单片机课程设计计算器

课程设计说明书
课程设计名称：单片机课程设计
课程设计题目：四位数加法计算器的设计学院名称：电气信息学院
专业班级：
学生学号：
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：
课程设计时间：至
格式说明（打印版格式，手写版不做要求）
（1）任务书三项的内容用小四号宋体，倍行距。

（2）目录（黑体，四号，居中，中间空四格），内容自动生成，宋体小四号。

（3）章的标题用四号黑体加粗（居中排）。

（4）章以下的标题用小四号宋体加粗（顶格排）。

（5）正文用小四号宋体，倍行距；段落两端对齐，每个段落首行缩进两个字。

（6）图和表中文字用五号宋体，图名和表名分别置于图的下方和表的上方，用五号宋体（居中排）。

（7）页眉中的文字采用五号宋体，居中排。

页眉统一为：武汉工程大学本科课程设计。

（8）页码：封面、扉页不占页码；目录采用希腊字母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…排列，正文采用阿拉伯数字1、2、3…排列；页码位于页脚，居中位置。

（9）标题编号应统一，如：第一章，1，，……；论文中的表、图和公式按章编号，如：表、表……；图、图……；公式（）、公式（）。

课程设计任务书
一、课程设计的任务和基本要求
(一)设计任务（从“单片机课程设计题目”汇总文档中任选1题，根
据所选课题的具体设计要求来填写此栏）
1. 系统通过4x4的矩阵键盘输入数字及运算符。

2. 可以进行4位十进制数以内的加法运算，如果计算结果超过4位十进制数，则屏幕显示E。

3. 可以进行加法以外的计算(乘、除、减)。

4. 创新部分：使用LCD1602液晶显示屏进行显示，有开机欢迎界面，计算数据与结果分两行显示，支持小数运算。

(二)基本要求
1.有硬件结构图、电路图及文字说明；
2.有程序设计的分析、思路说明；
3.有程序流程框图、程序代码及注释说明；
4.完成系统调试（硬件系统可以借助实验装置实现，也可在Proteus
软件中仿真模拟）；
5.有程序运行结果的截屏图片。

二、进度安排
第9周，～
1）题目分析，文献查阅
2）方案比较，确定设计方案
3） ~ 硬件电路设计
4） ~ 程序设计，程序调试，系统联调，系统改进
5）课程设计说明书撰写
三、参考资料或参考文献
1. ，. 单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C [M].北京：电子工业出版社,2013
2. ，. 单片机原理与应用设计[M]. 北京：电子工业出版社,2008
3. 马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计(第5版) [M].北京：北京航空航天大学出版社,2013
4. 楼然苗、李光飞. 51系列单片机设计实例[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2003
本科生课程设计成绩评定表
目录
第一章设计论证
设计分析
在方案设计过程中，我列出了两种不同的设计方案，分别对应于显示模块和单片机内部运算。

显示模块在我的设计中有两种不同的显示方式，分别为数码管显示以及液晶屏显示。

对于数码管显示来说，优点是使用简单，反应速度更快，由于LCD有众多的接口，以及指令，因此在软件上要比数码管复杂。

数码管显示的缺点也比较明显，就是需要占用过多的单片机输出接口，同时，LCD的显示功能更多，也更直观，对于现实生活中的使用也更加舒适。

在综合了以上几点的考虑后，我最终选择了LCD1602液晶显示芯片作为显示模块。

在单片机内部运算方面，我的设想也有两种，即支持浮点数运算或只支持整数运算，若只支持整数运算，程序设计势必更加简单易懂，但是出于实用性的考虑，我最终决定了使计算器支持浮点数运算功能。

同时，这也能更好地锻炼我的编程思维能力。

设计方案
按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由主控模块、显示模块、键盘扫描接口电路共四个模块组成。

主控芯片使用8051系列的AT89C52单片机，其中带有非易失性Flash程序存储器，它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，市场应用最多。

