基于STC89C52单片机多功能计算器设计与仿真

郭占苗， 吴沛

(西安航空职业技术学院，1.电子工程学院，2.学生处，西安 710089)

0 引言

多功能计算器作为一种快速通用的计算工具为日常计算提供了方便，同时又可以兼有时钟显示和温度显示功能。该计算器以STC89C52单片机为核心进行计算器模拟系统的设计，输入采用4×4矩阵键盘，可以进行加、减、乘、除数字运算，并在LCD1602上显示操作过程，不计算时，显示当前时间和温度，通过按键切换模式时，可进行时间的调整。

1 原理的设计

该多功能计算器主要包括键盘输入模块、单片机主控芯片、显示模块、时钟模块和温度控制模块等5部分组成，键盘部分主要用于计算器运算时输入数字，切换计算器或时间显示，以及时间显示时进行时间调整的功能；单片机主要完成数据处理功能，包括确定按键，完成运算，以及输出数据；显示器部分主要完成单片机输出的显示；时钟模块完成当前时间的精准显示，温度传感器对实时温度进行检测[1]。主要原理框图，如图1所示。

图1 多功能计算器原理框图

2 软件的设计

2.1 主函数的设计

主函数里主要设计编写LCD1602液晶温度显示，按键切换和时间调整程序。

LCD1602温度显示函数“void LcdDisplayTemp(int temp)”设计时，给温度显示数组元素初值赋值为“0”，数组定义为“unsigned char datas[]={0,0,0,0,0};”。温度在液晶上显示精确到小数点后两位，定义为浮点型，“float tp;”，用“if…else…”语句进行二选一判断，当温度为负数时，即零下温度时，在液晶RAM第二行“0XC0+9”地址上显示“-”号，通过补码方式获取负温度值；当温度值为正数时，即零上温度时，则在液晶RAM地址“0XC0+9”上显示“+”号，因为DS18B20温度传感器的分辨率是0.0625，通过语句“temp=tp*0.0625*100+0.5;” 将其扩大一百倍，进行四舍五入，获取相应温度值[2]。通过语句“datas[1] = temp % 10000 / 1000;//整数十位，datas[2] = temp % 1000 / 100; //整数个位，datas[3] = temp % 100 / 10; //小数十位，datas[4] = temp % 10; //小数个位”将温度的整数和小数部分的个位和十位分离出来，并利用LCD1602写数据函数将分离数据从液晶RAM地址“0XC0+10”开始显示，中间位置显示小数点“.”，最后显示温度符号“C”。

在main( )函数里，对按键进行判断和扫描，开机屏幕显示时间、日期和温度，按“NC”键，根据电路图，先选中第三行，给P1赋值“0XDF”，通过判断P1是否等于“0XD7”来判断是否按下“NC”键。如果按下“NC”键，则调用清屏指令“LcdWriteCom(0x01);”将屏幕清零，系统切换进入计算模式。

进行时间调整时，先给P1口赋值“0XBF”，然后判断P1是否等于“0XB7”，如果等于则表示按下“=”键，系统暂停计时，再判断是否按下“/”键，即给P1赋值“0X7F”后，判断是否等于“0X77”，按下“/”键则依次切换选中调整“分、时、日、月、周、年”，再判断P1是否等于“0X7E”，即“+”号键，是则执行“加1”操作[3]，否则如果P1为“0X7D”则执行“减1”操作，然后将数据转换成BCD码调用液晶显示时间程序将DS1302调整时间的结果显示在液屏上。液晶显示时间函数主要实现第一行显示年月日和星期的功能，其中，显示星期用“switch”语句实现，第二行显示时间的功能，显示时间和日期时，先输入显示地址命令，再将数据显示在液晶上，例如显示小时，调用数组元素“LcdWriteData('0'+TIME[2]/16);//取高四位的LcdWriteData('0'+(TIME[2]&0x0f));//取低四位的值”进行显示，再次按下“=”键则恢复计时功能。

2.2 矩阵按键的设计

由于计算器输入数字和切换模式需要很多按键，若用独立按键会占用大量I/O口资源，所以采用矩阵按键来实现，用P1口读取控制的按键输入，其中高四位接矩阵按键的四行，低四位接矩阵按键的四列。矩阵按键程序编写，主要包括按键驱动函数、按键消抖和按键扫描函数，最后在液晶上输出显示按键操作后的结果。在按键扫描函数里，令第一列为低电平，然后再清P1口低四位，判断高四位的哪一位是“0”进而确定哪一行按下，通过给P1口一次赋值“0XFE”，“0XFD”，“0XFB”,“0XF7”依次设置四列为低电平。依据硬件电路设计，通过“switch(key)”语句，分别与“case 0xe0”、“case 0xd0”、“case 0xb0”和“case 0x70”相比较，确认第一列的三行数字是否为“1”、“2”、“3”，如果语句“if(num==0||num==1||num==2)”为真则输入数据，否则如果“if(num==3)”为真则，执行语句{flag=1;fuhao=1;}，读取符号，并且通过“LcdWriteData(0x30+dat1[num]);”语句在液晶上以字符格式显示出来[4]。

同理，类似于第一列按键判断，消抖后确认按键是否有动作，最终确定按键状态，即按下还是弹起，依次读取第二、三、四列数据。注意，当给P0口赋值0XF7时，执行第四列时按下“0”键显示字符“0”，按下“NC”键时，LCD1602清屏。按下“/”键进行除法运算，按下“=”键进行获取运算结果，并将数据依次左移显示。

