单片机的简易计算器设计
摘 要本课题是基于市面上大多数相似控制系统的研究现状而提出的，旨在简易计算器系统的平均性能水平方面进行大幅度的提升，经过了STC89C51单片机微处理器芯片的嵌入以及数个高性能模块电路的搭建，并且通过C语言程序代码的控制，实现了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。在硬件系统的设计方面，将整个简易计算器系统划分成了STC89C51单片机最小系统电路部分以及液晶驱动子程序和蜂鸣器子程序等部分，而在软件部分则通过主程序以及各个子程序的构建，并且将各个程序流程进行优化和提升，使得软件系统和硬件系统的合理搭配，使得本课题设计的这款简易计算器系统表现出了优秀的工作效果。经过了多个角度并且反复的测试，这款系统无论在正常环境还是恶劣工作环境都能够长时间的稳定运行。
目录
一、 引言 1
（一） 简易计算器的发展背景 1
（二） 简易计算器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 简易计算器的方案设计 3
三、 系统硬件设计 4
（一） 简易计算器主控电路设计 4
（二） 运算关系式显示电路设计 5
（三） 按键音信号生成电路设计 6
（四） 键盘电路设计 7
四、 系统软件设计 9
（一） 简易计算器的主程序流程设计 9
（二） 液晶显示子程序流程设计 10
（三） 输出按键音子程序设计 11
总结 13
参考文献 14
致 谢 15
附录二 PCB图 17
附录三 元件列表 18
附录四 程序 19
附录五 实物展示 35
引言
简易计算器的发展背景
科学技术以及电子技术的发展往往能够对社会的进步具有极大的促进意义，本文将要研究的这款简易计算器系统也是电子技术发展进步过程中的一个具有里程碑式的产物，它的出现以及性能不断强大都是得益于电子技术的发展，在这个不断发展的过程中，电子技术、微处理器芯片生产技术、集成电路技术等一系列技术都对简易计算器系统的性能日益完善起到了巨大促进作用。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
在简易计算器系统的发展过程中，这种较为常见的控制系统从最简单的内部电路到如今的全数字化控制，这个过程度过了一段较长的时间。早期的简易计算器控制系统内部主控芯片采用的是4位或者8位的低端主控芯片，这种主控芯片在单位时间内只能够处理非常少量的数据，并且这些芯片大多数采用的是多时钟周期指令，也就是说执行一条指令所用的时间非常多，这就使得对于数据的运算处理能力非常慢，最终导致简易计算器系统无法实现对外部输入信号较快的响应，所以此时的简易计算器系统整体性能表现较差，然而这也反映了此时电子技术的发展现状。经过了几十年的发展历程，主控微处理器已经能够实现32位数据处理能力，目前市面上广为流通的STM32、ARM7或者ARM9等微处理器芯片都是采用的CORTEX架构，能够以单周期实现对指令的执行，并且芯片的主频速度也得到了极大的提升，能够保证对简易计算器系统采集进来的信号进行快速的识别和处理，为用户输出理想的处理结果。
以PLC可编程控制器作为主控核心的简易计算器系统主要应用场合是工业环境，由于工业环境噪声干扰、辐射或者高温高湿等较为突出，所以单片机等未加防护的微处理器芯片无法正常工作，只有依靠防干扰性能更为强大的PLC控制器来进行控制。其中以单片机等微处理器芯片作为主控核心的简易计算器系统主要应用场景是一些民用场合或者个人用户，这些用户所处的环境条件较好，没有那么多的环境因素干扰，所以简易计算器系统对于主控芯片的防干扰性能没有那么高的要求。
简易计算器的国内外发展现状
根据一份电子科学方面的刊物报道的一项最新研究成果显示，这款内部采用简易计算器系统的研发成果的推出，进一步降低了目前市面上相关产品的平均售价，这款产品的研究者称在内部硬件电路方面，为了提升简易计算器系统对于外部数据的高速运算速度，他们采用了多核共存方式的ARM型CPU作为主控，通过多个CPU内核并行工作，使得简易计算器系统的多项智能功能被研发出来，对于外部信号的响应具有极快的速度。国内外对于简易计算器系统的研究设计成果在近几年间取得了较大的进步，不但在这种控制系统的底层硬件架构方面进行了优化和改进，还将硬件电路中的一些冗余无效的电路进行剔除和替换，通过具有相同功能的程序代码或者数字集成芯片替代掉大面积的模拟电路结构，使得系统的外形体积进一步缩小。
本文主要研究内容
