1、東北大學課程設計報告基于單片機實現的四則運算計算器姓 名學 號：班 級：專 業 名 稱：測控技術與儀器 指 導 教 師： 東 北 大 學2016年1月課程設計（論文）任務書課程設計（論文）題目：基于單片機實現的四則運算計算器基本內容和設計要求：1、主機的矩陣鍵盤輸入數和運算符號，從機顯示運算結果。2、主從單片機串行通信系統，并在LCD上顯示運算內容及結果。3、計算結果超過十位數字則顯示錯誤。4、運算除法時，結果只取整數，不是四舍五入。5、有清零功能。3東北大學課程設計報告目錄目錄課程設計（論文）任務書ii摘要1第1章 緒論21.1計算器簡介21.2設計主要內容2第2章 系統硬件設計42.1硬件

2、組成42.2輸入模塊42.3輸出模塊52.4運算模塊5第3章 系統軟件設計73.1 主程序73.1.1主程序框圖及初始化73.1.2LCD程序框圖及初始化83.1.3鍵盤程序框圖及初始化93.1.4運算程序框圖10第4章 調試測試與實驗分析114.1 計算器調試11參考文獻12心得體會13附錄 硬件原理圖及PCB圖14附錄 程序清單15附錄 實物照片28 東北大學課程設計報告第1章 緒論摘要單片機的出現是計算機制造技術高速發展的產物，它是嵌入式控制系統的核心，如今，它已廣泛的應用到我們生活的各個領域，電子、科技、通信、汽車、工業等。本設計是基于89C52RC單片機來進行的四則運算計算器系統設計

3、，可以完成計算器的鍵盤輸入，進行加、減、乘、除的基本四則運算，并在LCD1602液晶顯示屏上顯示相應的結果。本電路采用89C52RC單片機為主要控制電路，利用4*4矩陣鍵盤作為計算器以及運算符的輸入。顯示采用字符LCD靜態顯示。軟件用C語言編程，并用開發板進行演示。關鍵詞：計算器，89C52RC單片機，LCD，矩陣鍵盤第1章 緒論1.1計算器簡介計算器是現代人們發明的可以進行數字運算的電子機器。現代的電子計算器能進行數學運算的手持電子機器，除顯示計算結果外，還常有溢出指示、錯誤指示等，擁有集成電路芯片，但結構比電腦簡單得多，可以說是第一代的電子計算機（電腦），且功能也較弱，但較為方便與廉價，可

4、廣泛運用于商業交易和學習計算中，是必備的學習和辦公用品之一1。1.2設計主要內容1.2.1設計概述 本系統使用89C52RC單片機作為主控芯片，通過矩陣鍵盤輸入，進行運算，并在LCD上顯示相應的數字和結果，主要功能如下：（1） LCD第一行顯示運算符號之前的數字，第二行顯示運算符號和運算符號之后的數字，按下等號鍵得到結果。（2） 在任何時候按下清零鍵則清零。（3） 當運算完第一次完整的計算之后，可以在不按任何鍵的情況下，進行新的一輪計算。1.2.2設計思路 本系統采用MCS-52系列單片機作為主控機，通過拓展必要的外圍電路，實現對計算器的設計，具體設計如下：（1） 因為想顯示運算符號，用數碼管

5、不能很好的顯示出來，所以采用LCD1602液晶顯示器作為顯示模塊。（2） 計算器一般包含數字鍵（09），符號鍵（+，*，/）,等號鍵，清零鍵。故采用4*4矩陣鍵盤結合鍵盤掃描技術來達到要求。（3） 開機后1602顯示0，等待按鍵輸入，當鍵入數字，在LCD上顯示出來，計算器內部把數據儲存起來，并等待下一按鍵輸入，當鍵入運算符號時，計算器內部步數加1，然后等待再次輸入數值，按等于號就在LCD上顯示結果。（4） 清零功能：在運算的任何時候鍵入清零鍵，則把數據清零，等待下一次運算。1.2.3電路圖設計 根據給的開發板的原理圖在protel中設計并連接電路圖，分析電路圖的正確性，輸出PCB圖。1.2.4

6、軟件的編程利用C語言編程，分模塊測試板子的好壞，然后編寫程序，在keil中進行調試。-31-東北大學課程設計報告第2章 系統硬件設計第2章 系統硬件設計2.1硬件組成硬件以89C52單片機為核心，外部擴展用LCD實現顯示功能，用4*4矩陣鍵盤實現輸入功能。基本硬件結構圖如圖2.1所示。圖2.1 四則運算計算器基本硬件結構圖2.2輸入模塊 計算器輸入數字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨立按鍵的方式，在這種情況下，編程會簡單，但I/0口不夠用，所以采用矩陣鍵盤形式，本次采用4*4矩陣鍵盤的形式，采用四條I/O 線作為行線，四條I/O 線作為列線組成鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設置一個按

