单片机X键盘计算器专业课程设计.doc

《单片机课程设计汇报》

教 学 院：
专业班级：
学 号：
学生姓名：
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时 间：
地 点：

单片机课程设计任务书
一、课题名称
单片机课程设计
二、设计目标
为了深入巩固学习理论知识，增强学生对所学知识实际应用能力和利用所学知识处理实际问题能力，开始为期两周单片机课程设计。经过实训使学生在巩固所学知识基础之上含有初步单片机系统设计和应用能力。
三、设计内容
设计基于51单片机简易计算器系统电路，并以该电路为基础进行编程，要求能够实现0－99之间数进行加、减、乘、除运算功效。
四、设计要求
1、设计简易计算器，要求能对0－99之间数进行加、减、乘、除运算。
2、用4×4键盘作为输入设备。
3、用LED或LCD进行显示。
4、编写无符号数加、减、乘、除运算、输入和显示程序。
5、对系统进行综合和调试，使其含有对0－99之间数进行加、减、乘、除运算功效。
6、编写课程设计总结
五、设计进度表
序号
设计内容
所用时间
1
部署任务，学习简易计算器工作原理和硬件电路设计
3天
2
完成键盘、显示和计算功效程序设计
3天
3
制作电路板
1天
4
答辩、撰写设计汇报书
3天

合 计
10天

六、设计汇报
课程设计汇报基础内容最少包含封面、正文、附录三部分。课程设计汇报要求统一格式，字体工整规范。
1、封面
封面包含“《单片机课程设计》课程设计汇报”、班级、姓名、学号和完成日期等。
2、正文
正文是实践设计汇报主体，具体由以下几部分组成：
（1）课程设计题目；
（2）课程设计任务和要求；
（3）设计过程（包含设计方案、设计原理、创新点和采取新技术等）；
（4）方案比较和论证；
（5）硬件电路设计，各个模块设计和器件选择；
（6）软件程序设计和调试；
（7）课程设计总结（包含自己收获和体会；碰到问题和处理方法；技术实现技巧和创新点；作品存在问题和改善设想等）；
3．附录
附录1：系统设计原理图
附录2：系统硬件元器件清单
附录3：系统程序
七、考评方法和成绩评定措施
评定项目
评分成绩
1. 设计实物功效齐全，制作美观（50分）

2. 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）

3. 设计汇报规范化、参考文件充足（不少于5篇）（20分）

4. 答辩（15分）

总分(100分)

备注：成绩等级：优（90分～100分）、良（80分～89分）、中（70分～79分）、及格（60分～69分）、60分以下为不及格。
八、参考书目
[1]　李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998
[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994
[3]　阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989
[4]　廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.
[5] 徐仁贵等编著.《单片微型计算机应用技术》.北京:机械工业出版社.2月第1版
[6] 张毅刚等编著.《单片机原理及应用》. 北京：高等教育出版社.1月第1版

一、课程设计任务和要求
设计基于51单片机简易计算器系统电路，并以该电路为基础进行编程，要求能够实现0－99之间数进行加、减、乘、除运算功效，并要求以下：
1、设计简易计算器，要求能对0－99之间数进行加、减、乘、除运算；
2、用4×4键盘作为输入设备；
3、用LED或LCD进行显示；
4、使用C语言编写无符号数加、减、乘、除运算、输入和显示程序；
5、对系统进行综合和调试，使其含有对0－99之间数进行加、减、乘、除运算功效，还含有清零功效等；
6、编写课程设计总结。

