1.1 系统开发背景
随着社会的发展，科学的进步，人们的生活水平逐渐提高，尤其是微电子技术的发展，更是如雨后春笋般日新月异。 难怪电子产品更新换代如此之快。 计算器是人们日常生活中最常见的电子产品之一。 如何让计算器技术更加成熟，充分利用现有软硬件条件，设计出更好的计算器，更好地服务于各行业，已经成为当今电子领域的重要研究课题。
1.2 系统开发的意义
如今，人们的日常生活已经离不开计算器。 它们遍布于社会的各个角落，比如商店、办公室、学校……因此，设计一款简单实用的计算器将具有很大的现实意义。
1.3 设计目的
本设计旨在进一步掌握单片机的理论知识，了解嵌入式单片机系统的软硬件设计，加强设计实际应用系统的能力。 通过本项目的学习，我掌握了单片机编程和微机接口应用的基本方法，能够综合运用本科阶段所学的软硬件知识来分析实际问题，提高毕业时解决实际问题的能力。项目，为单片机应用和开发提供支持。 打下良好的基础。
1、清楚了解字符液晶模块的初始化、清屏、显示、调用及外部特性等工作原理，并能使用LCD（液晶显示模块）显示计算结果； 掌握液晶模块的驱动和编程，设计液晶显示屏与单片机之间的接口电路，并利用单片机驱动和操作液晶模块；
2、充分分析内部逻辑概念，进行软件和调试，学会使用，能够以它为平台，设计具有四种算术运算能力的简单计算器的硬件电路和软件程序。
第二章 方案论证
2.1 规划概念
本设计可以采用两种方案。 一是采用FPGA作为核心处理芯片，并配备相应的外设； 另一种是采用AT89S52处理器并配备相应的外设。
1、方案一：使用FPGA控制
FPGA是一种高密度可编程逻辑器件。 自1985年Xilinx推出第一款FPGA以来，FPGA的集成密度和性能得到了迅速提升。 其集成密度可达500万门/芯片以上，系统性能可达200MHz。 由于其集成度高、方便易用、开发和上市周期短等特点，FPGA器件在数字设计和电子生产中得到了迅速普及和应用，并一度在高密度可编程逻辑领域占据主导地位。设备。
然而，对于基于SRAM编程的FPGA，编程信息需要存储在外部存储器中，需要外部存储芯片，使用方法复杂，保密性差。 对于一个简单的计算器来说，实用的FPGA是大材小用，成本太高。 。
2. 方案2：使用AT89S52
单片机是单片机的简称，因此也称为微控制器MCU（Micro Control Unit）。 它通常由单个集成电路芯片组成，其中包含计算机的基本功能部件：中央处理单元（CPU）、存储器和I/O接口电路等。因此，只要将微控制器与适当的软件结合起来即可与外部设备连接，即可成为单片机控制系统。 微控制器广泛应用于智能产品、智能仪器、测控技术、智能接口等领域，具有操作简单、实用方便、价格低廉等优点。 其中以MCS-51为核心的AT89S52是微控制器最典型的代表，应用于各种应用领域。 控制范围。
2.2 方案比选
通过对以上两种方案的论证和比较，从设计的实用性、便利性和成本出发，我们选择采用AT89S52单片机作为中央处理单元来设计计算器。 这样设计就可以实现四位数的加减乘除。 小数算术。
第三章系统硬件设计及说明
3.1 系统组成及总体框图
图3.1 系统组成及总体框图
3.2 组件介绍
3.2.1 AT89S52 特点
一、主要性能：
(2) 引脚说明：
VCC：电源电压。
GND：接地。
2、AT89S52功能特点说明
AT89S52 是一款低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 系统内可编程闪存。 它采用 Atmel 的高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品在指令和引脚上完全兼容。 片上闪存允许程序存储器在系统中进行编程，也适用于传统编程器。 在单芯片上，它具有智能 8 位 CPU 和系统内可编程闪存，使 AT89S52 成为许多嵌入式控制应用系统的高度灵活和超有效的解决方案。
AT89S52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash、256 字节 RAM、32 位 I/O 线、看门狗定时器、2 个数据指针、3 个 16 位定时器/计数器、1 个 6 向量 2 级中断结构、完整的-双工串口、片内晶振和时钟电路。
此外，AT89S52 可以在低至 0Hz 的静态逻辑下运行，并支持 2 种软件可选的省电模式。 在空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口和中断继续工作。 在掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，微控制器的所有工作停止，直到下一次中断或硬件复位。 8 位微控制器，具有 8K 字节的系统内可编程闪存。 同时，该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC三种封装形式，以适应不同产品的需求。
3、AT89S52引脚功能
AT89S52单片机是一款40引脚的芯片，如图3.2.1-2所示。
（1）端口线：P0、P1、P2、P3，共四个八位端口。
P0 端口：P0 端口是一个 8 位开漏双向 I/O 端口。 作为输出端口，每一位可以驱动8个TTL逻辑电平。
当向P0口写“1”时，该引脚作为高阻输入。
当访问外部程序和数据存储器时，端口0也用作低8位地址/数据复用。 该模式下，P0 没有内部上拉电阻。
