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设 计 课 题：基于单片机的简易计算器
指 导 老 师：
班 级:
学 号:
姓 名:
一 设计内容和目的
本次实验的任务就是要以51系列单片机为核心实现一个简易计算器计算器，它的结构非常简单，外部主要由4*4矩阵键盘和一个液晶显示屏构成，内部由一块AT89C51单片机构成，通过软件编程可实现简单加减乘除。目的：做自己喜欢的实验，提高自学能力。
二 方案论证
经分析，计算器电路包括三个部分：显示电路、4*4键扫描电路、单片机微控制电路。具体如下：
⒈） LCD显示电路
LCD1602作为一个成熟的产品，使用简单，模式固定，便于移植到各种类型的程序，但是初学者往往要注意结合LCD本身的时序图来完善初始化程序。又以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，故采用LCD.
⒉） 4*4键盘扫描电路(中断式，扫描式，反转式)
用户设计行列键盘接口，一般常采用3 种方法读取键值。一种是中断式，外两种是扫描法和反转法。
中断式：在键盘按下时产生一个外部中断通知CPU，并由中断处理程序通过不同的地
址读取数据线上的状态，判断哪个案件被按下。本实验采用中断式实现用户键盘接口。
扫描法：对键盘上的某一行送低电平，其他行为高电平，然后读取列值。若列值中有一
位是低，则表明该行与低电平对应列的键被按下；否则，扫描下一行。
反转法：先将所有行扫描线输出低电平，读列值。若列值有一位是低，则表明有键按下，
读列值；然后所有列扫描线输出低电平，再读行值。根据读到的值组合就可以查表1 得到的
键码。
这个就仁者见仁智者见智了，不过如果熟悉了扫描式，建议果断升级自己的硬件（很简单加个74LS08与门），故采用节省CPU的中断式扫描电路。
⒊） 单片机微控制电路
微控制电路就是以AT89C51为核心的控制核心，主要注意晶振电路的接法和复位电路的接法。
三 硬件电路的设计
2．1 硬件设计电路框图
51系列单片机系统
4*4键盘
LCD显示
晶振电路
复位电路
线路原理框图
2．2 硬件设计电路的元件清单
器件名称
数量
AT89C51
1
按键
17
74LS08
1
10K电阻
9
电容22uF
1
LCD1602
1
晶振12MHz
1
电容30pF
2
5K电位器
1
2．3 硬件设计电路图
将4*4的键盘直接接在P1口上，用P0口作为LCD的显示输出，P3.2口的INT0作为外部中断位。
2．4 硬件设计的补充说明
四 软件设计程序及描述
本程序组成可分为3个模块：矩阵键盘模块，LCD显示模块，和运算模块（源程序见底页）
开始
初始化参数
初始化LCD显示
有键输入？
读取键码
LCD显示
数字键
清零键
功能键
状态清零
输入数值
数值送显示缓冲
Y
N
等待数值输入
结果送显示缓冲
根据上次功能键和输入的数据计算结果
本次功能键？
等待数值输入
结果送显示缓冲
等待数值输入
结果送显示缓冲
五 硬软件的调试及方法
我个人遇到的主要问题出现在LCD1602上，要不是我自己买了块新的LCD恐怕我的结论，就只能在软件仿真实现了。
硬件上：在不加芯片调试时，LCD1602只显示一排全黑，一般说明该元件是好的。（但也不一定，我那时就一直认为我的元件没坏）；给15，16管脚分别接上+5v和0v,测试背光是否完好；给VEE接上电位器，检查对比度是否可调；
一般LCD易出现的现象，我再做实验的时候遇到过以下几种情况：
状态1
上电之后，1602的第一行全黑，即16个5x7黑块
产生原因：液晶根本就没有进行初始化操作，需要检查连线或者程序。运气不好的情况下就是整块LCD是坏的。
状态2
屏上显示两排灰格
产生原因：程序中对液晶初始化不正常，应是部分初始化指令没有正常接收，建议按照标准初始化步骤调整程序，或者调整指令之间的延时（加大一些试试）----补充：也有可能是对比度太大，建议优先调整对比度电阻
状态3
显示乱码
这是我在实验室组合版上做的，原因是接线问题
状态3
正确显示
六 实验结果与性能达标
我的计算器只能准确进行得数为0～9的四则运算。
1.加法计算
2.减法计算
3.乘法计算
4.除法计算
5.字符显示
实物与仿真不一致。这就是传说中的BUG了。我不明白。
七 实验改进与心得体会
很明显我的计算器处理数据及显示存在太大的局限性，我觉得主要还是我对程序中的运算模块理解不深，这点仍需大大加强。
这个实验给我的感觉，硬件和软件上都不是很难。我的焊工也不马虎，即使难看了点，但只要软件能行，就能完美运行。可惜，我就败在LCD1602,从学校拿了两块，幸好最后实在没办法，自己买了一块。最终证实我之前的实验就是LCD的损坏。没知识真可怕，我不懂真正排查LCD的好坏。不过也因祸得福，我在磕磕碰碰中，固执的认为LCD是好的，反而使我对LCD初始化，LCD字符显示，3种不同的矩阵键盘扫描的方法，及软件上的巧妙技巧有了更好的了解。我在这次实验上，感觉收获的更多.
下面是源代码：
#include<reg51.h>
#define CLEARSCREEN LCD_write_command(0x01)
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
/**************定义接口************************/
#define LCDIO P0
#define KEYBOARD P1//保留
sbit LCD1602_RS=P2^0;
sbit LCD1602_RW=P2^1;
sbit LCD1602_EN=P2^2;
/************************************************/
code uchar mayuan[16]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','0','/','*','-','+','='};//不错，这个比较明了