本文选用了一款高性能的STC89C51单片机芯片作为主控微处理器设计了性能高于大多数相关产品的简易计算器系统，这款系统的实现解决了目前市面上大多数相关系统研发成本高昂的问题，与此同时改善了大多数系统所存在的普遍的缺点，将总体的功耗降低到了低功耗的特征，下列为本课题将要实现的各项功能指标。
1、设计STC89C51单片机最小系统电路，通过对宏晶公司的这款高性能主控微处理器芯片的学习，掌握它的晶振电路、复位电路等基本部分的搭建技巧，在本课题中能够通过这个部分实现对键盘、液晶屏以及蜂鸣器等硬件部分的驱动，与此同时在软件上能够实现对输入参数的各种基本运算，能够在极短时间内计算出正确的结果。
2、学习掌握LCD1602液晶屏模块的使用方法以及它的对比度调节方法，在本课题将其用于实现对计算关系式的高清晰度显示。
3、学习掌握有源蜂鸣器的使用方法以及如何通过这款器件实现按键提示音的产生，结合C语言对单片机GPIO管脚输出电平的控制，实现按键音的立即响应。
4、学习掌握单片机对机械按键是否被按动的实时快速检测，通过机械按键组成4*4规模的键盘，掌握单片机如何通过8个GPIO管脚来实现对具有16个按键的键盘的动态扫描方法和原理。
简易计算器的方案设计
在对简易计算器系统的硬件电路和软件系统进行设计之前，为了能够更加方便的对各个功能模块进行实现，这里需要对简易计算器系统的总体实现方案以及各个功能子模块的实现方案进行设计，通过绘图软件绘制了下图中的结构框图，由于STC89C51单片机是主控核心，所以各个功能子模块都与主控微处理器之间有信号交互，要实现STC89C51单片机的主控功能，还需要将图中的复位电路和晶振电路两个子模块与STC89C51单片机芯片进行连接，其它各个模块的功能是：STC89C51单片机芯片将作为最小系统电路的主要部分，结合图中的时钟电路和复位电路两个部分，按照官方资料中提供的最小系统搭建方法实现这三者的正确连接，实现对框图中按键音提示电路、液晶显示电路、键盘等部分的驱动，与此同时在程序内部时间对运算法则的执行，计算出正确的运算结果。键盘模块将由16个完全相同的机械按键组成，构成计算器的数字按键和运算符号按键等，为了节省单片机的GPIO管脚资源消耗，本课题将通过STC89C51单片机的P1口构建动态扫描方式来对键盘进行驱动，实现对用户输入参数的检测。按键提示音模块主要由有源蜂鸣器和驱动电路构成，用于实现当用户按动按键时立即发出滴提示音，该电路将通过STC89C51单片机输出高低电平来实现驱动。液晶显示模块将通过LCD1602液晶屏来实现驱动，在本简易计算器控制系统中将实现对运算关系式的显示等功能，单片机将通过并行接口形式来对它进行驱动。
目录
一、 引言 1
（一） 简易计算器的发展背景 1
（二） 简易计算器的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 简易计算器的方案设计 3
三、 系统硬件设计 4
（一） 简易计算器主控电路设计 4
（二） 运算关系式显示电路设计 5
（三） 按键音信号生成电路设计 6
（四） 键盘电路设计 7
四、 系统软件设计 9
（一） 简易计算器的主程序流程设计 9
（二） 液晶显示子程序流程设计 10
（三） 输出按键音子程序设计 11
总结 13
参考文献 14
致 谢 15
附录二 PCB图 17
附录三 元件列表 18
附录四 程序 19
附录五 实物展示 35
引言
简易计算器的发展背景
科学技术以及电子技术的发展往往能够对社会的进步具有极大的促进意义，本文将要研究的这款简易计算器系统也是电子技术发展进步过程中的一个具有里程碑式的产物，它的出现以及性能不断强大都是得益于电子技术的发展，在这个不断发展的过程中，电子技术、微处理器芯片生产技术、集成电路技术等一系列技术都对简易计算器系统的性能日益完善起到了巨大促进作用。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
在简易计算器系统的发展过程中，这种较为常见的控制系统从最简单的内部电路到如今的全数字化控制，这个过程度过了一段较长的时间。早期的简易计算器控制系统内部主控芯片采用的是4位或者8位的低端主控芯片，这种主控芯片在单位时间内只能够处理非常少量的数据，并且这些芯片大多数采用的是多时钟周期指令，也就是说执行一条指令所用的时间非常多，这就使得对于数据的运算处理能力非常慢，最终导致简易计算器系统无法实现对外部输入信号较快的响应，所以此时的简易计算器系统整体性能表现较差，然而这也反映了此时电子技术的发展现状。经过了几十年的发展历程，主控微处理器已经能够实现32位数据处理能力，目前市面上广为流通的STM32、ARM7或者ARM9等微处理器芯片都是采用的CORTEX架构，能够以单周期实现对指令的执行，并且芯片的主频速度也得到了极大的提升，能够保证对简易计算器系统采集进来的信号进行快速的识别和处理，为用户输出理想的处理结果。
