毕业设计论文_基于单片机的科学计算器设计.doc

1、攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要I基于单片机的科学计算器设计摘要在现代科技迅猛发展的当今，计算器依然是人们日常生活中不可或缺的电子产品之一。计算器始终在不断发展及完善之中，功能必将更加强大。基于这样的理念，本设计采用 AT89C51 单片机作为主控芯片，使用 C 语言为系统进行编程，采用 4*4 矩阵键盘作为输入模块，输出模块采用 LCD1602 液晶显示，从而实现基于单片机的基本功能。本设计重点说明以下几个方面内容：1. 基于单片机的计算器所具备哪些基本功能，对矩阵键盘输入原理及液晶显示原理进行简单的阐述。2. 介绍系统的整体设计理念，展示系统设计的流程框图，并对功能模块的划分，及所选

2、用的元器件性能参数进行详细说明。3. 对系统的每个功能模块的软硬件设计，进行详细说明。关键词 单片机，AT89C52,LCD1602 液晶,矩阵键盘，C 语言攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTIn the rapid development of modern science and technology today, the calculator is still one of the electronic products is an integral part of peoples daily life. The calculator always am

3、ong the continuous development and improvement, the function will certainly be more powerful. Based on this concept, the design uses AT89C51 microcontroller as the master chip, using the C programming language for the system, with 4 * 4 matrix keyboard as an input module, output module LCD1602 LCD d

4、isplay, in order to achieve the basic functions of the MCU.This design highlights the following aspects:1.microcontroller-based calculator with basic functions, the principle of a simple exposition of principle and LCD matrix keyboard input.2.describes the systems overall design concept, showing the

5、 flow diagram of the system design, the and function module framing, and optional Component performance parameters described in detail.3.of each functional module of the system hardware and software design in detail.Key words microcontroller AT89C52,LCD1602 LCD,matrix keyboard,C language攀枝花学院本科毕业设计（

6、论文） 目 录III目 录摘要 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 本课题研究的主要内容 .22 设计任务及方案 .32.1 设计任务 .32.2 设计方案 .33 系统硬件设计 .43.1 单片机最小硬件系统 .43.1.1主控芯片 AT89C52单片机简介 .43.1.2复位电路 .93.1.3时钟电路 .103.2 键盘接口电路 .103.3 液晶显示电路 .114 系统软件设计 .154.1 键盘扫描部分程序设计 .154.2 运算部分程序设计 .154.3 显示部分程序设计 .164.4 主函数程序设计 .175 仿真和调试 .195.1

7、 KEIL 系统概述 .195.2 KEIL 使用步骤 .195.3PROTEUS 7.1 介绍 .205.4 PROTEUS 对于本设计的仿真步骤 .205.5 仿真结果 .216 结论 .22参考文献 .23附录 A： 源程序 .24附录 B：系统总图 .34致 谢 .35攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪 论11 绪论1.1课题的研究背景及意义计 算 器 一 般 由 运 算 器 ， 存 储 器 ， 控 制 器 ， 键 盘 ， 显 示 器 ， 电 源 和 一 些 外围 设 备 及 电 子 配 件 组 成 。 低 档 的 计 算 器 的 运 算 器 ， 控 制 器 由 数 字 逻 辑 电

8、 路 实现 简 单 的 串 行 运 算 。 其 随 机 存 储 器 只 有 一 到 二 个 单 元 ， 供 累 加 存 储 用 。 高 档计 算 器 由 只 读 存 储 器 和 微 处 理 器 一 同 实 现 各 种 复 杂 的 运 算 程 序 。 且 有 较 多 的随 机 存 储 单 元 用 来 存 放 输 入 程 序 和 数 据 。 键 盘 是 计 算 器 的 输 入 部 件 ， 采 用 接触 式 或 传 感 式 。 显 示 器 是 计 算 器 的 输 出 部 件 ， 有 发 光 二 极 管 显 示 器 或 液 晶 显示 器 等 。 除 显 示 计 算 结 果 外 ， 还 常 有 溢 出

9、指 示 、 错 误 指 示 等 显 示 。 计 算 器 电源 采 用 电 池 或 者 交 流 转 换 器 池 。 为 节 省 电 能 ， 计 算 器 都 采 用 CMOS 工 艺 制 作的 大 规 模 集 成 电 路 （ 见 互 补 金 属 -氧 化 物 -半 导 体 集 成 电 路 ） ， 并 在 内 部 装 有定 时 不 操 作 自 动 断 电 电 路 。 计 算 器 可 选 用 的 外 围 设 备 有 盒 式 磁 带 机 ， 微 型 打印 机 ， 磁 卡 机 等 等 。计 算 器 的 基 本 类 型 :1. 算 术 型 计 算 器 ： 可 进 行 加 、 减 、 乘 、 除 等 简 单

