基于单片机的计算器的设计
摘要：本设计是一个实现加减乘除的计算器，它的硬件主要由四部分构成，一个8051单片机芯片，两个八段共阴极数码管，一个4*4键盘，它可以实现一位数的加减乘除运算。
显示部分：采用LED动态显示。
按键部分：采用4*4键盘。
采用软件识别键值，并执行相应的操作。
关键词：LED接口；键盘接口；8255A；汇编语言
一、概述
1.1设计要求及任务：
（1）设计4*4的键盘，其中10个数字键0~9，其余六个键“+”、“—”、“*”、“/”、“=”、和“C”键；
（2）设计两位LED接口电路；
（3）实现1位数的简单运算
1.2设计原理
（1）LED显示器接口技术
LED动态显示接口技术
（2）键盘显示技术
逐行（逐列扫描法）
二、系统总体方案和硬件设计
2.1计算器总体思想
显示部分：采用LED动态显示。
按键部分：采用4*4键盘。
采用软件识别键值，并执行相应的操作。
执行过程：开机显示零，等待键入数值，当键入数字，经通过数码管显示出来，当键入+、-、*、/运算符，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次键入数值，当再键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在数码管上输出运算结果。
图1 系统设计框图
2.2硬件的选择与连接
图二硬件连接总图
2.2.1硬件选择
(1)由于本设计比较简单，因此选用内部含有4KBE2PROM的89C51单片机作为系统的核心。
(2)扩展输入/输出端口
在扩展输入/输出端口时，要求输入口能够缓冲，，输出口能够锁存。
常用小规模集成电路芯片74LS244或74LS245等扩展输入端口，用74LS273、74LS373、 74LS377扩展输出端口。
这种扩展方法的特点是电路简单，但功能单一、灵活性差。
因而常采用中规模的可编程并行接口芯片8255A扩展输入/输出端口。
(3)锁存电路采用74LS373
2.2.2接口设计
(1)单片机与8255A的接口设计
8255A中的数据总线缓冲器为三态双向数据缓冲存储器，用于将8255A的数据线
D0~D7和单片机的数据总线（P0口）连接，实现单片机和接口间的数据传送。
读写控制部件的接口设计
1、/CS为片选信号，接成低电平表示8255A
被选中。
/CS与P2.7相连，用P2口的最高位控制8255A是否工作。
即将P2.7控制为低电平。
2、RESET-复位信号，高电平有效，接在单片机的RST端。
3、/RD和/WR为读写控制信号，低电平有效。
分别将两个端口接单片机的/RD和/WR
4、A1和A0-端口选择信号，分别与单片机的低两位地址线P1.1和P1.0相连。
用于选择不同端口。
采用74LS373三态锁存器，用于分离P0口第八位地址线，将它的Q0和Q1口接至8255A的地址输入端A0和A1。
所以若将P1.2~P1.7和P2.0~P2.6全接为高电平，A口地址为07FFCH,B口地址为07FFDH,C口地址为07FFEH,控制字寄存器地址为07FFFH.
(2)LED显示电路的设计：
简易计算器需要2位8段码LED显示电路。
用8051单片机经8255A扩展2位8段码LED显示器，用8255A的A口作为段码（字形代码）数据口，PB0和PB1作位码口。
图三显示器接口电路
(3)键盘接口设计
89C51单片机经8255A扩展4*4行列式键盘，8255A的B口和C口用于扩展键盘接口，B口高4位作为输出口，C口低4位作为输入口。
设各口工作于方式零。
则8255A 的工作方式控制字为10000001（81H）键盘接口设计
图四键盘接口图
三、软件设计
3、1软件系统的功能
该设计能够实现1位的加减乘除和清零功能，利用实验箱上4*6键盘中前4列，即0-9，A-F键。
A,B,C,D分别为“+”“-”“*”“/”键，E是等于键，F清零。
其他是数字
键。
再利用实验箱上的LED显示器，对于即时按下的键和结果进行显示。
3.2系统流程总图
图五系统总流程图
3.3显示程序设计
LED显示器有共阴极和共阳极两种。
共阴极就是把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地，某端接高电平时才发亮。
共阳极则是把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳接十5V端。
某端接低电平时才发亮。
在此次设计中采用共阴极接法。
LED动态显示接口技术：动态显示中，任意时刻虽只有一位显示器被点亮，但当一个循环周期小于人的视觉暂留时间时，看上去与全部显示器持续点亮的效果相同。
从而提高数码管的利用效率，所以采用LED动态显示接口技术。
多位LED显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出8条段控线（有小数点显示），另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。
利用LED动态显示的方法，设置显示缓冲地址和循环次数，让两个数码管从左到右依次显示，之间要调用延时子程序，但延时时间小于人的视觉暂留。
程序流程图如下
图六显示程序设计流程图
3.4键盘识别程序设计
3.4.1原理与分析
1、测试是否有键按下：
①单片机I/O 口向所有列线输出低电平。
即向列口写入00H。
②然后输入各行线状态，即读输入口的字。
③比较：若行线状态全为高电平，则表明无键按下；若行线状态中有低电
平,则表明有键按下。
2、消抖动
3、扫描键盘以确定被按键的物理位置
4、计算键码
如果键号是按从左到右，从上到下的顺序编排的，按这种编排规律，各行的首
键号依次是 00H、08H、10H、18H，如列线按0～7的顺序编号，则可选用键码的计算公式为：
键码= 首键号十列号
5、等待键释放
实验箱提供6*4的小键盘，只使用前四列，即0-9，A-F键。
A,B,C,D分别为“+“-”“*”“/”键，E是等于键，F清零。
其他是数字键。
再利用实验箱上的LED显示器，对于即时按下的键和结果进行显示。
向列扫描码逐列输出低电平，然后从行码地址读回。
如果有键按下，则相应的行值应为低，如果无键按下，由于上拉电阻的作用，行码为高。
这样可以通过输出的列码和读取的行码判断按下的是什么键，在判断有键按下后，要有一定的延时，防止键盘抖动。
在接线时将KEY/LED CS 接到 CS0上，则列扫描地址为08002H,行扫描地址为08001H。
为了实现键盘的数据输入功能和命令处理功能，每个键都有其处理子程序，为此每个键都对应一个码——键码。
为了得到被按键的键码，现使用行扫描法识别按键。
3.4.2流程图
该程序可由两部分构成，首先扫描是否有键按下是执行TESTKEY程序，若有键按下则调用GETKEY程序，若无键按下则继续扫描按键程序直到有键按下。
图七键盘扫描程序的流程图
四、设计体会与总结
通过基于8051单片机简易计算器的设计，加深了我对单片机课程的了解，学以致用，不但回顾了过去所学，更使我了解了现在的不足，弥补了一些知识漏洞。
更重要的是在实际设计和试验中形成了更加科学合理的认识，不断形成更为合理和具有科学性的思想方式。
在这次设计中接住了互联网等途径查询相关信息，并在图书馆查阅了大量单片机资料。
这不但扩展了有关单片机领域的眼界，而且完善了以往的知识体系。
提高了运用知识的综合能力。
五、参考文献
【1】郭文川主编. 单片机原理与接口技术[M]. 北京：中国农业出版社，2007
【2】何利民。
MCS-51系列单片机应用系统设计【M】。
北京：北京航空航天大学出版社， 1990.143.-160。
【3】李华。
MCS-51系列单片机实用接口技术【M】。
北京：北京航空航天大学出版社， 1993.148.-158。