shù)<減數(shù)時(shí)，屏幕顯示E；做除法運(yùn)算時(shí)，除數(shù)為0時(shí)，屏幕顯示E,以提示使用者輸入錯(cuò)誤，應(yīng)清零后重新輸入。

4.在進(jìn)行加、乘、除運(yùn)算時(shí)，可直接按符號(hào)鍵進(jìn)行運(yùn)算，若需要進(jìn)行減、冪方、對(duì)數(shù)運(yùn)算時(shí)，按運(yùn)算符之前要先按“shift”鍵進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行運(yùn)算。

5.運(yùn)算時(shí)，按清零鍵清零，終止本次運(yùn)行，必須重新輸入數(shù)據(jù)，運(yùn)算過(guò)程中，如果運(yùn)算的表達(dá)式是加、減、乘、除、冪方、對(duì)數(shù)混合運(yùn)算，可以連續(xù)運(yùn)算，無(wú)需按等號(hào)鍵，混合運(yùn)算過(guò)程運(yùn)算符不設(shè)優(yōu)先級(jí)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介

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)，如圖3.1。

單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。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MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C051是它的一種精簡(jiǎn)版本。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。

AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。

圖 3.1 AT89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2顯示模塊

7seg-mpx8-ca是共陽(yáng)極數(shù)碼管顯示器，如圖3.2。它左下側(cè)的ABCDEFG DP是LED數(shù)碼管顯示器的I/O口，是段選信號(hào)，右下側(cè)的12345678是它的位選信號(hào)，從左到右分別是第一位到第八位，段選信號(hào)與位選信號(hào)分別接到單片機(jī)的不同輸出口。本次設(shè)計(jì)中段選信號(hào)接到了P0口，位選信號(hào)接到了P2口。

共陽(yáng)極的字形顯示代碼為：

Uchar code DSY_CODE[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,

0x80,0x90，0x86 }.

位選信號(hào)代碼為：

uchar Digits[]={0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};

當(dāng)選中第一位時(shí)，段選信號(hào)就執(zhí)行從0到9的顯示。

圖3.2 七段數(shù)碼管顯數(shù)器

3.3鍵盤接口電路

采用4*4矩陣鍵盤。如圖3.3。采用軟件識(shí)別鍵值并執(zhí)行相應(yīng)的操作，鍵盤的第0行到第3行依次與單片機(jī)的P1.0—P1.3管腳相連,鍵盤的第0列到第3列依次與單片機(jī)的P1.4—P1.7管腳相連,計(jì)算機(jī)輸入數(shù)字和其他功能按鍵時(shí)要用到很多按鍵，如果采用獨(dú)立按鍵的方式，編程會(huì)很簡(jiǎn)單，但是會(huì)占用大量的I/O口資源，因此在很多情況下都不采用這樣的方式，而是采用矩陣鍵盤的方式。矩陣鍵盤采用四條I/O線作為行線，四條I/O線作為列線組成鍵盤，在行線和列線的每個(gè)交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵。這樣鍵盤上按鍵的數(shù)量就為4*4個(gè)。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。一般有16個(gè)鍵組成，在單片機(jī)中正好有一個(gè)P端口實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵功能，這種形式在單片機(jī)系統(tǒng)中最常用。

按鍵識(shí)別是通過(guò)逐行掃描進(jìn)行判斷。某一行中如果有低電平產(chǎn)生，則辨別該低電平產(chǎn)生于哪一列，從而得到按鍵的行列地址，給按鍵賦值。

按鍵識(shí)別后，如果是數(shù)字鍵則直接放入數(shù)碼管顯示緩沖區(qū)，如果再次有數(shù)字鍵按下，則應(yīng)將緩存區(qū)的數(shù)字向高位移一位，將剛輸入的數(shù)放入最低位，并且記錄按鍵次數(shù)，每輸入一個(gè)鍵值都調(diào)用顯示程序顯示出來(lái)，如果是運(yùn)算符，則執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)算，然后再調(diào)用顯示程序顯示結(jié)果。