Flash编程时，P0口还用于接收指令字节； 在程序验证期间，输出指令字节。 程序验证时，需要外接上拉电阻。
P1 端口：P1 端口是一个 8 位双向 I/O 端口，内部有上拉电阻。 p1输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。 当向P1端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。 当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。
另外，P1.0和P1.1分别用作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），如图下表。
在闪存编程和验证期间，P1 端口接收低 8 位地址字节。
引脚号的第二个功能：
P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕获/重载触发信号和方向控制）
P1.5 MOSI（用于系统内编程）
P1.6 MISO（用于系统内编程）
P1.7 SCK（系统内编程）
P2 端口：P2 端口是一个 8 位双向 I/O 端口，内部有上拉电阻。 P2输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。 当向P2端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。 当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。
当使用 16 位地址访问外部程序存储器或读取外部数据存储器时（例如执行 MOVX @DPTR），端口 P2 发送地址的高 8 位。 在此应用中，端口 P2 使用强内部上拉来发送 1。
当使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2端口输出P2锁存器的内容。
在闪存编程和验证期间，端口P2还接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3 端口：P3 端口是一个 8 位双向 I/O 端口，内部有上拉电阻。 p3输出缓冲器可以驱动4个TTL逻辑电平。 当向P3端口写入“1”时，内部上拉电阻将该端口拉高，可作为输入端口使用。 当用作输入时，外部拉低的引脚将由于内阻而输出电流（IIL）。
P3口还用作AT89S52的特殊功能（第二功能），如表3.2.1所示。
表3.2.1 P3口引脚可选功能：
端口引脚
第二个功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
在Flash编程和验证过程中，P3端口还接收一些控制信号。
另外，P3口还接收一些控制信号，用于FLASH闪存编程和程序验证。
(2)其他引脚说明：
RST：复位输入。 当晶振工作时，保持RST引脚为高电平2个机器周期将使单片机复位。 看门狗定时完成后，RST 引脚输出高电平，持续 96 个晶振周期。 特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO 位可以禁用该功能。 DISRTO 默认状态下，高电平复位有效。
ALE/PROG – 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存使能）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。 正常情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定脉冲信号，因此可以对外输出时钟或用于计时目的。 注：每当访问外部数据存储器时，ALE 脉冲都会被跳过。
在FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可以通过设置特殊功能寄存器 (SFR) 区域中位置 8EH 中的 D0 位来禁用 ALE 操作。 该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令可以激活 ALE。 此外，该引脚将被弱拉高。 当微控制器执行外部程序时，ALE禁用位应设置为无效。
PSEN – 程序存储使能（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。 当AT89S52从外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期PSEN有效两次，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器时，PSEN信号将被跳过两次。
EA/VPP – 允许外部访问。 为了使CPU只能访问外部程序存储器（地址0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。 需要注意的是，如果加密位LB1被编程，则EA端子状态将在复位期间被内部锁存。
如果EA端为高电平（连接到Vcc端），则CPU执行内部程序存储器中的指令。
当对FLASH存储器进行编程时，需在该引脚上加+12V编程许可电源Vpp。 当然，这必须是器件使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：反向振荡放大器的输入和内部时钟运算电路的输入。
