第一章 前言
1.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景
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的常見(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，使其更好的為各個(gè)行業(yè)服務(wù)，成了如今電子領(lǐng)域重要的研究課題。
1.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義
今天，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……。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。
1.3 設(shè)計(jì)目的
本設(shè)計(jì)旨在進(jìn)一步掌握單片機(jī)理論知識(shí)，理解嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。通過(guò)本設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使我掌握單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和微機(jī)接口應(yīng)用的基本方法，并能綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)軟、硬件知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)題，提高解決畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題的能力，為單片機(jī)應(yīng)用和開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。
1、對(duì)字符液晶顯示模塊的工作原理，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（液晶顯示模塊）實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的顯示；掌握液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)和編程，設(shè)計(jì)LCD和單片機(jī)的接口電路，以及利用單片機(jī)對(duì)液晶模塊的驅(qū)動(dòng)和操作；
2、在充分分析內(nèi)部邏輯的概念，進(jìn)行軟件和調(diào)試，學(xué)會(huì)使用，并能夠以其為平臺(tái)設(shè)計(jì)出具有四則運(yùn)算能力簡(jiǎn)易計(jì)算器的硬件電路和軟件程序。
第二章 方案論證
2.1 方案構(gòu)思
本設(shè)計(jì)可以采用兩種方案，一種是以FPGA為核心處理芯片，配備相應(yīng)的外設(shè)；另外一種是以STC89C51處理器，配備相應(yīng)的外設(shè)。
1、方案一：采用FPGA控制
FPGA是一種高密度的可編程邏輯器件,自從Xilinx公司1985年推出第一片F(xiàn)PGA以來(lái),FPGA的集成密度和性能提高很快,其集成密度最高達(dá)500萬(wàn)門/片以上,系統(tǒng)性能可達(dá)200MHz。由于FPGA器件集成度高,方便易用,開(kāi)發(fā)和上市周期短,在數(shù)字設(shè)計(jì)和電子生產(chǎn)中得到迅速普及和應(yīng)用,并一度在高密度的可編程邏輯器件領(lǐng)域中獨(dú)占鰲頭。
但是而基于 SRAM編程的FPGA,其編程信息需存放在外部存儲(chǔ)器上 ,需外部存儲(chǔ)器芯片 ,且使用方法復(fù)雜 ,保密性差，而其對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算器而言，實(shí)用FPGA有點(diǎn)大材小用，成本太高。
2、方案二：采用STC89C51
單片機(jī)是單片微型機(jī)的簡(jiǎn)稱，故又稱為微控制器MCU（Micro Control Unit）。通常由單塊集成電路芯片組成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器CPU，存儲(chǔ)器和I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)廣泛用于智能產(chǎn)品，智能儀表，測(cè)控技術(shù)，智能接口等，具有操作簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，而其中STC89C51以MCS-51為內(nèi)核，是單片機(jī)中最典型的代表，應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
2.2 方案比較與選擇
通過(guò)以上兩種方案論證和比較，從設(shè)計(jì)的實(shí)用性，方便性和成本出發(fā)，選擇了以STC89C51單片機(jī)作為中央處理單元進(jìn)行計(jì)算器的設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)四位加減乘除和除法四位小點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算。
第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及說(shuō)明
3.1系統(tǒng)組成及總體框圖
圖3.1 系統(tǒng)組成及總體框圖
3.2元件簡(jiǎn)介
3.2.1 STC89C51特點(diǎn)
圖3.2.1-1 單片機(jī)STC89C51
1、主要性能：
(1) • 8051 CPU與MCS-51 兼容
• 8K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫/擦循環(huán))
• 全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz
• 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器
• 128*8位內(nèi)部RAM
• 32條可編程I/O線
• 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
• 八個(gè)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(shí)器
• 雙數(shù)據(jù)指針
• 掉電標(biāo)識(shí)符
• 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路
(2) 管腳說(shuō)明：
VCC：供電電壓。
GND：接地。
2、STC89C51的功能特性描述
STC89C51 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)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) 可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。
STC89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。
此外， STC89C51 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(shí)器/計(jì)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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
3、STC89C51引腳功能