圖3.3 矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)圖

3.4 算術(shù)運(yùn)算模塊

算術(shù)運(yùn)算模塊，在任何時(shí)候按下清零鍵，都必須退出當(dāng)前操作，重新進(jìn)行運(yùn)算。每次運(yùn)算結(jié)束也要按下清零鍵后，再進(jìn)行重新操作。運(yùn)算模塊由鍵盤和顯示器組成。由于按鍵不足，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換鍵，可以對(duì)運(yùn)算符進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將“+”和“-”、“*”和“^”、“/”和“l(fā)og”利用“shift”進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)六個(gè)運(yùn)算符的運(yùn)算。

3.5 總設(shè)計(jì)圖

將以上模塊連接起來(lái)，總設(shè)計(jì)圖如圖3.4。

圖3.4 總設(shè)計(jì)圖

軟件程序主要由四部分組成：主程序、鍵盤掃描程序、算術(shù)運(yùn)算模塊程序和顯示程序，總程序設(shè)計(jì)圖如圖4.1。

4.1 顯示程序設(shè)計(jì)

采用動(dòng)態(tài)顯示，由八位共陽(yáng)極數(shù)碼管通過(guò)P0口，P2口與單片機(jī)相連，P0口做字碼控制端，P2口做數(shù)碼管的位控制端，動(dòng)態(tài)顯示是每次數(shù)碼管只顯示一位，由于人的視覺(jué)停留是0.05到0.2秒之間，當(dāng)數(shù)碼管依次點(diǎn)亮各個(gè)位時(shí)，使循環(huán)的頻率高于人的視覺(jué)停留時(shí)間，人們就會(huì)認(rèn)為數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的，就可以達(dá)到動(dòng)態(tài)顯示的效果。其中位控制是哪個(gè)數(shù)碼管亮，段控制是數(shù)碼管亮數(shù)字幾。本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是鍵盤識(shí)別和數(shù)值顯示，因?yàn)檫@里邊涉及到鍵盤輸入的數(shù)值在內(nèi)部要轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果要轉(zhuǎn)換成各個(gè)位的顯示數(shù)字輸出。

4.2 矩陣鍵盤掃描程序設(shè)計(jì)

矩陣鍵盤采用4行4列結(jié)構(gòu)，每行每列各對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O口。本設(shè)計(jì)鍵盤的第0行到第3行依次與單片機(jī)的P1.0—P1.3管腳相連,鍵盤的第0列到第3列依次與單片機(jī)的P1.4—P1.7管腳相連,程序運(yùn)行時(shí)依次掃描各行，查詢是否有鍵按下，如果有則進(jìn)入鍵盤識(shí)別處理程序，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)算，然后通過(guò)數(shù)碼管輸出結(jié)果，如果沒(méi)有按鍵就調(diào)用顯示程序顯示一個(gè)0，等待按鍵按下，在進(jìn)入按鍵掃描程序，這樣循環(huán)執(zhí)行。按鍵識(shí)別是根據(jù)按鍵時(shí)得到的列代碼與行代碼組合，來(lái)判斷是哪個(gè)鍵的。當(dāng)鍵盤按鍵按下時(shí)它的那一行、那一列的端口為低電平。因此，只要掃描行、列端口是否都為低電平就可以確定是哪個(gè)鍵被按下。

鍵掃程序的過(guò)程為：開(kāi)始時(shí)，先判斷是否有鍵閉合，無(wú)鍵閉合時(shí)，返回繼續(xù)判斷，有鍵閉合時(shí)，先去抖動(dòng)，然后確定是否有鍵按下，若無(wú)鍵按下，則返回繼續(xù)判斷是否有鍵閉合，若有鍵按下，則判斷鍵號(hào)，然后釋放，若釋放按鍵完畢，則返回，若沒(méi)有釋放按鍵，則返回繼續(xù)釋放。流程圖如圖4.2。

