王麗琴史 航

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；2.江蘇理工學(xué)院，常州 213001）

基于單片機(jī)的數(shù)字式計(jì)算器設(shè)計(jì)

王麗琴1史 航2

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164；2.江蘇理工學(xué)院，常州 213001）

該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為控制核心，矩陣鍵盤(pán)為輸入及控制單位，數(shù)碼管為動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)組成，完成了具有基本計(jì)算功能的計(jì)算器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)部分主要是系統(tǒng)完成算法、顯示等一系列計(jì)算的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件部分主要包括鍵盤(pán)掃描、最小系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)顯示、蜂鳴器四大部分。軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)全部設(shè)計(jì)的控制功能，包括基本的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、矩陣鍵盤(pán)的掃描、輸入數(shù)字的記錄、運(yùn)算的各種實(shí)現(xiàn)。蜂鳴器具有報(bào)警的功能，在輸入錯(cuò)誤或無(wú)法計(jì)算時(shí)進(jìn)行報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本較低，能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)及正常的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

單片機(jī) 矩陣鍵盤(pán) 數(shù)碼管 蜂鳴器 穩(wěn)壓芯片

引言

隨著電子計(jì)算機(jī)的普及發(fā)展，人們?cè)?jīng)預(yù)言計(jì)算器將退出歷史舞臺(tái)。然而，電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，也使計(jì)算器的功能越來(lái)越強(qiáng)大。由于計(jì)算器具有體積小、攜帶方便、易于掌握、節(jié)省工作時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用不但沒(méi)有縮小，而且在工程計(jì)算、商業(yè)和金融業(yè)務(wù)及中學(xué)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)教學(xué)中被廣泛應(yīng)用。

本次數(shù)字式計(jì)算器的設(shè)計(jì)要擁有以下幾個(gè)功能，數(shù)據(jù)的輸入、內(nèi)部處理、結(jié)果顯示、各種報(bào)錯(cuò)功能。鍵盤(pán)與數(shù)碼顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸入和輸出的外部設(shè)備。單片機(jī)通過(guò)鍵盤(pán)接收數(shù)據(jù)和命令，顯示器用來(lái)顯示單片機(jī)的計(jì)算結(jié)果或運(yùn)行狀態(tài)。這里要解決的硬件內(nèi)容有數(shù)據(jù)和符號(hào)輸入鍵盤(pán)與處理器的連接，報(bào)警器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，結(jié)果顯示數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)控制與實(shí)現(xiàn)及各種元器件的選擇，包括PCB布線的選擇；軟件部分包括對(duì)輸入數(shù)據(jù)和符號(hào)的識(shí)別和處理，將結(jié)果輸出到結(jié)果數(shù)碼管顯示，對(duì)輸入和計(jì)算錯(cuò)誤的輸出報(bào)錯(cuò)警示等功能。設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)部分主要是系統(tǒng)完成算法、顯示等一系列計(jì)算的電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是基于51系列的單片機(jī)進(jìn)行的計(jì)算器模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以完成計(jì)算器的鍵盤(pán)輸入，進(jìn)行加、減、乘、除數(shù)字運(yùn)算，并在LED上相應(yīng)顯示[1-2]。在輸入錯(cuò)誤或無(wú)法計(jì)算時(shí)，蜂鳴器具有報(bào)警功能。硬件方面，從功能考慮，首先選擇內(nèi)部存儲(chǔ)資源豐富的AT89C52單片機(jī)，輸入采用4×4矩陣鍵盤(pán)。顯示采用8位7段共陰極LED動(dòng)態(tài)顯示，復(fù)位電路采用上電復(fù)位，時(shí)鐘采用12MHz晶體振蕩電路。由于AT89C52單片機(jī)內(nèi)部有充足的程序存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，因此不需要進(jìn)行外圍存儲(chǔ)擴(kuò)展[3-4]。軟件方面，從分析計(jì)算器功能、流程圖設(shè)計(jì)，再到程序的編寫(xiě)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)計(jì)算器四則運(yùn)算算法特別是乘法和除法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，完成程序編寫(xiě)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有系統(tǒng)的供電電源設(shè)計(jì)、矩陣鍵盤(pán)設(shè)計(jì)、蜂鳴器電路設(shè)計(jì)、數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)四部分。

1.1.1 系統(tǒng)供電電源設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為核心控制器，因此，要使系統(tǒng)能穩(wěn)定持久工作，必須要為系統(tǒng)提供5V的穩(wěn)壓電源輸入，所以最終選擇5V直流電源作為系統(tǒng)電源輸入[3-6]。

