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13.4 单片机计算器程序设计[详细]

按键和液晶,可以组成我们最简易的计算器。下面我们来写一个简易整数计算器提供给大家学习。为了让程序不过于复杂,我们这个计算器不考虑连加,连减等连续计算,不考虑小数情况。加减乘除分别用上下左右来替代,回车表示等于,ESC 表示归0。程序共分为三部分,一部分是 1602 液晶显示,一部分是按键动作和扫描,一部分是主函数功能。

/***************************Lcd1602.c 文件程序源代码*****************************/
#include <reg52.h>
#define LCD1602_DB P0
sbit LCD1602_RS = P1^0;
sbit LCD1602_RW = P1^1;
sbit LCD1602_E = P1^5;
/* 等待液晶准备好 */
void LcdWaitReady(){
unsigned char sta;
LCD1602_DB = 0xFF;
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 1;
do {
LCD1602_E = 1;
sta = LCD1602_DB; //读取状态字
LCD1602_E = 0;
//bit7 等于 1 表示液晶正忙,重复检测直到其等于 0 为止
}while (sta & 0x80);
}
/* 向 LCD1602 液晶写入一字节命令,cmd-待写入命令值 */
void LcdWriteCmd(unsigned char cmd){
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 0;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = cmd;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
/* 向 LCD1602 液晶写入一字节数据,dat-待写入数据值 */
void LcdWriteDat(unsigned char dat){
LcdWaitReady();
LCD1602_RS = 1;
LCD1602_RW = 0;
LCD1602_DB = dat;
LCD1602_E = 1;
LCD1602_E = 0;
}
/* 设置显示 RAM 起始地址,亦即光标位置,(x,y)-对应屏幕上的字符坐标 */
void LcdSetCursor(unsigned char x, unsigned char y){
unsigned char addr;
if (y == 0){ //由输入的屏幕坐标计算显示 RAM 的地址
addr = 0x00 + x; //第一行字符地址从 0x00 起始
}else{
addr = 0x40 + x; //第二行字符地址从 0x40 起始
}
LcdWriteCmd(addr | 0x80); //设置 RAM 地址
}
/* 在液晶上显示字符串,(x,y)-对应屏幕上的起始坐标,str-字符串指针 */
void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str){
LcdSetCursor(x, y); //设置起始地址
while (*str != '\0'){ //连续写入字符串数据,直到检测到结束符
LcdWriteDat(*str++);
}
}
/* 区域清除,清除从(x,y)坐标起始的 len 个字符位 */
void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len){
LcdSetCursor(x, y); //设置起始地址
while (len--){ //连续写入空格
LcdWriteDat(' ');
}
}
/* 整屏清除 */
void LcdFullClear(){
LcdWriteCmd(0x01);
}
/* 初始化 1602 液晶 */
void InitLcd1602(){
LcdWriteCmd(0x38); //16*2 显示,5*7 点阵,8 位数据接口
LcdWriteCmd(0x0C); //显示器开,光标关闭
LcdWriteCmd(0x06); //文字不动,地址自动+1
LcdWriteCmd(0x01); //清屏
}