7、鍵，這樣鍵盤上按鍵的個數就為4×4個。圖2-2輸入模塊電路圖矩陣鍵盤功能：預設16個鍵位，分別是09數字鍵，加減乘除，等于和清零功能。單片機不停掃描鍵盤當發現有按鍵按下時，若為數字鍵則在lcd上顯示，功能鍵則實現對應的功能。例如，按下5時，lcd上顯示數字5，按下加號，即實現加法功能也在lcd上顯示加號。2.3輸出模塊采用LCD1602來顯示字符和數字，1602能夠同事顯示16*02即32個字符。1602液晶模塊內部的字符發生儲存器已經儲存了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字，英文字母大小寫，常用的符號等，每一個字符有一個固定的代碼。在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯

8、示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態。圖2-3輸出模塊電路圖lcd1602能夠同時顯示16*2個字符，用它接收單片機送來的信號，然后在上邊顯示相應的數字或符號，實現顯示功能。2.4運算模塊單片機是靠程序運行的，并且可以修改。通過不同的程序實現不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，通過上網查找運算代碼作參考，然后對單片機進行程序編寫，從而實現運算功能。東北大學課程設計報告第3章 系統軟件設計第3章 系統軟件設計3.1 主程序3.1.1主程序框圖及初始化主程序框圖如圖3.1所示圖3.1 主程序框圖主程序說明：接通電源后，先讓lcd顯示屏初始

9、化顯示0，然后通過鍵盤掃描看是否有鍵按下，若有鍵按下，則分析按下鍵的性能，若為數字鍵或清零鍵則通過lcd顯示，若為功能鍵，實現功能然后lcd顯示。3.1.2LCD程序框圖及初始化圖3.2 LCD程序框圖Lcd初始化顯示0，開始后判斷是否有鍵按下，有鍵按下判斷是否是數字鍵，若為數字鍵則顯示鍵值，若不是，則為功能鍵，再判斷功能鍵是否是等號，若為等號，則顯示計算結果，若不是實現功能，等待輸入。3.1.3鍵盤程序框圖及初始化圖3.3 鍵盤程序框圖開始后，掃描鍵盤，若沒有鍵按下則繼續掃描，有鍵按下，若為等號鍵則顯示結果然后結束，若不是看是否是計算符，不是計算符則讀入內存然后lcd顯示，若是計算符讀進內存

10、，等待輸入。3.1.4運算程序框圖圖3.4 運算程序框圖運算程序：先判斷運算符，若為加或乘則要判斷運算結果是否溢出，若溢出，則lcd顯示-1表示運算錯誤，若為除號，判斷除數是否為0，若為0，則lcd顯示-1表示運算錯誤，其他情況則可直接送至lcd顯示。東北大學課程設計報告第4章調試測試與實驗分析第4章 調試測試與實驗分析4.1 計算器調試（1）問題：將已編好的程序用燒錄進開發板后，發現開發板上LCD顯示屏只發光但是沒有任何數字。（2）分析：這種現象可能存在兩個問題：1）LCD顯示屏有問題2）程序存在錯誤（3）解決方案：重新檢查開發板元器件，將開發版資料已給的1602液晶顯示程序燒錄開發板中，發

11、現LCD仍然只發光不顯示任何東西，初步判定是LCD未調節好或者故障，經檢測是LCD顯示字符的亮度未調節合適，拿螺絲刀調節，LCD就能顯示字符。（4）再次檢測：再次將已編好的程序燒錄進開發板，打開開發板電源，LCD上先顯示0字符。矩陣鍵盤輸入3*4進行計算，發現顯示屏上第一行顯示3，第二行顯示4和*，然后在鍵盤上輸入=，顯示屏上得出結果12。東北大學課程設計報告參考文獻參考文獻1 李小堅 郝曉麗.protel DXP電路設計與制版實用教程J.人民郵電出版社, 2015，10.2 張秋菊 劉繼超. 單片機應用實訓教程J. 化學工業出版社, 2015,10.東北大學課程設計報告心得體會心得體會周二早

12、上開始選課題的時候，感覺我們的能力不是很強，所以想選一個簡單一點的題目，然后就選了一個四則運算計算器，這個題目硬件上的確不難，但是軟件上卻令我們很困擾，很頭疼。周二下午寫計劃的時候，看到被老師打回來這么多份計劃，我們就想自己好好的寫一寫，可是還是改了兩遍，也用了一晚上的時間，但是這個計劃卻對我們之后幾天的工作有一個很好的指導。第二天學習protel，老師沒有怎么講，我們一開始也不會用，只能是哪里不會哪里百度，但是有的元件還是沒有找到，周四早上才知道原來資料里有單片機上的元件庫，于是把那個元件庫導入，畫圖便容易多了。我們硬件沒有什么東西，于是第三天下午便開始編程了，可是我們對著程序看了一下午也沒

