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基于单片机的科学计算器的设计

摘  要

近些年，随着科技的飞速进步，人们对物质生活水平的要求不断提高，已经不再满足于简易的计算工具，于是计算工具也变得越来越强大。目前市面上出现的计算器大都是基于单片机技术的简易计算器，利用单片机将硬件部分与软件编程技术结合起来，从而实现多种显示单元的控制。本文设计了一款基于单片机的具有语音播报功能的简易科学计算器。

本设计采用晶弘科技的STC89C52单片机作为核心处理器，LCD1602作为数据和时间的显示器，4*4矩阵键盘和4*1独立按键共同构成计算器的输入模块，利用语音芯片WT588D进行数据的播报，当有按键按下，语音芯片会根据按键内容进行播报，采用时钟芯片DS1302来显示实时时间。本设计使用方法简单，便于携带，操作界面简洁明了，不仅可以进行普通的加减乘除四则运算，还可以进行平方、开方、Log等科学运算，足以满足人们的日常需要。

关键词：计算器；液晶显示；矩阵键盘；WT588D；STC89C52

 

目  录

摘  要 i

ABSTRACT ii

目  录 iii

1 绪论 1

1.1 研究背景及目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.3 研究方法 3

1.4 论文构成 3

2 设计方案 4

2.1 设计任务 4

2.2 设计思路 4

2.3 方案论证 5

2.3.1 核心控制器方案论证 5

2.3.2 电源模块方案论证 5

2.3.3 显示模块方案论证 6

2.3.4 按键模块方案论证 6

2.3.5 按键消抖方案论证 7

2.3.6 时钟模块方案论证 7

2.3.7 语音播报方案论证 8

2.4 设计总体方案 8

3 硬件电路设计 9

3.1 单片机介绍 9

3.2 单片机最小系统 10

3.2.1 复位电路 11

3.2.2 时钟电路 12

3.3 电源电路设计 12

3.4 显示电路设计 13

3.4.1 LCD1602概述 13

3.4.2 LCD1602管脚说明 14

3.4.3 LCD1602电路设计 15

3.5 时间计时电路设计 16

3.5.1 DS1302概述 16

3.5.2 DS1302管脚说明 16

3.5.3 DS1302电路设计 17

3.6 按键电路设计 18

3.7 语音播报电路设计 18

3.8 原理图和PCB设计 20

4 软件设计 22

4.1 主程序设计 22

4.2 按键模块软件设计 23

4.3 显示模块软件设计 23

4.4 时钟模块软件设计 24

5 系统仿真及实物调试 26

5.1 软件介绍 26

5.1.1 KEIL软件简介 26

5.1.2 PROTEUS简介 26

5.2 系统仿真 26

5.3 实物调试 28

结  论 30

参考文献 31

致    谢 33

附录 一 34

附录 二 43

附录 三 55

 

1绪论

1.1研究背景及目的

目前，随着社会的发展，科学技术也在飞速的进步，计算器已经融入到了人们的日常生活中。我国是世界上最早使用计算工具的国家,起初人们用的是一种由竹子、木头或动物骨骼制成的一种工具，叫做筹策，也叫算筹，其大约由270件捆绑在一起，可随身携带。

17世纪初，西方国家的计算工具得到了很大的发展。英国数学家纳皮尔、英国牧师奥德却相继发明出更强大的计算器，可以对“加法、减法、乘法、除法、乘法、平方根、甚至函数”进行运算。这些计算工具不仅推动了计算器的发展，也为现代计算器的发展奠定了良好的基础。

电子计算器是日常生活中常用的电子计算仪器，广泛应用于超市，大中型商场，大小企业等。电子计算器具有精度高、体积小、适用范围广、操作使用方便等优点，所以它带来的便利也是不可否认的。基于单片机控制的计算器主要用于加法，减法，乘法和除法。同时，由于51单片机开发历史悠久，学习资料越来越完善，基于单片机实现的计算器体积小、重量轻、价格便宜、功能强大、灵活方便，大大提高我们的工作效率和降低了错误率。

目前技术的进步告别了过去复杂的模拟电路，仅几厘米的芯片可以代替大量繁琐的电路。如今，科学计算器被广泛使用。它与我们每天利用的计算工具不同。除了能对加法、减法、乘法和除法进行运算之外，科学计算器还具有对计算指数、对数、三角、反三角等函数进行运算和对数据进行存储的功能。

未来的计算器将会更小、更智能。如今，利用太阳能作为电源的计算器，使用集成电路设计的小型计算器等相继出现。未来计算器的发展一定是越来越智能化，这将对人类的发展产生重大的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