Lcd1602.c 文件中根据上层应用的需要增加了2个清屏函数:区域清屏——LcdAreaClear,整屏清屏——LcdFullClear。

/**************************keyboard.c 文件程序源代码*****************************/
#include <reg52.h>
sbit KEY_IN_1 = P2^4;
sbit KEY_IN_2 = P2^5;
sbit KEY_IN_3 = P2^6;
sbit KEY_IN_4 = P2^7;
sbit KEY_OUT_1 = P2^3;
sbit KEY_OUT_2 = P2^2;
sbit KEY_OUT_3 = P2^1;
sbit KEY_OUT_4 = P2^0;
unsigned char code KeyCodeMap[4][4] = { //矩阵按键编号到标准键盘键码的映射表
{ '1', '2', '3', 0x26 }, //数字键 1、数字键 2、数字键 3、向上键
{ '4', '5', '6', 0x25 }, //数字键 4、数字键 5、数字键 6、向左键
{ '7', '8', '9', 0x28 }, //数字键 7、数字键 8、数字键 9、向下键
{ '0', 0x1B, 0x0D, 0x27 } //数字键 0、ESC 键、 回车键、 向右键
};
unsigned char pdata KeySta[4][4] = { //全部矩阵按键的当前状态
{1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}
};
extern void KeyAction(unsigned char keycode);
/* 按键驱动函数,检测按键动作,调度相应动作函数,需在主循环中调用 */
void KeyDriver(){
unsigned char i, j;
static unsigned char pdata backup[4][4] = { //按键值备份,保存前一次的值
{1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}, {1, 1, 1, 1}
};
for (i=0; i<4; i++){ //循环检测 4*4 的矩阵按键
for (j=0; j<4; j++){
if (backup[i][j] != KeySta[i][j]){ //检测按键动作
if (backup[i][j] != 0){ //按键按下时执行动作
KeyAction(KeyCodeMap[i][j]); //调用按键动作函数
}
backup[i][j] = KeySta[i][j]; //刷新前一次的备份值
}
}
}
}
/* 按键扫描函数,需在定时中断中调用,推荐调用间隔 1ms */
void KeyScan(){
unsigned char i;
static unsigned char keyout = 0; //矩阵按键扫描输出索引
static unsigned char keybuf[4][4] = { //矩阵按键扫描缓冲区
{0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF}, {0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF},
{0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF}, {0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF}
};
//将一行的 4 个按键值移入缓冲区
keybuf[keyout][0] = (keybuf[keyout][0] << 1) | KEY_IN_1;
keybuf[keyout][1] = (keybuf[keyout][1] << 1) | KEY_IN_2;
keybuf[keyout][2] = (keybuf[keyout][2] << 1) | KEY_IN_3;
keybuf[keyout][3] = (keybuf[keyout][3] << 1) | KEY_IN_4;
//消抖后更新按键状态
for (i=0; i<4; i++){ //每行 4 个按键,所以循环 4 次
if ((keybuf[keyout][i] & 0x0F) == 0x00){
//连续 4 次扫描值为 0,即 4*4ms 内都是按下状态时,可认为按键已稳定的按下
KeySta[keyout][i] = 0;
}else if ((keybuf[keyout][i] & 0x0F) == 0x0F){
//连续 4 次扫描值为 1,即 4*4ms 内都是弹起状态时,可认为按键已稳定的弹起
KeySta[keyout][i] = 1;
}
}
//执行下一次的扫描输出
keyout++; //输出索引递增
keyout &= 0x03; //索引值加到 4 即归零
switch (keyout){ //根据索引,释放当前输出引脚,拉低下次的输出引脚
case 0: KEY_OUT_4 = 1; KEY_OUT_1 = 0; break;
case 1: KEY_OUT_1 = 1; KEY_OUT_2 = 0; break;
case 2: KEY_OUT_2 = 1; KEY_OUT_3 = 0; break;
case 3: KEY_OUT_3 = 1; KEY_OUT_4 = 0; break;
default: break;
}
}

keyboard.c 是对之前已经用过多次的矩阵按键驱动的封装,具体到某个按键要执行的动作函数都放到上层的 main.c 中实现,在这个按键驱动文件中只负责调用上层实现的按键动作函数即可。