unsigned char code keycode[]={0x11,0x21,0x41,0x81,0x12,0x22,0x42,0x82,
0x14,0x24,0x44,0x84,0x18,0x28,0x48,0x88};//键盘编码值()
int i,j,k=1,s;//
int t,t1,t2,a[];//
void delay(uchar);//延时
/**************定义函数************************/
void LCD_init(void);//初始化函数
void delay_nms(unsigned int n);//延时函数
void LCD_write_command(unsigned char command);//写入指令函数
void LCD_write_dat(unsigned char dat);//写入数据函数
void delay_10ms();
initial();
uchar keyscan();//键盘扫描函数
calc(uchar);//计算函数
uchar num,temp,key,keynum;
void main()//主函数
{
LCD_init();
delay_nms(100);
while(1)
{
initial();//有中断
KEYBOARD =0xf0;//键盘的列值全置高电平
}
}
/**********************************开中断***************************************/
initial()
{
EA=1;//总开关
EX0=1;//中断方式0开启
IT0=0;
}
/*******************************************************************************/
/*********************************中断函数************************************/
void inter0() interrupt 0
{
unsigned char n;
delay_10ms();//延时
if(INT0==0)//没键按下
{
EX0=0;//关中断
n=keyscan();
calc(n);
EX0=1;//开中断
KEYBOARD=0xf0;//键盘的列值全置高电平
}
}
/************************************************************************/
calc(uchar n)
{
if(n<10)//键值小于10
{
t1=t1*10+n;
LCD_write_command(0x00);//写命令语句
LCD_write_dat(mayuan[n]);//写数据函数
}
else
{
if(n==10){LCD_init();t1=0;t2=0,t=0;k=1;}
else{
if(n<15){
t2=t1;t1=0;j=n;
LCD_write_command(0x00);
LCD_write_dat(mayuan[n]);}
else{
LCD_write_command(0x00);
LCD_write_dat(mayuan[n]);
switch(j){
case 11:
t=t2/t1;
break;
case 12:
t=t2*t1;
break;
case 13:
t=t2-t1;
break;
case 14:
t=t2+t1;
break;
}
if(t<=9){ LCD_write_command(0x00);
LCD_write_dat(t+48);}
if(t>9)
{
while(t>9)
{
s=t%10;
t=t/10;
a[k]=s;
k++;
}
if(t<=9){
LCD_write_command(0x00);
LCD_write_dat(t+48);}
for(i=k-1;i>=1;i--)
{
LCD_write_command(0x00);
LCD_write_dat(a[i]+48);
}
}
}
}
}
}
/*****************************************键盘扫描函数************************************/
uchar keyscan()//键盘扫描
{
KEYBOARD=0xf0;//键盘的列值全置高电平
delay_10ms();//延时
if(KEYBOARD!=0xf0)//有键按下
{
temp=KEYBOARD;//保存键盘此刻的键植
delay_10ms();//延时
if(KEYBOARD==temp)//再次确认键盘是否被按下
{
uchar i;
KEYBOARD=0x0f;//键盘的行值全置高电平
delay_10ms();//10MS时间延时
keynum=temp | KEYBOARD;//保存键盘的行值
while(KEYBOARD!=0x0f);//松手检测
for(i=0;i<16;i++)
if(keycode[i]==~keynum)
return (i);
}
}
return -1;
}
/******************************************************************************/
/********** 延时**********************/
void delay_nms(unsigned int n)
{
unsigned int i=0,j=0;
for (i=n;i>0;i--)
for (j=0;j<10;j++);
}
void delay_10ms()//10MS延时
