基于STC15F2K61S2的计算器设计

韩光江+孙鹏+何梦雪+余晓铭

摘 要：提出了一种可进行连续四则运算的计算器设计方案，主要从硬件部分和软件部分两方面介绍此设计方案。在硬件部分中，说明了所选用的STC公司最新的STC15F2K61S2微控制器相比于传统C51单片机的优势，提出了仅用3个引脚驱动8位数码管的方法，并介绍了4×4矩阵键盘的驱动方案；在软件部分中，给出了计算器程序执行流程图，并提出了一种实现计算器四则运算的算法。

关键词：计算器；单片机；驱动方案；数码管

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.101

随着嵌入式技术的不断发展，计算器在生活中的应用越来越广泛，便携式计算器日益成为人们工作、学习中不可或缺的工具。因此，采用STC公司最新的STC15F2K61S2单片机，并结合数码管、矩阵键盘等模块完成了一种可进行8位数以内四则运算的计算器设计。其能进行连续的四则运算，并能实时显示当前输入数据和输出结果，具有计算可靠、制作简单、集成度高、成本低等优点。

1 计算器硬件设计部分

1.1 微控制器

STC15F2K61S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、高可靠性的新一代8051单片机，ISP编程时时钟频率可设置为5～35 MHz，可彻底省掉外部晶振。其内部已集成了高可靠性的复位电路，无需再设计外部复位电路。

此外，STC15F2K61S2相比于传统的C51系列单片机而言，具有良好的在线仿真功能，可直接在集成开发环境Keil中进行在线仿真调试，极大地提高了软件开发的效率。

1.2 数码管显示模块

本模块包含8个数码管。在传统的数码管驱动方法中，需要采用8个引脚段选，极大地浪费了微控制器的引脚资源。因此，本设计采用2片74HC595芯片，实现了采用3个引脚就能完成8位数码管的驱动，很好地节省了有限的控制器资源。

设计采用2片74HC595串联，第一级（U1）的串行输出口（QH）与第二级（U2）的串行输入口（SER）相连。这样在串行输入时钟的作用下，可一次性更新16位数据。其中，U1输出的8位数据为数码管的段选，控制数码管显示数字；U2输出的8位数据用于选中数码管以循环刷新。在C语言程序代码中，会预先存储所需要的数码管显示编码，包括段选编码和位选编码，显示数字时只需输出相应编码即可。

1.3 矩阵键盘

用户输入采用4×4矩阵键盘，依次表示阿拉伯数字“0～9”“+”“-”“×”“÷”“=”和“清零（CLR）”。采用8个I/O口进行驱动，其中，4个为输入口，4个为输出口。驱动时，在主函数中对矩阵键盘轮询进行扫描。扫描时控制行的4个I/O置高作为输入，控制列的4个I/O置低为输出模式。当读取到控制行I/O的状态发生改变，即有按键按下，且处于状态发生改变的一行4个按键之中。此时，可进一步判断具体被按下的按键，将控制行的I/0置低，控制列的I/O口置高，查询控制列的I/O状态，即可找到具体被按下的按键。

2 计算器软件设计部分

计算器在上电复位后进行相关外设的初始化，设置定时器的中断时间为5 ms。在中断函数中，读取数码管缓冲区中的数据，通过74HC595串行输入并行输出进行显示，每次刷新1个数码管，利用二极管的余辉效应可达到同时显示8个数字的效果。具体过程如图1所示。

在主函数中，利用轮询法判断是否有按键被按下。在判断

有按键按下后，更新按键编码缓冲区的数据，并利用此数据确定按键动作函数。如果输入的是“0～9”，则临时缓冲区中的数据将“×10+按键所代表的数字”。比如，临时缓冲区的数据为2，按下按键“5”，则进行“2×10+5”的操作。此时，临时缓冲区的数据更新为25.

当按下运算符按键时，将运算符标志修改为相应的运算符编码，结果缓冲区会复制临时缓冲区的数据。比如，按下“+”，则记录运算符标志symbol修改为1，当输入下一个数字按下“=”键或其他运算符按键，根据运算符标志位，结果缓冲区和临时缓冲区进行相应运算，并将结果缓冲区的内容复制到数码管缓冲区，以便数码管及时更新。

3 结束语

设计方案采用的微控制器是STC公司最新的STC15F2K61S2微控制器，相比于传统的51单片机，其能进行在线仿真调试，且无需外部晶振和复位电路，降低了制作的成本和复杂度。显示部分采用2片74HC595串联的方法，仅使用3个引脚便可完成8位数码管的驱动。在软件设计中，提出的算法严谨、可靠，可按照预定的要求进行连续的四则运算。因此，文章中的计算器设计方案具有使用可靠、成本低廉、集成度高和制作简单等一系列优点。在制作完成后，通过大量的运算验证证明，本设计能达到设计要求，可正确输出计算结果。此外，此设计对理解单片机的原理、学习单片机的控制具有很大帮助。

参考文献

[1]张建强.电子制作基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