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一、設(shè)計目的
單片機(jī)的出現(xiàn)是計算機(jī)制造技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，它是嵌入式控制系統(tǒng)的核心，如今，它已廣泛的應(yīng)用到我們生活的各個領(lǐng)域，電子、科技、通信、汽車、工業(yè)等。本設(shè)計是基于51系列單片機(jī)來進(jìn)行的簡單數(shù)字計算器設(shè)計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進(jìn)行加、減、乘、除六位整數(shù)數(shù)范圍內(nèi)的基本四則運算，并在LED上顯示相應(yīng)的結(jié)果。軟件方面使用C語言編程，并用PROTUES仿真。
二、總體設(shè)計及功能介紹
根據(jù)功能和指標(biāo)要求，本系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機(jī)為主控機(jī)，實現(xiàn)對計算器的設(shè)計。具體設(shè)計及功能如下：
（1）由于要設(shè)計的是簡單的計算器，可以進(jìn)行四則運算，為了得到較好的顯示效果，采用LED 顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果。
（2）另外鍵盤包括數(shù)字鍵（0～9）、符號鍵（+、-、×、÷）、清除鍵和等號鍵，故只需要16 個按鍵即可，設(shè)計中采用集成的計算鍵盤。
（3）執(zhí)行過程：開機(jī)顯示零，等待鍵入數(shù)值，當(dāng)鍵入數(shù)字，通過LED顯示出來，當(dāng)鍵入+、-、*、/運算符，計算器在內(nèi)部執(zhí)行數(shù)值轉(zhuǎn)換和存儲，并等待再次鍵入數(shù)值，當(dāng)再鍵入數(shù)值后將顯示鍵入的數(shù)值，按等號就會在LED上輸出運算結(jié)果。
（4）錯誤提示：當(dāng)計算器執(zhí)行過程中有錯誤時，會在LED上顯示相應(yīng)的提示,如：當(dāng)輸入的數(shù)值或計算得到的結(jié)果大于計算器的表示范圍時，計算器會在LED上顯示“CUO”,提示溢出。
三、系統(tǒng)模塊組成框圖：
二、硬件設(shè)計
（一）、總體硬件設(shè)計
本設(shè)計選用AT89C51單片機(jī)為主控單元。顯示部分：采用LED動態(tài)顯示。按鍵部分：采用4*4集成計算鍵盤；
總電路圖：
（1）4×4集成計算鍵盤
集成計算鍵盤本質(zhì)上是4×4矩陣鍵盤，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交叉點上設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4×4個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。
矩陣鍵盤的工作原理：
計算器的鍵盤布局如圖2所示：一般有16個鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能，這種形式在單片機(jī)系統(tǒng)中也最常用。
矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖如圖所示：
（三）、LED顯示模塊
如圖
本設(shè)計采用LED共陰數(shù)碼管來顯示輸出數(shù)據(jù)。共陰數(shù)碼管的每一位都是公共的陰極，只有輸入低電平的時候才有可能被點亮，所以位選的時候被選中的位必須是低電平。
本設(shè)計采用兩個74HC573鎖存器來驅(qū)動數(shù)碼管，引腳如上圖所示。74HC573-1是控制段選的，74HC573-2是控制位選的，P2.6和P2.7端口是鎖存使能位，置高電平時鎖存器透明（即輸入和輸出相同），置低電平時鎖存。
74HC573的八個鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器。
HC573引腳功能：
引腳號 符號 名稱及功能
1 OE 3態(tài)輸出使能輸入（低電平）
2-9 D0 - D7 數(shù)據(jù)輸入
12-19 Q0 - Q7 3態(tài)鎖存輸出
11 LE 鎖存使能輸入
10 GND 接地(0V)
20 VCC 電源電壓
（四）運算模塊（51單片機(jī)控制）
51 單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多功能I/O等一臺計算機(jī)所需要的基本功能部件。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）。
單片機(jī)是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，通過使用單片機(jī)編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！因此我們采用單片機(jī)作為計算器的主要功能部件，可以很快地實現(xiàn)運算功能。
單片機(jī)最小系統(tǒng)
復(fù)位時單片機(jī)的初始化操作，只要給RST引腳加上兩個機(jī)器周期以上的高電平信號，就可以使STC89C51單片機(jī)復(fù)位。本次采用的是12M晶振，按鈕復(fù)位電路。
三、軟件設(shè)計
現(xiàn)實生活中人們熟知的計算器，其功能主要如下：
1、 鍵盤輸入；
2、 數(shù)值顯示；
3、 加、減、乘、除四則運算；
針對上述功能，計算器軟件程序要完成以下程序的設(shè)計：
1、 鍵盤輸入檢測程序
2、 LED顯示程序
3、 算術(shù)運算程序
1、程序流程圖
系統(tǒng)總流程圖
算術(shù)運算程序流程圖
2、程序清單
#include<reg52.h>
#include<math.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
sbit wela=P2^7; //定義端口
sbit dula=P2^6;
long in1,in2,out,x;
int cnt,i,flag;
uchar code num[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71}; //LED顯示字模，共陰
void delay(uint xms) //延時函數(shù)
{
uint j;
for(i=xms;i>0;i--)
for(j=114;j>0;j--);
}
void display() //顯示函數(shù)聲明
{
uchar w1,w2,w3,w4,w5,w6,f=0;
long y;
if(x>=0) //顯示六位計時數(shù)
{
if(x>=1e6)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[12];
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x3e;
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[0];
dula=0;
delay(2);
return;
}
w1=x%10;w2=x/10%10;w3=x/100%10;w4=x/1000%10;w5=x/10000%10;w6=x/100000%10;
if(f==1||w6)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w6];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w5)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w5];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w4)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w4];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w3)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w3];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w2)
{
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w2];
dula=0;
delay(2);
}
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w1];
dula=0;
delay(2);
}
else
{
y=labs(x);
if(y>=1e5)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[12];
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x3e;
dula=0;
delay(2);
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[0];
dula=0;
delay(2);
return;
}
w1=y%10;w2=y/10%10;w3=y/100%10;w4=y/1000%10;w5=y/10000%10;
