基于C51单片机简易计算器的课程设计论文

赣南师范学院基于C51单片机的简易计算器目录1. 绪论 (3)2. 系统软件设计方案 (4)2.1设计目标和实现方法 (4)2.2整体方案论证 (4)3. 系统硬件的设计与介绍 (5)3.1复位电路的设计与运用 (5)3.2时钟振荡器电路的设计与运用 (6)3.3输入电路的设计 (6)3.4输出电路的设计 (8)4. 系统程序的设计与介绍 (11)4.1 LED显示程序流程图设计 (11)4.2读键输入程序流程图设计 (13)4.3主程序流程图设计 (14)4.4仿真与调试 (15)5. 结论......................................................... .. (17)元件清单 (18)附录1简易计算器源程序 (19)1.绪论中国古代最早采用的一种计算工具叫筹策，又被叫做算筹。

这种算筹多是用竹子制成，也有用木头，兽骨充当材料的。

大约二百七十枚一束，放在布袋里可以随身携带。

直到今天仍在使用的珠算盘，是中国古代计算工具领域中的另一项发明，明代时期的珠算盘已经与现代的珠算盘几乎没有差别。

17世纪初，西方国家的计算工具已经有了较大的发展，英国数学家纳皮尔发明的"纳皮尔算筹"，英国牧师奥却德发明了圆柱型对数计算尺，这种计算尺不仅能做加减乘除、乘方、开方运算，甚至可以计算三角函数，指数函数和对数函数，这些计算工具不仅带动了计算器的快速发展，也为实现现代计算器发展奠定了良好的基础，成为现代社会应用广泛的计算工具。

1642年，年仅19岁的法国伟大科学家帕斯卡引用算盘的原理，发明了世界上第一部机械式计算器，在他的计算器中有一些互相联锁的齿轮，一个转过十位的齿轮会使另一个齿轮转过一位，人们可以像拨电话号码盘那样，把数字拨进去，计算结果就会出现在另外一个窗口中，但是只能做加减计算。

1694年，莱布尼兹在德国将其改进成可以进行乘除的计算。

此后，一直要到20世纪50年代末才有了电子计算器的出现。

2. 软件设计方案2.1 设计目标和实现方法为了满足简易计算器的基本要求，可以进行基本的运算（加减乘除），数据归零和出错警告提示，我们采用基于51单片机设计计算器，并用七段共阴级LED 数码管显示数据，4*4的矩阵键盘实现数据的输入。

2.2 整体方案论述根据简单计算器的功能和本方案中的设计指标要求，本系统选用了MCS 51 单片机为主控机。

通过扩展必要的外围接口电路，实现对简单计算器的设计。

具体设计考虑如下：①由于要设计的是简单的计算器，可以进行基本的四则运算，对数字的大小范围要求不高，故我们采用可以进行四位数字的运算，选用8 个LED 数码管显示数据和运算结果。

②另外键盘包括数字键（0～9）、符号键（+、-、×、÷）、清除键和等号键，故只需要16 个按键即可。

系统模块图：图2-1 系统模块图3. 系统硬件的设计3.1 复位电路的设计上电复位的原理：VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现了电压，使单片机复位；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。

手动复位的原理：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。

如SW复位键按下时：RST经1k电阻接VCC，获得10k电阻上所分得电压，形成高电平，进入“复位状态”。

当SW复位键断开时：RST经10k电阻接地，电流降为0，电阻上的电压也将为0，RST降为低电平，开始正常工作。

对于成熟产品，从降低成本角度，可以使用上电复位。

另外，作为产品，最好使用上电复位。

因为使用者通常没有专业知识，就知道断电通电，对他们来说，按键复位成了摆设。

按键复位比较适合样品制作或者实验室调试场合，上电复位电路成本也低一些。

综上所述我们在本方案中选用了上电自动复位电路。

上位自动复位电路图和手动复位电路图如下图两种复位方式如图3—1：3.2 时钟振荡电路的设计能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。

一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。

由电感线圈l和电容器c相连而成的lc电路是最简单的一种振荡电路，其固有频率为f=[sx(]1[]2πlc。

§一种不用外加激励就能自行产生交流信号输出的电路。

它在电子科学技术领域中得到广泛地应用，如通信系统中发射机的载波振荡器、接收机中的本机振荡器、医疗仪器以及测量仪器中的信号源等。

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。

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用此振动器。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

