基于單片機的數(shù)字式計算器設計

王麗琴史 航

(1.常州信息職業(yè)技術學院，常州 213164；2.江蘇理工學院，常州 213001）

基于單片機的數(shù)字式計算器設計

王麗琴1史 航2

(1.常州信息職業(yè)技術學院，常州 213164；2.江蘇理工學院，常州 213001）

該系統(tǒng)以單片機AT89S52為控制核心，矩陣鍵盤為輸入及控制單位，數(shù)碼管為動態(tài)顯示系統(tǒng)組成，完成了具有基本計算功能的計算器設計。設計中的重點部分主要是系統(tǒng)完成算法、顯示等一系列計算的電路設計和程序設計。系統(tǒng)的硬件部分主要包括鍵盤掃描、最小系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)顯示、蜂鳴器四大部分。軟件部分應用單片機C語言實現(xiàn)全部設計的控制功能，包括基本的數(shù)碼管動態(tài)顯示、矩陣鍵盤的掃描、輸入數(shù)字的記錄、運算的各種實現(xiàn)。蜂鳴器具有報警的功能，在輸入錯誤或無法計算時進行報警。整個系統(tǒng)設計成本較低，能對輸入的數(shù)據(jù)及正常的運算結(jié)果進行實時顯示。

單片機 矩陣鍵盤 數(shù)碼管 蜂鳴器 穩(wěn)壓芯片

引言

隨著電子計算機的普及發(fā)展，人們曾經(jīng)預言計算器將退出歷史舞臺。然而，電子技術的不斷進步，也使計算器的功能越來越強大。由于計算器具有體積小、攜帶方便、易于掌握、節(jié)省工作時間等優(yōu)點，它的應用不但沒有縮小，而且在工程計算、商業(yè)和金融業(yè)務及中學數(shù)學、物理、化學教學中被廣泛應用。

本次數(shù)字式計算器的設計要擁有以下幾個功能，數(shù)據(jù)的輸入、內(nèi)部處理、結(jié)果顯示、各種報錯功能。鍵盤與數(shù)碼顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸入和輸出的外部設備。單片機通過鍵盤接收數(shù)據(jù)和命令，顯示器用來顯示單片機的計算結(jié)果或運行狀態(tài)。這里要解決的硬件內(nèi)容有數(shù)據(jù)和符號輸入鍵盤與處理器的連接，報警器的設計和實現(xiàn)，結(jié)果顯示數(shù)碼管的驅(qū)動控制與實現(xiàn)及各種元器件的選擇，包括PCB布線的選擇；軟件部分包括對輸入數(shù)據(jù)和符號的識別和處理，將結(jié)果輸出到結(jié)果數(shù)碼管顯示，對輸入和計算錯誤的輸出報錯警示等功能。設計中的重點部分主要是系統(tǒng)完成算法、顯示等一系列計算的電路設計和程序設計。

1 系統(tǒng)設計方案

本設計是基于51系列的單片機進行的計算器模擬系統(tǒng)設計，可以完成計算器的鍵盤輸入，進行加、減、乘、除數(shù)字運算，并在LED上相應顯示[1-2]。在輸入錯誤或無法計算時，蜂鳴器具有報警功能。硬件方面，從功能考慮，首先選擇內(nèi)部存儲資源豐富的AT89C52單片機，輸入采用4×4矩陣鍵盤。顯示采用8位7段共陰極LED動態(tài)顯示，復位電路采用上電復位，時鐘采用12MHz晶體振蕩電路。由于AT89C52單片機內(nèi)部有充足的程序存儲單元和數(shù)據(jù)存儲單元，因此不需要進行外圍存儲擴展[3-4]。軟件方面，從分析計算器功能、流程圖設計，再到程序的編寫進行系統(tǒng)設計，針對計算器四則運算算法特別是乘法和除法運算的實現(xiàn)，完成程序編寫。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.1 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要有系統(tǒng)的供電電源設計、矩陣鍵盤設計、蜂鳴器電路設計、數(shù)碼管動態(tài)顯示電路設計四部分。

