韓光江+孫鵬+何夢(mèng)雪+余曉銘

摘 要：提出了一種可進(jìn)行連續(xù)四則運(yùn)算的計(jì)算器設(shè)計(jì)方案，主要從硬件部分和軟件部分兩方面介紹此設(shè)計(jì)方案。在硬件部分中，說(shuō)明了所選用的STC公司最新的STC15F2K61S2微控制器相比于傳統(tǒng)C51單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，提出了僅用3個(gè)引腳驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管的方法，并介紹了4×4矩陣鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)方案；在軟件部分中，給出了計(jì)算器程序執(zhí)行流程圖，并提出了一種實(shí)現(xiàn)計(jì)算器四則運(yùn)算的算法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算器；單片機(jī)；驅(qū)動(dòng)方案；數(shù)碼管

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.101

隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算器在生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，便攜式計(jì)算器日益成為人們工作、學(xué)習(xí)中不可或缺的工具。因此，采用STC公司最新的STC15F2K61S2單片機(jī)，并結(jié)合數(shù)碼管、矩陣鍵盤(pán)等模塊完成了一種可進(jìn)行8位數(shù)以?xún)?nèi)四則運(yùn)算的計(jì)算器設(shè)計(jì)。其能進(jìn)行連續(xù)的四則運(yùn)算，并能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果，具有計(jì)算可靠、制作簡(jiǎn)單、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 計(jì)算器硬件設(shè)計(jì)部分

1.1 微控制器

STC15F2K61S2系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、高可靠性的新一代8051單片機(jī)，ISP編程時(shí)時(shí)鐘頻率可設(shè)置為5～35 MHz，可徹底省掉外部晶振。其內(nèi)部已集成了高可靠性的復(fù)位電路，無(wú)需再設(shè)計(jì)外部復(fù)位電路。

此外，STC15F2K61S2相比于傳統(tǒng)的C51系列單片機(jī)而言，具有良好的在線(xiàn)仿真功能，可直接在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil中進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試，極大地提高了軟件開(kāi)發(fā)的效率。

1.2 數(shù)碼管顯示模塊

本模塊包含8個(gè)數(shù)碼管。在傳統(tǒng)的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)方法中，需要采用8個(gè)引腳段選，極大地浪費(fèi)了微控制器的引腳資源。因此，本設(shè)計(jì)采用2片74HC595芯片，實(shí)現(xiàn)了采用3個(gè)引腳就能完成8位數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，很好地節(jié)省了有限的控制器資源。

設(shè)計(jì)采用2片74HC595串聯(lián)，第一級(jí)（U1）的串行輸出口（QH）與第二級(jí)（U2）的串行輸入口（SER）相連。這樣在串行輸入時(shí)鐘的作用下，可一次性更新16位數(shù)據(jù)。其中，U1輸出的8位數(shù)據(jù)為數(shù)碼管的段選，控制數(shù)碼管顯示數(shù)字；U2輸出的8位數(shù)據(jù)用于選中數(shù)碼管以循環(huán)刷新。在C語(yǔ)言程序代碼中，會(huì)預(yù)先存儲(chǔ)所需要的數(shù)碼管顯示編碼，包括段選編碼和位選編碼，顯示數(shù)字時(shí)只需輸出相應(yīng)編碼即可。

1.3 矩陣鍵盤(pán)

用戶(hù)輸入采用4×4矩陣鍵盤(pán)，依次表示阿拉伯?dāng)?shù)字“0～9”“+”“-”“×”“÷”“=”和“清零（CLR）”。采用8個(gè)I/O口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中，4個(gè)為輸入口，4個(gè)為輸出口。驅(qū)動(dòng)時(shí)，在主函數(shù)中對(duì)矩陣鍵盤(pán)輪詢(xún)進(jìn)行掃描。掃描時(shí)控制行的4個(gè)I/O置高作為輸入，控制列的4個(gè)I/O置低為輸出模式。當(dāng)讀取到控制行I/O的狀態(tài)發(fā)生改變，即有按鍵按下，且處于狀態(tài)發(fā)生改變的一行4個(gè)按鍵之中。此時(shí)，可進(jìn)一步判斷具體被按下的按鍵，將控制行的I/0置低，控制列的I/O口置高，查詢(xún)控制列的I/O狀態(tài)，即可找到具體被按下的按鍵。

2 計(jì)算器軟件設(shè)計(jì)部分

計(jì)算器在上電復(fù)位后進(jìn)行相關(guān)外設(shè)的初始化，設(shè)置定時(shí)器的中斷時(shí)間為5 ms。在中斷函數(shù)中，讀取數(shù)碼管緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，通過(guò)74HC595串行輸入并行輸出進(jìn)行顯示，每次刷新1個(gè)數(shù)碼管，利用二極管的余輝效應(yīng)可達(dá)到同時(shí)顯示8個(gè)數(shù)字的效果。具體過(guò)程如圖1所示。

在主函數(shù)中，利用輪詢(xún)法判斷是否有按鍵被按下。在判斷

有按鍵按下后，更新按鍵編碼緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，并利用此數(shù)據(jù)確定按鍵動(dòng)作函數(shù)。如果輸入的是“0～9”，則臨時(shí)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)將“×10+按鍵所代表的數(shù)字”。比如，臨時(shí)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)為2，按下按鍵“5”，則進(jìn)行“2×10+5”的操作。此時(shí)，臨時(shí)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)更新為25.

當(dāng)按下運(yùn)算符按鍵時(shí)，將運(yùn)算符標(biāo)志修改為相應(yīng)的運(yùn)算符編碼，結(jié)果緩沖區(qū)會(huì)復(fù)制臨時(shí)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。比如，按下“+”，則記錄運(yùn)算符標(biāo)志symbol修改為1，當(dāng)輸入下一個(gè)數(shù)字按下“=”鍵或其他運(yùn)算符按鍵，根據(jù)運(yùn)算符標(biāo)志位，結(jié)果緩沖區(qū)和臨時(shí)緩沖區(qū)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，并將結(jié)果緩沖區(qū)的內(nèi)容復(fù)制到數(shù)碼管緩沖區(qū)，以便數(shù)碼管及時(shí)更新。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)方案采用的微控制器是STC公司最新的STC15F2K61S2微控制器，相比于傳統(tǒng)的51單片機(jī)，其能進(jìn)行在線(xiàn)仿真調(diào)試，且無(wú)需外部晶振和復(fù)位電路，降低了制作的成本和復(fù)雜度。顯示部分采用2片74HC595串聯(lián)的方法，僅使用3個(gè)引腳便可完成8位數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。在軟件設(shè)計(jì)中，提出的算法嚴(yán)謹(jǐn)、可靠，可按照預(yù)定的要求進(jìn)行連續(xù)的四則運(yùn)算。因此，文章中的計(jì)算器設(shè)計(jì)方案具有使用可靠、成本低廉、集成度高和制作簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)。在制作完成后，通過(guò)大量的運(yùn)算驗(yàn)證證明，本設(shè)計(jì)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可正確輸出計(jì)算結(jié)果。此外，此設(shè)計(jì)對(duì)理解單片機(jī)的原理、學(xué)習(xí)單片機(jī)的控制具有很大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]張建強(qiáng).電子制作基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010.

〔編輯：張思楠〕