单片机控制点阵式液晶显示器的设计.doc

吉吉 林林 农农 业业 大大 学学 本本 科科 毕毕 业业 设设 计计 论文题目: 单片机控制点阵式液晶显示器的设计 学生姓名： 专业年级： 电子信息科学与技术专业 指导教师： 职称 讲 师 2008 年 6 月 3 日 目目 录录 摘要及关键词.I 1 绪 论.1 1.1 设计开发的背景和意义.1 1.2 点阵字符型液晶显示模块(LCM).1 1.3 点阵字符型液晶显示模块的驱动控制器 HD44780.3 1.4 本章小结.3 2 单片机简介.3 2.1 微计算机的基本结构.3 2.1.1 中央处理单元（CPU）.4 2.1.2 存储器（MEMORY） .4 2.1.3 输入/输出端口（I/O PORT）.5 2.2 单片机定义.5 2.3 INTEL 公司 MCS 系列单片机.5 2.4 单片机的用处.6 2.5 使用单片机的好处.6 2.6 单片机的选择方案比较.6 2.6.1 MCS-51 系列单片机的选择.7 2.6.2 MCS-51 系列单片机的框图.7 2.6.3 MCS-51 系列单片机的引脚功能.8 3 点阵式液晶的基本原理和应用.9 3.1 液晶简介.9 3.2 液晶的特点.10 3.3 液晶显示模块.11 3.3.1 点阵式字符型液晶显示模块.11 3.3.1.1 LCM 的引脚及功能.12 3.3.2 点阵字符型液晶显示模块的 HD44780 驱动控制器.14 3.3.2.1 HD44780 的指令系统.16 3.3.3 LCM 的初始化.19 3.3.4 点阵式液晶显示器件的简易故障查寻及排除方法.22 4 设计开发的主要内容.23 4.1 用 LCD 模块显示自创图形.23 4.1.1 显示自创图形的步骤.23 4.1.2 编出飞机的图形码方法.23 4.1.3 动作情形.23 3 4.1.4 电路图.24 4.1.5 流程图.25 4.1.6 主程序.27 4.2 用 LCD 模块制作 4 个计数器.27 4.2.1 动作情形.27 4.2.2 电路图.28 4.2.3 流程图.28 4.2.4 计数器的动作流程.29 4.2.5 主程序.29 4.3 温度测量及显示系统.30 4.3.1 系统的总体设计思想和方案.30 4.3.2 方案论证.30 4.3.2.1 系统分析.30 4.3.2.2 温度传感器的选择.30 4.3.2.3 显示器的选择.31 4.3.2.4 单片机的选择.31 4.3.3 系统的硬件设计.31 4.3.3.1 单片机最小系统的设计.31 4.3.3.2 温度传感电路设计.32 4.3.3.5 显示电路的设计.33 4.3.4 系统的软件设计.34 4.3.4.1 系统的主程序设计.34 5 总结与展望.36 5.1 总结.36 5.2 展望.36 参考文献.37 致谢.38 附录 A HD44780 内藏字符库.39 附录 B 用 LCD 模块显示自创的字符程序.41 附录 C 用 LCD 模块制作 4 个计数器程序.45 附录 D 数字温度测量及显示系统整机电路图.51 吉林农业大学本科毕业设计 I 单片机控制点阵式液晶显示器的设计 学 生： 专 业：电子信息科学与技术 指导教师： 摘要摘要：液晶显示器(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻、超薄、显示信息丰富等许多其它 显示器无法比拟的优点，近几年广泛用于单片机控制的低功耗电子产品中。随着人们环 保意识的日益提高，LCD 必将受到更多的公司和用户的青睐。本文着重介绍晶显示的基 础知识、显示原理及点阵字符型液晶显示器 HT202 系列模块与单片机 89C51 的硬件接 口电路设计和软件设计，同时给出了 HD44780 内藏字符库和控制 LCD 的 1 条指令；简 述了单片机的组成特别是 Intel 公司生产的 MCS-51 系列。根据实情况，简明扼要地 给出单片机的实用选择方法。 通过用点阵模块显示自创图形、制作 4 个计数器和温度测量显示系统这 3 个设计实 例，阐述如何用单片机 89C51 来控制内置驱动控制器 HD44780 的液晶显示器模块 （LCM），使之显示相应的英文字母、字符、特殊符号和自创图形的方法以及如何利用驱 动控制器 HD44780 中的内藏字符库来产生用户需要的特殊图形和自创图形的技巧和相 关步骤。同时介绍了用户在使用 LCM 过程中一定要注意的事项和 LCD 相关故障的详 细清除方法。 最后简述 LCD 的发展趋势。 关关键词键词：单片机；点阵字符型液晶显示模块；驱动控制器 HD44780；温度传感器 The Design and Development of Dot-matrix Liquid Crystal Display Devise Under the Control of Single Chip Microcomputer Name：lidawei Major：Electronics Information Science and Technology Tutor：Gong He Abstract：Recent years LCD is utilizing more and more widely in these devices microcomputer controlling low-power consumption, LCDs own a several of advantages over the other devices which dont have at all, such as lower power