基于qt的科学计算器的设计与实现本科毕业论文设计

基于qt的科学计算器的设计与实现
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8）致谢
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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

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图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
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5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
北京邮电大学毕业设计
教研室（或答辩小组）及教学系意见
i
摘要
随着科技的飞速发展，人类已经进入信息化的大时代。

信息技术发展更是日新月异,计算器已经进入而且融入人们生活的各个领域,在现代生活中无处不在，大型复杂的计算是人脑和手工所不能胜任的，而且容易出错且准确度不高。

科学计算器作为一种快速便捷的计算工具方便了人类的使用。

科学计算器包含简单的四则加减乘除运算、复杂的数学运算、二八十十六进制之间的相互转换等功能，具有美观的界面，操作方便简单，能够被用户所接受，科学计算器在我们的日常生活、学习、工作中使用相当广泛，而且种类繁多，所以科学计算器的程序设计因此应运产生。

本文从课题背景、计算器的概况、计算器的相关技术、项目内容和要求、概要设计、设计流程、系统实现、系统调试等方面详细说明了小型科学计算器的开发设计过程。

软件采用Qt Creator设计界面结合C++面向对象编程语言来开发。

科学计算器包含简单的四则运算、复杂的数学表达式运算、与或运算、进制之间的相互转换、简易画图板等功能。

该科学计算器具有界面可视化，用户操作简单实用方便等优点，为用户进行复杂科学的计算提供了高效率的计算保证。

关键词：科学计算器；进制转换； Qt Creator；C++；运算
ii
Design and implementation of scientific calculator based on QT
Abstract
With the rapid development of science and technology, mankind has entered the information era. The development of information technology is change rapidly, the computers have entered and integrated into various fields among people's lives, even are ubiquitous in modern life .The human’s brain and hand have already could not completed the calculation of large scale complex, but also prone to error and accuracy is not
high. Scientific calculator as a kind of quick and convenient calculation tool is convenient for human’s using. Scientific calculator contains between four simple add, subtract, multiply and divide operations, a complex mathematical operation, two、eight、ten and sixteen’s hexadecimal conversion functions, with a beautiful interface, simple and convenient operation, and can be accepted by users. Scientific calculator is quite widely in our daily life, study, work, and variety of classifications, so the program’s design about scientific calculator is produced.
From this background, calculator, calculator of related technology, project content and requirements, the outline design, process design, system implementation, system debugging are described in detail the development and design process of the small.scientific calculator. The program use Qt Creator tool to design the interface with the C++ object oriented programming language. Scientific
calculator contains four simple operation, complex mathematical expression
iii
operation, and operation, or between hexadecimal conversion, a simple drawing board and other functions.
The scientific calculator has the advantages of visual interface, user operation is simple and practical and convenient, and ensures the efficient calculation for the user to calculate the complicated science.
Keyword: Scientific calculator; hexadecimal; Qt Creator; C++; convenient
iv
目录
摘要 (2)
Abstract .................................................................................................................................................. i ii 1 绪论.. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 综述科学计算器的概况 (1)
1.2.1 科学计算器在生活中的应用 (1)
1.2.2 科学计算器的发展前景 (3)
1.3 综述科学计算器的相关技术 (3)
2 系统开发技术和工具 (4)
2.1 系统介绍 (4)
2.2 系统开发语言介绍 (5)
2.3 系统开发工具介绍 (6)
2.4 能力要求 (7)
2.5 项目特点及意义 (8)
3 需求分析 (8)
3.1 功能需求与分析 (8)
3.2 安全性分析 (9)
3.3 可行性分析 (9)
3.4 技术经济分析 (10)
3.5 用例图 (10)
3.5.1 UML介绍 (10)
3.5.2 科学计算器用例图 (11)
v
3.5.3 画图板用例图 (12)
4 总体设计 (13)
4.1 总体设计目标 (13)
4.2 功能模块设计 (13)
4.2.1 科学计算功能模块 (13)
4.2.2 画图板功能模块 (16)
5 详细设计 (16)
5.1 设计目的 (16)
5.2 设计说明 (17)
5.2.1 UI界面风格 (17)
5.2.2 科学计算器模块 (17)
5.2.3 画图板模块 (18)
6 系统实现 (19)
6.1 系统功能介绍 (19)
6.2 科学计算器 (19)
6.2.1 科学计算器进制选择功能 (20)
6.2.2 科学计算器进制转换功能 (22)
6.2.3 科学计算器清空回退功能 (25)
6.2.4 科学计算器计算功能 (25)
6.2.5 科学计算器其它功能 (33)
6.3 画图板 (33)
6.3.1 画图板界面设计 (33)
6.3.2 画图板功能实现 (34)
7 系统测试 (36)
7.1 软件测试概述 (36)
7.1.1 测试目标 (37)
7.1.2 测试方法 (37)
7.2 对本系统的测试 (37)
vi
7.2.1 配置问题 (37)
7.2.2 信号和槽的问题 (39)
结束语 (39)
致谢 (40)
参考文献 (41)
英语原文 (42)
中文翻译 (45)
vii
1 绪论
1.1 课题背景
计算器（calculator）一般是指“电子计算器”。

