簡易計算器系統(tǒng)設(shè)計

1、湖南文理學(xué)院芙蓉學(xué)院嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計報告題 目 簡易計算器系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 劉勝凱 學(xué) 號 11170108 專業(yè)班級 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)老師 婁小平 組 員 李陽、楊帆、曾家俊 設(shè)計時間 2014.12.29-2015.1.4 評閱意見：評定成績： 指導(dǎo)老師簽名： 年 月 日目錄一、摘要3二、原理與總體方案3三、硬件設(shè)計6四、調(diào)試10五、測試與分析12六、心得體會14七、參考文獻(xiàn)15八、附錄15一、摘要計算器一般是指“電子計算器”，是能進(jìn)行數(shù)學(xué)運算的手持機(jī)器，擁有集成電路芯片。對于嵌入式系統(tǒng)，以其占用資源少、專用性強，在汽車電子、航空和工控領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用。本設(shè)計就是先通過C語言

2、進(jìn)行相應(yīng)程序的編寫然后在ADS中進(jìn)行運行最后導(dǎo)入PROTUES進(jìn)行仿真。最后利用ARM中的LPC2106芯片來控制液晶顯示器和4X4矩陣式鍵盤，從而實現(xiàn)簡單的加、減、乘、除等四則運算功能。 二、原理與總體方案 主程序在初始化后調(diào)用鍵盤程序，再判斷返回的值。若為數(shù)字09，則根據(jù)按鍵的次數(shù)進(jìn)行保存和顯示處理。若為功能鍵，則先判斷上次的功能鍵，根據(jù)代號執(zhí)行不同功能，并將按鍵次數(shù)清零。程序中鍵盤部分使用行列式掃描原理，若無鍵按下則調(diào)用動態(tài)顯示程序，并繼續(xù)檢測鍵盤；若有鍵按下則得其鍵值，并通過查表轉(zhuǎn)換為數(shù)字09和功能鍵與清零鍵的代號。最后將計算結(jié)果拆分成個、十、百位，再返回主程序繼續(xù)檢測鍵盤并顯示；若為

3、清零鍵，則返回主程序的最開始。電路設(shè)計與原理：通過LPC2106芯片進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置來控制LCD顯示器。而通過對鍵盤上的值進(jìn)行掃描，把相應(yīng)的鍵值通過MM74C922芯片進(jìn)行運算從而讓ARM芯片接收。2.1 系統(tǒng)整體流程圖2.2 程序運行流程圖2.3 仿真電路圖設(shè)計2.4 仿真圖形 2.4.1 計算加法 2.4.2 計算減法（結(jié)果為負(fù)數(shù)） 2.4.3 計算減法（結(jié)果為正數(shù)） 2.4.4 計算乘法 2.4.5 計算除法注：本設(shè)計不能進(jìn)行連續(xù)運算，只能進(jìn)行當(dāng)次運算，且只能進(jìn)行單行顯示。進(jìn)行除法時會自動取整，無小數(shù)。顯示器上不會顯示加減乘除等運算符號，只有操作數(shù)和操作結(jié)果。三、硬件設(shè)計3.1元件清單器件

4、件數(shù)LPC21061個LED1個KEYPAD1個電源若干電源地若干電線若干3.2 鍵盤接口電路計算器輸入數(shù)字和其他功能按鍵要用到很多按鍵，如果采用獨立按鍵的方式，在這種情況下，編程會很簡單，但是會占用大量的I/O 口資源，因此在很多情況下都不采用這種方式，而是采用矩陣鍵盤的方案。矩陣鍵盤采用四條I/O 線作為行線，四條I/O 線作為列線組成鍵盤，在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4×4個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。矩陣鍵盤的工作原理：計算器的鍵盤布局如圖3-1所示：一般有16個鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個P口實現(xiàn)1

5、6個按鍵功能，這種形式在單片機(jī)系統(tǒng)中也最常用。圖3-1 矩陣鍵盤布局圖電路中采用4*4鍵盤作為輸入電路模塊的話，電路連線會比較簡單，而且這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O 口的利用率。但是在硬件電路設(shè)計的過程中，實驗室沒有提供矩陣鍵盤，所以我們將4*4的矩陣鍵盤換成了16個獨立按鍵。采用獨立按鍵的方式的話，會占用大量的I/O 口資源，但是在這種情況下，編程會很簡單。矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖如圖3-2所示。圖3-2 矩陣鍵盤內(nèi)部電路圖3.3顯示模塊:本設(shè)計采用LCD1液晶顯示屏來顯示輸出數(shù)據(jù)。通過D0-D7引腳向LCD1寫指令字或?qū)憯?shù)據(jù)以使LCD1實現(xiàn)不同的功能或顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)。LCD1管

