基于51单片机的简易计算器设计

摘要

近几年单片机技术的发展很快，其中，电子产品的更新速度迅猛。计算器是日常生活中比较常见的电子产品之一。如何才能使计算器技术更加的成熟，充分利用已有的硬件和软件条件，设计出更出色的计算器。

本设计是以STC89C52单片机为核心的计算器模拟系统设计，输入采用4*4矩阵键盘，可以进行加、减、乘、除带符号数字运算（六位整数、两位小数），并在液晶显示屏LCD1602上静态显示操作过程及结果。对字符液晶显示模块的工作原理，如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清楚的认识，并会使用LCD （液晶显示模块）实现计算结果的显示；掌握液晶显示模块的驱动和编程，设计LCD和单片机的接口电路，以及利用单片机对液晶显示模块的驱动和操作；在充分分析内部逻辑的概念，进行软件和调试，学会使用，并能够以其为平台设计出具有四则运算能力简易计算器的硬件电路和软件程序。

关键词：单片机；液晶显示屏；计算器；矩阵键盘

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引言

现如今，人们的日常生活中已经离不开计算器了，社会的各个角落都有它的身影，比如商店、办公室、学校……因此设计一款简单实用的计算器会有很大的实际意义。本设计旨在进一步掌握单片机理论知识，理解单片机系统的硬软件设计，加强对实际应用系统设计的能力。通过本设计的学习，使我掌握单片机程序设计的基本方法，并能综合运用本科阶段所学软、硬件知识分析实际问题，提高解决毕业设计实际问题的能力，为单片机应用和开发打下良好的基础。

一、项目总体设计框架

1、芯片STC89C52

单片机是单片微型机的简称，故又称为微控制器MCU（Micro Control Unit）。通常由单块集成电路芯片组成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU，存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机广泛应用于智能产品，智能仪表，测控技术，智能接口等，具有操作简单、实用方便、价格便宜等优点。

而其中STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容；且是单片机中最典型的代表，应用于各种控制领域。

2、输入模块采用矩阵式键盘作为输入模块

矩阵式按键输入模块，其特点是：电路和软件稍复杂，但相比之下，当键数越多时，越节约I/O口，比较节省资源。其原理图如图所示。

图矩阵键盘输入

3、显示模块

采用LED数码管的静态显示，其特点是：其亮度较高；这种显示方式接口，

编程容易且管理简单；不足的是，占用的I/O的线资源较多。如果采用单片机或CPLD/FPGA来控制的话，势必存在浪费I/O口资源的问题。采用LED数码管的动态显示，其特点是：其亮度比静态显示的亮度要差一些；但其电路比较简单，适合于显示位数较多的情况。采用LCD1602液晶显示，其特点是：可以调节其背光亮度，这种显示方式接口，编程虽然有些麻烦，但管理较方便，占用的I/O口资源线也不多。在计算器运算中，需显示的数字、符号较多，按很据个方面的特点，而后可以发现LCD液晶显示，虽然在价格上的确是稍贵于LED数码管；但数码管在硬件设计电路中，会因线太多、线路复杂而过于繁琐，则舍弃LED数码管，选择LCD液晶显示。

4、硬件资源分配

主要用到的硬件：单片机STC89C52 、液晶显示屏LCD1602 、4*4按键键盘硬件分配：

1、P1口：作为输入口，与键盘连接，实现数据的输入；

2、P0、P2口：作为输出口（P2口为高位，P0口为低位），控制LCD液晶显示屏显示数据的结果；

3、液晶显示屏LCD1602显示输出。

二、计算器硬件设计

1、系统组成及硬件框图

2、元器件简介

2.1 STC89C52特点

图 2-2-1 单片机STC89C52

1,、主要性能：

与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz-33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、8个中断源；全双工UART串行通信；低功耗空闲和掉电模式，掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。

2、STC89C52的功能特性概述

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

2.2 LCD1602液晶显示屏

1、液晶显示原理

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式计算机、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

2、LCD1602的应用简介

LCD1602液晶显示器采用HD44780及其兼容芯片作为点阵式LCD的控制器驱动器，还采用HD44100进行LCD的时分割驱动。HD44780的内部结构主要包括显示数据RAM（DDRAM）、字符发生器ROM（CGROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、指令寄存器IR、数据寄存器DR、地址计数器AC（Address Counter）和忙标志BF （Busy Flag）等逻辑电路。

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，丰富的指令可以完成液晶

的时序控制、工作方式设置和数据显示等。

采用的LCD1602液晶模块是标准16针插座，接口电路如图2-2-5所示，及各引脚说明如表2-2-2所示。

第1脚Vss为地电源

第2脚VDD接5V正电源

第3脚Vo为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时

可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚Rs为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平选择指令

寄存器。

第5脚Rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时选择指令

寄存器。

第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块

执行命令。

第7-14脚D0-D7为8位双向数据线。

第15-16脚背光阳极和背光阴极。

3、其他方面简介

DDRAM用来暂存显示字符的代码，共80个字节，DDRAM的各个单元对应着显示屏上的各个字符位，如图2-2-6所示。因此，DDRAM的地址也就意味着显示字符的地址，显示字符时首先要向LCD送显示字符地址。

0 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0A 0B 0C 0D OE OF 1

…

…

2

7

LCD

16字*2行

三、系统的硬件设计

为了更好地实现系统的功能，硬件电路的设计应该遵循以下原则：

1、优化硬件电路

采用软件设计与硬件设计相结合的方法。尽管采用软件来实现硬件系统的功能时，也许响应的时间会比单纯使用硬件时长，而且还要占用微处理器（MCU）的时间；但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。所以，在设计本系统的时候，在满足可靠性和实时性的前提下，尽可能地通过软件来实现硬件功能。