李新雪

摘要：本系統(tǒng)中央處理器由市場(chǎng)上較為成熟的51單片機(jī)來(lái)承擔(dān)，51單片機(jī)價(jià)格低廉操作簡(jiǎn)單，外圍接口豐富，可以很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能要求，鍵盤(pán)輸入部分采用4*4矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，16個(gè)按鍵分別完成0-9數(shù)字的輸入和加、減、乘、除、等號(hào)、5個(gè)計(jì)算鍵的功能，最后一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)清除計(jì)算內(nèi)容的功能，顯示單元采用LCD1602液晶顯示屏顯示，液晶顯示效果相比數(shù)碼管更加穩(wěn)定，無(wú)閃爍同時(shí)顯示字符內(nèi)容豐富。

關(guān)鍵詞：計(jì)算器；單片機(jī)；顯示屏

1.計(jì)算器設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求

本設(shè)計(jì)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制單元，然后以此單片機(jī)為基礎(chǔ)結(jié)合外圍所需的硬件電路，最后在硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)上完成軟件代碼的驗(yàn)證，最終完成簡(jiǎn)易數(shù)字計(jì)算器各項(xiàng)功能要求。此簡(jiǎn)易數(shù)字計(jì)算器主要電路模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、矩陣鍵盤(pán)電路、液晶LCD顯示電路等單元組成。系統(tǒng)所使用的主要元器件包括：STC89C52單片機(jī)、4*4矩陣鍵盤(pán)、液晶顯示屏LCD1602等。

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能和要求包括：（1）實(shí)現(xiàn)100000000以?xún)?nèi)的加法運(yùn)算功能；（2）實(shí)現(xiàn)100000000以?xún)?nèi)的減法運(yùn)算功能；（3）實(shí)現(xiàn)10000的乘法運(yùn)算功能；（4）實(shí)現(xiàn)100000000的除法運(yùn)算功能；（5）系統(tǒng)計(jì)算時(shí)輸入數(shù)字和符號(hào)以及運(yùn)算結(jié)果顯示功能；（6）系統(tǒng)輸入錯(cuò)誤時(shí)具有清除的功能。

2.單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)型號(hào)的選擇好壞直接會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，因而選擇一款合適的單片機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否起著至關(guān)重要的作用，目前市場(chǎng)上單片機(jī)種類(lèi)型號(hào)千差萬(wàn)別，從基礎(chǔ)的8位單片機(jī)到高端的64位單片機(jī)，價(jià)格從幾元到上百元不等，選擇單片機(jī)要首先要考慮價(jià)格因素，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是簡(jiǎn)易型計(jì)算器，因而功能相對(duì)較少，不需要較多的IO端口以及強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間，所以不需要選擇價(jià)位較高的高端的單片機(jī)，考慮到目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛的51位單片機(jī)完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求，因而本設(shè)計(jì)首選單片機(jī)是51單片機(jī)。宏晶科技公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)是目前國(guó)產(chǎn)單片機(jī)中性?xún)r(jià)比較高的型號(hào)，此單片機(jī)價(jià)格低廉，端口豐富完全兼容國(guó)外大品牌Atmel公司的AT89S52單片機(jī)，價(jià)格相比Atmel公司的單片機(jī)只有其價(jià)格的一般，鑒于以上分析，本文最終選擇宏晶科技的STC89C52單片機(jī)作為簡(jiǎn)易計(jì)算器的主控單片機(jī)，STC89C52單片機(jī)的引腳圖如圖1所示。

單片機(jī)最小系統(tǒng)電路是整個(gè)計(jì)算器系統(tǒng)的核心，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成敗，因而在設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電路之前一定要對(duì)單片機(jī)的工作原理有一個(gè)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，要知道單片機(jī)正常工作所需的必備條件，要了解單片機(jī)系統(tǒng)電路的組成以及各部分的主要功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路一般由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路組成，此部分設(shè)計(jì)完成的電路如圖2所示。

其中Y1為12M的晶體振蕩器，選擇12M是為了便于計(jì)算單片機(jī)運(yùn)行的周期，Y1兩端的電容 C1，C1 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。電容C1和C2應(yīng)選擇瓷片電容，至于電容容值的大小沒(méi)有嚴(yán)格的限定，只是電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度的穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF士l0pF。

3.系統(tǒng)顯示電路

主要包括單片機(jī)控制器、單片機(jī)P0口上拉電阻、LCD1602液晶顯示器和對(duì)比度調(diào)節(jié)電阻器組成，此部分電路如圖3所示。

液晶LCD1602的1腳為接地端，2腳為電源引腳，此款液晶顯示器采用DC5V電壓供電，此處VCC接5V電壓，3腳為液晶顯示器的對(duì)比度調(diào)節(jié)引腳，通過(guò)電阻R6接地，R6阻值可以選擇2.2K到4.7K之間的電阻，也可以接4.7K的可調(diào)電位器接地，可通過(guò)改變此電阻的阻值大小來(lái)調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度；4腳、5腳、6腳為液晶片選控制引腳，分別連接到單片機(jī)的P1^0、P1^1、P1^2端口，7～14腳為數(shù)據(jù)接口，與單片機(jī)的P0口相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，15、16腳為液晶的背光控制腳，分別接到電源和地，如果懸空不接則不使用背光。

按鍵輸入電路用來(lái)完成密碼的輸入和修改，按鍵輸入電路采用4*4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)，矩陣鍵盤(pán)電路如圖4所示。