计算器能进行数学运算的手持机器，拥有集成电路芯片，但结构简单，比现代电脑结构简单得多，可以说是第一代的电子计算机（电脑），且功能也较弱，但较为方便与廉价，可广泛运用于商业交易中，是必备的办公用品之一。

本计算器可以进行简单的四则运算（加、减、乘、除）但仅限于十进制下，还可以进行简单的科学计算开方、平方的计算，最多可以输入256字符，操作简便，主要采用的技术为Qt Creator，不仅能锻炼自己的编程能力，还可以根据自己的需要来编写适合自己的计算器。

随着科学技术的不断提高,计算机科学日渐成熟,其强大的功能已为人们深刻认识,它已进入人类社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。

在科技论文写作过程中，可能参考或引用大量的文献和资料(许多是以电子文档的形式存在)，如果以文件的形式存储，管理起来十分复杂，给日常工作带来极大的不便，甚至造成电子文档的破坏和丢失，安全性更是难以保证。

对帮助功能也有保存添加等功能。

具有无法比拟的优点.例如:检索迅速、查找方便、可靠性高、保密性好、寿命长、成本低等。

这些优点能够极大地提高科技论文管理效率,也是企业、学校的科学化、正规化管理,与世界接轨的重要条件。

1.2 综述科学计算器的概况
1.2.1 科学计算器在生活中的应用
现代信息技术逐渐发展并被普及和应用，让大家的思维方式、工作方和学习方式有了很大的变化。

《课程标准》指出数学课程需大力加强现代信息技术的运用，发挥现代信息技术对数学教学改革的积极作用，使现代信息技术能够成为学生学习的有效工具，成为获取信息资源和习资源的广阔平台。

计算器是一种小型的手持或桌面的设备，用于完成数学计算。

一般的数学计算器与计算机是不一样，数学计算器通常仅能完成算术运算和少量逻辑操作并显示其结果，但一般不能修改其程序。

除了某些尺寸可比掌上型计算器的PDA之外，计算器的可携性通常高于计算机。

19世纪巴贝奇将计算工具的概念更往前推，试图创建第一个可编程式计算器，但他建造的机器太重了，因而无法操作（如图1-1所示）。

图1-1 1914年的机械计算器
20世纪70年代开始，微处理器技术被吸纳进计算器制程，最初的微处理器是Intel于1971年为日本名为Busicom（ビジコン）的计算器公司生产的，1972年惠普推出第一款掌上科学计算器HP-35（如图1-2所示）。

图1-2 卡西欧fx-140计算器
夏普在此领域是计算器制造商中的佼佼者，他们最先在计算器中采用了液晶显示屏，还是最早把太阳能电池安装到计算器的企业之一。

从20世纪60年代到70年代的十多年里，夏普公司把生产计算器所需的原件降到了3个（以前需要3000多个）——硅片、显示屏和太阳能电池，这大大降低了计算器的生产成本。

计算器的出现是人类科技发展时代的一个重要的里程碑。

人们使用计算器是时代发展的趋势，计算器的出现和使用可以很方便的计算复杂的四则运算等，极大的提高了计算的速度，快捷，方便，适当的使用计算器可以促进并提高学习和工作的效率，弥补了人们在脑力运算和手工运算速度慢不准确的缺陷。

现在的生活工作和学习中，计算器的使用无处不在。

计算器的教育用途方面，有些学生常在写数学作业时使用计算器。

但因担心学生的基本算术能力因而受到戕害，因此许多教育人士抗拒让学生过早使用它。

而某些课程限制使用计算器运算算术，直到学到更高级的计算技巧；其他人则不同意以纸笔或心算算术的重要性，他们更注重教授评估与解决问题的技巧。

然而，还是有一些其他顾虑：例如学生可能以错误的方式使用计算器，并因对计算器的信赖而盲目相信答案。

教师为了破解学生的盲信，常会指导学生以人工验算并确认其答案的正确性。

当然，学生也有可能只运用计算器取得答案，而不了解运算的真实意义，例如输入(-10)×(-10)，获得100，却不了解背后“负负得正”的规则。

在此情况下，计算器成为学生的依赖而非辅助工具，使学生在考试时对任何简单的运算都以计算器求解，并降低应答的速度。

1.2.2 科学计算器的发展前景
科学计算器的出现是科学技术发展的重要里程碑，它最早还不是以科学计算器的身份出现在公众的视野中，最早是被法国科学家引用算盘的原理，进而发明了第一台机械式计算器，但是只能做加减运算，操作繁琐，后来随着时代的发展，科技也在不断地进步，德国科学家将机械式计算器改进实现了乘除的运算，此后，一直到了20世纪50年代末才出现了电子计算器。