1.1.2 矩陣鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

當(dāng)鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I(mǎi)/O口線的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。如圖二所示在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣做一個(gè)并行口可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，且線數(shù)越多區(qū)別就越明顯。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比獨(dú)立式鍵盤(pán)復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，分為行掃描和列掃描。在按鍵識(shí)別過(guò)程中，同時(shí)加入鍵盤(pán)的消抖處理。

1.1.3 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器只有通過(guò)電流達(dá)到一定程度時(shí)，才能聽(tīng)到響聲，而單片機(jī)不能輸出如此大的電流，所以要加一級(jí)蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)中采用一個(gè)三極管，放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的電流。

1.1.4 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)

為了節(jié)約成本，本設(shè)計(jì)的顯示部分采用由發(fā)光二極管組成的共陰極數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。它的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為射極輸出或源極輸出電路，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法后，可依據(jù)設(shè)計(jì)的功能要求將軟件的初始化模塊、數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、鍵功能處理模塊、數(shù)值運(yùn)算模塊、延時(shí)模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，然后把它們連接起來(lái)，進(jìn)行總調(diào)。系統(tǒng)主流程圖如圖3所示。主要模塊的設(shè)計(jì)思路如下。

圖3 主流程圖

1.2.1 數(shù)碼管顯示模塊

考慮到本設(shè)計(jì)的顯示部分要求實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入數(shù)值顯示及0～255以內(nèi)整數(shù)四則運(yùn)算結(jié)果的顯示（其中顯示數(shù)字要求精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)值的顯示），因此采用八位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示完成。應(yīng)用單片機(jī)來(lái)控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示數(shù)組各元素，首先要通過(guò)單片機(jī)的口控制來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的選通，即按時(shí)對(duì)各位數(shù)碼管進(jìn)行片選，然后輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，最終完成動(dòng)態(tài)顯示。

1.2.2 鍵盤(pán)功能設(shè)置軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)4*4矩陣鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)，主要完成計(jì)算數(shù)值輸入、運(yùn)算符輸入、數(shù)值清零和運(yùn)算錯(cuò)誤報(bào)警等功能。

1.2.3 計(jì)算功能設(shè)置軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)鍵盤(pán)掃描數(shù)值為0～9實(shí)數(shù)時(shí)，將數(shù)值存儲(chǔ)作為運(yùn)算操作數(shù)值并經(jīng)數(shù)碼管顯示，再次進(jìn)行鍵盤(pán)掃描。當(dāng)鍵盤(pán)掃描數(shù)值為操作符時(shí)，保存該操作符，根據(jù)操作符調(diào)用相應(yīng)的計(jì)算程序，將操作數(shù)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算，結(jié)束時(shí)首先將結(jié)果保存，調(diào)用數(shù)碼管顯示程序顯示運(yùn)算結(jié)果，同時(shí)將運(yùn)算結(jié)果賦值給操作數(shù)，再次進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，以此實(shí)現(xiàn)四則運(yùn)算功能。

2 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為控制核心，4*4鍵盤(pán)輸入，數(shù)碼管由動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)組成，完成了具有基本功能的數(shù)字式計(jì)算器的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)中運(yùn)用單片機(jī)控制技術(shù)，數(shù)碼管顯示等，并實(shí)用了4*4鍵盤(pán)掃描法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。通過(guò)不斷的嘗試和努力，使各個(gè)模塊都能穩(wěn)定工作，最終實(shí)現(xiàn)具有基本功能的計(jì)算器設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。

[1]謝維成，楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

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The Design of Digital Calculator

WANG Liqin,SHI Hang
(1.Changzhou College of Information Technology,Changzho u 213164;2.Jiangsu Institute of science and technology, Changzhou 213001)

The s ystem uses s ingle-chip AT89S52 for the control of the core, matrix keyboard for input and control unit, digital control system for dynamic dis play of th e finish with the basic computing function calculator desi gn. Designed in the focus of s ome of the m ajor systems are algorithm s, s uch as a series of calculations show that the circuit design and program design .Sys tem hardware includes a keyboard s canning, the smallest system board, data show that the majority of four buzzer. Application software Si ngle-c hip C language implementation of all design control functions, including basic digital tube dynamic display, the keyboard matrix scanning, enter the number of records, a variety of com puting implementation. With a buz zer alarm function, the input error or can not be calculated when the alarm. Designed the entire s ystem cost is lower, be able to en ter data in real-time display and computing the results of a normal real-time display.

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