6、腳圖如圖3-3所示。圖3-3 LCD1管腳圖3.4各模塊的特性與作用 3.4.1 LPC2106的特性及引腳功能LPC2106 是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32 位ARM CPU 的微處理器，并帶有256kB 嵌入的高速Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠最大時鐘速率下運行，并具有廣泛應(yīng)用。含向量中斷控制器,多個串行接口,兩個三十二位定時器,片內(nèi)晶振的操作頻率范圍：10MHZ-25MHZ,兩個低功耗模式：空閑和掉電.CPU操作電壓范圍：1.65V-1.95V圖3-4 LPC2106管腳圖管腳說明：V3、V18：供電電壓Vss、DBGSEL:接地XT

7、AL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。P0.0-P0.14作為GPIO接口，P0.15作為EINT2接口。3.4.2 LCD的特性 LCD 顯示屏可以采用字符顯示，當(dāng)使用字符顯示方式時，可以直接用外碼作為輸入數(shù)據(jù)，由顯示屏自動給出顯示字模數(shù)據(jù)，而無需由微處理器提供字模。3.4.3 數(shù)字式鍵盤的特性 數(shù)字式鍵盤的實質(zhì)仍是行列式鍵盤，4 根行線和4 根列線通過下拉電阻接地，在其表面貼有標(biāo)示對應(yīng)按鍵的膜，使得易于觀察和操作，更加貼近使用者的需求。3.4.4 MM74C922的特性及其引腳功能： MM74C922具有功耗低，電壓為3-5V，三態(tài)門輸出

8、，與LPTTL兼容，輸出鎖存按下最后的鍵，用一個電容器就可以消除鍵盤抖動，兩鍵輪回，行具有上拉功能，具有芯片內(nèi)或芯片外時鐘，最大開關(guān)電阻為管腳說明： A-D為行鍵掃描電平輸出端，1-4為列鍵輸入讀取端；OSC為振蕩器的外接引線端，可用外部的輸入脈沖或電容器；OE為數(shù)據(jù)輸出端，低電平有效；DAV為數(shù)據(jù)輸出有效，高電平有效；VCC為電源端，接3-5V；GND為接地端。本設(shè)計中選用LPC2106的P0.0P0.10 與LCD 顯示屏相連，它們所輸出信號控制顯示屏上的顯示，其中P0.0P0.7 分別接顯示屏的D0D7，P0.8P0.10分別接顯示屏的RS、RW、E 接口；選用LPC2106的P0.11

9、P0.14 連續(xù)4 個IO口與芯片MM74C922和計算器鍵盤相連，可通過反轉(zhuǎn)法檢測到按下按鍵的鍵碼，再通過查鍵盤對應(yīng)的字符編碼使LCD 顯示，其中AD依次接鍵盤的4 根行線，14依次接鍵盤的4 根列線。管腳說明： A-D為行鍵掃描電平輸出端，1-4為列鍵輸入讀取端；OSC為振蕩器的外接引線端，可用外部的輸入脈沖或電容器；OE為數(shù)據(jù)輸出端，低電平有效；DAV為數(shù)據(jù)輸出有效，高電平有效；VCC為電源端，接3-5V；GND為接地端。本設(shè)計中選用LPC2106的P0.0P0.10 與LCD 顯示屏相連，它們所輸出信號控制顯示屏上的顯示，其中P0.0P0.7 分別接顯示屏的D0D7，P0.8P0.10

10、分別接顯示屏的RS、RW、E 接口；選用LPC2106的P0.11P0.14 連續(xù)4 個IO口與芯片MM74C922和計算器鍵盤相連，可通過反轉(zhuǎn)法檢測到按下按鍵的鍵碼，再通過查鍵盤對應(yīng)的字符編碼使LCD 顯示，其中AD依次接鍵盤的4 根行線，14依次接鍵盤的4 根列線。四、調(diào)試 4.1 GPIO: LPC2000系列ARM的GPIO具有如下特性：1）可以獨立控制每個GPIO口的方向（輸入/輸出模式）；2） 可以獨立設(shè)置每個GPIO的輸出狀態(tài)（高/低電平）；3）所有GPIO口在復(fù)位后默認(rèn)為輸入狀態(tài)。每個作為GPIO功能的引腳受到四個寄存器控制，分別為控制方向的IOxDIR、控制輸出電平狀態(tài)的IO