XTAL2：反相振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2连接到石英晶体振荡器。 外部晶振引脚图如图3.2.1-3所示。
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2是输出端。 当使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1上，而XTAL2悬空。 在内部模式下，时钟发生器将振荡脉冲除以二。 例如，如果晶振为12MHz，则时钟频率为6MHz。 晶体振荡器的频率可以在1MHz至24MHz之间选择。 本设计电路选择12MHz。 电容约为20PF。 机器周期=12×时间周期，例如12MHz的机器周期为1微秒。
(3) 控制或复位引脚
RESET 当该引脚为高电平（约2个机器周期）时，单片机可以复位。
RST/VPD——高电平出现两个机器周期时，单片机复位。 复位后，P0~P3输出高电平； SP寄存器为07H； 其他寄存器全部清0； RAM 状态不受影响。 如图3.2.1-4所示。
AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，从而取代了89CXX系列的下载方式。 因此，ATMEL 已停止生产 89CXX 系列微控制器。 目前市场上销售的AT89CXX大部分都是停产前的库存产品。
4、AT89S52的编程方法
编程前必须根据编程模式表设置地址、数据和控制信号； 顺序如下：
① 在地址线上添加待编程单元的地址信号。
② 将要写入的数据字节添加到数据线上。
③ 激活相应的控制信号。
④ 将+12V编程电压加到EA/Vpp端。
⑤ 为每对写入一个字节或每次写入程序机密位的闪存阵列添加一个 ALE/PROG 编程脉冲。 每个字节写周期是自定时的，最多在50us左右。 更改烧写单元的地址和写入的数据，重复步骤①-⑤，直至所有文件烧写完成。
单片机的现状及发展方向：
微控制器是为了满足工业控制的需要而诞生的。 它是自动控制系统的核心部件，主要应用于工业控制、智能仪器仪表、家用电器等领域。 具有体积小、功能多、价格低、使用方便、系统设计灵活等优点。 其应用领域不断扩大。 除工业控制、智能仪表、通讯、家用电器外，还广泛应用于智能高端电子玩具产品。 微控制器芯片作为核心控制部件。
由于单片机主要用于工业控制，工作环境比较恶劣，有高温、强电磁干扰，甚至有腐蚀性气体。 在太空工作的单片机控制系统还必须具有抗辐射能力，这决定了单片机CPU优于通用微机CPU。 具有不同的技术特点和发展方向：
(1)可靠性高；
(2)控制功能往往很强，数值计算交叉；
(3)指令集比通用微处理器慢得多；
(4)X系列芯片更换；
(5)抗干扰性能强，工作温度范围宽。
3.2.2 LCD1602液晶显示
1. 应用介绍
该模块有自己的字符生成存储器（CGROM）。 字符包括：阿拉伯数字、大小写英文字母、常用符号以及日文假名等，每个字符都有固定的代码，如大写英文字母“A”的代码为（41H）。 显示时，模块向LCD模块发送代码41H，我们可以在LCD上看到字母“A”。
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LCD的时序控制、工作模式设置和数据显示。
所使用的LCD1602液晶模块为标准16针插座，接口电路如图3.2.3所示： LCD1602详细信息参见表3.2.3-1和表3.2.3-2。
表 3.2.3-1 LCD1602 引脚说明
第一脚
VSS为地电源
第二次踢球
VDD接5V正电源
第三次踢球
V0是液晶显示器的对比度调节端。 连接正极电源时对比度最弱，连接接地电源时对比度最高。 当对比度太高时，就会出现“重影”。 使用时可以通过10K电位器调节对比度。
实际电路中，使用2K电阻接地较为理想。
第四次踢球
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次踢球
RW为读写信号线。 当电平为高时，进行读操作，当电平为低时，进行写操作。
当RS和RW都为低（00）时，可以写入指令或显示地址；
当RS为低电平，RW为高电平（01）时，可读取忙信号；
当 RS 为高电平且 RW 为低电平 (10) 时，可以写入数据。
脚6
E端子为使能端子。 当E端从高电平跳变到低电平时，液晶模块执行命令。
7 至 14 英尺
D0~D7为8位双向数据线。
脚 15-16
背光阳极和背光阴极。
表 3.2.3-2 LCD1602 命令列表
说明1
清除显示指令码01H，并将光标复位到地址00H；
说明2
光标复位指令代码02H，光标返回到地址00H；
命令3
光标和显示模式设置
I/D位→光标移动方向，高电平右移，低电平左移；
S位→屏幕上所有文字是否向左或向右移动，高电平有效，低电平无效；
指令 4
显示开关控制
D位→控制整体显示的开启和关闭，高电平表示打开显示，低电平表示关闭显示；
C位→控制光标的开关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；
Bit B → 控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁；
指令 5
光标或显示移动
S/C位→电平高时移动显示文本，电平低时移动光标。
指令 6
功能命令设置
DL位—高电平时4位数据总线，低电平时8位总线；
N位为低电平时为单行显示，为高电平时为双行显示；
