基于AT89C51单片机简易计算器的设计

计算机科学与技术系 硬件课程设计实验

基于AT89C51单片机简易计算器的设计

【摘 要】单片机的出现是计算机制造技术高速发展的产物，它是嵌入式控制系统的核心，如今，它已广泛的应用到我们生活的各个领域，电子、科技、通信、汽车、工业等。本设计是基于51系列单片机来进行的数字计算器系统设计，可以完成计算器的键盘输入，进行加、减、乘、除六位数范围内的基本四则运算，并在LCD上显示相应的结果。设计电路采用AT89C51单片机为主要控制电路，利用MM74C922作为计算器4*4键盘的扫描IC读取键盘上的输入。显示采用字符LCD静态显示。软件方面使用C语言编程，并用PROTUES仿真。 【关键词】 硬件课程设计 简单计算器 单片机 LCD

【正 文】 一、总体设计

根据功能和指标要求，本系统选用MCS-51系列单片机为主控机。通过扩展必要的外围接口电路，实现对计算器的设计。具体设计如下：

（1）由于要设计的是简单的计算器，可以进行四则运算，为了得到较好的显示效果，采用LCD 显示数据和结果。

（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，设计中采用集成的计算键盘。

（3）执行过程：开机显示零，等待键入数值，当键入数字，通过LCD显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值

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转换和存储，并等待再次键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在LCD上输出运算结果。

（4）错误提示：当计算器执行过程中有错误时，会在LCD上显示相应的提示,如：当输入的数值或计算得到的结果大于计算器的表示范围时，计算器会在LCD上提示溢出；当除数为0时，计算器会在LCD上提示错误。

系统模块图：

二、硬件设计 （一）、总体硬件设计

本设计选用AT89C51单片机为主控单元。 显示部分：采用LCD静态显示。按键部分：采用4*4键盘；利用MM74C922为4*4的键盘扫描IC，读取输入的键值。

总体设计效果如下图：

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（二）、键盘接口电路

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，而是采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘采用四条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。

矩阵键盘的工作原理：

计算器的键盘布局如图2所示：一般有16个键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中也最常用。

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图 2 矩阵键盘布局图 矩阵键盘内部电路图如图3所示：

为了进一步节省单片机I/O口资源，我们在设计中使用了MM74C922芯片。MM74C922是一款4*4键盘扫描IC，它可检测到与之相连的4*4键盘的按键输入，并通过数据输出口将按键相应的编码输出。其引脚图如图4所示：

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图4 MM94C22硬件图

MM74C922引脚说明：

(1) Y1~Y4（脚1~脚4）：44键盘第一列至第四。

(2) X1~X4（脚11、10、8、7）：44键盘第一行至第四行。 (3) DOA~ DOD（Dataout A~D，脚14~17）：按键之BCD码输出，其中DOA为LSB，DOD为MSB。

(4) VCC（脚18）：电源脚，+3V~+15V。ab126计算公式大全 (5) GND（脚9）：接地管脚。新艺图库

(6) OSC（Oscillator，脚5）：键盘扫描电路之频率所需外加电容的连引脚。

(7) KBM（Keyboard Mask，脚6）：内部消除开关弹跳电路所外加电容的引脚。

(8) OE（Output Enable，脚13）：芯片致能脚，接低电位可使芯片

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致能。

(9) DA（Data Available，脚12）：数据有效输出脚。任一按键按下时，此脚位会输出高电位，按键释放后此脚又会恢复为低电位。

MM74C922对各按键的响应如下表所示：

如下图5所示，在本设计中，计算器输入键盘的4条行线、列线分别连接到MM74C922的X1-X4、Y1-Y4引脚，MM74C922的数据输出口与单片机的P2口相连，MM74C922的DA引脚经过一个非门连接到单片机的/INT0脚，当MM74C922检测到键盘输入时，DA产生高电平，与之相连的/INT0检测到低电平，给单片机一个中断，单片机从P2口的低四位读入键盘上按下的键的值。

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图5 键盘接口电路图

（三）、LCD显示模块

本设计采用LCD液晶显示器来显示输出数据。通过D0-D7引脚向LCD写指令字或写数据以使LCD实现不同的功能或显示相应数据。

图6 LCD 模块

（四）运算模块（单片机控制）

MCS-51 单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器

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（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行I/O 口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。

单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，通过使用单片机编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！因此我们采用单片机作为计算器的主要功能部件，可以很快地实现运算功能。 三、软件设计

现实生活中人们熟知的计算器，其功能主要如下： 1、 键盘输入； 2、 数值显示；

3、 加、减、乘、除四则运算； 4、 对错误的控制及提示；

针对上述功能，计算器软件程序要完成以下模块的设计： 1、 键盘输入检测模块 2、 LCD显示模块； 3、 算术运算模块 4、 错误处理及提示模块。

系统总流程图

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开始 初始化参数 初始化LCD显示 Y 有键输入？ 读取键码 N 数字键 清零键 功能键 输入数值 状态清零 根据上次功能键和输入的数据计算结果 本次功能键？ 结果送显示缓冲 结果送显示缓冲 等待数值输入 等待数值输入 结果送显示缓冲 数值送显示缓冲 等待数值输入 LCD显示