显示模块采用LCD1602液晶显示器为主体构成。

键盘电路采用4x4矩阵键盘电路。

整个单片机的接口电路：P0用于显示输出或LCD1602信号输入，P1口用于键盘扫描输入，P2口用于LCD1602的控制信号输出。

为了驱动系统的各个模块正常协调工作，在软件方面我设计了四大模块，分别为显示、键盘、运算、综合模块，通过综合模块的协调来使其它三大模块正常运行，使计算器能正确运算得出正确结果。

第二章硬件设计
硬件结构与工作原理
图硬件结构框图
系统的主体部分由输入、运算、输出模块所组成，对应于图中有，输入模块为键盘扫描输入，输出模块为LCD1602显示，运算模块为单片机。

在系统上电后，单片机初始化，开始运行内部程序，在程序运行过程中，通过软件功能来实现按下键盘上特定按键后，执行不同的功能，例如加减乘除，并将数据输出至显示模块（LCD1602）显示。

在运算过程中显示运算数据及符号，运算完成后显示运算结果。

单元电路设计
单片机最小系统
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、复位电路和晶振电路。

主控芯片选取AT89C52芯片，因其具有良好的性能及稳定性，价格便宜应用方便。

晶振选取，晶振旁电容选取20pF。

采用按键复位电路，电阻分别选取100Ω和10K，电容选取10μF。

以下为单片机最小系统硬件电路原理图（图），仿真接线图（图）。

图 单片机最小系统硬件电路原理图
P01P00P02P03P04P05P06P07D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D0D1D2D3D4D5D6D7
RS R W E
XT AL2
18
XT AL1
19
ALE 30EA
31
PSEN 29RST
9
P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX 2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78
P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD
17
P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1
AT89C52
X1
CRYST AL
C1
22pF
C2
22pF
R2
10k
+5V
C3
10uF
23456789
1
RP2
RESPACK-8
+5V
R1
100
图 单片机最小系统仿真接线图
键盘接口电路
计算器所需按键有：数字键：’1’,’2’,’3’,’4’,’5’,’6’,’7’,’8’,’9’,’0’。

功能键：’+’, ’-‘, ’*’, ’/ ’, ’= ’, ’C( 清零、小数点)’共计16个按键，采用4*4矩阵键盘，键盘的行和列之间都有公共端相连，四行和四列的8个公共端分别接~，这样扫描P1口就可以完成对矩阵键盘的扫描，通过对16个按键进行编码，从而得到键盘的口地址，对比P1口的扫描结果和各按键的地址，我们就可以得到是哪个键按下，从而完成键盘的功能。

在Proteus仿真中，我直接使用元件库所有的KEYPAD-SMALLCALC键盘，这种键盘直接实现了4*4键盘的功能，方便使用。

如下图所示。

在按下其中一个键时，其对应的行与列将都会变成低电平，此时，即可通过判断P1口的值来确定输入的是哪一个按键，然后将所取得的按键通过软件来进行接下来的处理、运算等工作。

图 4*4矩阵键盘
LCD1602显示电路
LCD1602简介:如图所示，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

1602采用标准的16脚接口，其中：
第1引脚：GND为电源地
第2引脚：VCC接5V电源正极
第3引脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4引脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5引脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6引脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14引脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。

第15引脚背光正极，第16引脚背光负极。

特性
或5V工作电压，对比度可调
内含复位电路
提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
有80字节显示数据存储器DDRAM
内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM
8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
特征应用
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。

操作控制
注：关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1。

图 LCD1602硬件原理图
采用LCD1602显示器对计算过程、结果以及提示信息进行显示，在仿真电路中，由于Proteus中并没有LCD1602显示芯片，故采用功能相似的LM016L进行替代，其中LM016L的D0~D7三个输入输出端口接至单片机的~口，用来对显示屏输出显示、输出控制指令以及获取状态信息。

单片机的~分别与LM016L的RS、RW、E端口相连，用来对显示芯片进行控制。

以下
图 LCD1602（LM016L）仿真接线图
第三章软件设计
系统软件结构
如图所示，系统启动后，执行LCD初始化程序，然后调用LCD显示程序，在屏幕上输出欢迎信息。