10、的 四 则 运 算 ， 又 称 简 单计 算 器 。2. 科 学 型 计 算 器 ： 可 进 行 乘 方 、 开 方 、 指 数 、 对 数 、 三 角 函 数 、 统 计 等方 面 的 运 算 ， 又 称 函 数 计 算 器 。3. 程 序 计 算 器 ： 可 以 编 程 序 ， 把 较 复 杂 的 运 算 步 骤 贮 存 起 来 ， 进 行 多 次重 复 的 运 算 。当今社会，随着人们物质生活的不断提高，电子产品已经走进了家家户户，无论是生活或学习，还是娱乐和消遣几乎样样都离不开电子产品，大型复杂的计算能力是人脑所不能胜任的，而且比较容易出错。计算器作为一种快速通用的计算工具方便了用户的

11、使用。计 算 器 这 一 程 序 机 器 实 际 上 是 从 计 算 机 中 割 裂 出 来 的 衍 生 品 ， 但 因 其 方便 快 捷 的 操 作 模 式 ， 已 经 被 广 泛 应 用 于 商 业 等 日 常 生 活 中 ， 极 大 的 方 便 了 人们 对 于 数 字 的 整 合 运 算 。 起 源 和 发 展 最 早 的 计 算 工 具 诞 生 在 中 国 。 筹 策 是 中国 古 代 最 早 采 用 的 一 种 计 算 工 具 ， 又 被 称 之 为 做 算 筹 。 这 种 算 筹 的 制 作 材 料多 是 竹 子 ， 木 头 ， 或 兽 骨 一 束 约 二 百 七 十 枚 ， 使

12、 用 时 可 以 放 在 布 袋 里 面 随身 携 带 。 直 到 科 技 发 达 的 今 天 ， 中 国 群 众 任 然 有 很 多 在 使 用 珠 算 盘 ， 珠 算 盘是 中 国 古 代 计 算 工 具 领 域 中 的 另 一 项 发 明 ， 到 明 代 时 期 。 珠 算 盘 的 结 构 已 经几 乎 与 现 代 的 珠 算 盘 相 同 。在 17 世 纪 初 期 ， 计 算 工 具 在 西 方 国 家 的 有 了 非 常 大 的 发 展 ， 英 国 数 学攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论2家 -纳 皮 尔 发 明 了 纳 皮 尔 算 筹 ， 英 国 牧 师 -奥 却 德 发

13、明 了 圆 柱 型 对 数 计 算 尺 ，这 种 计 算 尺 能 够 实 现 多 种 计 算 功 能 ， 不 仅 能 够 实 现 基 本 的 四 则 运 算 ， 也 可 以进 行 乘 方 和 开 方 运 算 。 更 为 强 大 的 是 ， 这 种 计 算 尺 还 可 以 计 算 三 角 函 数 ， 指数 函 数 和 对 数 函 数 。 这 些 计 算 工 具 积 极 推 动 了 计 算 器 的 发 展 ， 为 现 代 计 算 器的 发 展 奠 定 了 非 常 良 好 的 基 础 ， 慢 慢 演 变 ， 成 为 现 代 社 会 中 广 泛 应 用 的 计 算工 具 。在 1642 年 ， 19

14、岁 的 法 国 科 学 家 -帕 斯 卡 引 用 了 算 盘 的 原 理 ， 发 明 了 世界 上 第 一 部 机 械 式 计 算 器 ， 他 的 计 算 器 装 置 中 有 一 些 齿 轮 互 相 联 锁 ， 当 其 中此 轮 转 过 十 位 之 后 ， 就 会 使 与 其 相 连 接 的 另 一 个 齿 轮 转 过 一 位 ， 使 用 者 可 以像 使 用 电 话 号 码 拨 盘 那 样 ， 直 接 把 数 字 拨 进 去 ， 此 后 计 算 结 果 就 可 以 出 现 在另 一 个 窗 口 中 ， 但 是 只 可 以 做 加 减 计 算 ， 不 能 做 乘 除 运 算 。在 1694 年

