基于STM32科學(xué)計(jì)算器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王麗濱　趙云鵬

【摘要】本次設(shè)計(jì)的基于STM32的科學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制單元;以TFT-LCD液晶顯示屏進(jìn)行輸出和輸入;以C語(yǔ)言作為本次設(shè)計(jì)的編碼語(yǔ)言，編寫本次的邏輯控制;并在 Keil5平臺(tái)上進(jìn)行編譯和運(yùn)行;從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算的基本功能，同時(shí)本次設(shè)計(jì)還精確到小數(shù)點(diǎn)后六位。通過多次試驗(yàn)后還是保持良好的精確性，且該設(shè)計(jì)的組成成本低、性能穩(wěn)定，是獲取精確數(shù)據(jù)的重要保障。本次設(shè)計(jì)以STM32系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用科學(xué)計(jì)算器系統(tǒng)，計(jì)算需要計(jì)算的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)加減乘除，取余，實(shí)現(xiàn)小數(shù)、負(fù)數(shù)的運(yùn)算。采用常用的數(shù)學(xué)函數(shù)的運(yùn)算，精確到小數(shù)點(diǎn)后6位，在觸摸屏上輸入和輸出。通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，按鍵直接顯示在觸摸屏上，不需要傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，完成數(shù)學(xué)表達(dá)式的計(jì)算，包括三角函數(shù)，log，ln等一些常用的數(shù)學(xué)函數(shù)， 實(shí)現(xiàn)基本的四則運(yùn)算，并將表達(dá)式和結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);人機(jī)交互;四則運(yùn)算;計(jì)算器系統(tǒng)

1. 硬件部分設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和電子技術(shù)的快速進(jìn)步，人們的生活生產(chǎn)越來越朝著智能化的方式出發(fā)。如果說微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)是現(xiàn)代科學(xué)研究的一次巨大飛躍，那么單片機(jī)等電子技術(shù)的出現(xiàn)就是現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域和測(cè)量領(lǐng)域的一次具有創(chuàng)新活力的科技革命。

本文設(shè)計(jì)的是一種基于STM32科學(xué)計(jì)算器系統(tǒng)，其輸入方式是通過觸摸屏進(jìn)行輸入，以屏幕按鍵的方式代替了傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵，同時(shí)該設(shè)計(jì)可以精確到小數(shù)點(diǎn)后六位，可以計(jì)算出一些函數(shù)的值，可以為人們方便地提供數(shù)據(jù)，具有重要意義。

由硬件部分和軟件部分結(jié)合，通過編程提示進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互，編譯整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。隨后系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前的輸入信息，并通過內(nèi)部設(shè)定的邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取。

1.2 系統(tǒng)的組成

本次基于STM32的科學(xué)計(jì)算器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過硬件主機(jī)處理屏幕輸入的信號(hào)，然后得出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)主要是在觸摸屏上顯示各種信息文本，所以硬件電路比較簡(jiǎn)潔，不需要很多硬件。PC機(jī)通過RS232串行接口和STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，STM32和顯示屏通過16位并行接口通信，和觸摸板通過SPI接口進(jìn)行通信。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。

1.3 基于stm32的控制電路設(shè)計(jì)

科學(xué)計(jì)算器系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制MCU，單片機(jī)控制電路具體包括，按鍵復(fù)位電路，晶振電路，儲(chǔ)存電路，電源電路等多個(gè)部分。

1.3.1 復(fù)位電路

復(fù)位電路的可靠性直接影響微控制器系統(tǒng)的可靠性，因此您必須正式復(fù)位電路配置并進(jìn)行檢查。STM32微控制器通常由主動(dòng)復(fù)位，復(fù)位按鈕和電源按鈕以及復(fù)位方法供電，優(yōu)點(diǎn)是可以在接通電源后立即進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，您可以在任何地方制作電路指向重置。

1.3.2 晶振電路

STM32的時(shí)鐘信號(hào)通過兩種方法完成，其一就是內(nèi)部方式，通過芯片里面的振蕩電路，產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)：其二就是外部方式，時(shí)鐘信號(hào)從外部導(dǎo)入。假若沒有時(shí)鐘來完成時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單片機(jī)則無法工作。這類電路是拿來配合外面晶體來進(jìn)行振蕩，假若時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)為0的話則無法工作。誠(chéng)然超過單片機(jī)工作所需頻率時(shí)同樣會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)無法正常工作，所以通常選用石英晶體振蕩器。這個(gè)電路在加大電量約為10ms延遲后振蕩器開始起振，在引腳處會(huì)出現(xiàn)5V的正弦波時(shí)鐘信號(hào)是，振蕩頻率主體是通過石英晶振的頻率確定。