2.3 DS1302时钟显示

DS1302时钟程序主要包括单片机向时钟芯片写地址和数据模块、单片机读取地址和数据模块以及初始化模块。

初始化模块主要是利用数组设置时间初值，禁止写保护，主要代码如下：“if((i & 0x80) != 0)//判断是否写保护{DS1302SingleWrite(7, 0x00);//给寄存器地址写入“0X00”，撤销写保护允许写入数据for(i=0; i<7; i++)//设置默认初始时间{Ds1302Write(WRITE_RTC_ADDR[n],TIME[n]);}}”。

写操作主要是从单片机向DS1302写入数据和命令。依据DS1302单字节写操作时序，将8位地址命令和数据传送到DS1302通信总线上[5]。主要通过“for (n=0; n<8; n++){DSIO = addr & 0x01; addr >>= 1;SCLK = 1; _nop_();SCLK = 0;_nop_();}”语句实现8位地址命令传送，在数据上升沿时，DS1302读取数据。同理，可以编写8位数据传送程序，注意，数据位是低位在前，逐位移出，先输出该位数据，然后拉高时钟再拉低时钟，完成一位的操作，最后确保释放IO引脚[6]。

读操作包括读寄存器地址和读数据，读地址时，先使能片选信号，然后发送读寄存器指令，最后再释放总线，返回值即为读到的字节，通过“for(n=0; n<8; n++)//读取8位数据{dat1 = DSIO;//从最低位开始接收；dat = (dat>>1) |(dat1<<7);SCLK = 1;_nop_();SCLK = 0;//DS1302下降沿时，放置数据_nop_();}” 实现由DS1302通信总线上读取一个字节功能。

2.4 DS18B20温度显示程序的设计

DS18B20温度显示主要包括获取存在脉冲模块、写字节操作模块、读字节操作模块、启动转换模块和读取转换温度值模块。

获取存在脉冲程序编写是依据DS18B20的“1-wire”总线检测脉冲存在时序，先拉低总线500 μs(480 μs-960 μs)，然后拉高总线延时60μs，进行获取存在脉冲，注意由于DS18B20时序时间短，所以在操作前先关中断，等待存在脉冲结束后再重新使能中断。

写字节模块是低位在先，依次移出8位，每写入一位数据之前先把总线拉低1 μs，然后从最低位开始写入一个数据，延时60 μs后，拉高DS18B20通信引脚，释放总线。

读字节操作模块也是低位在先，依次采集8位，先将总线拉低1 μs，然后释放总线，延时6 μs等待数据稳定，从最低位开始读取数据，主要通过“bit=DSPORT; byte=(byte>>1)|(bit<<7);”语句来实现该功能，读取完一位等待48 μs再接着读取下一个数据。

启动转换模块实现启动一次DS18B20温度转换功能，首先要获取DS18B20的存在脉冲，然后执行跳过ROM和温度转换命令，语句为，“Ds18b20WriteByte(0xcc); Ds18b20WriteByte(0x44);”最后“return”返回检测是否转换成功。

读取转换温度值模块进行读取DS18B20转换温度值，通过返回值检测是否读取成功操作，主要调用获取存在脉冲函数，执行跳过ROM、启动温度转换读取温度命令，然后读取温度值，读取温度值时先读低字节，再读高字节，最后将两个字节合并成16位数，返回温度值。在读取温度转换函数“int Ds18b20ReadTemp( )”中，由“{tml=Ds18b20ReadByte();tmh=Ds18b20ReadByte();temp=tmh; temp<<=8; temp|=tml; return temp; }”(“temp”为16位数据，定义为“int”型)语句实现读取温度值并将数据返回的功能。

2.5 LCD1602液晶显示程序的设计

液晶显示设计主要包括写指令、写数据和液晶初始化设计。

写指令时先声明LCD1602的8位数据引脚、使能端和读写引脚，将“RS”设置为低电平，“R/W”设置为低电平，再将指令码送给LCD1602的“D0-D7”，利用函数等待数据稳定后，将原来是低电平的使能端拉高保持一段时间再拉低，确保高脉冲。由于用到延时，写入速度较慢所以可以不进行忙位检测。同理，将“RS”设置为高电平[7]，把数据“dat” 送给LCD1602的“D0-D7”可实现单片机向LCD1602写一个字节数据的功能。

LCD1602的初始化，通过写入指令实现开显示、开显示不显示光标、写一个指针加1整屏不移动、清屏和设置数据指针起点功能。分别写入指令码“0X38”、“0X0C”、“0X06”、“0X01”和“0X80”。

3 Proteus仿真与实物制作

将调试好的程序下载到Proteus仿真图中，如图2所示。

图2 多功能计算器仿真图

单片机的P2口的高三位分别连接液晶的数据/命令选择端“RS”、读/写选择端“RW”和使能信号“E”，P0口8位依次和液晶的8位数据位相接[8]，为了调整合适的对比度，液晶的3脚接10K的电位器；矩阵按键与P1口的8位相接，可进行按键操作判断；P3.4、P3.5和P3.6分别连接DS1302的双向通信引脚I/O、使能引脚/RST和时钟信号引脚SCLK，进行实时时钟显示；P3.7连接温度传感器DS18B20的“1-Wire”总线，将检测到的温度转换成数字信号显示在液晶上[9]。根据绘制的Proteus仿真原理图进行实物电路的制作调试，电源采用USB接口，使用方便，为了确保断电数据不丢失，用纽扣电池作为备用电池保证DS1302的正常工作,如图3所示。

图3 多功能计算器实物图

4 总结

该多功能计算器由STC89C52单片机作为主控芯片实现计算与温度和日期显示功能，可进行长整型范围内的7位数字的四则运算，通过按键输入数据，进行模式切换和时间调整设置，采用LCD1602液晶显示信息，比数码管显示更加稳定，没有闪烁，显示内容丰富[10]，通过软硬件检测与调试验证该产品是一款可行性强、较为实用的多功能计算器。