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分块程序设计

1、 键盘输入检测程序设计

有键按下时，单片机响应外部中断0，转入外部中断0中断处理函数，在中断处理函数中完成对按键的判断，以进行下一步的程序处理。

/***********外部中断0处理函数*************/ void INT_0(void) interrupt 0 using 0 { key=translate(P2&0x0f);

if(key<='9'&&key>='0') //判断按下的键是否为数值 { num=num*10+(key-'0'); if (operators>0) { y=num; iny=1;

} else x=num; if(num<134217728&&num>-134217728) //当前数值是否超出限定范围

{

display(num);

} else

dataoverflow(); } else { switch(key) { case 'c': x=0; y=0; num=0; iny=0; operators=0; display(num); break; case '=':

arithmetic();

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计算机科学与技术系 硬件课程设计实验 } }

iny=0; operators=0; num=0; break;

case '+':

if (operators)

arithmetic(); operators=1; num=0; break;

case '-':

if (operators)

arithmetic(); operators=2; num=0; break;

case '*':

if (operators) }

arithmetic(); operators=3; num=0; break;

if (operators) arithmetic(); operators=4; num=0; break;

case '/':

2、 LCD显示程序设计

利用LCD静态显示，通过程序向LCD写指令字或数据使LCD完成不同功能或显示相应数据。

/**************LCD初始化函数*************/ void init_LCM() {

write_com(0x30); write_com(0x30); write_com(0x30);

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计算机科学与技术系 硬件课程设计实验 write_com(0x38); write_com(0x08); write_com(0x01); write_com(0x06); write_com(0x0e);

}

/***********LCD写数据函数*************/ void write_data(char ddata) { RS=1;/*写指令*/ R_W=0;

EN=1;/*使能信号开*/ P1=ddata;/*将数据送入p1口*/ EN=0;/*使能信号关*/ check_BF(); }

/***********LCD写指令函数*************/ void write_com(char command) {

RS=0;/*写指令*/ R_W=0;

EN=1;/*使能信号开*/

P1=command;/*将数据送入p1口*/ EN=0;/*使能信号关*/ check_BF(); }

/************LCD检查忙碌函数***********/ void check_BF() { char i,x=0x80; P1=0xff; while(x&0x80) { RS=0; R_W=1; EN=1; x=P1; EN=0;

for (i=0;i<10;i++); }

EN=0;/*关闭使能信号*/ }

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计算机科学与技术系 硬件课程设计实验 /**********LCD清屏函数**********/ void clearLCD() {

write_com(0x01); }

/**********LCD显示函数**********/ void display(long a) {

long temp,b,c=-1; int lenth=1,i,j; clearLCD(); if(a<0) { a=a*c;

write_data('-'); }

temp=a;

while((temp=temp/10)!=0) { lenth++; }

for(i=lenth;i>0;i--) { b=1;

for(j=0;j

write_data(0x30+a/b); a=a%b; } }

3、 算术运算程序设计

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开始 运算符是？ 加 乘 除 减 Y 运算结果溢出？ Y 除数为0？ N N 错误信息送显示缓冲 数值送显示缓冲

4、 错误处理及提示程序设计

/**********除数为处理函数**********/ void dealerror() { int i=0; clearLCD(); for(i=0;i<5;i++) write_data(error[i]); }

/*********数值溢出处理函数**********/

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计算机科学与技术系 硬件课程设计实验 void dataoverflow() { int i=0; clearLCD(); for(i=0;i<8;i++)

write_data(overflow[i]); }

四、联机调试

在联机调试的过程中，一开始没有做数值溢出方面的控制，导致LCD显示的输入数据或计算结果与实际不相符。后来经过计算得到有符号长整型的表示范围为-2147483648—2147483647，遂取2的30次方1073741824为本计算器的最大表示范围，以此来控制数值溢出，修改后，LCD显示正确。 五、总结

课程设计是培养我们综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。因此作为计算机专业的学生来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。

我们的题目是基于单片机设计简易计算器，对于我们这些实践中的新手来说，这是一次考验。这次课程设计我们学到很多很多的东西，学会了怎么在遇到问题时去解决问题。不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程。通过这次课程设计使我懂得

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了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计通过我们小组的努力终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在王本有老师的辛勤指导下，终于迎刃而解，在此我们表示感谢！

【参考文献】

[1]《例说51单片机（C语言版）》 张义和、王敏男等 人民邮电出版社 [2]《单片机原理与接口技术》（第3版） 李朝青编著 北京航空航天大学出版社

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了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

这次课程设计通过我们小组的努力终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在王本有老师的辛勤指导下，终于迎刃而解，在此我们表示感谢！

【参考文献】

[1]《例说51单片机（C语言版）》 张义和、王敏男等 人民邮电出版社 [2]《单片机原理与接口技术》（第3版） 李朝青编著 北京航空航天大学出版社

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ibig.html