15、 ， 德 国 的 莱 布 尼 兹 将 机 械 式 计 算 器 进 行 了 改 进 ， 使 其 可 以 进行 乘 除 运 算 。 自 此 此 后 ， 一 直 等 到 20 世 纪 50 年 代 末 ， 电 子 计 算 器 才 开 始出 现 。1.2本课题研究的主要内容本设计主要研究的是，基于单片机的简易计算器，采用 AT89C52 单片机作为主控器件，矩阵键盘输入，液晶显示器讲计算过程及结果显示输出，通过 C语言编程，实现建议简易计算器的功能。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 设计任务及方案32 设计任务及方案2.1设计任务1.对计算器硬件系统进行设计，利用 AT89C52 作为主控器件，组成

16、一个能进行简单四则运算的计算器，能进行数据归零，按键提示。2.运用 keil 进行计算器软件系统的设计。3.在 protues 仿真平台上，对软件进行调试及仿真。2.2设计方案按照系统设计的功能的要求，确定设计系统由主控模块、显示模块、键盘扫描接口电路、按键提示电路 4 个模块组成。系统构成框图如图 2.1 所示：键盘输入电路单片机最小系统L C D 液晶显示电路按键提示电路图 2.1系统构成框图攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统硬件设计43 系统硬件设计3.1单片机最小硬件系统单片机最小系统就是支持主芯片正常工作的最小电路部分，包括主控芯片、复位电路和时钟电路。3.1.1主控芯片 AT

17、89C52单片机简介AT89C52 引脚图如图 3.1 所示：图 3.1AT89C52 引脚图AT89C52 是 ATMEL 公司生产的 51 系列单片机，是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可以反复擦写的 Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） 。攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统硬件设计5AT89C52 的主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系统 8k 可反复擦写 Flash ROM32 个双向 I/O 口 及 256x8bit 内部 RAM 3 个 16 位 可编程定时/计数器 中断 时钟频率 0-24

18、MHz2 个 串行 中断 ，可编程 UART 串行通道 2 个 外部 中断源 ， 共 6 个 中断源 2 个 读写 中断口线 ， 3 级 加密位 低功耗 空闲和掉电 模式 ，软件设置睡眠及唤醒功能 AT89C52 的主要管脚有：XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。外接 12MHz 晶振。VCC 和 VSS:为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。RST/Vpd:为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。P0 口：8 位 漏 极 开 路 型 双 向 I/O 口 ， 地 址 /数 据 总 线 复 用 口 。 作 为 输出 口 用 时 ，

19、每 位 可 以 用 吸 收 电 流 的 方 式 来 驱 动 8 个 TTL 逻 辑 门 电 路 ， 对 端口 P0 写 “1”时 ， 可 以 作 为 高 阻 抗 输 入 端 使 用 。 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 或 者程 序 存 储 器 的 时 候 ， 分 时 转 换 地 址 低 8 位 ， 和 数 据 总 线 复 用 。 在 访 问 期 间激 活 内 部 的 上 拉 电 阻 。P1 口：带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 的 输 出 缓 冲 级 可 以 驱 动 （ 吸 收 电 流 或 输 出 电 流 ） 的 4 个 TTL 逻 辑 门 电

20、路 。 对 端 口 写“1”时 ， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 可 以 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 可 作 输 入 口 使 用 。 当作 为 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 有 上 拉 电 阻 ， 因 此 某 个 引 脚 被 外 部 信 号拉 低 ， 会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。 与 AT89C51 不 同 之 处 是 ， P1.0 和 P1.1 还可 分 别 作 为 定 时 /计 数 器 2 的 外 部 计 数 输 入 （ P1.0/T2） 和 输 入（ P1.1/T2EX） 。 参 见 表 1：表 1：引 脚 功 能 特 性P1.0 T2

21、 时 钟 输 出P2.0 T2EX （ 定 时 器 /计 数 器 2）P2 口：为 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 的 输 出 缓 冲 级 可以 驱 动 （ 吸 收 电 流 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 当 对 端 口 P2 写“1”时 ， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 可 以 把 端 口 拉 到 高 电 平 去 ， 此 时 可 作 输 入 口 使攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统硬件设计6用 ， 当 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 其 内 部 存 在 有 上 拉 电 阻 ， 当 某 个 引 脚 被

22、 外 部 信号 拉 低 的 时 候 会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。P3 口：为 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 。 P3 口 输 出 缓 冲 级 可驱 动 （ 吸 收 电 流 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 当 对 P3 口 写 入 “1”时 ， 它 们 会 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 并 且 可 以 作 为 输 入 端 口 。 此 时 ， 当 被 外 部 拉低 的 P3 口 将 用 上 拉 电 阻 输 出 电 流 （ IIL） 。 P3 口 除 了 作 为 一 般 的 I/O 口线 外 ， 更 重 要 的 用

