51单片机的简易计算器设计
摘 要本文结合了大学所学的专业知识，设计了一款以AT89C51作为核心元件的简易计算器系统，能够实现加减乘除的高精度运算，并且具有较高清晰度的液晶显示功能，带来了较高的用户体验，，完成了大学学习生涯里的最后一门作业。本系统的主要特点是采用了模拟电路与数字电路相互配合的控制模式，通过模拟电路的高速特性以及数字电路的准确特性，将检测过程快速性以及输出结果高精度性等优点表现地淋漓尽致，另外本系统在成本、功耗以及使用稳定度上皆有很高的表现，不但如此，电路中的芯片全部采用了直插引脚封装，当出现损坏等情况时，能够快速地实现维修和更换等操作。经过了多次的实验验证以及电路改进，本系统表现出了很高的准确性和实用特点，适合推向未来的简易计算器控制市场，能够大幅度降低目前简易计算器系统的生产成本并且降低性价比大幅度提高。
目录
一、 引言 1
（一） 电子计算器的发展背景 1
（二） 计算器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一）AT89C51控制芯片简介 2
（二）LCD1602液晶屏幕介绍 2
三、 硬件系统设计 4
（一） 简易计算器系统的硬件结构框图设计 4
（二） AT89C51单片机最小系统设计 4
1. 晶振电路设计 4
2. 复位电路设计 5
（三） LCD1602电路设计 5
（四） 机械键盘电路设计 6
（五） 按键音电路设计 7
四、 软件系统设计 8
（一） 简易计算器系统的软件工作流程设计 8
（二）LCD1602显示流程设计 9
（三） 动态扫描键盘工作流程设计 9
五、 实物制作与安装 11
总 结 13
参考文献 14
致 谢 15
附录一 原理图 16
附录二 元件列表 17
引言
（一）电子计算器的发展背景
随着人类对电子技术以及智能技术的广泛开发，生活中几乎大多数电子器件、设备或者检测仪器已经被电子
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
系统所代替，就如计算器这种本来完全依靠传统结构来实现的常用电子产品，在其长长的发展历程中，许多新的功能被添加到其内部结构中，已经不在是传统意义上仅仅能够实现加减乘除功能的工具了。在最近几十年时间内，传感器、微处理器以及新型半导体的出现使得计算器的概念得到了重新的定义，智能运算、操作状态识别、智能唤醒、自动休眠、高精度运算以及存储等功能不断地被融入到计算器控制系统中，颠覆了原先人们对于传统计算器的想象，同时这些新功能的增加也使得它能够更好地为人们带来生活、工作以及生产上的便利，只需按键的简单操作即可实现复杂的运算过程，这是传统计算器所无法企及的。
（二）计算器的国内外发展现状
根据前不久的一份计算器行业前景研究报告显示，目前计算器已经渗透到了人们生产生活的各个角落，光是Win7系统中的自带计算器就被设计成了标准型、程序员型、科学性以及统计型四种，各种不同智能程度的计算器影响着人们的日常生活，对于计算器的研究和开发现状，国内外都已经达到了一个很高的境地，然而国外由于对智能计算器控制系统的研发起始时间更早，因此在智能方面，国外做的更加突出，国内外目前都能够实现小数点后20位以上的计算精度，在成本以及系统稳定度上，要想追赶上国外，国内研究者还有很长一段路需要走。
（三）本文主要研究内容
本次的毕业设计将在传统简易计算器系统的发展基础上，设计出一款能够实现简易计算器功能的智能简易计算器控制系统，并选用目前市场上使用最为广泛的51单片机作为控制系统的主控器件。
1、以AT89C51单片机作为主控芯片，构建其最小系统电路；
2、采用4×4机械键盘作为输入接口，通过动态扫描法实现驱动；
3、通过51单片机的CPU高性能运算能力，能够进行加减乘除运算；
4、配置LCD1602液晶屏，具有较高清晰度的液晶显示效果。
5、具有按键音功能；
方案选择及元器件介绍
（一）AT89C51控制芯片简介
本文在多款单片机的对比中，考虑到了自身学习经历、对单片机的使用经验、成本以及片内资源等多个角度，选择出了美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机来担任本文的主控微处理器，下图为该单片机图。
图1 AT89C51单片机
（二）LCD1602液晶屏幕介绍