1.1.1 系統(tǒng)供電電源設計

該系統(tǒng)采用AT89S52單片機為核心控制器，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 矩陣鍵盤設計

當鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/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中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣做一個并行口可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，且線數(shù)越多區(qū)別就越明顯。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比獨立式鍵盤復雜一些，識別也要復雜一些，分為行掃描和列掃描。在按鍵識別過程中，同時加入鍵盤的消抖處理。

1.1.3 蜂鳴器電路設計

蜂鳴器只有通過電流達到一定程度時，才能聽到響聲，而單片機不能輸出如此大的電流，所以要加一級蜂鳴器的驅(qū)動，本系統(tǒng)中采用一個三極管，放大驅(qū)動蜂鳴器的電流。

1.1.4 數(shù)碼管動態(tài)顯示電路設計

為了節(jié)約成本，本設計的顯示部分采用由發(fā)光二極管組成的共陰極數(shù)碼管動態(tài)顯示。它的驅(qū)動級應為射極輸出或源極輸出電路，如圖2所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

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

圖3 主流程圖

1.2.1 數(shù)碼管顯示模塊

考慮到本設計的顯示部分要求實現(xiàn)鍵盤輸入數(shù)值顯示及0～255以內(nèi)整數(shù)四則運算結(jié)果的顯示（其中顯示數(shù)字要求精確到小數(shù)點后兩位，并且實現(xiàn)對負值的顯示），因此采用八位數(shù)碼管動態(tài)顯示完成。應用單片機來控制數(shù)碼管動態(tài)顯示數(shù)組各元素，首先要通過單片機的口控制來實現(xiàn)數(shù)碼管的選通，即按時對各位數(shù)碼管進行片選，然后輪流點亮各位數(shù)碼管，最終完成動態(tài)顯示。

1.2.2 鍵盤功能設置軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)4*4矩陣鍵盤的設計，主要完成計算數(shù)值輸入、運算符輸入、數(shù)值清零和運算錯誤報警等功能。

1.2.3 計算功能設置軟件設計

當鍵盤掃描數(shù)值為0～9實數(shù)時，將數(shù)值存儲作為運算操作數(shù)值并經(jīng)數(shù)碼管顯示，再次進行鍵盤掃描。當鍵盤掃描數(shù)值為操作符時，保存該操作符，根據(jù)操作符調(diào)用相應的計算程序，將操作數(shù)進行相應運算，結(jié)束時首先將結(jié)果保存，調(diào)用數(shù)碼管顯示程序顯示運算結(jié)果，同時將運算結(jié)果賦值給操作數(shù)，再次進行鍵盤掃描，以此實現(xiàn)四則運算功能。

2 結(jié)語

該系統(tǒng)以單片機AT89S52為控制核心，4*4鍵盤輸入，數(shù)碼管由動態(tài)顯示系統(tǒng)組成，完成了具有基本功能的數(shù)字式計算器的設計。在系統(tǒng)中運用單片機控制技術，數(shù)碼管顯示等，并實用了4*4鍵盤掃描法實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。通過不斷的嘗試和努力，使各個模塊都能穩(wěn)定工作，最終實現(xiàn)具有基本功能的計算器設計的各項要求。

[1]謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]張義和，陳敵北.例說8051[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3]勒達.單片機應用系統(tǒng)開發(fā)實例導航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]陳寧，王文寧.單片機技術項目教程[M].南京：東南大學出版社，2008.

[5]張友亮，趙志英，涂時亮.單片機微型型機原理、應用與實驗[M].上海：復旦大學出版社，2006.

[6]李誠人，高宏陽，劉淼，等.嵌入式系統(tǒng)及單片機應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

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.

microcontroller,matrix ke yboards,digital tube,beeper,voltage regulator chip