STC89C51 單片機(jī)為40 引腳芯片見(jiàn)圖3.2.1-2。
圖3.2.1-2 STC89C51引腳圖
（1）口線：P0、P1、P2、P3 共四個(gè)八位口。
P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。
對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。
當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。
在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。
P1口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。
此外，P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。
在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。
引腳號(hào)第二功能：
P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出
P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）
P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）
P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）
P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）
P2口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。
在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。
在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。
在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。
P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。
P3口亦作為STC89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3.2.1所示。
表3.2.1 P3口管腳 備選功能：
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| /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） |
| /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） |
在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。
此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。
（2）其他引腳說(shuō)明：
RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2 個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位�？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。
ALE/PROG——當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。
對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。
如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。
PSEN——程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)STC89C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。
EA/VPP——外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。
如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。
FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。
圖3.2.1-3晶振外接結(jié)構(gòu)引腳圖
XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇，在本設(shè)計(jì)電路中選用了12MHz。電容取20PF左右。機(jī)器周期＝12×?xí)r間周期，如12MHz的機(jī)器周期為1微秒。
（3）控制或復(fù)位引腳
RESET 此腳為高電平時(shí)（約2個(gè)機(jī)器周期）可將單片機(jī)復(fù)位。
RST/VPD——當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后，P0～P3輸出高電平；SP寄存器為07H；其它寄存器全部清0；不影響RAM狀態(tài)。如圖3.2.1-4所示。
圖3.2.1-4 按鍵電平復(fù)位
AT89SXX系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了ISP下載功能，故而取代了89CXX系列的下載方式，也是因?yàn)檫@樣，ATMEL公司已經(jīng)停止生產(chǎn)89CXX系列的單片機(jī)，現(xiàn)在市面上的AT89CXX多是停產(chǎn)前的庫(kù)存產(chǎn)品。
4、STC89C51的編程方法
編程前，須按編程模式表設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號(hào)；順序如下：
① 在地址線上加上要編程單元的地址信號(hào)。
② 在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。
③ 激活相應(yīng)的控制信號(hào)。
④ 將EA/Vpp端加上+12V編程電壓。
⑤ 每對(duì)Flash存儲(chǔ)陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序機(jī)密位，加上一個(gè)ALE/PROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，大多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)①—⑤步驟，直到全部文件編程結(jié)束。
單片機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向：
單片機(jī)是為了工業(yè)控制需要滿足而誕生的，是自動(dòng)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(jià)格低、使用方便、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，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。
由于單片機(jī)主要面向工業(yè)控制，工作環(huán)境比較惡劣，入高溫，強(qiáng)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(qiáng)，數(shù)值計(jì)算交叉；
(3) 指令系統(tǒng)比通用微處理器慢的多；
(4) X系列芯片取代；
(5) 抗干擾性強(qiáng)，工作溫度范圍寬。
3.2.2 LCD1602液晶顯示屏
1、應(yīng)用簡(jiǎn)介