consumption, light in weight, minute extension, ultra-thin. With the consciousness increasing daily, more and more people and companies will be in favor of LCD. The article mainly includes the contents as follows, the know-how about liquid-crystal display, the theory for displaying and hardware interface between HT202 series of dot-matrix character liquid-crystal device module and single chip microcomputer and software II technology, meanwhile introduces the built-in character in HD44780 and 11 articles of construction controlling LCD, gives the single chip microcomputer, especially MCS-51 series made by Intel company, also more based on practical situation, provides the means of selecting single chip microcomputer brief and to the point. The article elaborates on methods how to master single chip microprocessor 89C51 to control liquid-crystal device which has an built-in control-driven device HD44780 in order to display orderly English alphabets, characters, special symbols and customized characters and how to utilize the built-in characters in the control-driven device HD44780 to display the special figures and customized characters users require and their relative measures technically by 3 utilizing dot-matrix LCM examples:displaying customized figures and manufacturing 4 counters, indoor-temperature measerment and display system.Also it introduces the items the users who utilize the LCM should pay some attentions to and solutions to the bugs with full particulars. Finally presents the compendium of LCD development trend. Keywords: single chip microcomputer；dot-matrix character liquid crystal device module； control-driven device HD44780； temperature sensor 吉林农业大学毕业设计 1 1 绪 论 1.1 设计开发的背景和意义 人类的生存与发展离不开信息。在人类从外界获取的信息中，视觉获得的约占所 有获取的 70%以上，而获得方式最终都是通过显示器件来实现的。由此可见，显示器 件在人们生活中的地位是举足轻重的。 随着人们生活质量的不断改善，对显示要求也不断提高，人们对于显示器件的要求正 发生着改变，节能、环保型的显示器件越来越受到人们的青睐。液晶显示器便是以其 自身的优越显示特性率先进入市场并不断拓宽其应用领域，厂泛应用于电视、计算机、 手机、PDA、手持式仪器仪表等便携式电子产品和设备中。 一套完整的液晶显示系统主要由三部分组成:液晶显示屏、液晶显示驱动器和液 晶显示控制器。液晶显示屏和液晶显示驱动器通常是由厂家将其组装为一个模块一 同发售，而液晶显示控制器由专用集成电路组成，可独立开发应用于液晶显示系统。 我国开始液晶显示器件的研究及应用的时间相对这一领域的一些发达国家来说，不 足 10 年的历史。如今，国内虽已有数家生产液晶显示器件的公司，但与以发光二极管 和 CRT 为主的显示器件相比，液晶显示器件所占的份额仍相对较少。许多应用单位 对液晶显示器件还比较陌生。本设计详述了内置 HD44780 驱动控制器的字符型液晶 显示模块的用法。 1.2 点阵字符型液晶显示模块(LCM) 点阵式液晶显示器（非七段式）分为两大类，即字符型和图形型，图形型液晶显示 器也可以用来显示字符。本设计主要以字符型液晶显示模块为主。 点阵字符型液晶显示模块包括控制器、字符发生器、译码驱动器等部分（如图 1-1 所示），可直接与微处理器接口，或挂在计算机总线上，接口电路较简单。