11、xSET和IOxCLR、反映引腳電平狀態(tài)的IOxPIN。這四個寄存器構(gòu)成一組，而一組寄存器控制著一個端口（P0、P1、P2或P3）。注意事項：引腳設(shè)置為輸出方式時，輸出狀態(tài)由IOxSET和IOxCLR中最后操作的寄存器決定。LPC2000系列ARM大部分的I/O引腳為推挽方式輸出，但是具有總線功能的I/O引腳為開漏輸出（P0.2/3和P0.11/14）。使用這些開漏輸出的引腳作為GPIO功能，并用于高電平輸出或者引腳狀態(tài)輸入時，要接上拉電阻才能正常使用。推挽輸出的I/O引腳正常拉出/灌入電流均為4mA，短時間極限值為40mA。復(fù)位后，大部分引腳默認(rèn)作為GPIO功能，并且均為輸入狀態(tài)。但是，有部

12、分引腳在復(fù)位后默認(rèn)作為第二功能（如：P0.27P0.30在復(fù)位后默認(rèn)為A/D輸入引腳）。4.2硬件和程序原理在鍵盤按鍵后，產(chǎn)生一個中斷，mcu對鍵盤進(jìn)行掃描，確定按下的鍵，如果不是等號，就把按下的字符依次存入數(shù)組，并在lcd顯示表達(dá)式，如果是等號，就計算出數(shù)組中存入的表達(dá)式的值，并顯示在lcd中。計算表達(dá)式值的方法：把表達(dá)式中的表示數(shù)值的字符轉(zhuǎn)成數(shù)值存入一個數(shù)值數(shù)組，把表達(dá)式中的表示運算符的字符存入運算符數(shù)組；關(guān)于四則運算優(yōu)先級算法：依次檢索運算符數(shù)組，當(dāng)遇到 * 號 或者 / 號的時候，就先計算乘法或除法，算出結(jié)果后存入數(shù)值數(shù)組相應(yīng)位置，然后刪除此運算符和多余的數(shù)值，再重復(fù)檢索，直到數(shù)值數(shù)組

13、中只有一個數(shù)值為止，這個數(shù)值即是運算結(jié)果。調(diào)用stdio.h庫里的sprintf函數(shù)，把數(shù)值轉(zhuǎn)化成字符數(shù)組，然后顯示到lcd中。五、測試與分析5.1 ADS1.2新建工程5.2 Proteus實時仿真六、心得體會本學(xué)期為期一周的嵌入式課程設(shè)計在不知不覺中結(jié)束了，雖說這次課程設(shè)計時間不是很長，但是感覺自己收獲頗豐，不僅學(xué)習(xí)到了一些新知識，回顧了以前的一些快要遺忘的知識點，而且使自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)更加明確，學(xué)習(xí)方法更加完善，也體會到軟件開發(fā)的趣味，更加清楚地認(rèn)識到了自己在軟件開發(fā)及學(xué)習(xí)上的一些不足之處。一周的課程設(shè)計，一周的實訓(xùn)，讓我明白計算機(jī)這個博大深奧的領(lǐng)域我感覺自己還有好多東西要學(xué)，還有好多的東

14、西不懂，嵌入式軟件開發(fā)應(yīng)用廣泛而且前景很好，目前正處于人才緊缺的關(guān)口，嵌入式技術(shù)在未來能夠得到更加廣泛的應(yīng)用。學(xué)好嵌入式，C語言很重要，所以感覺自己有必要在學(xué)習(xí)、積累一下這方面的知識。要想學(xué)好還必須下大力氣，還必須堅持。這次的課程設(shè)計讓我明確了一點：嵌入式開發(fā)對于提升我們的系統(tǒng)知識有很大的幫助，尤其是操作系統(tǒng)的知識。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)對于我們的知識面要求非常的廣，且要有一定的深度。這次的課程設(shè)計因為是一個有針對性的訓(xùn)練，所以記的會非常牢固。跟平時上課不太一樣，平時上完理論課很少有時間上機(jī)進(jìn)行時間或者隔幾天才上機(jī)練習(xí)，等到上機(jī)時一些東西可能遺忘了，比較耗費時間。在課上，有老師在前面演示我們感覺看得懂

