毕业设计（论文）-基于单片机的lcd流动字幕设计.doc

南南 京京 师师 范范 大大 学学 泰泰 州州 学学 院院 毕毕 业业 论论 文 设文 设 计 计 2012 届 届 题题 目 目 基于单片机的基于单片机的 LCD 流动字幕设计流动字幕设计 院 系 部 院 系 部 电力工程学院电力工程学院 专专 业 业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 姓姓 名 名 学学 号号 指导教师 指导教师 南京师范大学泰州学院教务处南京师范大学泰州学院教务处 制制 I 基于单片机的 LCD 流动字幕 摘 要 人们生活节奏的不断加快 电子产品层出不穷 使我们的生活更加方便 快捷 在电子行业中 越来越多的产品开始重视人机信息交换的输入输出设备 为了能更方便 快捷的获得信息 流动显示屏的应用便逐渐的流行了起来 在 显示器领域 由球面的 CRT 到纯平 CRT 由纯平 CRT 到如今主流的 LCD 液晶显示 而 LCD 字幕滚动显示更是得到广泛应用 本文详细介绍了 LCD 流动字幕的工作原理以及实现过程 选择了合适的 80C51 单片机 以及 LCD2864 芯片 给出了单片机控制系统总体设计方案 设 计过程 组成 列出了具体的硬件电路图 概述了 LCD 的显示方式 以及汉字 的显示方法 采用 C 语言实现了字幕显示 延时 滚动等控制功能 关键词 80C51 单片机 LCD12864 LCD 滚动字幕 II The LCD mobile caption based on SCM Abstract With the speed up of the life s pace The new electric produce constantly change make our s living more conveniently and quickly In the industry of electronics more and more product are paying attention to man machine information exchange input and output decices In order to be more convenient and fast access to information the mobile display applications will gradually popular up In the display area by the spherical surface of the CRT to flat the CRT by the LCD now mainstream flat CRT display LCD subtitles scroll display is widely used This paper describes the working principle and the implementation process of the LCD flow subtitles choose the 80C51 microcontroller and LCD2864 chip given a single chip control system design plan the design process composition lists the specific hardware circuit diagram an overview ofthe LCD display and display of Chinese characters C language subtitles delay scrolling and other control functions Keywords 80C51 LCD12864 LCD rolling subtitles III 目录目录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪 论 1 第 1 1 节 课题的研究背景和意义 1 第 1 2 节 LCD 显示器的发展史及趋势 1 第 1 3 节 LCD12864 的原理及应用概述 2 1 3 1 LCD 的应用 2 1 3 2 LCD 的主要参数 2 1 3 3 LCD 的分类 4 1 3 4 LCD 的工作原理 4 1 3 5 LCD12864 的特点 5 第二章 LCD 流动字幕总体系统设计 6 第 2 1 节 系统总体设计 6 第 2 2 节 LCD12864 的控制要求 9 第三章 单片机控制的 LCD 流动字幕的硬件系统 10 第 3 1 节 80C51 单片机的硬件系统 10 3 1 1 中央处理器 CPU 10 3 1 2 80C51 的内部结构 11 3 1 3 时钟电路及 CPU 工作时序 11 第 3 2 节 LCD12864 显示器的硬件系统 12 第 3 3 节 LD12864 的显示 13 第 3 4 节 系统总体的硬件连接图以及工作原理 14 第四章 基于单片机的 LCD 流动字幕软件系统 18 第 4 1 节 LCD12864 的基本指令 18 第 4 2 节 LCD16 16 点阵字模 19 第 4 3 节 LCD 显示程序 21 IV 4 3 1 LCD 端口定义程序 21 4 3 2 LCD 清屏程序 21 4 3 3 初始化程序 22 4 3 4 延时程序 22 4 3 5 写程序 22 小 结 24 参考文献 25 致 谢 26 附 录 27 流程图 