彭真真设计的科学计算器，控制芯片采用了STC89C58单片机，键盘采用了4*6的矩阵键盘，计算器的屏幕采用了驱动LCD12864，用C语言对软件进行编写。不仅可以实现简单的四则运算，还可以实现科学计算，精度可以达到小数点后5位；用LCD12864显示出计算结果、运算式及运算过程[10]。刘巧平等人在2016年设计出采用STC89C52单片机的实用型计算器。该设计的硬件电路由三部分构成：第一部分是按键模块，利用4*4矩阵键盘作为计算器的输入电路；第二部分是LCD1602液晶显示模块；第三部分是以STC89C52单片机作为计算器的控制核心。软件部分主要由三部分组成：主程序、按键扫描程序和LCD1602显示程序。设计出的计算器通过软件编程能够实现基本的加法、减法、乘法、除法运算，以及具有清零和复位的功能[11]。董雷刚设计的电子计算器，采用嵌入式的技术设计，能够实现10位数以内的加、减、乘、除等基本功能。该计算器的主控芯片采用了AT89S51嵌入式单片机、输入模块采用4*4矩阵键盘，输出模块采用1602液晶显示，更加方便了人们的使用[12]。程书伟等人以STC89C52单片机作为核心器件，利用4*4矩阵键盘作为输入模块，LCD1602液晶显示器作为输出模块，利用PZ-ISP烧写程序，研究并设计出一款嵌入式计算器。该计算器可以嵌入到其它的控制模块中进行算术运算，如温度监测模块，并可以将操作步骤和运算结果在LCD1602上显示出来，还增加了控制模块的预警功能，可以提高系统运行效率，具有较好的应用前景[13]。徐昆良等人基于单片机，使用液晶显示器显示运算式和结果，介绍了键盘电路设计，显示电路设计以及单片机最小系统的电路设计等，对键盘扫描程序、LCD动态显示程序的编写和软、硬件联合调试的方法进行了重点的讲解，同时还概括了编写计算器时控制程序的思路[14-19]。

1.2.2国外研究现状

Kumar,MS等人提出了一种高精度、硬件高效的手持式科学计算器CORDIC结构，这个结构将计算标准的超越函数。CORDIC结构不使用任何微积分方法，如有理函数或多项式函数。该结构基于移位加法运算，可以在硬件上实现完整的结构实现，且详细分析了CORDIC级数与角收敛的关系，出了一种利用细粒度和粗粒度方法减小基于ROM的查找表（Loop Up Table,LUT）大小的新方法。提出的体系结构将计算所有基本基本函数，如对数函数、三角函数和指数函数[20]。Sugiura,T等人提出了一种平均相位相干(Mean Phase Coherence,MPC)计算方法，该方法在数学推导相同的前提下，去掉了原MPC的高成本运算，同时牺牲了计算精度和吞吐量，提出了一种延迟为21个周期、管道间隔为5个周期的MPC计算机硬件实现方法。与具有相同标准单元库的传统实现相比，该实现的硬件实现效率（定义为每个门计数的吞吐量）提高了2.8倍[21]。

1.3研究方法

由于这是第一次接触这样的设计，本人首先咨询了大量的信息，了解当前更成熟的技术解决方案。确定技术解决方案后，便开始学习每个设备的驱动程序。驱动每个设备后，就尝试将它们组合起来，从而实现计算器的设计要求。

1.4论文构成

本论文主要由摘要、绪论、设计方案、系统硬件电路设计、软件设计、系统仿真以及实物调试、总结和附录几大部分组成。

摘要介绍了本设计的研究意义、主要设计内容以及本设计的优点；

第一章是绪论，阐述本设计的研究背景及目的、国内外研究现状、研究方法和论文结构；

第二章是设计方案，介绍设计任务、系统总体技术方案及各部分方案论证；

第三章是系统硬件电路设计，介绍本设计所选用的各器件的外部电路设计；

第四章是软件设计，介绍本设计的各部分的软件程序设计；

第五章是系统仿真及实物调试，描述了编辑软件Keil和仿真软件Protues的使用及本设计的仿真、焊接和调试；

总结部分则是本人对于本次设计的心得体会；

附录部分将会附上外文文献翻译、原文及本次设计的原理图以便参考。

 

 

结论

本文利用STC89C52单片机设计完成了一款具有语音播报功能的科学计算器的制作，经过实际测试，功能稳定操作方便，能够达到计算器的基本功能要求，通过适当的包装和完善即可得到很好的推广和应用。本设计可以通过矩阵键盘按键来进行数据的输入，在按下按键后的极小的一段时间内，语音芯片会通过扬声器来播报按键内容；实时时间可以通过DS1302在LCD1602的左下方显示出来，并且实时时间可以通过按键进行调节；为防止系统在掉电后实时时间不会停止，本人给DS1302添加了3.3v纽扣电池来进行供电。本设计除可以进行加减乘除运算外，还可以进行开方，平方，log等科学运算，并且能够显示实时时间和对按键内容、计算结果进行语音播报。

本设计软件和硬件相结合，有相当大的难度，同时也有很大的实用性。在做毕业设计的过程中，本人的理论和实践水平都有了较大的提高。在课题的设计与制作过程中，遇到了不少问题，在老师和同学的指导和帮组下最终得到逐一的解决，通过此次毕业设计制作不仅使本人的实际动手能力得到了提高，也使本人和同学老师之间的沟通和协作能力得到了提高，这些都为本人今后进入公司工作打下了很好的基础，为今后的生活和工作积累了宝贵的财富，同时由于时间和费用的限制，此款计算器只是实现了计算器的常用功能，诸如函数等一些功能未能够实现。

参考文献

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[13]程书伟,王冬星,崔金宝.基于89C52嵌入式计算器的研究与设计[J].福建电脑,2012,0(12):20-21

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