15、或感覺沒問題，可輪到我們獨立完成的時候，因為實際操作的少，跟中問題就來了!我很感謝學(xué)校特別是學(xué)院老師有實訓(xùn)這樣的安排，把我們這一學(xué)期學(xué)的東西系統(tǒng)的集中的進(jìn)行訓(xùn)練，讓我們深刻明確的體驗了一下軟件開發(fā)的流程！經(jīng)過這次的實訓(xùn)，我真真確確的感受到了計算機(jī)在我們生活中工作中的運用，這些軟件、程序能讓我們提高工作的效率，更直觀更便捷的切入主題。當(dāng)然，在學(xué)習(xí)的過程中并不是一帆風(fēng)順的，在這之中，因為要操作的東西很多，有時錯一步，后面的結(jié)果就無法顯示，而自己的計算機(jī)水平還有待提高，根本檢查不出來是哪里出了錯！在平時我們就需要好好的查閱書籍或者上網(wǎng)搜集相關(guān)資料去解決問題。對我們而言，知識上的收獲重要，精神上的豐收

16、更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實習(xí)必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶！此次實訓(xùn)最大的收獲不是我學(xué)習(xí)到了多少知識而是這幾天實訓(xùn)給我的感悟：首先是心態(tài)。一定要有一個積極的心態(tài)，獨立解決問題的意識，培養(yǎng)扎實基礎(chǔ)的認(rèn)識。不要什么東西都感覺跟簡單，就不去做了或者不屑一做，以至于感覺網(wǎng)上搜搜就可以了，這樣很不好。有自己的東西有自己的付出才會有程序運行成功時的喜悅和小自豪，這樣也有助于培養(yǎng)自己的興趣。要時刻牢記態(tài)度決定一切。其次是興趣，感覺學(xué)習(xí)工作中興趣很關(guān)鍵，只是一個引發(fā)人積極性的問題，有了興趣就自覺了，效率自然就高了。再次要敢于嘗試和挑戰(zhàn)。不要安于現(xiàn)成的程序，而且不要害怕失敗，在程序

17、調(diào)試的過程中這點尤為重要，“發(fā)現(xiàn)出問題然后解決問題”是一個積累經(jīng)驗的過程，而且很高效。最后要不懈追求。對于源代碼進(jìn)行不斷的完善，要盡可能的實現(xiàn)課題所要求的功能。對于初學(xué)者或者開發(fā)較少的人來說，大量大寫程序還是有必要的，但同時要注意思考，理解其實現(xiàn)的內(nèi)在意義。還可以自己添加一些有意義的功能來實現(xiàn)。當(dāng)看到自己編寫的程序正常運行時，興趣也會隨之而來，樂此不疲，形成一個良性循環(huán)。七、參考文獻(xiàn) 1、ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)-軟件設(shè)計與優(yōu)化，Andrew N.Sloss,沈建華（譯），北京航空航天大學(xué)出版社，2005； 2、ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，杜春雷，清華大學(xué)出版社，2007；八、附錄#include &q

18、uot;config.h"#include "math.h"/宏定義#define LCD_RS 1<<0#define LCD_RW 1<<1#define LCD_E 1<<2#define D7 1<<10 /判斷LCD忙碌/函數(shù)聲明void system_init(void);void LCDInit(void);void _irq IRQ_EINT2(void);int ucKeyScan(void);char translate();void arithmetic(long x,long y);char

19、txt1="error!", txt2="data overflow", txt3=""/全局變量定義long add1=0,add2=0;int operators=0,iny=0;uint8 num=0,x,y,sign=0,count=0,k=0,repeat=0,flag=0;unsigned int code4=0x0E00000,0x0D00000,0x0B00000,0x0700000;/列線掃描電壓，分為第1，2，3，4根列線unsigned int ucRow,ucLine; /行號，列號。/* 名 稱：DelayN

20、S()* 功 能：長軟件延時* 入口參數(shù)：dly延時參數(shù)，值越大，延時越久* 出口參數(shù)：無*/void DelayNS(uint32 dly) uint32 i; for(; dly>0; dly-) for(i=0; i<500; i+); /* 名 稱：Busy()* 功 能：LCD是否忙碌*/void Busy() while(1) IOCLR = LCD_RS; IOSET = LCD_RW; if(!(IOPIN&D7) break; /* 名 稱：Command()* 功 能：LCD命令*/void Command(char com) Busy(); IOCLR