F位为低电平时，显示5×7点阵字符，为高电平时，显示5×10点阵字符；
指令 7
字符发生器 RAM 地址设置
指令 8
显存地址设置
指令 9
读取忙信号和光标地址
BF位→为忙标志位，高电平表示忙，此时模块无法接收命令或数据
指令 10
写入数据
指令 11
读取数据
2、液晶屏的特点：
(1)低压微功耗；
(2)扁平结构；
（3）被动显示型（无眩光，对人眼无刺激，不会造成眼睛疲劳）；
（4）显示信息量大（因为像素可以做得很小）；
(5) 易于着色（可以在色谱图上非常准确地再现）；
（6）无电磁辐射（对人体安全，有利于信息保密）；
(7)寿命长(这种器件几乎没有退化问题，因此具有极长的寿命，但液晶背光源的寿命有限，但背光源部分可以更换)。
第四章设计原理分析
4.1设计方案的确定
该设计需要使用 LCD 显示器和编码键盘。 因此选择静态显示和编码键盘。 使用LCD显示屏显示计算结果。
主程序初始化，其他程序选择模块化的方式。 首先，调试各个模块。 当各模块调试成功后，将它们一一添加到主程序中，最终完成整个软件部分的设计。
4.2 计算器硬件方案及硬件资源分配
4.2.1 硬件资源分配
主要使用硬件：AT89S52 LCD液晶显示编码键盘
硬件配置：
1、P1、P3端口：作为输出端口，控制液晶屏上数据显示的结果。
2、P2口：作为输入口，连接键盘，实现数据输入。
3.液晶显示输出。
4.2.2 系统硬件设计
为了更好地实现系统的功能，硬件电路的设计应遵循以下原则：
1.优化硬件电路
采用软件设计和硬件设计相结合的方法； 虽然当使用软件来实现硬件系统的功能时，响应时间可能比单纯使用硬件更长，并且还占用微处理器(MCU)时间。 然而，用软件来实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可靠性。 因此，在设计本系统时，在满足可靠性和实时性的前提下，应尽可能通过软件来实现硬件功能。
2、可靠性和抗干扰设计
根据可靠性设计理论，系统中使用的芯片越少，系统的平均无故障时间就越长。 此外，使用的芯片越少，电路板上的地址和数据总线受到干扰的可能性就越小。 因此，系统的设计思路是在满足功能的情况下力求使用更少的芯片数量。
3、灵活的功能扩展
功能扩展的灵活性是衡量一个系统好坏的重要指标。 一次性设计往往无法充分考虑系统的各个方面，系统需要不断完善和功能升级。 进行功能扩展时，应在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件来完成。 对于本系统，要求在系统硬件不变的情况下，可以通过修改软件程序来完成功能的升级和扩展。
根据第一章提出的系统设计方案，结合上述三个原则，确定了系统硬件的设计。 该计算器主要由以下功能模块组成：非编码键盘模块、LCD液晶显示模块等。
系统的硬件设计采用模块化设计方法。 AT89S52单片机和LCD显示电路是整个电路的核心，实现了系统的功能要求。
简易计算器主要包括：键盘电路和显示电路。
下图为整体硬件结构图。 （图4.2.2为整个系统示意图）
图4.2.2 计算器原理图
前面已经描述了系统的设计描述。 本系统采用了较为简单的设计方案，因此不会对系统的硬件设计总外围电路造成太大的干扰。 下面分别介绍系统的外围电路。 键盘部分采用编码键盘，显示部分采用液晶显示屏，完全可以满足显示要求。
4.2.3 键盘电路设计
键盘可分为两类：编码键盘和非编码键盘。 编码键盘是由大量按键（20个以上）和专用驱动芯片组合而成。 当按键按下时，可以处理按键抖动、连续点击等问题，并直接输出按键的代码，无需系统软件干预。 通用计算机使用的标准键盘是编码键盘。 在智能仪器中，可用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279组成编码键盘。 同时还可以兼顾数码管的显示驱动。 相关接口电路和接口软件可在芯片资料中获取。 当系统功能复杂、按键数量较多时，使用编码键盘可以简化软件设计。 非编码键盘成本低廉。
从成本角度考虑，本设计采用非编码键盘。 如图4.2.3所示
4.2.4 显示电路设计
当系统需要显示少量数据时，采用LCD显示器是一种经济实用的方法。 P0口作为液晶显示器的数据口，P3.5-P3.7口作为其控制口，控制液晶显示器显示输出数据。
最终电路如图4.2.4所示：
第五章计算器软件设计
5.1 计算器软件规划
简单计算器程序主要包括以下功能模块：
1、预定按键查找模块分为按键读取程序、按键判断程序段、操作子程序等；
2、基于液晶屏的显示模块；
3、主要模块是系统的初始化。
5.2 键盘扫描编程
键盘扫描子程序首先读取P1端口的低四位，然后读取P1端口的高四位。 然后键值并显示缓存。 然后将按键的值转换为ASCII码，然后软件就可以设置硬件按键的每个按键所代表的内容。
按键读取程序采用反转法来读取按键。 无论键盘矩阵有多大，按键都会被读取两次。 第一次，所有行线输出低电平，全部读取键盘信息（列信息）； 第二次，所有列线输出低电平，从所有行线读取键盘信息(行信息)。
按数字键将相应的数字发送到缓冲区，按功能键将执行相应的程序。
5.3 显示模块编程
显示模块程序首先要初始化显示模块； 然后控制光标的位置； 定义液晶显示器的控制端口，由SBIT指令完成； 然后设置屏幕清除、关闭显示、主页、打开显示、显示位置首地址等。
显示模块流程图如图5.3所示：
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