点阵字符型 液晶显示模块的种类繁多，常见的 LCD 模块有 8 字1 行、16 字1 行、16 字2 行 16 字4 行、20 字1 行、20 字2 行、20 字4 行、24 字2 行、40 字2 行等，各类型的 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表如表 1-1 至表 1-9 所示。本设计与开发以 20 字2 行为主。 图 1-1 LCD 模块结构 Fig.1-1 LCD Module structure 40 字2 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 吉林农业大学毕业设计 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 39 40 24 字2 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 23 24 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH 16H17H 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH 56H57H 20 字2 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 19 20 00H 01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH 12H13H 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH 52H53H 20 字1 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 19 20 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH 12H13H 20 字4 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 19 20 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH 12H13H 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH 52H53H 14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH 26H27H 54H55H56H57H58H59H5AH5BH5CH5DH5EH 66H67H 16 字4 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 19 20 00H01H02H03H04H05H06H07H08H 0EH0FH 40H41H42H43H44H45H46H47H48H 4EH4FH 14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH 22H23H 54H55H56H57H58H59H5AH5BH5CH 62H63H 16 字2 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 19 20 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H 0EH0FH 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H 4EH4FH 16 字1 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 19 20 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H 0EH0FH 8 字1 行 LCD 模块的显示与 DDRAM 地址的对照表 1 2 3 4 5 6 7 8 00H01H02H03H04H05H06H07H 由于目前市售的 LCD 模块所采用的 LCD 控制器都与 HITACHI 公司的 HD44780 兼容，所以应用的方法也相同。即大部分的 LCD 模块都具有相同的控制方 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH 26H27H 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH 66H67H 吉林农业大学毕业设计 3 法，也都有 14 只引脚，是兼容产品，而且是互换的。 LCD 模块不但能显示标准的 ASCII 码(大写英文字母、小写英文字母)、阿拉伯数 字、特殊符号,也能显示大约 50 个日文字形。 1.3 点阵字符型液晶显示模块的驱动控制器 HD44780 HD44780 集成电路是集驱动器与控制器与一体，专门用于点阵字符型液晶显示 模块的显示控制驱动的集成电路，它是点阵字符型液晶显示模块的控制器的典型集 成电路。 HD44780 驱动控制器的集成电路对外引出 80 个脚，采用 FP-80 扁平塑料外壳形 式的封装。其基本特点如下： (1)作为驱动控制器，HD44780 集成电路具有驱动 4016 点阵液晶像素的能力， HD44780 的驱动能力还可以通过外接驱动器扩展成 360 列驱动。 (2)其显示缓冲区与用户自定义的字符发生器 RAM（CGRAM）全部内置在集成电 路中。 (3)其接口数据可选择 8 位数据传输和 4 位数据传输两种方式。 (4)可以使用简单而功能较强的指令，实现字符移动、闪烁等显示功能。 HD44780 驱动控制器的集成电路对外引出 80 个脚，采用 FP-80 扁平塑料外壳形 式的封装。 1.4 本章小结 本章着重介绍了设计开发的背景和意义、LCM 的分类及其组成部分、LCM 所能 显示的内容、各类型 LCM 的显示与 DDRAM 地址的对照表，最后简述点阵字符型液 晶显示模块的驱动控制器 HD44780 的基本特点。 2 单片机简介 2.1 微计算机的基本结构 目前，微计算机（microcomputer）有 4 位、8 位、16 位和 32 位等多种。但基本结构 都如图 2-1 所示，包括 3 大部分。 吉林农业大学毕业设计 4 图 2-1 微计算机的结构 Fig.2-1 Structure of the little computer 2.1.1 中央处理单元（CPU） 中央处理单元（Central Processing Unit）负责从存储器读入指令，加以分析，并执 行指令；负责整个微计算机的运作。CPU 依其处理数据的位数不同，有 4 位、8 位、16 位和 32 位的。 2.1.2 存储器（Memory） (1)可再重新用烧录器烧录新的内容。 Flash 存储器（闪存）。Flash 存储器的内容是用户用烧录器烧录进去的，必要时可 用烧录器立即将其内容清除掉，并烧录新的内容。存储器用来存储程序和数据。常用 的存储器如下： (2)ROM（Read Only Memory只读存储器）。ROM 的内容是存储器的制造厂在 生产过程中的制造进去的。其优点是：适宜大量生产；其缺点是：无法自己变更其内容。 ROM 又称为 Mask ROM 或 MROM。 (3)EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory可清除再重新烧录的 ROM)。EPROM 的内容是用户用烧录器烧录进去的，必要时可用紫外线灯照射，将内 容清除掉（俗称“洗掉”）， (4)RAM(Read Access Memory随机存储存储器)。RAM 的内容可由 CPU 随时存 取，因此常被用来存储需要变更的数据。 存储在 ROM、EPROM 及 Flash 存储器的内容并不会因电源切断而消失，因此常 被用来存储程序及固定不变的数据,RAM 一般只用来存放随机易变的数据。 吉林农业大学毕业设计 5 2.1.3 输入/输出端口（I/O Port） 输入端口（input port）负责将外界命令、数据送入微计算机中；输出端口（output port）负责将 CPU 处理的结果送至外界。一般微计算机的输入/输出端口只能够输入/ 输出 0 与 1 两种状态，但有些微计算机的输入/输出端口具有模拟输入/输出端（即内 含模拟/数字转换器A/D converter），因此可输入模拟电压。 由于很多微计算机所用的组件既可当输入端口用，也可当输出端口用，因此常将 输入端口与输出端口合称为 I/O。 2.2 单片机定义 单片机就是将微计算机的结构安置于同一个芯片而成的微计算机。即：单片机就 是把微计算机的结构制造在同一个 IC 内而形成的微计算机。 单片机（single chip microcomputer）主要用于控制方面，所以也被称为微机控制器 （microcontroller）。功能较强的单片机，内部除了 CPU、存储器和 I/O 口等基本结构外， 更将定时器、计数器、串行传输接口、A/D 转换器和 D/A 转换器等都制作在内部，足 以满足大部分应用上的需求。 2.3 Intel 公司 MCS 系列单片机 各大 IC 制造厂为适合不同用途而设计出来的单片机非常多，但由于微计算机是 由 Intel 公司最早开发成功的，所以目前市面上也是以 Intel 公司的 MCS 系列（micro- computer system）最为普遍。它共有 3 大系列，介绍如下： MCS-48 系列 （1）是世界上历史最悠久的 8 位单片机。 （2）内部含有 8 位 CPU、存储器、I/O 和 8 位定时/计数器等单片机必备的基本组 件。 （3）有 8048、8748、8049、8749、8050、8750、8035 和 8039 等常见类型。 （4）指令简单易学，但不太适合用于复杂的控制情况。 MCS-51 系列 （1）是高性能的 8 位单片机。 （2）内部含有 8 位 CPU、存储器、I/O、串行传输接口和 16 位定时/计数器。 （3）功能比 MCS-48 系列强，指令简单易学，不但有乘除指令，还有单一位的逻辑 运算指令（即具有布尔代数的处理能力），是自动控制上的有力武器。 （4）具有锁存功能，可防止辛苦设计的程序被其他人复制。 （5）有 80C51、87C51、80C52、87C52、87C54、80C31、80C32、89C51、89C52 和 89C55 等常用的类型。 MCS-51 系列的产品不但速度更快，耗电更少，功能更强，而且价格急速下降， 已成为 8 位单片机的主流。 吉林农业大学毕业设计 6 MCS-96 系列 （1）是 16 位的高性能单片机。 （2）除了含有 16 位 CPU、存储器和定时/计数器外，还内含串行传输接口及 A/D 转换器。 （3）有 8086、8396、83196 和 87196 等常见的类型。 （4）价格昂贵，只适用于复杂的控制情况。 