《自动控制系统》课程设计基于单片机的简单计算器设计与仿真

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1、自动控制系统课程设计任务书专业： 自动化 班级： 姓名： 设计题目：基于单片机的简易计算器设计与仿真 一、设计实验条件：地 点：自动化系实验室实验设备：PC机（ 装有Keil；Protues；Word ；Visio ）二、设计任务：本系统选用AT89C51单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计，具体设计如下：（1）由于设计的计算器要进行四则运算，为了得到较好的显示效果，经综合分析后，最后采用LCD 显示数据和结果。（2）采用键盘输入方式，键盘包括数字键（09）、符号键（+、-、）、清除键(onc)和等号键（=），故只需要16 个按键即可，设计中采用集成的计算键盘。（3）

2、在执行过程中，开机显示零，等待键入数值，当键入数字，通过LCD显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果。（4）错误提示：当计算器执行过程中有错误时，会在LCD上显示相应的提示,如：当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时，计算器会在LCD上提示overflow；当除数为0时，计算器会在LCD上提示error。设计要求：分别对键盘输入检测模块；LCD显示模块；算术运算模块；错误处理及提示模块进行设计，并用Visio画系统方框图，keil与protues仿真分析其设计结果。三

3、、设计时间与设计时间安排：1、设计时间：6月27日7月8日2、设计时间安排： 熟悉课题、收集资料： 3天（6月27日 6月29日) 具体设计（含上机实验）： 6天（6月30日 7月5日)编写课程设计说明书： 2天（7月6日 7月7日)答辩： 1天（7月8日）四、设计说明书的内容：1、前言：(自己写，组员之间不能相同，写完后将红字删除，排版时注意对齐）本设计是基于51系列单片机来进行的数字计算器系统设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加、减、乘、除基本四则运算，并在LCD上显示相应的结果；设计电路采用AT89C51单片机为主要控制电路，利用MM74C922作为计算器4*4键盘的扫描IC读取键盘上

4、的输入；显示采用字符LCD静态显示；软件方面使用C语言编程，并用PROTUES仿真。2、设计题目与设计任务：现实生活中人们熟知的计算器，其功能主要如下：（1）键盘输入；（2）数值显示；（3）加、减、乘、除四则运算；(4)对错误的控制及提示。针对上述功能，计算器软件程序要完成以下模块的设计：(1)键盘输入检测模块；（2）LCD显示模块；（3）算术运算模块；（4）错误处理及提示模块。3、主体设计部分：（1）、系统模块图：（2）、算术运算程序流程图：（3）、系统总流程图：（4）、硬件设计：（一）、总体硬件设计：本设计选用AT89C51单片机为主控单元； 显示部分：采用LCD静态显示；按键部分：采用4

5、*4键盘；用MM74C922为4*4键盘扫描IC，读取输入的键值。总体设计效果如下图：（二）、单片机接口电路说明：1、手动上电复位电路：当VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S，C放电。S松手，C又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。 2、内部时钟模式电路：当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或者陶瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，在使用时对于电容的选择有一定的要求：当外接晶体振荡器的时

6、候，电容值一般选择C1=C2=30+10pF或30-10pF；当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40+10pF或40-10pF；3、AT89C51单片机引脚介绍：VCC： 供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流

7、。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

8、P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部

9、数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。

10、如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。4、单片机与复位、时

11、钟电路连接电路图：（三）、键盘接口电路：计算器输入数字和其他功能按键要用到很多按键，如果采用独立按键的方式，在这种情况下，编程会很简单，但是会占用大量的I/O 口资源，因此在很多情况下都不采用这种方式，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条I/O 线作为行线，四条I/O 线作为列线组成键盘，在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为44个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O 口的利用率。矩阵键盘的工作原理：计算器的键盘布局如图1所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用。图 1 矩阵键盘布局图矩

12、阵键盘内部电路图如图2所示：为了进一步节省单片机I/O口资源，我们在设计中使用了MM74C922芯片。MM74C922是一款4*4键盘扫描IC，它可检测到与之相连的4*4键盘的按键输入，并通过数据输出口将按键相应的编码输出。其引脚图如图3所示：图3 MM94C22硬件图MM74C922引脚说明：(1) Y1Y4（脚1脚4）：4*4键盘第一列至第四。(2) X1X4（脚11、10、8、7）：4*4键盘第一行至第四行。(3) DOA DOD（Dataout AD，脚1417）：按键之BCD码输出，其中DOA为LSB，DOD为MSB。(4) VCC（脚18）：电源脚，+3V+15V。ab126计算公

13、式大全(5) GND（脚9）：接地管脚。新艺图库(6) OSC（Oscillator，脚5）：键盘扫描电路之频率所需外加电容的连引脚。(7) KBM（Keyboard Mask，脚6）：内部消除开关弹跳电路所外加电容的引脚。(8) OE（Output Enable，脚13）：芯片使能脚，接低电位可使芯片使能。(9) DA（Data Available，脚12）：数据有效输出脚。任一按键按下时，此脚位会输出高电位，按键释放后此脚又会恢复为低电位。MM74C922对各按键的响应如下表所示：如下图4所示，在本设计中，计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到MM74C922的X1-X4、Y1-Y4引脚