13、有什么頭緒，反而整得自己要發瘋了一樣，對課設也失去了信心。后來老師來檢查的時候告訴我們要一步一步的調試，不可能一口吃個大胖子，我們就把程序分開來調試，通過從圖書館借來的資料一步一步的來，程序中不懂的地方便查書或者通過網絡解決。這幾天的確是蠻痛苦的，天天早晨起來到教室里，一坐一天，感覺比上課累多了，可也有了自己的收獲，沒有老師指導，需要的東西基本上要自己來查找，也鍛煉了自己的能力。實物的焊接也鍛煉了我們的動手能力，課程設計對于我們的益處是很大的。也希望自己通過知識與實際的結合不斷的提高自己。東北大學課程設計報告附錄 程序清單附錄 硬件原理圖及PCB圖附錄 程序清單LCD1602#include

14、<reg52.h>#define LCD1602_DB P0sbit LCD1602_RS = P10;sbit LCD1602_RW = P11;sbit LCD1602_E = P12;/* 等待液晶準備好 */void LcdWaitReady() unsigned char sta; LCD1602_DB = 0xFF; LCD1602_RS = 0; LCD1602_RW = 1; do LCD1602_E = 1; sta = LCD1602_DB; /讀取狀態字 LCD1602_E = 0; while (sta & 0x80); /bit7等于1表示液晶正忙

15、，重復檢測直到其等于0為止/* 向LCD1602液晶寫入一字節命令，cmd-待寫入命令值 */void LcdWriteCmd(unsigned char cmd) LcdWaitReady(); LCD1602_RS = 0; LCD1602_RW = 0; LCD1602_DB = cmd; LCD1602_E = 1; LCD1602_E = 0;/* 向LCD1602液晶寫入一字節數據，dat-待寫入數據值 */void LcdWriteDat(unsigned char dat) LcdWaitReady(); LCD1602_RS = 1; LCD1602_RW = 0; LCD1

16、602_DB = dat; LCD1602_E = 1; LCD1602_E = 0;/* 設置顯示RAM起始地址，亦即光標位置，(x,y)-對應屏幕上的字符坐標 */void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y) unsigned char addr; if (y = 0) /由輸入的屏幕坐標計算顯示RAM的地址 addr = 0x00 + x; /第一行字符地址從0x00起始 else addr = 0x40 + x; /第二行字符地址從0x40起始 LcdWriteCmd(addr | 0x80); /設置RAM地址/* 在液晶上顯

17、示字符串，(x,y)-對應屏幕上的起始坐標，str-字符串指針 */void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str) LcdSetCursor(x, y); /設置起始地址 while (*str != '0') /連續寫入字符串數據，直到檢測到結束符 LcdWriteDat(*str+); /* 區域清除，清除從(x,y)坐標起始的len個字符位 */void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len

18、) LcdSetCursor(x, y); /設置起始地址 while (len-) /連續寫入空格 LcdWriteDat(' '); /* 整屏清除 */void LcdFullClear() LcdWriteCmd(0x01);/* 初始化1602液晶 */void InitLcd1602() LcdWriteCmd(0x38); /16*2顯示，5*7點陣，8位數據接口 LcdWriteCmd(0x0C); /顯示器開，光標關閉 LcdWriteCmd(0x06); /文字不動，地址自動+1 LcdWriteCmd(0x01); /清屏矩陣鍵盤#include <

19、reg52.h>sbit KEY_IN_1 = P24;sbit KEY_IN_2 = P25;sbit KEY_IN_3 = P26;sbit KEY_IN_4 = P27;sbit KEY_OUT_1 = P23;sbit KEY_OUT_2 = P22;sbit KEY_OUT_3 = P21;sbit KEY_OUT_4 = P20;unsigned char code KeyCodeMap44 = /矩陣按鍵編號到標準鍵盤鍵碼的映射表 '1', '2', '3', 0x26 , /數字鍵1、數字鍵2、數字鍵3、向上鍵 '4

20、', '5', '6', 0x25 , /數字鍵4、數字鍵5、數字鍵6、向左鍵 '7', '8', '9', 0x28 , /數字鍵7、數字鍵8、數字鍵9、向下鍵 '0', 0x1B, 0x0D, 0x27 /數字鍵0、ESC鍵、 回車鍵、 向右鍵;unsigned char pdata KeySta44 = /全部矩陣按鍵的當前狀態 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1;extern void Reset();extern void

21、GetResult();extern void NumKeyAction(unsigned char n);extern void OprtKeyAction(unsigned char type);extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);void KeyAction(unsigned char keycode)if(keycode >= '0') && (keycode <= '9')NumKeyAction(keyco

