代码收藏家技术教程 2025-01-05

单片机：实现简易计算器（附带源码）

单片机实现简易计算器

简易计算器是一个经典的单片机应用项目，涉及到数字输入、按键扫描、显示输出以及运算逻辑等方面。在本项目中，我们将使用8051单片机实现一个简易的四则运算计算器，包括加法、减法、乘法和除法运算。

项目目标

本项目的目标是设计并实现一个基于8051单片机的简易计算器，主要实现以下功能：

数字输入：通过按键输入数字。
运算符输入：支持加法、减法、乘法和除法运算符。
显示结果：使用7段数码管或LCD显示屏显示输入的数字和计算结果。
计算功能：根据用户输入的数字和运算符，进行相应的计算。
清除功能：可以清除输入或重置计算器。

一、硬件设计

1.1 单片机选择

本项目使用8051单片机，它有足够的I/O接口来连接数字按键和显示器，且具有定时器、PWM和中断等功能，非常适合用于实现一个简易计算器。

1.2 外部硬件

按键输入：通过按键输入数字和运算符。为了简化设计，可以使用一个4×4矩阵键盘，能够输入数字（0-9）和运算符（+，-，*，/，=，C）。

显示器：可以使用7段数码管或者LCD显示屏来显示输入的数字和结果。7段数码管相对简单，适合初学者。

蜂鸣器：用于确认操作或在错误时给出反馈。

电源和电阻：为硬件提供所需的电源和电阻，用于限流和保护电路。

1.3 硬件连接

按键矩阵：通过行列扫描连接到8051的P1端口（例如P1.0到P1.7）。
显示器：7段数码管连接到P2端口，显示输入的数字和计算结果。
蜂鸣器：连接到P3.0端口，在错误或操作确认时发出声音。

二、系统设计

2.1 功能模块

数字输入模块：通过按键输入数字0-9，用于输入操作数。
运算符输入模块：通过按键输入四则运算符（+，-，*，/）。
结果显示模块：将输入的数字和运算结果通过7段数码管或LCD显示屏显示出来。
计算模块：根据输入的数字和运算符进行四则运算。
清除功能：按下C键清除当前输入，重置计算器状态。

2.2 数据结构

输入数据：存储当前输入的数字，支持两个操作数。

运算符：存储当前选择的运算符（+，-，*，/）。

计算结果：存储计算的结果，并在显示屏上更新。

2.3 操作流程

初始化：初始化LCD或数码管显示，清除存储的数值。
数字输入：通过矩阵键盘输入数字，按下数字键时更新显示。
选择运算符：按下运算符键时，记录当前的运算符，切换到输入第二个操作数。
计算和显示：按下等号键（=）时，计算结果并显示在屏幕上。
清除操作：按下C键时，清除当前输入的数字和计算结果，恢复到初始状态。

三、程序设计

3.1 定时器和中断

可以使用定时器来处理按键去抖，确保按键输入稳定可靠。在每次按键扫描时，通过定时器中断触发按键处理程序。

3.2 主程序框架

初始化LCD显示和按键矩阵。
循环等待用户输入：根据用户输入更新操作数、运算符和计算结果。
执行运算：根据输入的运算符执行加法、减法、乘法或除法。
更新显示：根据计算结果更新显示屏。

3.3 代码实现

#include <reg51.h>   // 包含8051的寄存器定义

// 定义按键矩阵的连接端口
#define KEY_ROW P1
#define KEY_COL P2

// 定义七段数码管连接端口
#define SEG P0

// 定义蜂鸣器连接端口
#define BUZZER P3_0

// 定义常量
#define MAX_INPUT_LEN 4   // 最大输入长度（四位数）

// 操作数和运算符
unsigned char num1 = 0, num2 = 0;  // 操作数1和操作数2
unsigned char operator = 0;         // 运算符
unsigned char result = 0;           // 计算结果

// 按键扫描函数
unsigned char key_scan() {
    unsigned char row, col;
    KEY_ROW = 0x0F;  // 设置为行扫描模式

    for (row = 0; row < 4; row++) {
        KEY_ROW = ~(1 << row);  // 激活一行
        for (col = 0; col < 4; col++) {
            if (!(KEY_COL & (1 << col))) {  // 检测是否按下
                delay(20);  // 按键去抖
                return (row * 4 + col + 1);  // 返回按键编号
            }
        }
    }
    return 0;
}

// 延时函数（去抖）
void delay(unsigned int time) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < time; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++) {
            // 空循环
        }
    }
}

// 数字显示函数（假设7段数码管）
void display_number(unsigned char num) {
    unsigned char seg_data[] = {
        0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F
    };
    SEG = seg_data[num];
}

// 主程序
void main() {
    unsigned char key;
    while (1) {
        key = key_scan();
        if (key) {
            if (key <= 9) {  // 输入数字
                num1 = key;  // 当前输入数字存入num1
                display_number(num1);
            } else if (key == 10) {  // 输入加号
                operator = '+';
                num2 = num1;  // 将num1存入num2
                num1 = 0;  // 清空num1准备输入第二个数字
            } else if (key == 11) {  // 输入减号
                operator = '-';
                num2 = num1;
                num1 = 0;
            } else if (key == 12) {  // 输入乘号
                operator = '*';
                num2 = num1;
                num1 = 0;
            } else if (key == 13) {  // 输入除号
                operator = '/';
                num2 = num1;
                num1 = 0;
            } else if (key == 14) {  // 输入等号
                if (operator == '+') {
                    result = num2 + num1;
                } else if (operator == '-') {
                    result = num2 - num1;
                } else if (operator == '*') {
                    result = num2 * num1;
                } else if (operator == '/') {
                    if (num1 != 0) {
                        result = num2 / num1;
                    } else {
                        result = 0;  // 除0处理
                    }
                }
                display_number(result);  // 显示结果
            } else if (key == 15) {  // 清除操作
                num1 = 0;
                num2 = 0;
                result = 0;
                operator = 0;
                display_number(0);  // 清除显示
            }
        }
    }
}