本文将使用LCD1602型号的液晶屏集成模块来作为本次所设计控制系统的显示部分，这款液晶屏的集成度非常高，在出厂前生产厂家已经将字模模块、液晶控制器、背景灯以及其他相关模块封装在液晶屏模块内部，用户在使用时只需要进行简单的硬件电路配置即可实现LCD1602的全部功能，其使用方便性以及高性能等优点使得它在过去一段时间内已经吸引了很多使用者，下面对该款液晶屏作简要介绍。
图2 液晶显示器
硬件系统设计
（一）简易计算器系统的硬件结构框图设计
其中51单片机芯片结合复位以及晶振模块构建出了最小系统，该最小系统是整个控制系统的关键部分，其中复位电路用于向51单片机提供复位电平信号而晶振模块用于向51单片机提供时钟脉冲；4×4键盘用于输入数字以及运算符号，蜂鸣器用于当按键按下时发出“滴”的按键音，LCD1602液晶显示器用于显示运算过程以及运算结果，这就是各模块的主要功能介绍。
图3 计算器系统框图
（二）AT89C51单片机最小系统设计
晶振电路设计
下图所示的是AT89C51单片机最小系统中的晶振电路，根据官方资料显示AT89C51单片机能够在0~24MHz的时钟频率下工作，也就是说外部晶振的取值范围非常广泛，对晶振的要求较低，本系统选用了12M直插晶振作为时钟信号的产生源。两个电容与晶振两端直接相连，用于与晶振组成谐振电路，修整晶振的输出频率。
图4 晶振电路
复位电路设计
下图所示的是AT89C51单片机最小系统中的复位电路，由于所有51单片机的RST管脚在外部施加高电平时，内部程序将停止运行，并立即进行软件复位，程序将从头开始重新运行（这一点与电脑的重启相似）；而外部施加低电平时，单片机处于正常工作状态。
图5 复位电路
（三）LCD1602电路设计
对于LCD1602液晶屏的电路设计，按照如下图所示的电路原理图进行构建，其中与单片机的电路连接部分主要设计到液晶屏的EN、RS、RW以及DB0~DB7十一个管脚，其中EN、RS和RW三个为指令管脚，与51单片机的P2.5、P2.6以及P2.7三个GPIO管脚直接相连，通过这三个管脚接收单片机发来的指令电平；DB0~DB7八个管脚与51单片机的P0.0~P0.7八个管脚直接相连，通过这八个管脚接收单片机来的并行数据信号。接下来是液晶屏电源电路以及背景灯电路，由于两种电源全部采用正5V电压进行供电，因此只需要将系统中的正5V直流电压与电源管脚直接相连即可；3号管脚是液晶屏的对比度调节管脚，当施加到该管脚的直流电压不同时，对比度也不同，本系统采用了一个1.5K和一个10K阻值的电压对正5V直流电压进行分压，是加到该管脚，得到了最佳的对比度。
目录
一、 引言 1
（一） 电子计算器的发展背景 1
（二） 计算器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一）AT89C51控制芯片简介 2
（二）LCD1602液晶屏幕介绍 2
三、 硬件系统设计 4
（一） 简易计算器系统的硬件结构框图设计 4
（二） AT89C51单片机最小系统设计 4
1. 晶振电路设计 4
2. 复位电路设计 5
（三） LCD1602电路设计 5
（四） 机械键盘电路设计 6
（五） 按键音电路设计 7
四、 软件系统设计 8
（一） 简易计算器系统的软件工作流程设计 8
（二）LCD1602显示流程设计 9
（三） 动态扫描键盘工作流程设计 9
五、 实物制作与安装 11
总 结 13
参考文献 14
致 谢 15
附录一 原理图 16
附录二 元件列表 17
引言
（一）电子计算器的发展背景
随着人类对电子技术以及智能技术的广泛开发，生活中几乎大多数电子器件、设备或者检测仪器已经被电子
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
系统所代替，就如计算器这种本来完全依靠传统结构来实现的常用电子产品，在其长长的发展历程中，许多新的功能被添加到其内部结构中，已经不在是传统意义上仅仅能够实现加减乘除功能的工具了。在最近几十年时间内，传感器、微处理器以及新型半导体的出现使得计算器的概念得到了重新的定义，智能运算、操作状态识别、智能唤醒、自动休眠、高精度运算以及存储等功能不断地被融入到计算器控制系统中，颠覆了原先人们对于传统计算器的想象，同时这些新功能的增加也使得它能够更好地为人们带来生活、工作以及生产上的便利，只需按键的简单操作即可实现复杂的运算过程，这是传统计算器所无法企及的。