4.系統(tǒng)矩陣鍵盤(pán)對(duì)應(yīng)按鍵功能如圖5所示。

如上圖5所示，0-9位數(shù)字鍵，當(dāng)運(yùn)算時(shí)按下對(duì)應(yīng)數(shù)字的按鍵即可輸入相應(yīng)數(shù)字，符號(hào)鍵“+”“-”“*”“/”“=”號(hào)對(duì)應(yīng)計(jì)算器的運(yùn)算功能鍵，當(dāng)輸入完相應(yīng)的數(shù)字后按下對(duì)應(yīng)的運(yùn)算符后即可執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)算操作，清除鍵指的是當(dāng)運(yùn)算過(guò)程中如果操作錯(cuò)誤可以按下清除鍵完成對(duì)本次運(yùn)算的清除功能，按下清除鍵以后即可進(jìn)行再次運(yùn)算操作。

當(dāng)系統(tǒng)各部分電路設(shè)計(jì)完成后，需要對(duì)各部分電路進(jìn)行總體匯總，然后對(duì)完整的電路進(jìn)行可行性分析論證，在保證系統(tǒng)電路的完整性和可靠性的前提下方可進(jìn)行下一步的軟件設(shè)計(jì)以及成品組裝，系統(tǒng)匯總完成的總體電路如圖6所示。

圖6為系統(tǒng)整體電路圖，主要包括矩陣鍵盤(pán)輸入電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路以及液晶顯示電路3大部分組成，考慮到計(jì)算器輸入鍵盤(pán)部分由0-9共10個(gè)數(shù)字鍵，5個(gè)運(yùn)算符號(hào)鍵，一個(gè)清除鍵，共需要16個(gè)按鍵，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍵盤(pán)輸入部分采用4*4的矩陣鍵盤(pán)，共16個(gè)按鍵完成；顯示界面采用LCD1602字符型液晶顯示屏，LCD1602液晶能夠顯示2行32個(gè)字符，可以很好的滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，編譯環(huán)境為Keil。

Keil c51 是美國(guó)Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，和匯編相比，C 在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。

Keil c51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil c51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。

Keil C51 可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE 本身或其它編輯器編輯C 或匯編源文件，然后分別有C51 及A51 編輯器編譯連接生成單片機(jī)可執(zhí)行的二進(jìn)制文件（.HEX），然后通過(guò)單片機(jī)的燒寫(xiě)軟件將HEX 文件燒入單片機(jī)內(nèi)。軟件主要三個(gè)方面：一是初始化系統(tǒng)；二是數(shù)據(jù)采集；三是數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行顯示。這三個(gè)方面的操作分別在主程序中來(lái)進(jìn)行。程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)，這樣程序結(jié)構(gòu)清楚，易編程和易讀性好，也便于調(diào)試和修改。

6.系統(tǒng)的調(diào)試及問(wèn)題

在調(diào)試過(guò)程中，曾遇到以下問(wèn)題：

當(dāng)硬件連接無(wú)誤，在系統(tǒng)啟動(dòng)后液晶不顯示，系統(tǒng)沒(méi)有反應(yīng)，經(jīng)過(guò)分析這種情況有以下幾種可能：第一，硬件電路中存在虛焊，或電路接線(xiàn)焊錯(cuò)；第二，芯片插反了導(dǎo)致電路短路；第三，液晶電路焊接錯(cuò)誤。

遇到這種情況首先要用萬(wàn)用表檢查芯片的供電電壓是否為5V，如果不是就檢查供電電路有沒(méi)有問(wèn)題。如果兩端有電壓就檢查一下單片機(jī)有沒(méi)有插反，通過(guò)逐步排查最終找到問(wèn)題是因?yàn)閱纹瑱C(jī)供電引腳虛焊造成的。

鍵盤(pán)輸入顯示亂碼，和設(shè)計(jì)的鍵值不符，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)矩陣鍵盤(pán)的行列端口定義與仿真接口定義不一致引起的，后重新修改端口問(wèn)題得以解決。

初期系統(tǒng)顯示不穩(wěn)定，這有可能是系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定，或者STC89C52芯片的31引腳EA引腳沒(méi)有接高電平，經(jīng)過(guò)排查發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電源電路中未加濾波電容，由于仿真電路不存在電源干擾問(wèn)題，所以在仿真中可以穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，根據(jù)仿真電路制作出的實(shí)物可能會(huì)出現(xiàn)由于外界干擾帶來(lái)的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定情況，這種情況一般是由電源的干擾造成，可以通過(guò)增加電源端的濾波電容來(lái)解決這種問(wèn)題。

7.總結(jié)：

本文采用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)完成了一款簡(jiǎn)易計(jì)算器的制作， 經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，功能穩(wěn)定操作方便，能夠達(dá)到計(jì)算器的基本功能要求，通過(guò)適當(dāng)?shù)陌b和完善即可得到很好的推廣和應(yīng)用，此次設(shè)計(jì)對(duì)我具有很好的鍛煉效果，但此次制作也有有待提高之處，比如數(shù)據(jù)處理方面，顯示屏可以顯示15位數(shù)字，去掉一位符號(hào)位，理論上可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)7位數(shù)的加減乘除運(yùn)算，但遺憾的是數(shù)據(jù)處理能力不足，未很好的解決乘法數(shù)據(jù)的處理，只能處理5位數(shù)與5位數(shù)的乘法，原因在于C語(yǔ)言運(yùn)算符本身大小限制，程序方面也沒(méi)有很好的思路解決這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)由于時(shí)間和費(fèi)用的限制，此款計(jì)算器只是實(shí)現(xiàn)了計(jì)算器的基礎(chǔ)功能，諸如開(kāi)方等一些常用功能未能夠?qū)崿F(xiàn)。

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