4.3 算術(shù)運(yùn)算模塊設(shè)計(jì)

程序的過(guò)程為：先判斷輸入的運(yùn)算符是+、-、*、/、^、log 中的哪一個(gè)，只要把各運(yùn)算符分別做成模塊，用到時(shí)調(diào)用即可。若是“+”、“*”、“l(fā)og”或“^”，則要判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出，溢出則顯示“E”，沒(méi)溢出就顯示運(yùn)算結(jié)果，若是“/”，則要先判斷除數(shù)是否為零，為零就顯示錯(cuò)誤信息，輸出“E”，不為零則顯示運(yùn)算結(jié)果，若是“-”，被減數(shù)小于減數(shù)，結(jié)果應(yīng)為負(fù)數(shù)，但因?yàn)槭菬o(wú)符號(hào)運(yùn)算，輸出‘E’，否則直接顯示運(yùn)算結(jié)果。其流程圖如圖4.3所示。

5.1乘法運(yùn)算超出范圍（溢出值999999）

計(jì)算5400*200=1080000，溢出，顯示“E”。

鍵入第一個(gè)操作數(shù)5400，顯示如圖5.1：

乘以第二個(gè)操作數(shù)200，如圖5.2：

顯示結(jié)果（超出范圍），如圖5.3：

5.2 冪方運(yùn)算

計(jì)算3^6=729，結(jié)果正確。

輸入3，如圖5.4：

輸入冪次6，如圖5.5：

顯示結(jié)果729，結(jié)果正確。如圖5.6：

5.3 除法運(yùn)算( 除數(shù)為0時(shí)，顯示錯(cuò)誤信息“E”)

