矩阵键盘简易计算器要点

《微处理器系统与接口技术》课程实践报告
计算器
班级：
学号：
学生姓：
指导老师：
日期：2014.7.5
******电子与信息工程学院
1
2
此次课程实践题目是基于单片机简单计数器的设计，本此设计使用的是Intel公司MCS-51系列的8051AH单片机。设计的计算器可以实现2位小数的加、减、乘、除运算以及整数的乘方运算，其中用4*4矩阵键盘来输入待参与运算的数据和运算符；八位数码管动态显示输入待参与运算的数据以及运算后产生的结果，每个硬件模块的调用过程中涉及到了函数入口及出口参数说明，函数调用关系描述等。
图3 键盘按键
4
每个按键都有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。键盘的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么？还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地；另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。
本次课程设计的计算器主要完成了矩阵键盘的数据或符号输入、数码管动态显示输入值、单片机处理输入的数据、数码管动态显示计算结果。在整个的设计电路中，输入输出的数据均采用字符的形式（temp[i]=num+'0'（键盘输入）sprintf(temp,"%f",a)（数码管输出））；使用在单片机进行数值运算的过程中，数据使用函数sscanf(temp,"%f",&a)，即将数据缓冲区的字符型数据转换成浮点型并存到a变量所对应的地址，这样之后在对变量进行加减乘除运算。因为是浮点数运算，所以结果也是浮点数，在输出的时候，小数点也能够输出，从而免去在运算结果中对小数的定位工作。
3
计算器以MCS-51系列的8051AH单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的I/O功能和计算速度，构成整个计算器。通过矩阵键盘输入运算数据和符号，送入单片机进行数据处理。经单片机运算后控制LED数码管的输出。整体框图如图1所示：
图3 整体框图
本系统硬件主要由矩阵键盘、独立键盘I/O输入输出、数码管显示等主要部分组成。各模块的主要功能如下：
5
在程序设计方法上，模块化程序设计是单片机应用中最常用的程序设计方法。设计的中心思想是把一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程和调试，然后组合起来。这种方法便于设计和调试，容易实现多个程序共存，但各个模块之间的连接有一定的难度。根据需要我们可以采用自上而下的程序设计方法，此方法先从主程序开始设计，然后再编制各从属程序和子程序，层层细化逐步求精，最终完成一个复杂程序的设计。这种方法比较符合人们的日常思维，缺点是一级的程序错误会对整个程序产生影响。
按照上面的思想，在进行小数运算时，输入输出小数并不能正常显示。后来通过和组员一起仔细研究，发现数码管段码中并没有小数点，所以我们在输入数据时将每一个输入的与小数点的ASCII码进行比较（if(num=='.')），一旦条件成立，将小数点存入数据缓冲temp[8]数组中，同时也将小数点的ASCII码存入显示缓冲区TempData[8]中（定义小数点的段码0x98）。这样之后关于小数点显示问解决题。
4
这次设计共涉及到了处理器、矩阵键盘、独立键盘、数码管显示等主要的模块，在软件主程序中，通过函数的调用实现相应的功能模块处理。通过num=KeyPro()函数的调用实现了将通过4*4矩阵行列反转扫描法得到的数据送入单片机，用于处理器进一步处理数据。因为该课程实践要求计数器具有2位小数的加减乘除运算，所以我们在读取矩阵键盘之后，使用语句sscanf(temp,"%f",&a)，该语句的意思是将字符串数组temp中的字符以浮点数的形式输出到变量a，因此键盘输的的数据都被转换成了浮点数，所以可以很方便的实现带小数的加减乘除运算，运算所得结果也是浮点数的形式。在对输出结果输出到数码管的过程中，使用语句sprintf(temp,"%f",a);，该语句的意思是把浮点数变量a输出到字符串数组temp中，此时就可以调用显示函数对字符形式的计算结果进行输出。
(1)矩阵键盘将十六进制编码的数字送到单片机。
(2) 单片机扫描键盘信号并接收，对输入的键盘信号进行处理
(3) LED以动态扫描的方式移位显示每次输入的数据和最后的运算结果。实践设计的具体流程图如下图2所示：
图3 整体流程图
4
（处理器型号型号：Intel MCS-51系列8051AH）
计算器设计原理图
本次实践所设计的计算器的操作数为浮点型，当两个数参与运算之后，运算结果如果出现小数部分全为0的情况，根据实际应该只显示整数部分，但是实验结果是小数0全显示。但是由于时间关系我们没有调试成功。现提供一个思路：在显示小数点的时候，设置一个for循环，将小数点后的各位与'0'进行比较，如果该位等于0，设置一个新变量自加一次，之后依次比较，新变量记录小数点后0的个数。循环结束之后，将变量值与小数点后的总位数进行比较，如果相等说明小数点后全为0.之后设置一个for循环将小数点后的数据的ASCII全部赋值0。部分程序如下：
4.1
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。为此，我们引入了矩阵键盘的应用，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4×4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，如图3所示：
当无按键闭合时，P1.0-P1.3与P1.4-P1.7之间开路；当有键闭合时，与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置行线P1.4-P1.7为输入状态，从列线P1.0-P1.3输出高电平，读入列线数据，若某一列线为高电平，则该列线上有键闭合。第二步，读入列线值，将该值输出到列线值，之后再读出列线值。综合一二两步的结果，最后键盘最后组合码值可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行同样的键操作。