/*****************************main.c 文件程序源代码******************************/
#include <reg52.h>
unsigned char step = 0; //操作步骤
unsigned char oprt = 0; //运算类型
signed long num1 = 0; //操作数 1
signed long num2 = 0; //操作数 2
signed long result = 0; //运算结果
unsigned char T0RH = 0; //T0 重载值的高字节
unsigned char T0RL = 0; //T0 重载值的低字节
void ConfigTimer0(unsigned int ms);
extern void KeyScan();
extern void KeyDriver();
extern void InitLcd1602();
extern void LcdShowStr(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *str);
extern void LcdAreaClear(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char len);
extern void LcdFullClear();
void main(){
EA = 1; //开总中断
ConfigTimer0(1); //配置 T0 定时 1ms
InitLcd1602(); //初始化液晶
LcdShowStr(15, 1, "0"); //初始显示一个数字 0
while (1){
KeyDriver(); //调用按键驱动
}
}
/* 长整型数转换为字符串,str-字符串指针,dat-待转换数,返回值-字符串长度 */
unsigned char LongToString(unsigned char *str, signed long dat){
signed char i = 0;
unsigned char len = 0;
unsigned char buf[12];
if (dat < 0){ //如果为负数,首先取绝对值,并在指针上添加负号
dat = -dat;
*str++ = '-';
len++;
}
do { //先转换为低位在前的十进制数组
buf[i++] = dat % 10;
dat /= 10;
} while (dat > 0);
len += i; //i 最后的值就是有效字符的个数
while (i-- > 0){ //将数组值转换为 ASCII 码反向拷贝到接收指针上
*str++ = buf[i] + '0';
}
*str = '\0'; //添加字符串结束符
return len; //返回字符串长度
}
/* 显示运算符,显示位置 y,运算符类型 type */
void ShowOprt(unsigned char y, unsigned char type){
switch (type){
case 0: LcdShowStr(0, y, "+"); break; //0 代表+
case 1: LcdShowStr(0, y, "-"); break; //1 代表-
case 2: LcdShowStr(0, y, "*"); break; //2 代表*
case 3: LcdShowStr(0, y, "/"); break; //3 代表/
default: break;
}
}
/* 计算器复位,清零变量值,清除屏幕显示 */
void Reset(){
num1 = 0;
num2 = 0;
step = 0;
LcdFullClear();
}
/* 数字键动作函数,n-按键输入的数值 */
void NumKeyAction(unsigned char n){
unsigned char len;
unsigned char str[12];
if (step > 1){ //如计算已完成,则重新开始新的计算
Reset();
}
if (step == 0){ //输入第一操作数
num1 = num1*10 + n; //输入数值累加到原操作数上
len = LongToString(str, num1); //新数值转换为字符串
LcdShowStr(16-len, 1, str); //显示到液晶第二行上
}else{ //输入第二操作数
num2 = num2*10 + n; //输入数值累加到原操作数上
len = LongToString(str, num2); //新数值转换为字符串
LcdShowStr(16-len, 1, str); //显示到液晶第二行上
}
}
/* 运算符按键动作函数,运算符类型 type */
void OprtKeyAction(unsigned char type){
unsigned char len;
unsigned char str[12];
if (step == 0){ //第二操作数尚未输入时响应,即不支持连续操作
len = LongToString(str, num1); //第一操作数转换为字符串
LcdAreaClear(0, 0, 16-len); //清除第一行左边的字符位
LcdShowStr(16-len, 0, str); //字符串靠右显示在第一行
ShowOprt(1, type); //在第二行显示操作符
LcdAreaClear(1, 1, 14); //清除第二行中间的字符位
LcdShowStr(15, 1, "0"); //在第二行最右端显示 0
oprt = type; //记录操作类型
step = 1;
}
}
/* 计算结果函数 */
void GetResult(){
unsigned char len;
unsigned char str[12];
if (step == 1){ //第二操作数已输入时才执行计算
step = 2;
switch (oprt){ //根据运算符类型计算结果,未考虑溢出问题
case 0: result = num1 + num2; break;
case 1: result = num1 - num2; break;
case 2: result = num1 * num2; break;
case 3: result = num1 / num2; break;
default: break;
}
len = LongToString(str, num2); //原第二操作数和运算符显示到第一行
ShowOprt(0, oprt);
LcdAreaClear(1, 0, 16-1-len);
LcdShowStr(16-len, 0, str);
len = LongToString(str, result); //计算结果和等号显示在第二行
LcdShowStr(0, 1, "=");
LcdAreaClear(1, 1, 16-1-len);
LcdShowStr(16-len, 1, str);
}
}
/* 按键动作函数,根据键码执行相应的操作,keycode-按键键码 */
void KeyAction(unsigned char keycode){
if ((keycode>='0') && (keycode<='9')){ //输入字符
NumKeyAction(keycode - '0');
}else if (keycode == 0x26){ //向上键,+
OprtKeyAction(0);
}else if (keycode == 0x28){ //向下键,-
OprtKeyAction(1);
}else if (keycode == 0x25){ //向左键,*
OprtKeyAction(2);
}else if (keycode == 0x27){ //向右键,÷
OprtKeyAction(3);
}else if (keycode == 0x0D){ //回车键,计算结果
GetResult();
}else if (keycode == 0x1B){ //Esc 键,清除
Reset();
LcdShowStr(15, 1, "0");
}
}
/* 配置并启动 T0,ms-T0 定时时间 */
void ConfigTimer0(unsigned int ms){
unsigned long tmp; //临时变量
tmp = 11059200 / 12; //定时器计数频率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值
tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值
tmp = tmp + 28; //补偿中断响应延时造成的误差
T0RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节
T0RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0xF0; //清零 T0 的控制位
TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1
TH0 = T0RH; //加载 T0 重载值
TL0 = T0RL;
ET0 = 1; //使能 T0 中断
TR0 = 1; //启动 T0
}
/* T0 中断服务函数,执行按键扫描 */
void InterruptTimer0() interrupt 1{
TH0 = T0RH; //重新加载重载值
TL0 = T0RL;
KeyScan(); //按键扫描
}

main.c 文件实现所有应用层的操作函数,即计算器功能所需要信息显示、按键动作响应等,另外还包括主循环和定时中断的调度。

通过这样一个程序,大家一方面学习如何进行多个 .c 文件的编程,另外一个方面学会多个函数之间的灵活调用。可以把这个程序看成是一个简单的小项目,学习一下项目编程都是如何进行和布局的。不要把项目想象的太难,再复杂的项目也是这种简单程序的组合和扩展而已。

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