（二）计算器的国内外发展现状
根据前不久的一份计算器行业前景研究报告显示，目前计算器已经渗透到了人们生产生活的各个角落，光是Win7系统中的自带计算器就被设计成了标准型、程序员型、科学性以及统计型四种，各种不同智能程度的计算器影响着人们的日常生活，对于计算器的研究和开发现状，国内外都已经达到了一个很高的境地，然而国外由于对智能计算器控制系统的研发起始时间更早，因此在智能方面，国外做的更加突出，国内外目前都能够实现小数点后20位以上的计算精度，在成本以及系统稳定度上，要想追赶上国外，国内研究者还有很长一段路需要走。
（三）本文主要研究内容
本次的毕业设计将在传统简易计算器系统的发展基础上，设计出一款能够实现简易计算器功能的智能简易计算器控制系统，并选用目前市场上使用最为广泛的51单片机作为控制系统的主控器件。
1、以AT89C51单片机作为主控芯片，构建其最小系统电路；
2、采用4×4机械键盘作为输入接口，通过动态扫描法实现驱动；
3、通过51单片机的CPU高性能运算能力，能够进行加减乘除运算；
4、配置LCD1602液晶屏，具有较高清晰度的液晶显示效果。
5、具有按键音功能；
方案选择及元器件介绍
（一）AT89C51控制芯片简介
本文在多款单片机的对比中，考虑到了自身学习经历、对单片机的使用经验、成本以及片内资源等多个角度，选择出了美国ATMEL公司推出的AT89C51单片机来担任本文的主控微处理器，下图为该单片机图。
图1 AT89C51单片机
（二）LCD1602液晶屏幕介绍
本文将使用LCD1602型号的液晶屏集成模块来作为本次所设计控制系统的显示部分，这款液晶屏的集成度非常高，在出厂前生产厂家已经将字模模块、液晶控制器、背景灯以及其他相关模块封装在液晶屏模块内部，用户在使用时只需要进行简单的硬件电路配置即可实现LCD1602的全部功能，其使用方便性以及高性能等优点使得它在过去一段时间内已经吸引了很多使用者，下面对该款液晶屏作简要介绍。
图2 液晶显示器
硬件系统设计
（一）简易计算器系统的硬件结构框图设计
其中51单片机芯片结合复位以及晶振模块构建出了最小系统，该最小系统是整个控制系统的关键部分，其中复位电路用于向51单片机提供复位电平信号而晶振模块用于向51单片机提供时钟脉冲；4×4键盘用于输入数字以及运算符号，蜂鸣器用于当按键按下时发出“滴”的按键音，LCD1602液晶显示器用于显示运算过程以及运算结果，这就是各模块的主要功能介绍。
图3 计算器系统框图
（二）AT89C51单片机最小系统设计
晶振电路设计
下图所示的是AT89C51单片机最小系统中的晶振电路，根据官方资料显示AT89C51单片机能够在0~24MHz的时钟频率下工作，也就是说外部晶振的取值范围非常广泛，对晶振的要求较低，本系统选用了12M直插晶振作为时钟信号的产生源。两个电容与晶振两端直接相连，用于与晶振组成谐振电路，修整晶振的输出频率。
图4 晶振电路
复位电路设计
下图所示的是AT89C51单片机最小系统中的复位电路，由于所有51单片机的RST管脚在外部施加高电平时，内部程序将停止运行，并立即进行软件复位，程序将从头开始重新运行（这一点与电脑的重启相似）；而外部施加低电平时，单片机处于正常工作状态。
图5 复位电路
（三）LCD1602电路设计
对于LCD1602液晶屏的电路设计，按照如下图所示的电路原理图进行构建，其中与单片机的电路连接部分主要设计到液晶屏的EN、RS、RW以及DB0~DB7十一个管脚，其中EN、RS和RW三个为指令管脚，与51单片机的P2.5、P2.6以及P2.7三个GPIO管脚直接相连，通过这三个管脚接收单片机发来的指令电平；DB0~DB7八个管脚与51单片机的P0.0~P0.7八个管脚直接相连，通过这八个管脚接收单片机来的并行数据信号。接下来是液晶屏电源电路以及背景灯电路，由于两种电源全部采用正5V电压进行供电，因此只需要将系统中的正5V直流电压与电源管脚直接相连即可；3号管脚是液晶屏的对比度调节管脚，当施加到该管脚的直流电压不同时，对比度也不同，本系统采用了一个1.5K和一个10K阻值的电压对正5V直流电压进行分压，是加到该管脚，得到了最佳的对比度。
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