{
unsigned char i,j;
for(i=0;i<10;i++)
for(j=0;j<120;j++);
}
/**************************************/
/**************写指令函数********************************/
void LCD_write_command(unsigned char command)
{
LCDIO=command;
LCD1602_RS=0;
LCD1602_RW=0;
LCD1602_EN=0;
LCD1602_EN=1;
delay_nms(10);
}
/***************************************************/
/****************写数据函数************************/
void LCD_write_dat(unsigned char dat)
{
LCDIO=dat;
LCD1602_RS=1;
LCD1602_RW=0;
LCD1602_EN=0;
delay_nms(1);
LCD1602_EN=1;
}
/****************************************************/
/************初始化函数****************/
void LCD_init(void)
{
CLEARSCREEN;//clear screen
LCD_write_command(0x38);//set 8 bit data transmission mode
LCD_write_command(0x0c);//open display (enable lcd display)
LCD_write_command(0x80);//set lcd first display address
CLEARSCREEN;//clear screen
}
/****************************************************/
为了方便初学者学习LCD，特留下字符显示代码，电路图与本实验一致。已通过实物测试，绝对没问题。
#include <reg51.h>
unsigned char table1[]={0x03,0x07,0x0f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,
0x18,0x1E,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,
0x07,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,
0x10,0x18,0x1c,0x1E,0x1E,0x1E,0x1E,0x1E,
0x0f,0x07,0x03,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x0f,0x07,0x01,
0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1f,0x1c,0x18,0x00,
0x1c,0x18,0x10,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};//心图案
unsigned char table[]={0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00};//字符℃
#define CLEARSCREEN LCD_write_command(0x01)
/**************定义接口************************/
#define LCDIO P0
sbit LCD1602_RS=P2^0;
sbit LCD1602_RW=P2^1;
sbit LCD1602_EN=P2^2;
/**************定义函数************************/
void LCD_write_command(unsigned char command);//写入指令函数
void LCD_write_dat(unsigned char dat);//写入数据函数
void LCD_set_xy( unsigned char x, unsigned char y );//设置显示位置函数
void LCD_dsp_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat);//显示一个字符函数
void LCD_dsp_string(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char *s);//显示字符串函数
void LCD_init(void);//初始化函数
void delay_nms(unsigned int n);//延时函数
/********************************************/
/************初始化函数****************/
void LCD_init(void)
{
CLEARSCREEN;//clear screen
LCD_write_command(0x38);//set 8 bit data transmission mode
LCD_write_command(0x0c);//open display (enable lcd display)
LCD_write_command(0x80);//set lcd first display address
CLEARSCREEN;//clear screen
