LED数字计算器.doc

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LCD显示数字计算器

摘要
简易计算器是一种非常广泛日常工具，对现代社会越来越流行。它可以进行一些简易的计算。本系统提供可进行简易的计算信息。该电路采用AT89S52单片机作为核心，功耗小，能在3V的低压工作，电压可选用3~5V电压供电。本系统硬件部分由AT89S52单片机、LCD1602液晶屏、键盘、指示灯系统等部分构成。软件部分在keil环境下用C51语言编写，即简易计算显示器。

关键词 AT89S52；液晶屏LCD1602；键盘

LCD display digital calculators
英文摘要
Simple calculator is a very extensive daily tool, the modern society more and more popular. It can carry on some simple calculation. This system provides for simple calculating information. This circuit USES AT89S52 SCM as the core, low consumption, in 3 v low voltage, voltage can choose 3 ~ 5 v voltage power supply. The system hardware part by the LCD1602 AT89S52 SCM, LCD, keyboard, indicator system components. Software part in the keil environment with C51 language preparation, namely simple calculation display.

英文关键词 AT89S52 devices; LCD1602 LCD screen; keyboard

一、设计目的和意义
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本设计要制作的就是单片机于生活中最为常见的异种应用——简易计算器。本简易计算器AT89S52单片机作为核心，显示电路由LCD1602组成，输入有4*4矩阵键盘组成。

二、控制要求
简易计算器通过4*4矩阵键盘输入一个简单的算术运算，且能够在LCD显示器上显示出运算值和运算结果。

三、设计方案论证
3.1 89C52单片机
1 简介
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
2 主要功能
· 标准MCS-51内核和指令系统
· 片内8kROM（可扩充64kB外部存储器）
· 32个双向I/O口
· 256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器）
· 3个16位可编程定时/计数器
· 时钟频率3.5-12/24/33MHz
· 向上或向下定时计数器
· 改进型快速编程脉冲算法
· 6个中断源
· 5.0V工作电压
· 全双工串行通信口
· 布尔处理器
·—帧错误侦测
· 4层优先级中断结构
·—自动地址识别
· 兼容TTL和CMOS逻辑电平
3 引脚说明

VCC：供电电压。 GND：接地。
　　 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
　　 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
　　 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
　　 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能
　　 P3.0 RXD（串行输入口）
　　 P3.1 TXD（串行输出口）
　　 P3.2 /INT0（外部中断0）
　　 P3.3 /INT1（外部中断1）
　　 P3.4 T0（计时器0外部输入）
　　 P3.5 T1（计时器1外部输入）
　　 P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
　　 P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
　　 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
　　 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
　　 在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
　　 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
　　 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。
4 振荡特性
外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容C1、C2接在放大器的反馈回路（AT89C52内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大电路，XTAL1、XTAL2分别是该放大器的输入和输出端）中构成并联振荡电路。
为了使装置能够被外部时钟信号激活，XATL1应该有效，而XTAL2应该被悬空。由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号，外部信号的工作周期比没有别的要求，但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观察出来。
当正常工作时，外部振荡器可以计算出XTAL1上的电容，最大可达到100pF。这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用。当外部信号是标准高电平或者低电平时，电容不会超过20pF。
3.2 LCD1602液晶显示器
1 简介
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）。
2 引脚说明
1602采用标准的16脚接口，其中：
　　 第1脚：VSS为电源地
　　 第2脚：VCC接5V电源正极
　　 第3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脚：E(或EN)端为使能(enable)端。
　　 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。
　　 第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。
3 指令说明
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示：
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）
指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：字符发生器RAM地址设置。
指令8：DDRAM地址设置。
指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：写数据。
指令11：读数据。
与HD44780相兼容的芯片时序表如下：
读状态
输入
RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令
输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出
无
读数据
输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据
输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无
4 RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，下图是1602的内部显示地址。

例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）[phone]B(80H)=11000000B(C0H)。
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如下图，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

四、系统设计
4.1 设计方法
本电路设计采用AT89S52单片机为核心，利用晶振产生频率为1HZ的时钟脉冲信号，利用液晶屏LCD1602显示计算, 通过对AT89S52单片机的编程控制液晶屏LCD1602的显示。显示计算和简易计算的信息同在LCD1602，通过按键切换选择。外部按键可及时设定或调整计算的信息。

4.2 硬件设计
本系统以AT89S52单片机为核心，本系统选用12MHZ的晶振，，使得单片机有合理的运行速度。起振电容30pF对振荡器的频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性影响较合适，复位电路为按键高电平复位。
1 4*4矩阵键盘的设计

计算器有16个键（0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，/，*，+，-，=，ON/AC）组成，在单片机中正好有一个端口实现16个按键功能，这种形式在单片机系统中最常用是矩阵键盘。矩阵式结构的键盘识别要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
　　 在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
本设计用的是一种“行扫描法”。 行扫描法 行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
判断键盘中有无键按下：将全部行线P1.1-P1.3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
2 复位电路
下图为上电按钮复位电路。只需将一个常开按钮并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。