电子计算器的出现极大的丰富和改进了机械式计算器，出现了很多功能，并且操作简单，使用方便。

如今，科学计算器的使用在人们的生活工作学习中无处不在，随着人们对计算器的需要，它也有了更近一步的发展，计算功能增多，就我所知，美国的高校使用的科学计算器可以计算微积分等运算，更是在脑力上使人们得到了解放。

技术在发展，人们的需求也在不在的变化和增多，科学计算器的也会随着有更大的发展和变化，发展的道路一直在延续。

1.3 综述科学计算器的相关技术
计算机的程序可计算极为复杂的数学程序，这是一般计算器所无法相比的，不过现在也有一些功能较强大的计算器具有编程功能。

计算器的复杂度随着使用目的而有所不同。

最简单的计算器模块应该包含下列部件：
➢电源，例如电池或太阳能板
➢显示幕，通常以LED光源或LCD制成，可显示一定数量的数字（通常为八、十、十二、十六位，以十二位最常见）
➢电子回路
➢十个数字键，从0到9
➢小数点
➢等于符号，用于显示运算解
➢四个运算函数（加减乘除）
➢取消键，用于清空目前显示的数字电源开关
➢其他基本函数，例如求平方根或百分比键（%）
➢更高级的模块也许会有一个单数值记忆按键（M+，M-），可在需要时叫回
20世纪80年代早期，基本计算器开始置入其他小型设备，例如手机、调用器或腕表。

科学计算器或工程型计算器支持三角函数、微积分、统计与其他函数。

而最先进的现代计算器甚至可显示图型，并且包含计算机代数系统。

这种计算器可以编写程序，且内含了代数方程式求解程序、经济模型甚至游戏程序。

这类计算器可显示填满显示屏的单一数值。

并可将数字以科学记数法表现至9.999999999*1099。

如果用户试图输入一过大的数值或运算产生过大数值的算式（例如输入100!，即100阶乘），则计算器仅显示“错误”（error）一词。

因为存储器如此有限的计算器无法存储如此巨大的输入(>=10^160)。

“错误”也用以表示数学上未定义的函数或操作，例如除以零或对负数取平方根（除了某些高级的科学计算器拥有可处理复数的特殊函数，大部分科学计算器不允许复数的存在）。

某些少数计算器可分别这两种错误的不同，虽然用户依然难以了解error 1与error2的差别何在。

仅有少数公司研发与制造现代职业工程师与经济学家用的计算器：最有名的是Casio、夏普、HP与德州仪器。

这些计算器都是嵌入式系统的范型。

此款简单的科学计算器能实现加、减、乘、除、平方、幂次方、倒数、取整、取模以及位运算，再次基础上又增加了二进制、八进制、十进制和十六进制之间的转换与运算，并且设计有简易的画图板，画图板内有文件的打开与保存，椭圆、矩形、画笔、画刷、橡皮擦和清屏画图工具，还有与其对应的属性设置等。

这些功能的实现，用C++面向对象编程语言并在QT Creator 开发平台上设计编写而成。

该计算器大大的降低了数字计算的难度且提高了计算的准确度和精确度。

界面清晰，让人一目了然。

该计算器使用简单和操作方便，对人们在生活和学习有巨大的帮助作用，也方便了飞专业人士在日常生活中的计算操作，也对在职人员的工作有点帮助作用。

在计算器模块的设计中，从操作角度出发，充分考虑使用者，是该计算器成为使用者的掌上助手，解决生活学习中常见的计算问题。

2 系统开发技术和工具
2.1 系统介绍
设计一个功能齐备的小型科学计算器，具有算式编辑计算和普通计算窗口。

具体要求如下：
科学计算窗口：能实现加、减、乘、除、平方、幂次方、倒数、取整、取模运算，在次基础上又增加了二进制、八进制、十进制和十六进制之间的转换与运算，并可实现各类不同函数及位运算。