2.4 单片机的用处 单片机不但适用于工业自动控制方面，而且在价格低廉、体积小巧的优势下广泛 应用于电视机、微波炉、电磁炉、空调机、洗衣机、电子锅、电扇、电子称、自动售货机、 复印机、传真机、打印机、绘图机、机器手臂、防盗器、汽车和可编程控制器件等产品 内。单片机的应用无处不在。 2.5 使用单片机的好处 体积小由于单片机已将微计算机的所有结构浓缩于单一的芯片内，因此可是使 产品符合轻薄小巧的要求。 接线简单单片机的外部只要接上少许器件即可工作，所以接线简单，可靠性高， 不论装配或检修都容易。 价格低廉由于各制造商展开市场争夺战，因此单片机的家价格不断下降。若大量 采购，则价格已足以与一般的传统逻辑（数字）器件电路较量。 简单易学由于单片机所需的外部器件甚少，因此只需花费极少的时间学习硬件 电路的设计，而把大部分的时间放在软件（设计软件）的学习上，可缩短学会单片机应 用所需的时间。 2.6 单片机的选择方案比较 位数越多的计算机并不一定好用，选择的依据：只有适用的计算机才是好计算机。 想快速处理大量的数据（例如：学生成绩处理、员工薪金处理、库存管理、计算机 辅助设计等），选用 4 位的计算机，是不合理的选择；想做简单的工作（例如：广告控制） ，去购买 32 位的计算机，是浪费。 选用计算机不但要考虑价格的高低，还要兼顾其工作能力及是否容易驾驭，使一 台计算机的功能完全发挥才能获得最经济有效的应用。计算机的应用逐渐向两个方 向发展：自动控制和数据处理。作自动控制的计算机朝小型化发展，目前以 8 位为主。 作数据处理的计算机则朝高容量、快速度发展，目前已经进展到 32 位。总之，只有工 作能力符合要求、价格合理的计算机才是好计算机。也就是说，只有适用的计算机才 是好计算机。 吉林农业大学毕业设计 7 2.6.1 MCS-51 系列单片机的选择 表 2-1 MCS-51 系列单片机的内部结构 内部存储器输入/输出定时/计数器 类型 RAM/ 字节 ROM/ KB EPROM/ KB Flash 存储器/KBI/O 个16 位/个 80C31 80C51 87C51 89C51 80C32 80C52 87C52 89C52 87C54 89C55 128 128 128 128 256 256 256 256 256 256 0 4 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 8 0 16 0 0 0 0 4 0 0 0 8 0 20 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 在表 2-1 中已经介绍了 MCS-51 系列单片机的常用类型，它们在结构上最大的差 异是内部存储器的容量不同，所以根据设计程序的大小即可很快找到最适应的类型， 起。选用的原则如下： (1) 所需程序存储器的容量小于 4KB 时： 少量生产时，选用 87C51 或 89C51； 产品已定型，需大量生产时，选用 80C51。 (2) 所需程序存储器的容量大 4KB 但不大于 8KB 时： 少量生产时，选用 87C52 或 89C52； 产品已定型，需大量生产时，选用 80C52。 (3) 所需程序存储器的容量超过 8KB 但不大于 20KB 时，可选用 89C55。 (4) 当所写的程序很长，以至于 20KB 的程序存储器还不够用时，可利用硬件的 技巧 外部加上存储器。 综上所述，选择 89C51。 2.6.2 MCS-51 系列单片机的框图 MCS-51 系列单片机的内部框图如图 2-2 所示。说明如下： 吉林农业大学毕业设计 8 图 2-2 MCS-51 单片机的框图 Fig.2-2Block diagram of the MCS-51 series one-chip computer 振荡器 MCS-51 系列单片机的内部有一个振荡器，只要外接一个晶振（crystal）即可产 生整个系统所需的时钟脉冲。 CPU 用来执行指令和整个单片机的运作。 程序存储器 ROM、EPROM 或 Flash 存储器，用来存储程序及固定不变的常数。其容量随类型 而异，ROM、EPROM 或 Flash 存储器的最大特点是内容并不会因电源切断而消失。 但是 CPU 仅能读取存储器的内容，而无法改变程序存储器的内容。 、 数据存储器 RAM 用来存储程序执行中需要加以改变的数据。其容量随类型而异。 RAM 是一种随时可以由 CPU 存取数据的存储器，但存于内部的数据会随电源的 切断而消失。 定时/计数器 可用指令设定为 16 位的定时器或 16 位的计数器用。 I/O 引脚 共有 32 个输入/输出引脚可供使用。 2.6.3 MCS-51 系列单片机的引脚功能 VSS：电路的接地电位。 XTAL1 和 XTAL2：两脚之间须接一个 3.512MHz 的晶振。常用的晶振有 吉林农业大学毕业设计 9 3.58MHz、6MHz、11.059MHz 和 12MHz。振荡电路的接法如图 2-3 所示。 RESET：复位输入脚。此引脚内部已经有一个 50300K 的电阻器接地，所以只须接 一个电容器至+VCC，即可在电源 ON 时产生开机复位的功能。但是，常会在 RESET 引脚用一个 8.210K 的电阻器接地，以缩短开机复位的时间。开机复位电路如图 2-4 所示。 当复位信号发生后会产生下列作用： 会使特殊功能寄存器在复位后产生默认值。 在 Port0Port3 的每一引脚都写入 1。 XTAL 1 19 VSS 20 89C51 XTAL 1 18 Y 12M C1 30PF C2 30PF 图 2-3 振荡电路 Fig.2-3 Shake the circuit C 10