二、设计方案和选择方案
1、芯片
1.1、方案构思
本设计中芯片能够采取两种方案，一个是以FPGA为关键处理芯片，配置对应外设；另一个是以STC89C52处理器，配置对应外设。
（1）方案一：采取FPGA控制
FPGA是一个高密度可编程逻辑器件，自从Xilinx企业1985年推出第一片FPGA以来，FPGA集成密度和性能提升很快，其集成密度最高达500万门/片以上，系统性能可达200MHz。因为FPGA器件集成密度高，方便易用，开发和上市周期短，在数字设计和电子生产中得到快速普及和应用，并一度在高密度可编程逻辑器件领域中独占鳌头。
不过基于SRAM编程FPGA，其编程信息需存放在外部存放器上，需外部存放器芯片，且使用方法复杂，保密性差，而其对于一个简单计算器而言，使用FPGA有点大材小用，成本太高。
（2）方案二：采取AT89C51
单片机是单片微型机简称，故又称为微控制器MCU（Micro Control Unit）。通常由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机基础功效部件：中央处理器CPU，存放器和I/O接口电路等。所以，单片机只要和合适软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机广泛应用于智能产品，智能仪表，测控技术，智能接口等，含有操作简单、实用方便、价格廉价等优点。
AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造，和工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中，ATMELAT89C51是一个高效微控制器。
1.2、方案比较和选择
经过以上两种方案论证和比较，从设计实用性、方便性和成本等很多方面考虑，最终选择了以AT89C51单片机作为中央处理单元进行计算器设计，这么设计能够实现对六位整数、两位小数加、减、乘、除四则运算。
2、输入模块
2.1、方案构思
（1）方案一：采取独立式按键作为输入模块
独立式按键输入模块，其特点是：直接用I/O口组成单个按键电路，接口电路配置灵活、按键识别和软件结构简单；不过当键数较多时，占用I/O口较多，比较浪费资源。其原理图图1所表示。

图 1 独立功效按键 图 2 矩阵键盘输入
（2）方案二：采取矩阵式键盘作为输入模块
矩阵式按键输入模块，其特点是：电路和软件稍复杂，但相比之下，当键数越多时，越节省I/O口，比较节省资源。其原理图图2所表示。
2.2、方案比较和选择
本设计中输入模块使用是矩阵键盘输入。
键盘输入预置用于计算，按键较多。若是采取独立按键，需频繁按键，为软件设计增加负担，且操作界面不友好；若是采取矩阵式按键，能够方便地输入一个数值，使操作界面更含有些人性化，且节省了宝贵I/O口资源。
经过对比，故采取方案二作为系统输入模块。
3、显示模块
3.1、方案构思
（1）方案一：采取LED数码管静态显示
采取LED数码管静态显示，其特点是：其亮度较高；这种显示方法接口，编程轻易且管理简单；不足是，占用I/O线资源较多。假如采取单片机或CPLD/FPGA来控制话，势必存在浪费I/O口资源问题。图3所表示。

图 3 4位数码管静态显示
（2）方案二：采取LED数码管动态显示
采取LED数码管动态显示，其特点是：其亮度比静态显示亮度要差部分；但其电路比较简单，适合于显示位数较多情况。图4所表示。

图 4 4位数码管动态显示
（3）方案三：采取LCD1602液晶显示
采取LCD1602液晶显示，其特点是：能够调整其背光亮度，这种显示方法接口，编程即使有些麻烦，但管理较方便，占用I/O口资源线也不多。
3.2、方案比较和选择
本设计中显示模块使用是LCD1602液晶显示。
在计算器运算中，需显示数字、符号较多，按很据个方面特点，以后能够发觉LCD液晶显示，即使在价格上确实是稍贵于LED数码管；但数码管在硬件设计电路中，会因线太多、线路复杂而过于繁琐，则舍弃LED数码管，选择LCD液晶显示。
经过对比，故采取方案三作为系统显示模块。

三、整体方案原理框图
1.1硬件和软件系统设计
依据系统分析及实现功效，硬件小系统方框图图1所表示：

单片机
振荡电路
键盘输入
液晶显示
对比度调整
复位电路

图5
依据系统硬件设计，软件系统关键包含：
单片机控制程序模块：作为系统主控制程序模块，用KeilC编程控制其它程序模块协调工作；
键盘程序模块：用来输入用户功效，使单片机完成对应控制功效；
液晶显示模块：使用字符型液晶显示器显示用户选择。
1.2 单片机模块
单片机控制主程序步骤图以下：
开始
初始化
扫描键盘得键值
显示定位
显示
结束