22、de - '0');else if(keycode = 0x26)OprtKeyAction(0);else if(keycode = 0x28)OprtKeyAction(1);else if(keycode = 0x25)OprtKeyAction(2);else if(keycode = 0x27)OprtKeyAction(3);else if(keycode = 0x0D)GetResult();else if(keycode = 0x1B)Reset();LcdShowStr(15, 1, "0");/* 按鍵驅動函數，檢測按鍵動作，調度相應動作

23、函數，需在主循環中調用 */void KeyDriver() unsigned char i, j; static unsigned char pdata backup44 = /按鍵值備份，保存前一次的值 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 ; for (i=0; i<4; i+) /循環檢測4*4的矩陣按鍵 for (j=0; j<4; j+) if (backupij != KeyStaij) /檢測按鍵動作 if (backupij != 0) /按鍵按下時執行動作 KeyAction(KeyCodeMapij);

24、/調用按鍵動作函數 backupij = KeyStaij; /刷新前一次的備份值 /* 按鍵掃描函數，需在定時中斷中調用，推薦調用間隔1ms */void KeyScan() unsigned char i; static unsigned char keyout = 0; /矩陣按鍵掃描輸出索引 static unsigned char keybuf44 = /矩陣按鍵掃描緩沖區 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF ; /將一行的4個按鍵

25、值移入緩沖區 keybufkeyout0 = (keybufkeyout0 << 1) | KEY_IN_1; keybufkeyout1 = (keybufkeyout1 << 1) | KEY_IN_2; keybufkeyout2 = (keybufkeyout2 << 1) | KEY_IN_3; keybufkeyout3 = (keybufkeyout3 << 1) | KEY_IN_4; /消抖后更新按鍵狀態 for (i=0; i<4; i+) /每行4個按鍵，所以循環4次 if (keybufkeyouti & 0

26、x0F) = 0x00) /連續4次掃描值為0，即4*4ms內都是按下狀態時，可認為按鍵已穩定的按下 KeyStakeyouti = 0; else if (keybufkeyouti & 0x0F) = 0x0F) /連續4次掃描值為1，即4*4ms內都是彈起狀態時，可認為按鍵已穩定的彈起 KeyStakeyouti = 1; /執行下一次的掃描輸出 keyout+; /輸出索引遞增 keyout &= 0x03; /索引值加到4即歸零 switch (keyout) /根據索引，釋放當前輸出引腳，拉低下次的輸出引腳 case 0: KEY_OUT_4 = 1; KEY_OU

27、T_1 = 0; break; case 1: KEY_OUT_1 = 1; KEY_OUT_2 = 0; break; case 2: KEY_OUT_2 = 1; KEY_OUT_3 = 0; break; case 3: KEY_OUT_3 = 1; KEY_OUT_4 = 0; break; default: break; 主函數#include <reg52.h>unsigned char step = 0;unsigned char oprt = 0;signed long num1 = 0;signed long num2 = 0;signed long result

28、 = 0;unsigned char T0RH = 0;unsigned char T0RL = 0;void ConfigTimer0(unsigned int ms);extern void KeyScan();extern void KeyDriver();extern void InitLcd1602();extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);extern void LcdFullClear();extern void LcdAreaClear(unsigned char

29、 x, unsigned char y, unsigned char len);void main() EA = 1; /開總中斷 ConfigTimer0(1); /配置T0定時1msInitLcd1602(); /初始化液晶 LcdShowStr(15, 1, "0"); /初始顯示一個數字0 while (1) KeyDriver(); /調用按鍵驅動 unsigned char LongToString(unsigned char *str, signed long dat)signed char i = 0;unsigned char len = 0;unsign

30、ed char buf12;if(dat < 0)dat = -dat;*str+ = '-'len+;dobufi+ = dat % 10;dat /= 10;while(dat > 0);len += i;while(i- > 0)*str+ = bufi + '0'*str = '0'return len;void ShowOprt(unsigned char y, unsigned char type)switch(type)case 0: LcdShowStr(0, y, "+"); break;c

31、ase 1:LcdShowStr(0, y, "-"); break;case 2:LcdShowStr(0, y, "*"); break;case 3:LcdShowStr(0, y, "/"); break;default: break;void Reset()num1 = 0;num2 = 0;step = 0;LcdFullClear();void NumKeyAction(unsigned char n)unsigned char len = 0;unsigned char str12;if(step > 1)Res

32、et();if(step = 0)num1 = num1*10 + n;len = LongToString(str, num1);LcdShowStr(16 - len, 1, str);else num2 = num2*10 + n;len = LongToString(str, num2);LcdShowStr(16 - len, 1, str);void OprtKeyAction(unsigned char type) unsigned char len;unsigned char str12;if(step = 0)len = LongToString(str, num1);LcdAreaClear(0, 0, 16-len);LcdShowStr(16-len, 0, str);ShowOprt(1, type); LcdAre