}
/****************************************************/
/**************写指令函数********************************/
void LCD_write_command(unsigned char command)
{
LCDIO=command;
LCD1602_RS=0;
LCD1602_RW=0;
LCD1602_EN=0;
LCD1602_EN=1;
delay_nms(10);
}
/***************************************************/
/****************写数据函数************************/
void LCD_write_dat(unsigned char dat)
{
LCDIO=dat;
LCD1602_RS=1;
LCD1602_RW=0;
LCD1602_EN=0;
delay_nms(1);
LCD1602_EN=1;
}
/****************************************************/
/***************设置显示位置**************************/
void LCD_set_xy( unsigned char x, unsigned char y )
{
unsigned char address;
if (y == 1)
address = 0x80 + x;
else
address =0xc0+ x;
LCD_write_command(address);
}
/***************************************************/
/****************显示一个字符**********************/
void LCD_dsp_char( unsigned x,unsigned char y,unsigned char dat)
{
LCD_set_xy( x, y );
LCD_write_dat(dat);
}
/**********************************************/
/***************显示字符串函数***************/
void LCD_dsp_string(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char *s)
{
LCD_set_xy( X, Y );
while (*s)
{
LCD_write_dat(*s);
s ++;
}
}
/***********************************************/
/********** 延时**********************/
void delay_nms(unsigned int n)
{
unsigned int i=0,j=0;
for (i=n;i>0;i--)
for (j=0;j<10;j++);
}
/**************************************/
/***********主函数**************/
void main(void)
{
unsigned char i,j,k,tmp;
LCD_init();
delay_nms(100);
tmp=0x40;//设置CGRAM地址的格式字
k=0;
for(j=0;j<8;j++)
{
for(i=0;i<8;i++)
{
LCD_write_command(tmp+i); // 设置自定义字符的 CGRAM 地址
delay_nms(2);
LCD_write_dat(table1[k]); // 向CGRAM写入自定义字符表的数据
k++;
delay_nms(2);
}
tmp=tmp+8;
}
LCD_dsp_string(1,1,"LCD TEST ");//在第一行第一列显示"LCD TEST"
LCD_dsp_string(1,2,"SUCCESSFUL ");//在第二行第一列显示"SUCCESSFUL"
for (i=0;i<4;i++)
{
LCD_dsp_char( 12+i,1,i);//在第一行第12列位置显示心图案的上半部
delay_nms(1);
}
for (i=4;i<8;i++)
{
LCD_dsp_char( 12+i-4,2,i);//在第二行第12列位置显示心图案的下半部
delay_nms(1);
}
while (1);
}
/********************************************************************/
3.1 硬件连接
图3-1所示为简易计算器的电路原理图。P3口用于键盘输入，接4*4矩阵键盘，键值与键盘的对应表如表----所示，p0口和p2口用于显示，p2口用于显示数值的高位，po口用于显示数值的低位。
图3-1 简易计算器电路原理图
键值与功能对应表
键值
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
+
-
×
/
=
ON/C
功能
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
+
-
×
÷
=
清零
表3-1
3.2 计算器的软件设计
#include<reg51.h> //头文件
#define uint unsigned int //
#define uchar unsigned char
sbit lcden=P2^3; //定义引脚
sbit rs=P2^4;
sbit rw=P2^0;
sbit busy=P0^7;