图6

单片机外围扩展电旅程序模块
为了节省成本，本设计中液晶显示模块和单片机之间采取模拟口线方法控制，键盘和单片机之间采取扫描工作方法。
键盘程序步骤图（扫描方法）
键盘程序步骤图以下所表示：
开始
有键按下？
键盘消抖
扫描键盘得键值存入累加器
结束
有键按下？
Y
Y
N
N

图7

LCM程序步骤图以下所表示：
开

始
LCD初始化
LCD是否为忙？
单片机向LCD写命令
单片机向LCD写数据
显示数据
结束
Y
N

图8

本设计软件系统分别用伟福E6000和KeilC编写及编译。4*4键盘程序模块用汇编语言和C语言编写，实现直接从P2口扫描得到键盘码，并采取查询方法得到和之对应LCD字型码，在LCD上显示出来。

四、单元电路设计
1.1键盘输入
计算器输入数字和其它功效按键要用到很多按键，假如采取独立按键方法，在这种情况下，编程会很简单，不过会占用大量I/O口资源，所以在很多情况下全部不采取这种方法。为此，我们引入了矩阵键盘应用，采取四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成键盘。在行线和列线每个交叉点上设置一个按键。这么键盘上按键个数就为4×4个。这种行列式键盘结构能有效地提升单片机系统中I/O口利用率。
矩阵键盘工作原理：
计算器键盘布局图5所表示：通常有16个键组成，在单片机中恰好能够用一个P口实现16个按键功效，这种形式在单片机系统中也最常见。

/
*
-
+
CLC
9
6
3
=
8
5
2
0
7
4
1

图9 键盘布局图

图10 矩阵键盘内部电路图
键盘上每一个按键全部有一个键值。给键赋值最直接措施是将行、列线按二进制次序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序实施到给该列置低电平0，若读出各行状态为非全1，这时行、列数据组合成键值。键盘键值从左到右、从上到下依次是77，7B，7D，7E；B7，BB，BD，BE，…，E7，EB，ED，EE。这种负逻辑表示往往不够直观，所以采取行、列线加反向器或软件求反方法将键盘改成正逻辑。这时，键值依次为88，84，82，81；48，44，42，41，…，18，14，12，11。不管是正逻辑还是负逻辑，这种键值表示方法分散度在且不等距，用于指令不太方便。对于不是4*4或8*4或8*8键盘，使用也不轻易，故在很多场所下，采取依次排列键值方法。这时键值和键号相一致。

1.2 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/计数器和多功效I/O等一台计算机所需要基础功效部件。假如按功效划分，它由以下功效部件组成，即微处理器（CPU）、数据存放器（RAM）、程序存放器（ROM/EPROM）、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中止系统及特殊功效寄存器（SFR）。
单片机是靠程序运行，而且能够修改。经过不一样程序实现不一样功效，尤其是特殊独特部分功效，经过使用单片机编写程序能够实现高智能，高效率，和高可靠性！所以我们采取单片机作为计算器关键功效部件，能够进行很快地实现运算功效。

图11 单片机控制电路时钟电路和复位电路
LCD1602显示

图12 LCD1602显示

1602点阵字符液晶模块(LCM)引脚及功效
1脚(VDD/VSS)：电源5V±10%或接地。
2脚(VSS/ VDD)：接地或电源(5±0.5)V。
3脚(VO)：反视度调整。使用可变电阻调整，通常接地。
4脚(RS)：寄存器选择(1：选择数据寄存器；0：选择指令寄存器)。
5脚(R/W)：读/写选择(1：读；0：写)。
6脚(E)：使能操作(1：LCM可做读写操作；0：LCM不可做读写操作)。
7脚(DB0)：双向数据总线第0位。
8脚(DB1)：双向数据总线第1位。
9脚(DB2)：双向数据总线第2位。
10脚(DB3)：双向数据总线第3位。
11脚(DB4)：双向数据总线第4位。
12脚(DB5)：双向数据总线第5位。
13脚(DB6)：双向数据总线第6位。
14脚(DB7)：双向数据总线第7位。
15脚(VDD)：背光显示器电源+5V。
16脚(VSS)：背光显示器接地。
五、实物效果图

