基于單片機控制的簡易計算器

摘要：本文論述了如何設計并制作一臺基于單片機控制的簡易計算器，簡單介紹了51單片機的各種I/O接口電路的形式及工作原理，概括分析了計算器控制程序編寫的一般思路，重點講解了鍵盤掃描程序、LED動態顯示程序的編寫以及軟、硬件聯調的的方法。

關鍵詞：單片機；計算器；矩陣鍵盤；動態顯示；蜂鳴器

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.012

計算器功能要求

該計算器鍵盤上有10個“數字按鍵0~9”，6個“功能按鍵(+、-、*、/、=、AC)”。要求當“數字按鍵”按下時，對應的數值能顯示出來；“功能按鍵”按下時，計算器能夠計算輸入的數值并顯示結果；而且每個按鍵按下后，計算器都能發出“嘟”的一聲。

硬件電路設計

為了實現上述功能，可采用多種電路方案，無論采用哪種形式，計算器都有三個基本的組成部分，即輸入電路、輸出電路與控制電路。

輸入電路主要完成信息的采集，如圖1所示，本文采用16鍵的4*4矩陣式鍵盤來實現，它由16個分別位于行和列的按鍵組成，其中4條列線分別接單片機的P1.0～P1.3，4條行線分別接單片機的P1.4～P1.7。

輸出電路由顯示部分和發聲部分組成，如圖2所示。其中顯示部分采用的是兩位LED數碼管動態掃描顯示電路，兩個數碼管均為共陽型，筆段a～dp分別接在一起，并與單片機的P0口相連，公共端分別受單片機的P2.0、P2.1控制；當CPU向P0口送出字型碼時，兩個數碼管接收相同的字型碼，但只有當P2.0或P2.1為低電平時，與數碼管公共端相連的三極管才會導通，對應的數碼管才會被點亮。發聲電路由蜂鳴器實現，由于人耳能感覺到的音頻范圍約在20Hz～20kHz之間，可以利用程序使單片機的P2.2輸出高、低變化的電平，則在該I/O口線上就能產生一定頻率的矩形波，將此I/O口線接蜂鳴器后，蜂鳴器就能發出聲音；由于單片機的I/O口線輸出的電流不足以驅動蜂鳴器發聲，因此需要在兩者之間加入功率驅動電路，如三極管。

控制電路對輸入的信息進行分析，按照計算器的功能要求實現相應的控制，可采用51系列單片機來實現。

裝配好后的計算器場景圖如圖3所示。

圖1 輸入電路原理圖

圖2 輸出電路原理圖

程序設計

作為簡易計算器，其功能就是將“數字按鍵”所對應的內容顯示出來，在“功能按鍵”按下時，能夠計算輸入的數值并顯示結果，并且在每個按鍵按下后，會發出“嘟”的一聲。因此，計算器處理程序共分為鍵盤輸入程序、LED動態顯示程序、蜂鳴器發聲程序以及運算處理程序四個部分。

鍵盤輸入程序設計

(1)按鍵查詢

單片機如何判斷某一時刻是否有按鍵按下呢？可以采用中斷或者查詢方式。本文采用查詢方式，先讓行線輸出全0、列線輸出全1，然后讀取各列線狀態，若無按鍵按下，則列線就保持全1；若有任一按鍵按下，則該按鍵對應的列線就會被拉低為0，讀取到的列線狀態就不會全為1，據此就可以知道某一時刻是否有按鍵按下。

(2)按鍵去抖

機械式按鍵在按下時，通常伴隨一定時間的觸點機械抖動，若在觸點抖動期間檢測按鍵，可能會導致判斷出錯，即按鍵一次按下被錯誤地認為是多次操作。為使單片機CPU能正確地讀出I/O口的狀態，對每一次按鍵只作一次響應，就必須考慮如何去除抖動，常用軟件法去抖動。即單片機獲得I/O口為低的信息后，不是立即認定按鍵已被按下，而是延時10毫秒或更長一些時間后再次檢測I/O口，如果仍為低，說明按鍵的確按下了。

(3)鍵盤掃描

確定有按鍵按下后，就要判斷該按鍵所在行和列。通常采用行列掃描法，即用行線作輸出線，列線作輸入線。分別將每條行線置為低電平，而其它行線為高電平，如使P1.4-P1.7依次輸出為1110、1101、1011、0111四組狀態，在每組行狀態輸出時，讀取列線P1.0-P1.3的狀態信息，若全為1，說明為“0”這一行沒有按鍵按下，接著輸出下一組行狀態并讀取列線狀態信息，直到列線不全為1為止。經這樣逐行、逐列輸出、讀取后，就可以確定被按下的按鍵所在的行和列了。為了實現鍵盤的數據輸入功能和命令處理功能，每個按鍵都有其處理子程序，因此每個按鍵都對應一個鍵值，鍵值可以根據需要任意定義。本設計要求的計算器鍵盤如圖3中所示，我們可以讓數字鍵依次定義為0~9，功能鍵分別定義為10~15，將鍵值存放在TAB表格中，如表1所示。當有按鍵按下時，根據行列掃描程序可以確定按鍵所在的行號和列號，然后使用查表指令，取得各按鍵對應的鍵值。