2. 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

在整個(gè)數(shù)據(jù)的處理過程中，首先通過單片機(jī)、顯示模塊、儲(chǔ)存模塊進(jìn)行初始化管腳信息，便于整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行自檢工作。因?yàn)樵O(shè)計(jì)不會(huì)告訴我們此時(shí)運(yùn)行到那個(gè)階段了，但是通過我們的編程提示進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互，編譯我們了解整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。隨后系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前的輸入信息，并通過內(nèi)部設(shè)定的邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取。具體流程圖如圖2.1所示。

2.2 顯示部分設(shè)計(jì)

顯示部分設(shè)計(jì)包括顯示模塊選擇，顯示程序設(shè)計(jì)和顯示模塊程序設(shè)計(jì)。

2.2.1 顯示模塊的選擇

在此設(shè)計(jì)中，有兩個(gè)選項(xiàng)可以選擇主顯示模塊：

通過對(duì)以上兩種方案的分析，為了讓本次檢測(cè)的數(shù)據(jù)更加直觀清晰的顯示出來，同時(shí)本次設(shè)計(jì)需要屏幕作為輸入工具，而數(shù)字管不滿足該功能，所以本次顯示模塊選擇的是TFT-LCD顯示屏。

2.2.2 顯示程序設(shè)計(jì)

顯示模塊采用TFT-LCD進(jìn)行顯示，程序開始后首先進(jìn)行的是初始化的工作。隨后微控制器獲取并處理相關(guān)的數(shù)據(jù)，在主函數(shù)調(diào)用的情況下，利用單片機(jī)內(nèi)部的串行接口，可以實(shí)現(xiàn)顯示處理。這樣不僅可以節(jié)省單片機(jī)的并行接口資源，而且在大多數(shù)不使用串行接口的情況下，可以減少或是免去擴(kuò)展接口。

2.3 顯示模塊程序設(shè)計(jì)

顯示模塊程序由LCD初始化程序和定時(shí)器中斷程序，首先由LCD初始化程序?qū)⑵聊簧闲枰@示的按鍵顯示，再由定時(shí)器中斷程序定時(shí)刷新屏幕顯示表達(dá)式的區(qū)域，將輸入的表達(dá)式實(shí)時(shí)顯示出來。

LCD初始化流程圖如圖2.3所示：

3. 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

3.1 硬件測(cè)試

在首先整體進(jìn)行硬件排查以及調(diào)試的過程中，首先就要進(jìn)行各個(gè)模塊以及主要的處理主單片機(jī)之間的管腳引線是否安裝合理，如果相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸引腳沒有完成合理的接通，那么在后期軟件邏輯處理的時(shí)候不能得到關(guān)鍵的數(shù)據(jù)值，那么對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件錯(cuò)誤排查就不能方便快速的找到對(duì)應(yīng)的問題，然后檢查設(shè)備的規(guī)格和極性是否有錯(cuò)誤。然后，如果電路板和電源之間存在短路，將使用萬(wàn)用表解決此問題。

3.2 軟件調(diào)試

當(dāng)調(diào)試完科學(xué)計(jì)算器設(shè)計(jì)硬件間的連接沒有任何問題后，接下來就可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算器軟件程序的調(diào)試工作。首先用keil打開之前寫好的程序代碼，因?yàn)槭前茨K化的方式來編寫的程序代碼，所以可以按照單個(gè)模塊來進(jìn)行代碼的測(cè)試，如果在調(diào)試的過程中，發(fā)現(xiàn)代碼運(yùn)行出錯(cuò)，則可以很快找到對(duì)應(yīng)模塊的代碼，并對(duì)其進(jìn)行修改。按照這種方式一個(gè)一個(gè)模塊的進(jìn)行科學(xué)計(jì)算器軟件的調(diào)試，當(dāng)調(diào)試了多次還沒出現(xiàn)什么問題后，就可以準(zhǔn)備下一步的整體系統(tǒng)調(diào)試工作了。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張亞.基于LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)的科學(xué)計(jì)算器[J].電子世界，2019（22）：48-49.

[2] Ma Hnin Yu Myaing ， Ma Naing. Arduino Based Scientific Calculator[J]. South Asia Management Association，2019，3（5）.

[3] 毛超勛.科學(xué)計(jì)算器在測(cè)距導(dǎo)線和三角高程計(jì)算中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2018（24）：141-143.

[4] Adriel G. Roman.. CONJECTURING HIGHER COMPETENCIES IN STATISTICS USING SCIENTIFIC CALCULATOR.[J]. International Journal of Advanced Research （IJAR），2018，6（11）.

作者簡(jiǎn)介：王麗濱，遼寧省沈陽(yáng)市， 研究方向：電子信息工程。通訊作者：趙云鵬，遼寧朝陽(yáng)，講師，研究方向：信息系統(tǒng)。