21、 = 0x0FFF; IOCLR = LCD_RS; IOCLR = LCD_RW; IOSET = LCD_E; IOSET = com<<3; IOCLR = LCD_E;/* 名 稱：LCDInit()* 功 能：LCD初始化* 入口參數(shù)：* 出口參數(shù)：無*/void LCDInit() Command(0x0C); /顯示開/關(guān)控制命令 Command(0x38); /功能設(shè)置命令：數(shù)據(jù)線長度為8位 / Command(0x80); /地址命令 Command(0x06); /輸入方式設(shè)置/* 名 稱：write()* 功 能：LCD寫數(shù)據(jù)*/void write(char

22、 data) Busy(); IOCLR = 0x0FFF; IOSET = LCD_RS; IOCLR = LCD_RW; IOSET = LCD_E; IOSET = data<<3; DelayNS(1); IOCLR = LCD_E; /* 名 稱：display()* 功 能：LCD顯示*/void display(long a) long temp,b,c=-1; uint8 lenth=1,i,j; / Command(0x01); if(a<0) a=a*c; write('-'); temp=a; while(temp=temp/10)!=0

23、) lenth+; for(i=lenth;i>0;i-) b=1; for(j=0;j<i-1;j+) b=b*10; write(0x30+a/b); a=a%b; /為低電平，其他為高電平。 /主函數(shù)int main() system_init();LCDInit();while(1) ucKeyScan();return(0);/* 名稱：system_init()* 功能：system初始化函數(shù)*/void system_init() /引腳功能選擇PINSEL0 = 0x80000000; /設(shè)置P0.15為EINT2,其余為GPIOPINSEL1 = 0x000000

24、00;/設(shè)置P0.15P0.31為GPIOIODIR = 0x0f007ff; /設(shè)置P0.0-P0.10,P0.20-P0.23為輸出,其余為輸入IOCLR = 0x80000000; /向量中斷初始化VICIntSelect =0x00; /設(shè)置P0.15為IRQ中斷VICVectAddr0 = (uint32)IRQ_EINT2;VICVectCntl0 = 0x30;VICIntEnable = 1<<16; /使能EINT2/外部中斷初始化EXTMODE = 1<<2; /設(shè)置為EINT2下降沿觸發(fā)EXTPOLAR = 0; EXTINT = 1<<

25、;2; /清除EINT2中斷標(biāo)志/* 名稱：ucKeyScan()* 功能：鍵盤掃描函數(shù)當(dāng)有外部中斷2時調(diào)用此函數(shù)，使用列掃描的方式獲取鍵碼，鍵碼由2位數(shù)字組成。高位為行號低位為列號。*/int ucKeyScan() unsigned int ucTemp=0; /掃描狀態(tài)暫存。for(ucLine=0;ucLine<4;ucLine+)/行掃描IOSET=codeucLine; /輸出掃描電位。IOCLR=(codeucLine)&0xF00000;/ucTemp=IOPIN>>24;if(ucTemp!=0x0F) /判斷該列是否有按鍵按下。continue;

26、/返回按鍵編碼。格式為2位數(shù)，高位為列號，低位為行號。/* 名稱：IRQ_EINT2()* 功能：EINT2中斷服務(wù)程序*/void _irq IRQ_EINT2(void) unsigned int ucTemp2=0,a; ucTemp2=IOPIN>>24; switch(ucTemp2)case 0x0E: ucRow=00;break; /判斷列號。case 0x0D: ucRow=10;break;case 0x0B: ucRow=20;break;case 0x07: ucRow=30;break;default: ucRow=40;break; num=ucRow+

27、ucLine;if(repeat=1&num!=23&x!=3) /計算結(jié)束后，若輸入數(shù)字，在輸入前清屏 Command(0x01); add1=add2=sign=0; count=0; repeat=0; DelayNS(10); /延時讓LCD反應(yīng) switch(num) case 00:write('7');k=8;break; case 01:write('4');k=5;break; case 02:write('1');k=2;break; case 03:Command(0x01);k=0;add1=add2=sign=0;break; case 10:write('8');k=9;break; case 11:write('5');k=6;break; case 12:write('2');k=3;break; case 13:write('0');k=1;break; case 20:write('9');k=10;break; case 21:write('