鍵盤掃描程序流程圖如圖4所示。

LED動態掃描顯示程序設計

所謂動態掃描，是指采用分時方法，輪流控制各個數碼管的公共端，使各個數碼管依次輪流點亮，且循環往復，只要每次重復的時間不大于20ms，主觀感覺如同靜態一樣。

若要動態顯示一個兩位的隨機數，首先要通過除法指令將其個位和十位分開，然后分別使用查表指令來獲得相應數值，再通過各自的LED控制位顯示，可按圖5所示的流程圖設計程序。其參考程序如下：

XIANSHI：MOV P2，#0FFH；關閉所有LED

MOV A，RESULT ；將隨機數送A中

MOV B，#10

DIV AB ；使用除法指令，將十位數存放在A中，個位數存放在B中

MOV DPTR，#TABLE；表格首地址送DPTR中

MOVC A，@A+DPTR；使用查表指令，取十位數對應的字型碼到A中

MOV P0，A；送十位數的字型碼到P0口

MOV P2，#0FEH；打開左邊LED

ACALL DELAY；調用延時子程序

MOV P2，#0FFH；關閉所有LED，否則顯示混亂

MOV A，B

MOVCA，@ A+DPTR；使用查表指令，取個位數對應的字型碼到A中

MOV P0，A ；送個位數的字型碼到P0口

MOV P2，#0FDH；打開右邊的LED，同時關閉左邊的LED

ACALL DELAY；調用延時子程序

AJMP XIANSHI；重新開始顯示

TABLE：DB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H，92H，82H，0F8H，80H，90H ；共陽數碼管字型碼表

其中DELAY是一個延時子程序，其延時時間不能大于20ms，這樣重復顯示的頻率才不小于50Hz，人眼才不會感到燈的閃爍。

發聲電路程序設計

根據發聲原理可知，要讓圖2中的蜂鳴器發出“嘟”聲，需要編程控制P2.2引腳，使其輸出一定頻率的音頻脈沖。為此需要計算出某一音頻的周期，為簡單起見可使高低電平持續時間相同(即半個周期)，并用延時子程序DELAY來實現，然后讓P2.2引腳循環輸出該時長的高低電平，就可得到相應的音頻脈沖了。參考程序如下：

MAIN：CPL P2.2；P2.2取反

LCALL DELAY ；調延時子程序

SETB P2.2 ；P2.2輸出高電平

LCALL DELAY；調延時子程序

LJMP MAIN ；循環執行主程序

DELAY：MOV R0，#07H；延時子程序

LOOP2：MOV R1，#1FH

LOOP1：DJNZ R1，LOOP1

DJNZ R0，LOOP2

RET

這里的延時子程序采用的是軟件延時，也可以用單片機的定時/計數器來實現延時。

計算器主程序設計

主程序是計算器控制的關鍵，首先初始化參數，關閉所有數碼管。然后掃描鍵盤，看是否有按鍵輸入。若有，經過去抖處理后，再次掃描鍵盤，如果仍有按鍵輸入，則調用發聲程序和鍵盤掃描程序。然后根據獲取的鍵值判斷，是數字按鍵，清零鍵(AC)，還是功能按鍵(+、-、*、/、= )。若是數字按鍵，則送LED顯示并保存數值；若是清零鍵，則做清零處理；若是功能按鍵，則要判斷是“=”，還是運算按鍵。若是“=”，則計算最后結果，并送LED顯示；若是運算按鍵，則保存相對運算程序的首地址。主程序流程圖如圖6所示。

主程序編寫的關鍵在于對按下按鍵的鍵值進行判斷，然后轉到相應的處理程序中。在這里，用得比較多的指令是比較不相等轉移指令CJNE Rn，#DATA，REL。

表1 按鍵對應鍵值和表格地址

圖3 計算器場景圖

圖4 鍵盤掃描程序流程圖

圖5 LED動態掃描顯示流程圖

圖6 計算器主程序流程圖

程序調試及功能驗證

計算器程序編好后，輸入到計算機中，并建立ASM源文件，然后添加到KEIL C51仿真軟件中，進行編譯和調試。調試方法采用分模塊調試，逐個解決。將計算器程序分成幾個程序塊，每個程序塊分別單獨進行調試，出現問題時及時在本模塊解決。每個程序塊都調試正常后，再逐個模塊添加，在添加過程中，要注意各個程序塊之間的協調問題。如鍵盤掃描程序中用到了R1，而在發聲程序中也用到了R1，這兩個程序在單獨調試時都沒有問題，但聯調時卻會報錯，就是因為R1沖突了。同樣的問題還有延時子程序，在按鍵去抖、LED動態掃描顯示以及發聲程序中都要用到延時子程序DELAY，但各自的延時時間不同，因此在聯調程序時，可將不同的延時子程序命名為DELAY1、DELAY2、DELAY3。

另外，在調試過程中，為了實現對錯誤信息的正確定位，可以采用單步運行和全速運行相結合的方法。全速運行配合設置斷點，可以確定錯誤的大致范圍；單步運行可以了解程序中每條指令的執行情況，對照指令運行結果就可知道該指令執行的正確性。

計算器程序全部調試完成后，使用編程器將目標文件燒寫到51單片機中，然后將51單片機插入到主板的IC插座上，并將計算器電路板和主板的電源接口、I/O接口分別連接起來，給系統加電，觀察電路運行情況，經驗證，該計算器完全能夠實現各項功能要求。