接下来调用键盘扫描处理程序，等待按键按下，按下任意键后执行LCD 清屏程序，并再次调用键盘扫描处理程序，等待用户输入数据，若用户按下数字键（0~9），则在显示器上显示并且将输入数据保存至数据存储区。

Y
N
Y
N
图程序流程图
本次设计采用模块化设计思想，包括主程序和初始化子程序、延时子程序、输出数据子程序、检测是否有按键按下子程序、确定按键子程序、清第一行屏与显示“Welcome”子程序、换算第一个数子程序、运算子程序、显示结果子程序等子程序。

运行程序后，首先调用子程序清屏第一行并显示“Welcome”，清屏第二行并显示“ZCY’s Caculator!”，然后检测是否有按键按下，如果没有，继续检测，如果按下，则判断是否是加减乘除键被按下，如果是加减乘除被按下，则显示相应的字符并换算出字符前输入的数据和字符后输入的数字，然后检测是否有等号按下，如果有则完成相应的运算并显示相应的结果，然后检测是否有清屏键按下，如果有则清屏，相应的流程图如图所示。

对于数字键的程序段进行相应的设计，如果运算键（＋、－，*，/）相应标志不为一，则将输入的数字送入第一个操作数缓存区，并且清空所有响应位。

否则送入第二个操作数缓存区。

其次对功能键的程序段进行相应的设计。

如果功能键（＋、－，*，/）
第一次被按下，则置相应的标志位为一，并且将运算键响应标志位置一，清空第二个操作数的缓存区，为输入操作数做准备，如果是第二次按下则先调用运算操作子程序，执行上次按下的运算键的运算，置相应的标志位为一，并且将运算键响应标志位置一，清空第二个操作数的缓存区，为输入操作数做准备。

程序上的具体实现：
在单片机上电后，执行两个函数LCD_dsp_string(4,0,"Welcome!")以及LCD_dsp_string(1,1,"ZCY's Caculator")输出欢迎信息初始化LCD。

然后执行keyscan()函数判断是否有按键输入，若有则读取按键，否则循环扫描，直到有按键按下。

在获取按键后，判断按键是否为数字，若是，则执行cacul(a)函数，将获取的数字保存为数，然后执行LCD单个字符显示函数LCD_dsp_char(x,y,dat)。

若按键不是数字，则判断是否为操作符，若是，则执行LCD_dsp_char(x,y,dat)显示操作符，然后将flag标志位置1，代表第一个操作数输入结束。

若不是操作符，则判断是否为‘=’，若是，则执行函数Caculator(x,y)函数，计算结果，然后执行LCD_dsp_string(x,y,string)函数，将计算结果显示在屏幕上，然后执行keyscan()函数，等待按下任意键，按下任意键后，再次执行LCD初始化程序。

若不是‘=’，则判断是否是第一次按下清零键，若是，则显示小数点，并再次调用keyscan()函数，获取下一个按键，若不是第一次按下，则再次执行LCD初始化程序。

主要功能子程序设计
LCD显示子程序
Y
N
Y N
图 LCD显示子程序流程图
如图所示，当主程序调用了LCD显示程序后，首先判断LCD是否处于忙碌状态，若是，则等待，若不是，则开始设置显示位置，然后判断显示的是单个字符还是字符串，分别实现对单个字符的输出以及对字符串的输出。