if(f==1||w5)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfe;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w5];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w4)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfd;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w4];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w3)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xfb;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w3];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==1||w2)
{
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xf7;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
f=1;
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w2];
dula=0;
delay(2);
}
if(f==0)
{
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xef;
wela=0;
dula=1;
P0=0x40;
dula=0;
delay(2);
}
P0=0xff;
wela=1;
P0=0xdf;
wela=0;
dula=1;
P0=num[w1];
dula=0;
delay(2);
}
}
void keyscan() //鍵盤掃描函數(shù)
{
uchar temp;
P1=0xfe;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xee:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+7;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+7;
x=in2;
}
}
break;
case 0xde:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+8;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+8;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbe:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+9;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+9;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7e:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=4;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xfd;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xed:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+4;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+4;
x=in2;
}
}
break;
case 0xdd:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+5;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+5;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbd:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+6;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+6;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7d:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=3;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xfb;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8); //消除抖動
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xeb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+1;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+1;
x=in2;
}
}
break;
case 0xdb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+2;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+2;
x=in2;
}
}
break;
case 0xbb:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+3;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+3;
x=in2;
}
}
break;
case 0x7b:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=2;
}
break;
}
while(temp!=0xf0)
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
P1=0xf7;
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0)
{
delay(8);
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
if(temp!=0xf0) //證明有鍵按下,if語句是為了讓鍵盤松開
{
temp=P1;
switch(temp)
{
case 0xe7:
cnt=0;
in1=0;
in2=0;
out=0;
flag=0;
x=0;
break;
case 0xd7:
if(cnt<6)
{
cnt++;
if(flag==0)
{
in1=in1*10+0;
x=in1;
}
else
{
in2=in2*10+0;
x=in2;
}
}
break;
case 0xb7: //如果得到符號位
switch(flag)
{
case 1:
out=in1+in2; //加
break;
case 2:
out=in1-in2; //減
break;
case 3:
out=in1*in2; //乘
break;
case 4:
if(in2)
out=in1/in2; //除
break;
}
x=out;
in1=0;
in2=0;
cnt=0;
flag=0;
break;
case 0x77:
if(cnt!=0&&flag==0)
{
cnt=0;
flag=1;
}
break;
}
while(temp!=0xf0) //等待按鍵松開
{
temp=P1;
temp=temp&0xf0;
}
}
}
}
void main() //主函數(shù)
{
while(1)
{
keyscan();
display();
}
}
四、設(shè)計總結(jié)
1、軟件調(diào)試
在軟件調(diào)試的過程中，一開始沒有做數(shù)值溢出方面的控制，導(dǎo)致LED顯示的輸入數(shù)據(jù)或計算結(jié)果與實際不相符。通過多次調(diào)試，軟件能夠正常運行，基本實現(xiàn)與其功能，通過矩陣鍵盤輸入第一個數(shù)據(jù)后，按下所需運算符號后，再次通過矩陣鍵盤輸入第二個數(shù)據(jù)，最后按下等號，能夠正確顯示計算結(jié)果。如需繼續(xù)計算，繼續(xù)按照上述步驟輸入數(shù)據(jù)即可。
2、硬件調(diào)試（略）
3、總結(jié)
課程設(shè)計是培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對我們實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今計算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。因此作為計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生來說掌握單片機(jī)的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。 設(shè)計基于單片機(jī)設(shè)計簡易計算器，對于我這個實踐中的新手來說，這是一次考驗。這次課程設(shè)計我學(xué)到很多很多的東西，學(xué)會了怎么在遇到問題時去解決問題。不僅鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識，掌握了一種系統(tǒng)的研究方法，可以進(jìn)行一些簡單的編程。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，還要斷學(xué)習(xí)單片機(jī)的相關(guān)知識。
附錄
1、加法 15+4
結(jié)果
2、減法 17-7
3、乘法15*4
4、除法 100/10
5、顯錯 33333*444
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