设计实现显示窗口、运算的
回退、清零等功能。

支持二、八、十六、十等不同进制数据的直接输入、计算和数制间的相互转换，当点击等号键时直接给出当前算式的运算结果。

画图板窗口：支持文件的打开和保存，有简单的矩形、椭圆、画笔、橡皮擦、清除和笔刷工具，可选取并设置画图工具的颜色、宽度和风格等基本属性。

极大的表现了画图板的基本功能。

2.2 系统开发语言介绍
开发语言：C++
C++语言是一种使用非常广泛的计算机编程语言。

C++是一种基于静态数据类型检查的、支持多重编程范式的程序设计语言。

C++语言支持过程化程序设计、数据抽象、面向对象程序设计、泛型程序设计等多种程序设计风格。

C++语言的设计目标，就是要让C++既具有适合于系统程序设计的C语言所具有的可适应性和高效性，又能在其程序组织结构方面具有像Simula那样的语言设施（Simula所支持的这种程序组织结构通常被称为面向对象程序设计风格）。

在设计的时候，还做了很大的努力，使得引借自Simula的高层次的程序设计技术能够应用于系统程序设计之中。

这即是说，C++所提供的抽象机制能够被应用于那些对效率和可适应性具有极高要求的程序设计任务之中。

采用C++面向对象语言，利用抽象和封装等机制，借助类、对象、继承、传递等技术进行构造的软件开发方法，它的出发点和目标就是使人们在想一个问题的过程和方法时与分析、设计和实现系统的过程和方法尽最大可能的一致，即描述问题的认知空间以及解决问题的方法空间要在结构上尽可能的一致，这样面向对象方法自然地模拟了人类认知世界的方式，所以这是一个很好的思维认知的方法，也是特别好的一种软件开发方法。

1998的C++标准分为两个部分：核心语言和C++标准程序库；后者包含了大部分标准模板库和C标准程序库的稍加修改版本。

存在许多不属于标准部分的C++程序库，且使用外部链接，程序库甚至可以用C撰写。

C++标准程序库充分吸收了C标准程序库，并佐以少许的修改，使其与C++良好的运作。

另一个大型的程序库部分，是以标准模板库（STL）为基础，STL 于1994年2月正式成为ANSI/ISO C++。

它提供了实用的工具，如容器（如：矢量和链表），迭代器（广义指针）提供容器以类似数组的访问方式，以及算法进行搜索和排序的运算。

此外还提供了（multi）map（关系数组）和（multi）set，它们都使用兼容的界面。

因此，以下成为可能，使用模板撰写泛型算法，它可以和任何容器或在任何以迭代器定义的串行上运作。

如同C，使用
#include指令包含标准表头，即可访问程序库里的功能。

C++提供69个标准表头，其中19个不再赞成使用。

使用标准库（例如：使用std::vector或std::string来取代C风格的数组）有助于导向更安全和更灵活的软件。

STL在纳入C++标准以前，是来自HP和后来的SGI的第三方程式库，标准中并未称之为“STL”，它只是标准库中的一部分，但仍有许多人使用这个名称，以别于其它的标准库（输入／输出流、国际化、诊断、C程序库子集，等等）。

和C语言相比，C++引入了更多的特性，包括：陈述性声明，类似函数的强制转型，new/delete操作符，布林类型，参考类型，默认参数，函数重载，
命名空间，类型（包括所有和类型相关的特性，如继承、成员函数、虚函数、抽象类型和构造函数），操作符重载，模板，::操作符，异常处理和运行时期识别。

和普遍认为的相反，C++不是第一个正式引入const关键字的语言。

80
年代早期，Bjarne Stroustrup和Dennis Retchie讨论之后提供了在C语言中readonly/writeonly的实现机制，并在带类型的C中取得了一定经验。

关键字const正式引入C语言是在ANSI C89。

这早于第一个C++国际标准近十年，但此时const已被C++实现普遍采用。

C++在某些案例中（见下“与C不兼容之处”），进行比C还要多的类型检查。

以“//”起始作为注解起源自C的前身BCPL，而后被重新引入到C++。

C++的一些特性，C不久之后也采用了，包括在for循环的括号中声明，C++风格的注解（使用//符号，和inline，虽然C99定义的inline关键字与C++的定义不兼容。

不过，C99也引入了不存在于C++的特性，如：可变参数宏，和以数组作为参数的较佳处理；某些C++编译器可能实现若干特性，以作为扩展，但其余部分并不符合现存的C++特性）
一个常见的混淆其实只是一个微妙的术语问题：由于它的演化来自C，在C++中的术语对象和C语言一样是意味着存储器区域，而不是类的实例，在其它绝大多数的面向对象语言也是如此。