23、途 是 它 的 第 二 功 能 P3 口 还 可 以 接 收 一 些 用 于 Flash 闪速 存 储 器 编 程 及 程 序 校 验 的 控 制 信 号 。ALE/PROG：当 访 问 数 据 存 储 器 或 者 外 部 程 序 存 储 器 的 时 候 ， ALE（ 地 址锁 存 ） 允 许 输 出 脉 冲 用 在 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 。 一 般 情 况 之 下 ， ALE 仍然 以 时 钟 振 荡 频 率 的 六 分 之 一 来 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 。 因 此 它 可 以 用 来 为外 部 输 出 时 钟 或 者 用 来 作 为 定 时 目 的 。 值

24、得 大 家 注 意 的 是 ： 每 当 来 访 问 外 部的 数 据 存 储 器 时 ， 将 会 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 在 对 Flash 存 储 器 编 程 的 期 间 ，该 引 脚 还 可 以 用 于 输 入 编 程 脉 冲 （ PROG） 。 如 果 有 必 要 ， 还 可 通 过 对 特 殊功 能 寄 存 器 （ SFR） 区 域 中 的 8EH 单 元 的 D0 位 置 位 ， 可 以 禁 止 ALE 操 作 。在 该 位 置 位 后 ， 只 有 一 条 MOVX 和 MOVC 指 令 才 可 以 将 ALE 激 活 。 此 外 ， 该引 脚 还 会 被 微 微 拉 高

25、 一 些 ， 当 单 片 机 执 行 外 部 程 序 时 ， 应 该 设 置 ALE 禁 止位 无 效 。PSEN：程 序 存 储 允 许 外 部 程 序 读 取 内 存 频 闪 （ PSEN） 的 方 式 ， 当AT89C52 取 从 外 部 程 序 存 储 器 读 取 指 令 时 （ 或 数 据 ） ， 每 个 机 器 周 期 两 次 有效 PSEN。 作 为 外 部 数 据 存 储 器 的 访 问 ， 并 在 同 一 时 间 传 递 信 号 ， 跳 过PSEN 两 次 。EA/VPP：允 许 外 部 访 问 ， 意 图 使 CPU 只 访 问 外 部 程 序 的 存 储 器 （ 地 址

26、范 围 为0000H-FFFFH） ， EA 端 必 须 保 持 低 电 平 （ 接 地 ） 。 注 意 ： 如 果 当 加 密 位LB1 被 编 程 时 ， EA 端 状 态 会 在 复 位 时 被 内 部 锁 存 。 如 果 EA 管 脚 接 为 高 电 平（ 连 接 Vcc 端 ） 时 ， CPU 执 行 内 部 程 序 存 储 器 的 指 令 。 当 Flash 存 储 器 编程 时 ， 此 引 脚 和 +12 V 的 编 程 允 许 电 源 VPP， 当 然 ， 这 必 须 是 该 设 备 使 用12V 编 程 电 压 Vpp。特殊功能寄存器：在 AT89C52 的 芯 片 内 的

27、存 储 器 中 ， 一 共 有 128 个 单 元的 的 80H-FFH 的 特 殊 功 能 寄 存 器 （ SFE） 。 不 是 所 有 的 地 址 都 能 被 定 义 ， 总共 有 128 个 字 节 从 80H-FFH 只 有 一 部 分 会 被 定 义 ， 以 及 有 相 当 一 部 分 还 没 有被 定 义 。 针 对 该 单 位 对 没 有 提 供 的 定 义 的 部 分 读 写 将 是 无 效 的 ， 读 出 的 数 值将 是 不 确 定 的 ， 而 写 的 数 据 也 将 会 丢 失 。 不 应 将 数 据 “1”被 写 入 没 有 被 定义 的 单 位 ， 因 为 可 能 会

28、 在 未 来 中 的 产 品 ， 在 这 些 单 元 中 的 赋 予 了 新 的 功 能 ，攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 系统硬件设计7这 而 在 样 的 情 况 下 ， 复 位 后 ， 这 些 单 位 在 数 值 始 终 为 “0”数据存储器：A T89C52 内 部 RAM 有 256 字 节 。 80H-FFH， 高 128 字 节 特殊 功 能 寄 存 器 （ SFR） 地 址 重 叠 ， 也 就 是 说 ， 高 128 字 节 的 RAM， 与 特 殊 功能 寄 存 器 有 相 同 的 地 址 ， 它 们 是 分 开 的 ， 在 物 理 上 来 说 。 当 一 个 指 令 访