模塊內(nèi)部自帶字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）,字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是（41H），顯示時(shí)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(shí)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，接口電路如圖3.2.3所示：關(guān)于LCD1602的詳細(xì)資料見(jiàn)表3.2.3-1和表3.2.3-2。
圖3.2.3 LCD接口電路
表3.2.3-1 LCD1602引腳說(shuō)明
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| V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。 實(shí)際電路中采用2K電阻到地，比較理想。 |
| 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。 |
| RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí) （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(shí)（01）可以讀入忙信號(hào)； 當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)（10）可以寫入數(shù)據(jù)。 |
| E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。 |
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表3.2.3-2 LCD1602指令表
| 清顯示 指令碼01H, 光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置； |
| 光標(biāo)復(fù)位 指令碼02H, 光標(biāo)返回到地址00H位置 ； |
| 光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D位 → 光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移； S 位 → 屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平有效，低電平無(wú)效； |
| 顯示開(kāi)關(guān)控制 D 位 → 控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示； C 位 → 控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo)； B 位 → 控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍 ； |
| 光標(biāo)或顯示移位 S/C位 → 高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo) |
| 功能命令設(shè)置 DL位---高電平時(shí)為4位數(shù)據(jù)總線，低電平時(shí)為8位總線； N—位低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)為雙行顯示； F—位低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符,高電平時(shí)為5x10的點(diǎn)陣字符； |
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| 讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF位 → 為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù) |
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2 、LCD的特點(diǎn)：
（1）低壓微功耗；
（2）平板型結(jié)構(gòu)；
（3）被動(dòng)顯示型(無(wú)眩光，不刺激人眼，不會(huì)引起眼睛疲勞)；
（4）顯示信息量大(因?yàn)橄袼乜梢宰龅煤苄?；
（5）易于彩色化(在色譜上可以非常準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn))；
（6）無(wú)電磁輻射(對(duì)人體安全，利于信息保密)；
（7）長(zhǎng)壽命(這種器件幾乎沒(méi)有什么劣化問(wèn)題，因此壽命極長(zhǎng)，但是液晶背光壽命有限，不過(guò)背光部分可以更換)。
第四章 設(shè)計(jì)原理分析
4.1 設(shè)計(jì)方案的確定
本設(shè)計(jì)需要使用LCD液晶顯示屏和編碼鍵盤。故選擇靜態(tài)顯示和用編碼鍵盤。使用LCD液晶顯示屏顯示運(yùn)算結(jié)果。
主程序進(jìn)行初始化，其他的程序選擇模塊式的方式。首先對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試, 當(dāng)模塊調(diào)試成功后，逐一的加入主程序中，最后完成整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)。
4.2計(jì)算器硬件方案及硬件資源分配
4.2.1 硬件資源分配
主要用到的硬件：STC89C51 LCD液晶顯示屏 編碼鍵盤
硬件分配：
1、P1、P3口：做為輸出口，控制LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)的結(jié)果。
2、P2口：做為輸入口，與鍵盤連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入。
3、LCD液晶顯示屏顯示輸出。
4.2.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
為了更好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)得功能，硬件電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下原則：
1、優(yōu)化硬件電路
采用軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法；盡管采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的功能時(shí)，也許響應(yīng)時(shí)間會(huì)比單純使用硬件時(shí)長(zhǎng)，而且還要占用微處理器(MCU)的時(shí)間；但是，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能可以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)，提高電路的可靠性。所以，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)得時(shí)候，在滿足可靠性和實(shí)時(shí)性的前提下，盡可能的通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件功能。
2、可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)