举例来说，在C和C++中，语句int i;定义一个int类型的对象，这就是变量的值i将在赋值时，所存入的存储器区域。

C++主要有三个编译阶段：预处理、转译成目标代码和链接（最后的两个阶段一般才视为真正的“编译”）。

在第一阶段，预处理，会将预处理器指令替换成源代码，然后送到下一个编译阶段。

预处理指令的运作方式是根据用户定义的规则，简单的把记号字符串行置换成其它的记号字符串行。

它们进行宏置换、含入其它的文件（由底层至高级的特性，例如包含模块／包／单元／组件）、条件式编译和条件式含入。

2.3 系统开发工具介绍
系统开发集成环境：QT Creator
Qt Creator是跨平台的 Qt IDE， Qt Creator 是 Qt 被 Nokia 收购后推出的一款新的轻量级集成开发环境（IDE）。

此 IDE 能够跨平台运行，支持的系统包括 Linux（32 位及 64 位）、Mac OS X 以及 Windows。

根据官方描述，Qt Creator 的设计目标是使开发人员能够利用 Qt 这个应用程序框架更加快速及轻易的完成开发任务。

QtCreator 主要是为了帮助新Qt 用户更快速入门并运行项目，还可提高有经验的Qt 开发人员的工作效率。

使用强大的 C++ 代码编辑器可快速编写代码。

语法标识和代码完成功能输入时进行静态代码检验以及提示样式上下文相关的帮助代码折叠括号匹配和括号选择模式高级编辑功能
采用C++语言设计，编码规范清晰，关键算法或处理须加注释说明。

Qt Creator 是一款跨平台的集成开发环境，特别针对Qt开发者，是Qt SDK组成的一部分，可运行于Windows, Linux/X11及Mac OS X等桌面操作系统，允许开发者为多桌面环境及移动设备平台创建应用程序。

它包括
一个可视化调试工具和集成的 GUI 版面和外形设计师。

这个编辑器的功能包括语法高亮度显示和自动完成。

Qt Creator 在 Linux 上，使用GCC 的C++ 编译器。

在 Windows，默认安装它可以使用MinGW 或MSVC。

从源代码编译时，也可以使用cdb。

QT Creator是一个跨平台的 C++ GUI 应用构架，它提供了丰富的窗口控件，具有面向对象、易于扩展、组件编程等特点，最为引人注目的是目前在 Linux 上最为流行的 KDE 的桌面环境，它就是建立在 QT 库的基础之上。

QT 支持多种平台，随着 KDE 的快速发展普及，QT 很有可能成为 Linux 系统窗口平台上进行软件开发的 GUI 首选工具。

信号和槽是 QT 的核心机制，要学会 QT 编程那么就必须对信号和槽机制有所了解。

信号和槽机制是一种接口，应用在对象之间的通信，是 QT 的核心特性，同时也是 QT 区别于其它种类工具包的重要地方。

信号和槽机制是 QT 自行定义的一种通信机制，它独立于标准的 C/C++ 语言，所以必须要正确的处理好信号和槽机制，这里借助moc（Meta Object Compiler）工具，该moc工具是一个 C++的预处理工具，为事件处理自动生成所需要的附加处理代码。

在我们所熟知的多种 GUI 工具包中，窗口小控件 (widget) 都有一个回调函数用来响应它们能触发的动作，这个回调函数通常是一个指针，它指向某个函数。

但是，在 QT 中信号和槽机制取代了这些函数指针，使得人们在编写这些通信程序时更为简洁明了。

信号和槽机制能使用任意数量、任意类型的参数。

在这里我设计的主窗口命名为：mainwindow。

所有从 QObject 或其子类 ( 例如 Qwidget) 派生的类都可以包含信号和槽机制。

当对象改变状态时，信号就由该对象发射出去，这就是对象所要做的事情，但它不知道另一端是谁在接收这个信号，这就是所谓的信息封装，它保证对象被当作一个真正的组件来使用。

槽被用来接收信号，它们是对象成员函数，称为槽函数。

但槽函数并不知道是否有信号和自己相连。

而且，对象也不了解具体的通信机制。

在编程时可以将多个信号与单个槽函数进行连接，也可以将单个信号与多个槽函数进行连接，甚至也可以将一个信号和另外一个信号相连，这时无论第一个信号在何时发射，那么都将立刻发射第二个信号。

总之，信号与槽机制构成了一个很强大的控件编程机制。

2.4 能力要求
毕业设计对能力的包括：
➢查找文献和运用能力。

➢外语阅读和翻译能力。

➢独立分析和思维能力。

➢独立分析和思维能力。

➢书面和口头表达能力。

➢综合分析和设计能力。

➢使用计算机的能力。