29、问 的7FH 内 部 地 址 单 元 以 上 的 部 分 ， 指 令 寻 址 模 式 是 不 同 的 ， 该 决 定 寻 址 访 问 高位 128 字 节 的 RAM 或 访 问 特 殊 功 能 寄 存 器 。 如 果 指 令 是 直 接 寻 址 访 问 ， 那 么访 问 的 是 特 殊 功 能 寄 存 器 。定时器 2:定 时 器 2 是 一 个 16 位 的 定 时 器 /计 数 器 。 它 无 论 是 作 为 一 个 计时 器 ， 还 是 作 为 外 部 事 件 计 数 器 ， 都 是 可 行 的 。 它 的 工 作 原 理 所 选 择 的 特 殊功 能 寄 存 器 T2CONC/T2。

30、 定 时 器 2 的 工 作 模 式 有 三 种 ： 捕 捉 ， 自 动 重 装 模 式（ 向 上 或 向 下 计 数 ） 和 波 特 率 发 生 器 ， 工 作 T2CON 控 制 位 选 择 。 定 时 器 2由 两 个 8 位 寄 存 器 TH2 和 TL2 定 时 器 工 作 ， 在 定 时 器 的 工 作 方 式 中 ， 每 个 机器 周 期 TL2 寄 存 器 的 值 加 1， 一 个 机 器 周 期 由 12 个 振 荡 器 时 钟 构 成 ， 因 此 ，计 数 率 是 振 荡 频 率 的 1/12。 在 计 数 器 工 作 的 时 候 ， 当 T2 引 脚 的 外 部 输 入信

31、 号 时 ， 1-0 下 降 沿 产 生 ， 寄 存 器 的 值 加 1， 在 这 样 的 工 作 之 下 ， 在 每 个 机器 周 期 5SP2 期 间 ， 外 部 输 入 进 行 采 样 。 通 过 在 第 一 个 机 器 周 期 所 采 样 到 的值 为 1， 下 一 个 机 器 周 期 所 采 样 到 的 值 是 0， 随 后 的 寄 存 器 中 ， 就 在 下 一 个周 期 的 S3P1 期 间 加 1。 确 定 1-0 过 渡 占 用 两 个 机 器 周 期 （ 24 个 振 荡 周 期 ） ，因 此 ， 最 大 计 数 率 的 振 荡 频 率 的 1/24。 是 必 需 的 ，

32、以 确 保 正 确 的 采 样 的 输入 电 平 的 变 化 时 刻 之 前 保 持 至 少 一 个 完 整 的 周 期 ， 以 确 保 输 入 信 号 被 至 少 一次 采 样 。捕获方式：在 捕 获 模 式 下 ， T2CON 控 制 位 EXEN2 来 选 择 两 个 不 同 的 工 作方 式 。 当 EXEN2=0， 定 时 器 2 就 是 是 一 个 16 位 的 定 时 器 或 者 计 数 器 。 当 计数 溢 出 的 时 候 ， 溢 出 标 志 TF2 在 T2CON 中 设 置 ， 此 时 中 断 在 同 一 时 间 激 活 。如 果 EXEN2=1， 定 时 器 2 做 同

33、样 的 操 作 ， T2EX 引 脚 的 外 部 输 入 信 号 1-0 负跳 变 发 生 时 ， TH2 和 TL2 中 的 值 被 捕 获 到 RCAP2H 和 RCAP2L 中 。 此 外 ，T2EX 引 脚 信 号 跳 变 使 T2CON 的 EXF2 置 位 ， TF2 的 类 似 ， EXF2 激 活 中 断 。当 定 时 器 处 于 自 动 重 装 模 式 ， 可 以 通 过 编 程 来 向 上 或 向 下 计 数 ， 这 个 功 能 可以 DCEN 位 特 殊 功 能 寄 存 器 T2CON（ 允 许 自 动 重 装 （ 向 上 或 向 下 计 数 器 ） 倒计 时 ） 选 择 。 复 位 的 时 候 ， DCEN 位 置 “0”， 默 认 设 置 定 时 器 计 数 。 当DCEN 设 置 ， 定 时 器 2 可 以 向 上 计 数 ， 取 决 于 T2EX 引 脚 的 值 ， ， 当 DCEN=0时 ， 定 时 器 2 会 自 动 设 置 为 计 数 摸 索 ， 且 向 上 ， 在 此 模 式 控 制 位 EXEN2 T2CON 中 有 两 个 选 项 ， 如 果 EXEN2 =0， 定 时 器 2 计 数 到 0FFFFH 溢 出 集 ，TF2 激 活 中 断 ， 而 16 位 计 数 寄 存 器 RCAP2H 和 RCAP2L 的 重 装 RCAP2H 和