除數(shù)為0，如圖5.7：

顯示結(jié)果“E”，如圖5.8：

5.4 減法運(yùn)算（被減數(shù)小于減數(shù)時(shí)）

鍵入被減數(shù)1000，如圖5.9：

鍵入減數(shù)3000，如圖5.10：

顯示結(jié)果“E”，如圖5.11：

5.5 連續(xù)運(yùn)算

800*20/400+60=100

鍵入800，如圖5.12：

鍵入乘數(shù)20，如圖5.13：

按下除號(hào)時(shí)顯示上一步運(yùn)算結(jié)果，并繼續(xù)進(jìn)行下一步運(yùn)算，如圖5.14：

繼續(xù)鍵入除數(shù)400，如圖5.15：

繼續(xù)加上60，如圖5.16：

顯示結(jié)果100，如圖5.17：

6 評(píng)述與心得

本次的設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)多位十進(jìn)制數(shù)計(jì)算器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我主要負(fù)責(zé)報(bào)告的整合和程序的調(diào)試�？傮w來(lái)說(shuō)，整個(gè)設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，通過(guò)分析題目、查閱資料、比較不同方案，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試與測(cè)試也基本實(shí)現(xiàn)了要求的內(nèi)容，但在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中還是遇到了不少問(wèn)題。整個(gè)設(shè)計(jì)包括主控芯片、顯示模塊、輸入模塊、運(yùn)算模塊。首先用protues連接電路時(shí)要注意各端口對(duì)應(yīng)，電路圖盡量做到簡(jiǎn)潔，整齊，確保連接正確。然后在輸入模塊我們采用4*4矩陣鍵盤，難點(diǎn)在于矩陣鍵盤掃描程序，要明確按鍵原理，并合理規(guī)范按鍵，按鍵分配上，我們提出用轉(zhuǎn)換鍵“shift”實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)算符的轉(zhuǎn)換，達(dá)到在按鍵有限的條件下，最大程度的實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算功能，結(jié)果較為滿意。除此之外，整個(gè)設(shè)計(jì)除過(guò)主程序還包括顯示程序、算數(shù)運(yùn)算程序等模塊，算數(shù)運(yùn)算模塊里面又涉及各個(gè)運(yùn)算符的相應(yīng)程序，整個(gè)程序的調(diào)試測(cè)試比較麻煩。在最初程序中，由于無(wú)符號(hào)整形字節(jié)的范圍限制，結(jié)果最大只能到65535，超過(guò)后將不能顯示正確答案。最后調(diào)整為長(zhǎng)整型后，范圍擴(kuò)大至2^32，可自由設(shè)定計(jì)算器的溢出值，使得結(jié)果在超過(guò)溢出值后顯示“E”。對(duì)于除法，除數(shù)為0時(shí)，使顯示結(jié)果為“E”給出錯(cuò)誤提示。對(duì)減數(shù)運(yùn)算結(jié)果為負(fù)時(shí)，使顯示結(jié)果為“E”給出錯(cuò)誤提示。并實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)算功能，可顯示中間結(jié)果。顯示模塊采用共陽(yáng)極數(shù)碼管，通過(guò)查詢數(shù)字和相關(guān)字母對(duì)應(yīng)的碼表，編寫程序，實(shí)現(xiàn)輸入模塊到主控芯片內(nèi)部，芯片到數(shù)碼管的一系列字符-數(shù)字、數(shù)字-字符的轉(zhuǎn)化。多次調(diào)試后有了較為理想的結(jié)果，基本實(shí)現(xiàn)了老師的要求，但仍有不足，比如只能進(jìn)行無(wú)符號(hào)整形的運(yùn)算；最多只能進(jìn)行八位十進(jìn)制數(shù)的混合運(yùn)算；當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)，如連續(xù)輸入減號(hào)，程序不能自動(dòng)復(fù)位，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)錯(cuò)誤；沒(méi)有刪除輸入功能，當(dāng)輸入出錯(cuò)時(shí)，只能通過(guò)清零后重新輸入。這些都局限了該計(jì)算器系統(tǒng)的使用，也認(rèn)識(shí)到了自己的能力還需要很大的提高。

同時(shí)，本次為期兩周的設(shè)計(jì)讓我對(duì)單片機(jī)軟件與硬件的常用設(shè)計(jì)有了更深入的了解，包括單片機(jī)需按照統(tǒng)一節(jié)拍工作，而晶振是給單片機(jī)提供工作信號(hào)脈沖的。這個(gè)脈沖就是單片機(jī)的工作速度。晶振頻率的大小決定了單片機(jī)速度的快慢。而一般晶振電路都有這兩個(gè)小電容的，它是振蕩回路交聯(lián)電容，如果沒(méi)這兩個(gè)電容的話，振蕩部分會(huì)因?yàn)闆](méi)有回路而停振，電路不能正常工作。對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接口相應(yīng)的功能也有了更深的理解記憶，對(duì)keil和proteus軟件的使用也有了進(jìn)本的掌握。

通過(guò)查閱資料，快速查找有效信息，提高了自己的文獻(xiàn)檢索能力。設(shè)計(jì)過(guò)程中的分析、組成電路、排查錯(cuò)誤、調(diào)試測(cè)試、提高改進(jìn)，也進(jìn)一步鍛煉了自己的思維，小組工作中，提高了自己的交流能力和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，綜合能力得到提升，并取得了較為不錯(cuò)的測(cè)試結(jié)果，比較滿意，感謝隊(duì)友，也感謝老師給我們提供這樣的機(jī)會(huì)，讓我們認(rèn)識(shí)自我，提升自我。以后我會(huì)繼續(xù)努力，多多學(xué)習(xí)跟專業(yè)有關(guān)的知識(shí)，把理論與實(shí)踐相結(jié)合，融會(huì)貫通，舉一反三。

仿真程序下載:

http://www.torrancerestoration.com/bbs/dpj-191483-1.html