根據(jù)可靠性設(shè)計(jì)理論，系統(tǒng)所用芯片數(shù)量越少，系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間越長(zhǎng)。而且，所用芯片數(shù)量越少，地址和數(shù)據(jù)總線在電路板上受干擾的可能性也就越小。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在滿足功能的情況下力爭(zhēng)使用較少數(shù)量的芯片。
3、靈活的功能擴(kuò)展
功能擴(kuò)展是否靈活是衡量一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。一次設(shè)計(jì)往往不能完全考慮到系統(tǒng)的各個(gè)方面，系統(tǒng)需要不斷完善以及進(jìn)行功能升級(jí)。進(jìn)行功能擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)該在原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改軟件程序和少量硬件完成。對(duì)于本系統(tǒng)而言，就是要求在系統(tǒng)硬件不變的情況下，能夠通過(guò)修改軟件程序，完成功能的升級(jí)和擴(kuò)展。
根據(jù)第提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合以上三條原則，確定了系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。計(jì)算器主要由以下一些功能模塊構(gòu)成：非編碼鍵盤模塊、LCD液晶顯示屏模塊等。
該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。STC89C51 單片機(jī)與LCD液晶顯示屏顯示電路是整個(gè)電路的核心，它們實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。
簡(jiǎn)易計(jì)算器主要包括：鍵盤電路，顯示電路。
下圖為總體硬件結(jié)構(gòu)。（如圖4.2.2 所示為整個(gè)系統(tǒng)的原理圖）
圖4.2.2 計(jì)算器原理圖
前面敘述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明，系統(tǒng)采用了比較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案，所以該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的總外圍電路不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的干擾。在下面的闡述中，對(duì)系統(tǒng)的外圍電路分別予以介紹。鍵盤部分采用編碼鍵盤，顯示部分采用LCD液晶顯示屏完全能夠很好的實(shí)現(xiàn)顯示方面的要求。
4.2.3 鍵盤電路的設(shè)計(jì)
鍵盤可分為兩類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是較多按鍵（20個(gè)以上）和專用驅(qū)動(dòng)芯片的組合，當(dāng)按下某個(gè)按鍵時(shí)，它能夠處理按鍵抖動(dòng)、連擊等問(wèn)題，直接輸出按鍵的編碼，無(wú)需系統(tǒng)軟件干預(yù)。通用計(jì)算機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤就是編碼鍵盤。在智能儀器中，使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以組成編碼鍵盤，同時(shí)還可以兼顧數(shù)碼管的顯示驅(qū)動(dòng)，其相關(guān)的接口電路和接口軟件均可在芯片資料中得到。當(dāng)系統(tǒng)功能比較復(fù)雜，按鍵數(shù)量很多時(shí)，采用編碼鍵盤可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。非編碼鍵盤成本低廉。
從成本角度出發(fā)，本設(shè)計(jì)選用的是非編碼鍵盤。如圖4.2.3
圖4.2.3 編碼鍵盤電路
4.2.4 顯示電路的設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)需要顯示少量數(shù)據(jù)時(shí)，采用LCD液晶顯示屏進(jìn)行顯示是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。P0口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)端口，P2.5-P2.7口作為其控制端口，控制LCD液晶顯示屏顯示輸出數(shù)據(jù)。
最終電路如圖4.2.4所示：
圖4.2.4 LCD液晶顯示屏顯示
第五章 計(jì)算器的軟件設(shè)計(jì)
5.1計(jì)算器的軟件規(guī)劃
簡(jiǎn)易計(jì)算器的程序主要包括以下功能模塊：
1、定時(shí)查鍵模塊，分為讀鍵程序、判鍵程序段、運(yùn)算操作子程序等部分；
2、基于LCD液晶顯示屏的顯示模塊；
3、主模塊，為系統(tǒng)的初始化。
5.2 鍵盤掃描的程序設(shè)計(jì)
鍵盤掃描子程序，首先讀出P1的低四位，然后讀出P1口的高四位。然后鍵值并顯示緩存。然后將鍵如的值轉(zhuǎn)換為ASCII碼然后就可以軟件來(lái)設(shè)置硬件按鍵各個(gè)鍵代表的內(nèi)容。
讀鍵程序使用的是反轉(zhuǎn)法讀鍵，不管鍵盤矩陣的規(guī)模大小，均進(jìn)行兩次讀鍵。第一次所有行線均輸出低電平，從所有讀入鍵盤信息（列信息）；第二次所有列線均輸出低電平，從所有行線讀入鍵盤信息（行信息）。
數(shù)字鍵按下則將相應(yīng)的數(shù)字送入緩存區(qū)，功能鍵按下則執(zhí)行相應(yīng)的程序。
5.3 顯示模塊的程序設(shè)計(jì)
顯示模塊程序首先要對(duì)顯示模塊進(jìn)行初始化；然后控制光標(biāo)的位置；定義液晶顯示的控制端口，用SBIT指令完成；然后設(shè)置清屏、關(guān)閉顯示、歸位、開(kāi)顯示、顯示位置的首地址等等。
顯示模塊的流程圖如圖5.3所示：
5.4 主程序的設(shè)計(jì)
主程序主要是用來(lái)對(duì)LCD液晶顯示屏進(jìn)行初始化的。對(duì)輸入按鍵判斷，然后進(jìn)行加減乘除，最后計(jì)算出結(jié)果，顯示出計(jì)算結(jié)果。
5.5 軟件的可靠性設(shè)計(jì)
提高本儀器其可靠性措施主要有：
1、為防止程序跑飛，軟件中設(shè)置了軟件陷阱。
結(jié)束語(yǔ)
在硬件的制作過(guò)程中我走了好多的彎路，主要是在系統(tǒng)還沒(méi)有設(shè)計(jì)很有把握就開(kāi)始動(dòng)手制作了。后來(lái)發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)的要求還有偏差，反復(fù)的改過(guò)了幾次，浪費(fèi)了大量的時(shí)間和體力。感受到設(shè)計(jì)人員要有耐心，要認(rèn)真的從要求開(kāi)始研究。軟件的編寫過(guò)程中費(fèi)了很大的力氣，因?yàn)檐浖木帉懸蠛芨�，要很�?xì)心，一不小心就會(huì)調(diào)用錯(cuò)誤，很深刻的體會(huì)到作為軟件編程人員是絕不能粗心大意的。一個(gè)程序的完成的速度和質(zhì)量高低與細(xì)心與否有著很大聯(lián)系。編程時(shí)，我充分使用了結(jié)構(gòu)化的思想。這樣因?yàn)檎Z(yǔ)句較少，程序調(diào)試比較方便，功能模塊可以逐一的調(diào)試，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化編程的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)每個(gè)模塊都完成時(shí)，將其功能加到一起就完成了整體的設(shè)計(jì)。