3 时钟电路

这是内部时钟方式，采用外界晶体和电容组成的并联谐振电路。其中允许的振荡晶体可在1.2—24MHZ之间选择，一般是11.0592MHZ。电容C1，C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡速度有一定的影响，可在20—100pF之间选择，典型值为30pF。
4 LCD1602液晶屏显示

上拉电阻

4.3 软件设计
本电路软件设计采用C语言编写程序（具体程序在附件中给出）。程序设计主要包括简易计算的编程，按键编程，液晶屏LCD1602的显示编程。
4.4 软件仿真
在硬件设计完成后，利用软件对其进行仿真，以尽可能的减少做板的次数。本次我采用Proteus软件仿真。下图所示简易计算器的计算显示软件仿真正常，可进行硬件制作。

五、设计结果及分析
利用Proteus软件仿真，成功的显示出了简易计算器的运算值和结果，同样在硬件上也成功显示，如34+14=48；45/9=5等。

结束语
在用单片机实现简易计算的设计中使用到了AT89C52、LCD1602及其4*4键盘的使用。在设计过程中我通过在网上和图书馆查阅资料，和在老师蔡波的帮助下，收集了关于单片机和液晶屏LCD1602显示方面的资料，通过对这些资料的学习，我了解了单片机的基本结构和单片机在生活和生产中所发挥的作用；液晶屏LCD1602的原理和使用。液晶屏LCD1602的原理和使用。本次课程设计完成的主要工作和任务如下：对设计方案的理论研究，单片机的合理选型，硬件电路的设计，电路板的制作，元器件的焊接，软件的编写和调试以及课设论文的制作。通过设计简易计算器的过程中我掌握了单片机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件设计方法有较深入的认识。通过对电路原理图、电路仿真、电路板的制作掌握了对proteus仿真软件的使用。

参考文献
[1] 单片机的C语言应用程序设计---马忠梅，籍顺心，张凯—，北京航空航天大学出版社
[2] 单片机原理及应用---姜志海，黄玉清，刘连鑫，电子工业出版社
[3] 单片机原理及接口技术---余锡存,曹国华，西安电子科技大学出版社
附录
电路图

程序编码
#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
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
{

P1=0xfe;
if(P1!=0xfe)
{
delay(20); //延迟20ms
if(P1!=0xfe)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=0;
break;
case 0xd0:num=1;
break;
case 0xb0:num=2;
break;
case 0x70:num=3;
break;
}
}
while(P1!=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);
}

P1=0xfd;
if(P1!=0xfd)
{
delay(5);
if(P1!=0xfd)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=4;
break;

case 0xd0:num=5;
break;

case 0xb0:num=6;
break;

case 0x70:num=7;
break;
}
}
while(P1!=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);
}

P1=0xfb;
if(P1!=0xfb)
{
delay(5);
if(P1!=0xfb)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=8;
break;

case 0xd0:num=9;
break;

case 0xb0:num=10;
break;

case 0x70:num=11;
break;
}
}
while(P1!=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);
}

P1=0xf7;
if(P1!=0xf7)
{
delay(5);
if(P1!=0xf7)
{
temp=P1&0xf0;
switch(temp)
{
case 0xe0:num=12;
break;

case 0xd0:num=13;
break;

case 0xb0:num=14;
break;

case 0x70:num=15;
break;
}
}
while(P1!=0xf7);
switch(num)
{
case 12:{write_com(0x01);a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;}//按下的是"清零"
break;
case 13:{ //按下的是"0"
if(flag==0)//没有按过符号键
{
a=a*10;
write_date(0x30);
P1=0;
}
else if(flag==1)//如果按过符号键
{
b=b*10;
write_date(0x30);
}
}
break;
case 14:{j=1;
if(fuhao==1){write_com(0x8f);//按下等于键，光标前进至第二行最后一个显示处
write_com(0x04); //设置从后住前写数据，每写完一个数据，光标后退一格
c=a+b;
while(c!=0)
{
write_date(0x30+c%10);
c=c/10;
}
write_date(0x3d); //再写"="
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
else if(fuhao==2){write_com(0x8f);//光标前进至第二行最后一个显示处
write_com(0x04); //设置从后住前写数据，每写完一个数据，光标后退一格(这个照理说顺序不对，可显示和上段一样)
if(a-b>0)
c=a-b;
else
c=b-a;
while(c!=0)
{
write_date(0x30+c%10);
c=c/10;
}
if(a-b<0)
write_date(0x2d);
write_date(0x3d); //再写"="
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
else if(fuhao==3){write_com(0x8f);
write_com(0x04);
c=a*b;
while(c!=0)
{
write_date(0x30+c%10);
c=c/10;
}
write_date(0x3d);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
else if(fuhao==4){write_com(0x8f);
write_com(0x04);
i=0;
c=(long)(((float)a/b)*1000);
while(c!=0)
{
write_date(0x30+c%10);
c=c/10;
i++;
if(i==3)
write_date(0x2e);
}
if(a/b<=0)
write_date(0x30);
write_date(0x3d);
a=0;b=0;flag=0;fuhao=0;
}
}
break;
case 15:{write_date(0x30+table1[num]);flag=1;fuhao=1;}
break;
}
}
}

main()
{
init();
while(1)
{
keyscan();
}
}