图13 实物效果图

六、心得体会
两周时间，最终顺利完成了单片机课程设计。因为自己对单片机编程还不是很熟悉，结果在设计时候碰到了一系列问题，程序总是调试部处理，不过还好，最终在同学帮助下最终把程序调试出来了，即使程序设计实现功效和老师要求不尽相同，不过勉强还算能够。从这里我知道了基础知识关键性。其实进行程序设计时候关键是对各功效模块把握。计算器里面最难一部分是矩阵键盘扫描和编码，那个费了很大力气。
另外一点就是硬件焊接调试部分。焊接时候到时轻松，一个下午就焊接好了，然后是调试部分。调试花费时间还是比较长。不过有了上个学期数字电路焊接调试经验，这次单片机调试还算是比较顺利。我也是从电路板正负电源检测起，一步一步来，最终得到了想要结果。调试时候关键碰到了两个问题。一个是键盘总是没有反应，为了这个自己调试了很久，前前后后把电路板检验了几次，最终才发觉是键盘本身问题，和同学们换了个好键盘才行。另一个问题是总是显示不出来1、4、7这三个数字。检测来检测去，发觉来是在测试最小系统时在一个位选端接了高电平，对位选信号产生了影响。当把那个高电平去掉后，最终得到了正确结果。
总来说这次课程设计达成了完成了基础任务，达成了基础要求。经过亲身对程序设计和电路焊接调试体会，自己对单片机有了深入了解，单片机编程能力也得到了提升。电路板焊接和调试，使自己电路调试方法和思想深入加强了。这次单片机课程设计应该说是比较成功。

七、参考文件
[1]　李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，1998
[2]　李广弟.单片机基础［Ｍ］.北京：北京航空航天大学出版社，1994
[3]　阎石.数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，1989
[4]　廖常初.现场总线概述［J］.电工技术，1999.

八、附录
1. 系统程序
#include <reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit rs=P1^0;
sbit rw=P1^1;
sbit e=P1^2;
void write_dat(uchar dat);
void write_com(uchar com);
void keyscan();
/**********************
功效说明：
显示编码，加上0x30，
分别为'1','2','3','+',
'4','5','6','-',等
**********************/
uchar code table1[]=
{
1,2,3,0x2b-0x30,
4,5,6,0x2d-0x30,
7,8,9,0x2a-0x30,
0,0x3d-0x30,0x01-0x30,0x2f-0x30
};
uchar k=0,flag=0,num,fuhao,i;
long a,b,c;

void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x=z;x>0;x--)
for(y=110;y>0;y--);
}
void keyscan()
{
uchar temp;
P2=0xfe;
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
delay(5);
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
temp=P2;
switch(temp)
{
case 0xee:num=0;
break;
case 0xde:num=1;
break;
case 0xbe:num=2;
break;
case 0x7e:num=3;
break;
}
while(temp!=0xf0)
{ temp=P2;
temp=temp&0xf0;
}
}
/*当按下1,2,3，松手后实施下面这段语句*/
if(num==0||num==1||num==2)
{

if(flag==0)
a=a*10+table1[num];//假如没有按符号键,符号前数值为a
else if(flag==1)
b=b*10+table1[num]; //假如按了符号键,符号后数值为b

if(k==1) //假如之前按了'='号,再按键时清屏，进行下一次计算
{
k=0;
write_com(0x01);
}
}
else if(num==3) //判定按下'+'
{
flag=1;
fuhao=1;
}

i=table1[num]; //显示按下键
write_dat(0x30+i);