使用片内振荡器，可以节省IO引脚，减少成本，但是内部振荡器使用阻容震荡，导致它的精度不高，如果使用了串口、或者PWM等对时钟比较敏感的功能，最好还是使用外部晶体振荡。

在本方案中我们选择了内部时钟方式，如下图：两种时钟方式如图3—2：3.3 输入电路的设计每一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。

当无按键闭合时，P10~P13 与P14~P17 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，置列线P14~P17 为输入状态，从行线P10~P13 输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。

第二步，行线轮流输出低电平，从列线P14~P17 读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上表示有键按下。

综合一二两步的结果，可以确定按键编号。

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。

键盘是单片机系统中常用的人机对话输入设备，用户通过键盘向单片机输入数据或者指令。

键盘控制程序需要完成的任务有：监测是否有键按下，有键按下时，在无硬件去抖的动电路时，应用软件延时方法消除按键抖动影响；当有多个键同时按下时，只处理一个按键，不管一次按键持续多长时间，仅执行一次按键功能程序。

矩阵按键扫描程序是一种节省IO口的方法,按键数目越多节省IO口就越可观，思路：先判断某一列（行）是否有按键按下，再判断该行（列）是那一只键按下。

但是，在程序的写法上，采用了最简单的方法，使得程序的效率最高。

本程序中，如果检测到了某个键按下了，就不再检测其它的按键，这完全能满足绝大多数需要，又能节省大量的CPU时间。

本键盘扫描程序的优点在于：不使用专门的按键延时程序，提高了CPU效率，也不用中断来扫描键盘，节省了硬件资源。

另外，本键盘扫描程序，每次扫描占用CPU时最短，不论有键按下或者无键按下都可以在很短的时间完成一次扫描。

本键盘扫描子程序名叫key，每次要扫描时用lcall key调用即可。

键盘可分为两类：编码键盘和非编码键盘。

编码键盘是较多按键（20个以上）和专用驱动芯片的组合，当按下某个键时，它能够处理按键抖动、连击等问题，直接输出按键的编码，无需系统软件干预。

通用PC机使用的标准键盘就是编码键盘。

在智能仪器中，使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以组成编码键盘，同时还可以兼顾数码管的显示驱动，其相关的接口电路和接口软件均可以在相关资料中得到。

当系统功能比较复杂，案件数量很多时，采用编码键盘可以简化软件设计。

但大多数智能仪器和电子产品的按键数目都不很多（20个以内），为了降低成本和简化电路通常采用非编码键盘。

非编码键盘的电路由设计者根据需要自己决定，按键信息通过接口软件来获取。

本课题需要16个按键，故选择非编码键盘，为了减少所占用的端口，由P1口采用4*4矩阵式键盘。

图3-3 键盘样式3.4 输出电路设计数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳级数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。

共阳级数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，对应的字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，对应的字段就不亮。

LED显示器由七段发光二极管组成，排列成8字形状，因此也成为七段LED 显示器，器排列形状如下图所示：图3-4 LED段码为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，即字形代码。

七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计8段，因此提供的字形代码的长度正好是一个字节。

简易计算器用到的数字0~9的共阴极字形代码如下表3-1所示：显示字型g f e d c B a 段码0 0 1 1 1 1 1 1 3fh1 0 0 0 0 1 1 0 06h2 1 0 1 1 0 1 1 5bh3 1 0 0 1 1 1 1 4fh4 1 1 0 0 1 1 0 66h5 1 1 0 1 1 0 1 6dh6 1 1 1 1 1 0 1 7dh7 0 0 0 0 1 1 1 07h表3-5 0~9七段数码管共阴级字形代码由于数值单元存放的是二进制数，而我们大家熟悉的是十进制数，所以应将数值单元中的二进制数字转换为十进制数字，即BCD码。

要通过数码管显示出当前的数值，还必须将BCD码进一步转换为七段码，转换的最终结果数据存放于显示缓冲区30H-33H单元中，其中30H单元存放数值的个位七段码，31H单元存放数值的十位七段码，32H单元存放数值的百位七段码，33H单元存放数值的千位七段码。

本方案设计中由P1口输出字形码，P0口输出字位码。

先将存放于30H单元的数值个位七段码由P1口输出，同时P0口输出使数值个位显示数码管点亮的字位码。