单片机：实现设计简单计算器（4位加减乘除）（附带源码）

单片机实现简单计算器（4位加减乘除）

在嵌入式系统开发中，实现一个简单的计算器是一个常见且实用的项目，尤其是在学习和实践单片机编程时。我们将通过使用单片机（例如AT89C51）来实现一个支持4位加、减、乘、除的简单计算器。计算器将接收用户输入的两个4位数字，以及操作符，然后进行相应的计算，并通过显示设备（如7段数码管或LCD显示屏）输出结果。

1. 项目需求分析

目标：

用户输入：用户通过键盘输入两个4位数字和一个操作符（加、减、乘、除）。
显示结果：计算器将显示计算结果（4位数）。
操作支持：支持加法、减法、乘法和除法四种基本运算。
错误处理：如果除数为0，显示错误提示。

功能需求：

输入功能：通过键盘输入数字和运算符。
显示功能：通过7段数码管或LCD显示计算结果。
运算功能：支持加法、减法、乘法、除法等四则运算。
除数为零处理：当用户进行除法运算且除数为零时，计算器应显示“ERROR”。

2. 硬件设计

2.1 单片机选择

本项目使用AT89C51单片机，它具有足够的GPIO端口来连接显示器和键盘。通过串口或并口与显示器连接，通过GPIO口控制键盘输入。

2.2 硬件连接

键盘：
- 使用4×4矩阵键盘进行数字和操作符输入。矩阵键盘通过行列连接到单片机的GPIO口。
显示设备：
- 可以使用7段数码管或LCD屏来显示输入的数字和计算结果。
电源：
- 为单片机和其他外设提供稳定的电源。

2.3 电路设计

矩阵键盘：连接至单片机的4行4列引脚。
7段数码管：连接至单片机的多个GPIO引脚，用于显示输入的数字和计算结果。

3. 软件设计

3.1 键盘扫描

使用矩阵键盘来输入数字和运算符。每按下一个键，程序将根据扫描键盘的状态，将按键值保存下来。

3.2 运算逻辑

根据用户输入的两个4位数字和操作符进行相应的计算。支持加法、减法、乘法和除法。对于除法操作，需要特别处理除数为零的情况。

3.3 显示功能

使用7段数码管或LCD显示屏显示计算结果。由于结果可能是4位数，需要确保显示器能够显示足够的字符。

3.4 程序设计

配置矩阵键盘输入，扫描用户输入。
根据输入的数字和运算符进行四则运算。
结果通过数码管或LCD显示。
错误处理（如除数为零）。

3.5 代码实现

#include <reg51.h>  // 包含51单片机的寄存器定义文件

// 定义矩阵键盘的行列引脚
#define ROW1 P1_0
#define ROW2 P1_1
#define ROW3 P1_2
#define ROW4 P1_3
#define COL1 P1_4
#define COL2 P1_5
#define COL3 P1_6
#define COL4 P1_7

// 定义7段数码管连接端口
#define SEGMENTS P2

// 用于存储输入的数字和操作符
unsigned char num1[4], num2[4], operator;
unsigned char result[4];  // 用于存储计算结果

// 函数声明
void delay(unsigned int time);
void init_keypad();
unsigned char scan_keypad();
void display_result(unsigned char* result);
unsigned char calculate(unsigned char num1[], unsigned char num2[], unsigned char operator);

void delay(unsigned int time) {
    unsigned int i, j;
    for (i = 0; i < time; i++) {
        for (j = 0; j < 120; j++);
    }
}

// 初始化矩阵键盘扫描
void init_keypad() {
    ROW1 = ROW2 = ROW3 = ROW4 = 1;  // 设置为输入状态
    COL1 = COL2 = COL3 = COL4 = 0;  // 设置为低电平
}

// 扫描矩阵键盘
unsigned char scan_keypad() {
    unsigned char key = 0;
    init_keypad();  // 初始化矩阵键盘
    if (COL1 == 0) key = 1;  // 按键1
    else if (COL2 == 0) key = 2;  // 按键2
    else if (COL3 == 0) key = 3;  // 按键3
    else if (COL4 == 0) key = 4;  // 按键4
    return key;
}

// 数码管显示结果（这里只是示例，具体显示可根据需求调整）
void display_result(unsigned char* result) {
    // 显示数组中的数字（假设是4位数）
    // 你可以在这里使用具体的显示函数来显示数字
    SEGMENTS = result[0];  // 显示第一个数字
    delay(500);
    SEGMENTS = result[1];  // 显示第二个数字
    delay(500);
    SEGMENTS = result[2];  // 显示第三个数字
    delay(500);
    SEGMENTS = result[3];  // 显示第四个数字
}

// 计算两个数字的运算结果
unsigned char calculate(unsigned char num1[], unsigned char num2[], unsigned char operator) {
    unsigned int n1 = num1[0] * 1000 + num1[1] * 100 + num1[2] * 10 + num1[3];
    unsigned int n2 = num2[0] * 1000 + num2[1] * 100 + num2[2] * 10 + num2[3];
    unsigned int res;

    switch (operator) {
        case '+':
            res = n1 + n2;
            break;
        case '-':
            res = n1 - n2;
            break;
        case '*':
            res = n1 * n2;
            break;
        case '/':
            if (n2 == 0) {
                // 处理除数为零的情况
                result[0] = 'E';
                result[1] = 'R';
                result[2] = 'R';
                result[3] = '0';
                return 0;  // 错误
            }
            res = n1 / n2;
            break;
        default:
            return 0;  // 错误
    }
    result[0] = res / 1000;       // 高位
    result[1] = (res % 1000) / 100; // 次高位
    result[2] = (res % 100) / 10;   // 次低位
    result[3] = res % 10;           // 低位
    return 1;
}

// 主程序
void main() {
    unsigned char key = 0;
    unsigned char state = 0;  // 用于记录当前输入状态（输入num1、num2或操作符）
    
    while (1) {
        key = scan_keypad();  // 扫描按键输入
        
        if (key) {
            if (state == 0) {  // 输入第一个数字（num1）
                num1[0] = key;  // 存储按下的数字
                state = 1;  // 切换到输入num2
            } else if (state == 1) {  // 输入操作符
                operator = key;  // 存储操作符
                state = 2;  // 切换到输入num2
            } else if (state == 2) {  // 输入第二个数字（num2）
                num2[0] = key;  // 存储按下的数字
                state = 3;  // 切换到计算并显示
            }
        }

        if (state == 3) {  // 进行计算
            if (calculate(num1, num2, operator)) {
                display_result(result);  // 显示结果
            }
            state = 0;  // 重置状态，准备进行下一次计算
        }
    }
}

4. 代码解释

初始化键盘和显示器：
- init_keypad()函数用于初始化矩阵键盘，准备开始扫描。
- display_result()函数用于将计算结果显示在数码管上（这里只是一个简化的示例，具体显示功能可以根据需要设计）。
矩阵键盘扫描：
- scan_keypad()函数负责扫描矩阵键盘，返回按下的键值。
计算函数：
- calculate()函数根据输入的两个数字和操作符进行计算。支持加法、减法、乘法和除法。当除数为零时，返回错误信息。
主程序流程：
- 主程序中不断扫描键盘，等待用户输入数字、操作符和第二个数字，计算结果并显示。