14、，MM74C922的数据输出口与单片机的P2口相连，MM74C922的DA引脚经过一个非门连接到单片机的/INT0脚，当MM74C922检测到键盘输入时，DA产生高电平，与之相连的/INT0检测到低电平，给单片机一个中断，单片机从P2口的低四位读入键盘上按下的键的值。图4 键盘接口电路图 （四）、LCD显示模块：本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应数据。图5 LCD 模块（五）运算模块（单片机控制）：MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基

15、本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件，可以很快地实现运算功能。3.5、软件编程：1、主函数设计：/*函数声明*/#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsig

16、ned intchar translate(int keycode);void arithmetic();void init_LCM();void write_data(char ddata);void write_com(char command);void check_BF();void clearLCD();void display(long a);void dealerror(); void dataoverflow();/*定义变量和数组*/long x=0,y=0,num=0;int operators,input,iny=0;char key;char error5=error;

17、char overflow8=overflow;sbit EN=P34;sbit R_W=P35;sbit RS=P36;/*主函数*/main()EA=1;EX0=1;IT0=1;P2=0xff;display(0);init_LCM();write_data(0x30);while(1)2、分块程序设计：（1）、键盘输入检测程序设计：有键按下时，单片机响应外部中断0，转入外部中断0中断处理函数，在中断处理函数中完成对按键的判断，以进行下一步的程序处理。/*键值转化为键盘上按键值函数*/char translate(int keycode)switch(keycode)case 0:retu

18、rn 7;break;case 1:return 4;break;case 2:return 1;break;case 3:return c;break;case 4:return 8;break;case 5:return 5;break;case 6:return 2;break;case 7:return 0;break;case 8:return 9;break;case 9:return 6;break;case 10:return 3;break;case 11:return =;break;case 12:return /;break;case 13:return *;break

19、;case 14:return -;break;case 15:return +;break; /*外部中断0处理函数*/void INT_0(void) interrupt 0 using 0key=translate(P2&0x0f);if(key=0) /判断按下的键是否为数值num=num*10+(key-0);if (operators0)y=num;iny=1;elsex=num;if(num-134217728) /当前数值是否超出限定范围display(num);elsedataoverflow();elseswitch(key)case c:x=0;y=0;num=0;iny

20、=0;operators=0;display(num);break;case =:arithmetic();iny=0;operators=0;num=0;break;case +: if (operators)arithmetic();operators=1;num=0;break;case -: if (operators)arithmetic();operators=2;num=0;break;case *: if (operators)arithmetic();operators=3;num=0;break;case /:if (operators)arithmetic();opera

21、tors=4;num=0;break;（2）、算术运算程序设计：/*算术运算函数*/void arithmetic()if (iny)switch(operators)case 1:x=x+y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 2:x=x-y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;case 3:x=x*y;num=x;if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();

22、break;case 4:if (y=0)dealerror();elsex=x/y;num=x; if(num-134217728)display(num);elsedataoverflow();break;y=0;（3）、LCD显示程序设计：利用LCD静态显示，通过程序向LCD写指令字或数据使LCD完成不同功能或显示相应数据。/*LCD初始化函数*/void init_LCM()write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x30);write_com(0x38);write_com(0x08);write_com(0x01);write_com(0

23、x06);write_com(0x0e);/*LCD写数据函数*/void write_data(char ddata)RS=1;/*写指令*/R_W=0;EN=1;/*使能信号开*/P1=ddata;/*将数据送入p1口*/EN=0;/*使能信号关*/check_BF();/*LCD写指令函数*/void write_com(char command)RS=0;/*写指令*/R_W=0;EN=1;/*使能信号开*/P1=command;/*将数据送入p1口*/EN=0;/*使能信号关*/check_BF();/*LCD检查忙碌函数*/void check_BF()char i,x=0x80;

24、P1=0xff;while(x&0x80)RS=0;R_W=1;EN=1;x=P1;EN=0;for (i=0;i10;i+);EN=0;/*关闭使能信号*/*LCD清屏函数*/void clearLCD()write_com(0x01);/*LCD显示函数*/void display(long a)long temp,b,c=-1;int lenth=1,i,j;clearLCD();if(a0;i-)b=1;for(j=0;ji-1;j+)b=b*10;write_data(0x30+a/b);a=a%b;（4）、错误处理及提示程序设计：/*除数为处理函数*/void dealerror(

25、)int i=0;clearLCD();for(i=0;i5;i+)write_data(errori);/*数值溢出处理函数*/void dataoverflow()int i=0;clearLCD();for(i=0;i8;i+)write_data(overflowi);3.6、联机调试：在联机调试的过程中，一开始没有做数值溢出方面的控制，导致LCD显示的输入数据或计算结果与实际不相符。后来经过计算得到有符号长整型的表示范围为-134217728134217727，遂取2的27次方134217728为本计算器的最大表示范围，以此来控制数值溢出，修改后，LCD显示正确。4、结束语：(自己写，组员之间不能相同，写完后将红字删除，排版时注意对齐）由于本次课程设计使用软件仿真，在没有硬件设备的情况下，我们走了很多的弯路，我们组充分按照日常安排（如前所述），分工明确，每个人都参与设计，*再次感谢我亲爱的组员，我们坚信我们是一个优秀的团队，也由衷感谢我们的答辩老师。5、参考文献：(自己写，组员之间不能相同，写完后将红字删除，排版时注意对齐）【1】*编著 *出版社【2】【3】【4】【5】