char i,j,temp,num,num_1;
long a,b,c; //a,第一个数 b,第二个数 c,得数
float a_c,b_c;
uchar flag,fuhao;//flag表示是否有符号键按下，fuhao表征按下的是哪个符号
uchar code table[]={
7,8,9,0,
4,5,6,0,
1,2,3,0,
0,0,0,0};
uchar code table1[]={
7,8,9,0x2f-0x30,
4,5,6,0x2a-0x30,
1,2,3,0x2d-0x30,
0x01-0x30,0,0x3d-0x30,0x2b-0x30};
void delay(uchar z) // 延迟函数
{
uchar y;
for(z;z>0;z--)
for(y=0;y<110;y++);
}
void check() // 判断忙或空闲
{
do{
P0=0xFF;
rs=0; //指令
rw=1; //读
lcden=0; //禁止读写
delay(1); //等待，液晶显示器处理数据
lcden=1; //允许读写
}while(busy==1); //判断是否为空闲，1为忙，0为空闲
}
void write_com(uchar com) // 写指令函数
{
P0=com; //com指令付给P0口
rs=0;
rw=0;
lcden=0;
check();
lcden=1;
}
void write_date(uchar date) // 写数据函数
{
P0=date;
rs=1;
rw=0;
lcden=0;
check();
lcden=1;
}
void init() //初始化
{
num=-1;
lcden=1; //使能信号为高电平
write_com(0x38); //8位，2行
write_com(0x0c); //显示开，光标关，不闪烁*/
write_com(0x06); //增量方式不移位 显竟獗暌贫 柚?
write_com(0x80); //检测忙信号
write_com(0x01); //显示开，光标关，不闪烁
num_1=0;
i=0;
j=0;
a=0; //第一个参与运算的数
b=0; //第二个参与运算的数
c=0;
flag=0; //flag表示是否有符号键按下，
fuhao=0; // fuhao表征按下的是哪个符号
}
void keyscan() // 键盘扫描程序
{
P3=0xfe;
if(P3!=0xfe)
{
delay(20); 延迟20ms
if(P3!=0xfe)
{
temp=P3&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=0;
break;
case 0xd0:num=1;
break;
case 0xb0:num=2;
break;
case 0x70:num=3;
break;
}
}
while(P3!=0xfe);
if(num==0||num==1||num==2)//如果按下的是'7','8'或'9
{
if(j!=0)
{
write_com(0x01);
j=0;
}
if(flag==0)//没有按过符号键
{
a=a*10+table[num];
}
else//如果按过符号键
{
b=b*10+table[num];
}
}
else//如果按下的是'/'
{
flag=1;
fuhao=4;//4表示除号已按
}
i=table1[num];
write_date(0x30+i);
}
P3=0xfd;
if(P3!=0xfd)
{
delay(5);
if(P3!=0xfd)
{
temp=P3&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=4;
break;
case 0xd0:num=5;
break;
case 0xb0:num=6;
break;
case 0x70:num=7;
break;
}
}
while(P3!=0xfd);
if(num==4||num==5||num==6&&num!=7)//如果按下的是'4','5'或'6'
{
if(j!=0)
{
write_com(0x01);
j=0;
}
if(flag==0)//没有按过符号键
{
a=a*10+table[num];
}
else//如果按过符号键
{
b=b*10+table[num];
}
}
else//如果按下的是'/'
{
flag=1;
fuhao=3;//3表示乘号已按
}
i=table1[num];
write_date(0x30+i);
}
P3=0xfb;
if(P3!=0xfb)
{
delay(5);
if(P3!=0xfb)
{
temp=P3&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=8;
break;
case 0xd0:num=9;
break;
case 0xb0:num=10;
break;
case 0x70:num=11;
break;
}
}
while(P3!=0xfb);
if(num==8||num==9||num==10)//如果按下的是'1','2'或'3'
{
if(j!=0)
{
write_com(0x01);
j=0;
}
if(flag==0)//没有按过符号键
{
a=a*10+table[num];
}
else//如果按过符号键
{
b=b*10+table[num];
}
}
else if(num==11)//如果按下的是'-'
{
flag=1;
fuhao=2;//2表示减号已按
}
i=table1[num];
write_date(0x30+i);
}
P3=0xf7;
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