之所以对单字符和字符串设置不同的显示函数，是为了实现程序对单片机资源的最优利用，因为单字符只占据一个字节的存
储区，而字符串则至少占用两个字节。

在显示完成后，返回主程序，继续执行下一步。

LCD 的显示程序中主要的部份为LCD 显示位置的设置以及LCD 显示数据的输出。

为此，我编写了LCD 显示位置设置函数，以及LCD 显示函数，如下。

LCD 显示位置设置函数： 1. R S R W E
D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 714
D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07
E 6R W 5R S 4V S S
1V D D 2V E E
3
LCD1LM016L R S R W E
D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 7
14
D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07E
6R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E
3
LCD1
LM016L
R S R W E
D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 7
14
D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07E
6R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E
3
LCD1
LM016L
a>9999 h=’*’ h=’-’ h=’+’ a=a+b a=a/b
h=’/’
输出计算结果 返回 Y N N N 扫描P1口
返回按键值
是否检测到按
键
R S R W E D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 7
14
D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07E
6R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E
3LCD1
LM016L
R S R W E D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 7
14D 613D 512D 411D 310D 29D 18D 07E
6R W 5R S 4V S S 1V D D 2V E E
3LCD1
LM016L
#include<>
#include<>
unsigned char n;
float idata a,b; ;
xsd=1;
#include<>
sbit lcden=P2^7; //读写控制输入端sbit rw=P2^6; //读写控制端
sbit rs=P2^5; //指令、数据选择端sbit busy=P0^7; //LCD内部忙标志void delay(unsigned int m) //延时函数
{
unsigned int n;
for(n=0;n<=m;n++);
void check() //判断LCD是否忙碌
{
do
{
P0=0xff;
rs=0;
rw=1;
lcden=0;
delay(100);
lcden=1;
}while(busy==1); //当busy=1，即LCD忙时，等待}
void write_com(unsigned char com) //写显示命令
{
P0=com;
rs=0;
rw=0;
lcden=0;
check();
lcden=1;
void write_data(unsigned char date) //写显示数据
{
P0=date;
rs=1;
rw=0;
lcden=0;
check();
lcden=1;
}
void init() //初始化LCD
{
write_com(0x38); //16x2行显示，5x7点阵，8位数据接口write_com(0x0c); //开显示，光标不显示、不闪烁
write_com(0x06); //光标自增，画面不动
write_com(0x80); //选择第一行
write_com(0x01); //清屏
}
void LCD_set_xy( unsigned char x, unsigned char y )//设置LCD显示的位置{
unsigned char address;
if (y == 0)
//y=0为第一行
address = 0x80 + x; //x=0为一行的第一个
else
//第二行
address =0xc0+ x;
write_com(address); //设置数据指针位置
}
void LCD_dsp_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat)
//单个字符显示函数
{
LCD_set_xy( x, y ); //设置显示位置
write_data(dat); //写入待显示数据
}
void LCD_dsp_string(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char *s)
//字符串显示函数
{
LCD_set_xy( X, Y );
while (*s) //当字符串未到达结尾（'\0'）时，循环输出单个字符
{
write_data(*s);
s ++; //指向下一个字符 }
}
3．
#include<>
extern void delay(int ms); //外部延时函数声明extern unsigned char n; //外部变量声明void key_scan(void)
{
unsigned char temp;
P1=0xfe;
if(P1!=0xfe)
{
delay(200);
if(P1!=0xfe)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:n='c';break;
case 0xd0:n='0';break;
case 0xb0:n='=';break;
case 0x70:n='+';break;
}
}
while(P1!=0xfe);
}
else
{
P1=0xfd;
if(P1!=0xfd)
{
delay(200);
if(P1!=0xfd)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:n='1';break;
case 0xd0:n='2';break;
case 0xb0:n='3';break;
case 0x70:n='-';break;
}
}
while(P1!=0xfd);
}
else{
P1=0xfb;
if(P1!=0xfb)
{
delay(200);
if(P1!=0xfb)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:n='4';break;
case 0xd0:n='5';break;
case 0xb0:n='6';break;
case 0x70:n='*';break;
}
}
while(P1!=0xfb);
}
else{
P1=0xf7;
if(P1!=0xf7)
{
delay(200);
if(P1!=0xf7)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:n='7';break;
case 0xd0:n='8';break;
case 0xb0:n='9';break;
case 0x70:n='/';break;
}
}
while(P1!=0xf7);
}
else n=17;
}}}
}。