以PLC可编程控制器作为主控核心的简易计算器系统主要应用场合是工业环境，由于工业环境噪声干扰、辐射或者高温高湿等较为突出，所以单片机等未加防护的微处理器芯片无法正常工作，只有依靠防干扰性能更为强大的PLC控制器来进行控制。其中以单片机等微处理器芯片作为主控核心的简易计算器系统主要应用场景是一些民用场合或者个人用户，这些用户所处的环境条件较好，没有那么多的环境因素干扰，所以简易计算器系统对于主控芯片的防干扰性能没有那么高的要求。
简易计算器的国内外发展现状
根据一份电子科学方面的刊物报道的一项最新研究成果显示，这款内部采用简易计算器系统的研发成果的推出，进一步降低了目前市面上相关产品的平均售价，这款产品的研究者称在内部硬件电路方面，为了提升简易计算器系统对于外部数据的高速运算速度，他们采用了多核共存方式的ARM型CPU作为主控，通过多个CPU内核并行工作，使得简易计算器系统的多项智能功能被研发出来，对于外部信号的响应具有极快的速度。国内外对于简易计算器系统的研究设计成果在近几年间取得了较大的进步，不但在这种控制系统的底层硬件架构方面进行了优化和改进，还将硬件电路中的一些冗余无效的电路进行剔除和替换，通过具有相同功能的程序代码或者数字集成芯片替代掉大面积的模拟电路结构，使得系统的外形体积进一步缩小。
本文主要研究内容
本文选用了一款高性能的STC89C51单片机芯片作为主控微处理器设计了性能高于大多数相关产品的简易计算器系统，这款系统的实现解决了目前市面上大多数相关系统研发成本高昂的问题，与此同时改善了大多数系统所存在的普遍的缺点，将总体的功耗降低到了低功耗的特征，下列为本课题将要实现的各项功能指标。
1、设计STC89C51单片机最小系统电路，通过对宏晶公司的这款高性能主控微处理器芯片的学习，掌握它的晶振电路、复位电路等基本部分的搭建技巧，在本课题中能够通过这个部分实现对键盘、液晶屏以及蜂鸣器等硬件部分的驱动，与此同时在软件上能够实现对输入参数的各种基本运算，能够在极短时间内计算出正确的结果。
2、学习掌握LCD1602液晶屏模块的使用方法以及它的对比度调节方法，在本课题将其用于实现对计算关系式的高清晰度显示。
3、学习掌握有源蜂鸣器的使用方法以及如何通过这款器件实现按键提示音的产生，结合C语言对单片机GPIO管脚输出电平的控制，实现按键音的立即响应。
4、学习掌握单片机对机械按键是否被按动的实时快速检测，通过机械按键组成4*4规模的键盘，掌握单片机如何通过8个GPIO管脚来实现对具有16个按键的键盘的动态扫描方法和原理。
简易计算器的方案设计
在对简易计算器系统的硬件电路和软件系统进行设计之前，为了能够更加方便的对各个功能模块进行实现，这里需要对简易计算器系统的总体实现方案以及各个功能子模块的实现方案进行设计，通过绘图软件绘制了下图中的结构框图，由于STC89C51单片机是主控核心，所以各个功能子模块都与主控微处理器之间有信号交互，要实现STC89C51单片机的主控功能，还需要将图中的复位电路和晶振电路两个子模块与STC89C51单片机芯片进行连接，其它各个模块的功能是：STC89C51单片机芯片将作为最小系统电路的主要部分，结合图中的时钟电路和复位电路两个部分，按照官方资料中提供的最小系统搭建方法实现这三者的正确连接，实现对框图中按键音提示电路、液晶显示电路、键盘等部分的驱动，与此同时在程序内部时间对运算法则的执行，计算出正确的运算结果。键盘模块将由16个完全相同的机械按键组成，构成计算器的数字按键和运算符号按键等，为了节省单片机的GPIO管脚资源消耗，本课题将通过STC89C51单片机的P1口构建动态扫描方式来对键盘进行驱动，实现对用户输入参数的检测。按键提示音模块主要由有源蜂鸣器和驱动电路构成，用于实现当用户按动按键时立即发出滴提示音，该电路将通过STC89C51单片机输出高低电平来实现驱动。液晶显示模块将通过LCD1602液晶屏来实现驱动，在本简易计算器控制系统中将实现对运算关系式的显示等功能，单片机将通过并行接口形式来对它进行驱动。
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