}
P2=0xfd;
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
delay(5);
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
temp=P2;
switch(temp)
{
case 0xed:num=4;
break;
case 0xdd:num=5;
break;
case 0xbd:num=6;
break;
case 0x7d:num=7;
break;
}
while(temp!=0xf0)
{ temp=P2;
temp=temp&0xf0;
}
}
if(num==4||num==5||num==6) //判定是否按下'4','5','6'
{
if(k==1)
{
k=0;
write_com(0x01);
}
if(flag==0)
a=a*10+table1[num];
else if(flag==1)
b=b*10+table1[num];
}
else if(num==7)
{
flag=1;
fuhao=2;
}
i=table1[num]; //显示按下键
write_dat(0x30+i);
}
P2=0xfb;
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
delay(5);
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
temp=P2;
switch(temp) //
{
case 0xeb:num=8;
break;
case 0xdb:num=9;
break;
case 0xbb:num=10;
break;
case 0x7b:num=11;
break;
}
while(temp!=0xf0)
{ temp=P2;
temp=temp&0xf0;
}
}
if(num==8||num==9||num==10) //判定是否按下'7','8','9'
{
if(k==1)
{
k=0;
write_com(0x01);
}
if(flag==0)
a=a*10+table1[num];
else if(flag==1)
b=b*10+table1[num];

}
else if(num==11) //判定是否按下'*'
{
flag=1;
fuhao=3;

}
i=table1[num];
write_dat(0x30+i);

}
P2=0xf7;
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
delay(5);
temp=P2;
temp=temp&0xf0;
while(temp!=0xf0)
{
temp=P2;
switch(temp)
{
case 0xe7:num=12; // 0键
break;
case 0xd7:num=13; // '='
break;
case 0xb7:num=14; //清零键
break;
case 0x77:num=15; //'/'
break;
}
while(temp!=0xf0)
{ temp=P2;
temp=temp&0xf0;
}
}
switch(num)
{
case 12:
{
if(k==1)
{
k=0;
write_com(0x01);
}
if(flag==0)
a=a*10;
else if(flag==1)
b=b*10;
write_dat(0x30);
}
break;
case 13: //按=键
{
k=1;
if(fuhao==1) //假如符号键是+，实施+运算
{

write_com(0x80+0x4f);
write_com(0x04);
c=a+b;
while(c!=0)
{
write_dat(0x30+c%10);
c=c/10;

}
write_dat(0x3d);
fuhao=0;
a=0;b=0;flag=0;
}
if(fuhao==2) //假如符号键是-，实施-运算
{
write_com(0x80+0x4f);
write_com(0x04);
if(a>=b)
{
c=a-b;
while(c!=0)
{
write_dat(0x30+c%10);
c=c/10;
}

}
else if(a<b)
{
c=b-a;
while(c!=0)
{
write_dat(0x30+c%10);
c=c/10;
}
write_dat(0x2d);
}

write_dat(0x3d);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;

}
if(fuhao==3) //假如符号键是*
{
write_com(0x80+0x4f);
write_com(0x04);
c=a*b;
while(c!=0)
{
write_dat(0x30+c%10);
c=c/10;
}
write_dat(0x3d);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;

}
if(fuhao==4) //假如符号键是/
{
i=0;
write_com(0x80+0x4f);
write_com(0x04);
c=(long)(((float)a/b)*1000000); //结果保留6位小数
while(c!=0)
{
write_dat(0x30+c%10);
c=c/10;
i++;
if(i==6) // 显示完六位小数后，显示·
write_dat(0x2e);
}
if(a/b<=0)
write_dat(0x30);
write_dat(0x3d);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
}
break;
case 14:
{ write_com(0x01);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
break;
case 15:
{
flag=1;
fuhao=4;
write_dat(0x30+table1[num]);

}
break;

}