37 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 1 第一章 绪 论 第 1 1 节 课题的研究背景和意义 在信息科技高速发展的时代 信息产品层不断更新 LCD 流动字幕的出现 使人们的生活更加多姿多彩 亮丽实用的广告牌可以给我们的生活添加光彩 可以给店铺招揽生意 传统的广告牌都是固定的汉字 并且时间长了会掉色 使汉字模糊难认 这给我们的生活带来很多的不便 尤其是到了晚上 传统的 广告牌就失去了作用 因此我们需要一种造价低廉 使用方便 可以发光 可 以方便改变汉字且比较耐用的电子显示广告牌 第 1 2 节 LCD 显示器的发展史及趋势 我们平时所说的 LCD 它的英文全名是 Liquid Crystal Display 直接翻译成 中文就是液态晶体显示器 简称液晶显示器 液晶是一种几乎完全透明的物质 它的分子排列决定了光线穿透液晶的路径 20 世纪初 人们发现液晶充电会改 变它们的分子排列 继而造成光线的扭曲或折射 由此引发了人们发明液晶显 示设备的念头 液晶显示技术最早于 1968 年问世 不过真正运用在产品上还是在 1973 年 SHARP 公司在生产的小型计算器上首次采用 LCD 它所采用的是扭转型液晶 显示技术 画面反应时间较慢 且输出的光线亮度不高 所以称为 被动式 这一类液晶显示器对动 静态影像的显示表现都不好 在其后的 10 年间 液晶 显示器技术发展的十分缓慢 当 1985 年东芝公司推出全球第一台笔记本时 液 晶显示器立即与笔记本电脑融为一体 频繁的出现 但是那时的液晶显示器色 彩单一 亮度很低 用户所能看到是没有亮度的黑白显示屏 一年后 STN 液晶显示器出现了 STN 是 Super twisted nematic 的缩写 从字面上我们就 可以知道这是改进增强型 STN 的出现首次让 LCD 出现了色彩 STN 主要应 用于一些显示屏尺寸较大 要求不高的产品 1989 年 在东芝公司的努力下 第一台彩色的 DSTN 显示器正式应用在笔记本电脑中 这次革新让笔记本电脑 用户所面对的黑白世界瞬间进入了真正的色彩世界 DSTN 是 Dual Scan Tortuosity Nomograph 的缩写 中文又称 双重扫描被动式 尽管实现了彩色 输出 DSTN 显示器依然存在着许多令人无法忍受的局限性 由于视角狭小 图像品质差 分辨率和彩色深度低等缺点 DSTN 显示只能提供 EGA 640 350 分辨率 显示出 16 种色彩 1994 年 东芝公司又推出了专门 为笔记本电脑设计的 TFT 液晶显示屏 并且迅速登上时代的舞台 成为当今 IT 业界的主流 TFT 液晶即薄膜场效益晶体管液晶 是有源矩阵类型液晶显示器 中的一种 其具有更高的对比度 更丰富的色彩和更新频率更快等特性 俗称 真彩 相对于 DSTN 而言 TFT 液晶主要特点是为每个像素配置一个半导 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 2 体开关器件 其加工工艺类似于大规模集成电路 由于每个像素都可以通过点 脉冲直接控制 因而每个节点都相对独立 并可以进行连续控制 这样设计方 法不仅提高了显示屏的反应时间 同时在灰度控制上也可以做到非常精确 这 就是 TFT 色彩较 DSTN 更为逼真的原因 近几年 随着 TFT 液晶显示器在响 应时间 对比度 亮度 可视角度方面有了很大的进步 进一步拉近了与传统 CRT 显示器的差距 目前 液晶显示器的响应时间都在 50ms 以下 亮度在 200cd ms 左右 可视度达到 120 度以上 第 1 3 节 LCD12864 的原理及应用概述 1 3 1 LCD 的应用 在信息技术告诉发展的时代液晶显示器无处不在 在我们的日常生活中 在工业控制中 在娱乐场所里液晶显示器发挥着重要的作用 LCD 主要应用于 电脑的显示屏 随着电子技术的发展越来越多的手写手机也大量使用 LCD 做 显示屏 还有一些广告牌 标语栏等也都用 LCD 来显示 LCD 的显示屏在我 们的日常信息的传播中占重要的低位 1 3 2 LCD 的主要参数 1 对比度 LCD 制造时选用的控制 IC 滤光片和定向膜等配件与面板的对比度有关 对一般用户而言 对比度能够达到 350 1 就足够了 但在专业领域这样的对比 度平还不能满足用户的需求 相对 CRT 显示器轻易达到 500 1 甚至更高的对比 度而言 只有高档液晶显示器才能达到如此程度 对比度是很重要的 可以说 是选取液晶的一个比亮点更重要的指标 2 亮度 LCD 是一种介于固态与液态之间的物质 本身是不能发光的 需借助要额 外的光源才行 因此 灯管数目关系着液晶显示器亮度 最早的液晶显示器只 有上下两个灯管 发展到现在普及型的最低也是四灯 高端的是六灯 四灯管 设计分为三种摆放形式 一种是四个边各有一个灯管 但缺点是中间会出现黑 影 解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式 最后一种是 U 型的 摆放形式 其实是两灯变相产生的两根灯管 六灯管设计实际使用的是三根灯 管 厂商将三根灯管都弯成 U 型 然后平行放置 以达到六根灯管的效果 亮度也是一个比较重要的指标 越亮的液晶给人很远一看 就从一排液晶墙中 脱颖而出 我们在 CRT 中经常见到的高亮技术都是通过加大阴罩管的电流 轰 击荧光粉 产生更亮的效果 这样的技术 一般是以牺牲画质和显示器的寿命 来换取的 所有采用此类技术的产品在缺省状态下都是普亮的 LCD 显示亮度 的原理和 CRT 不一样 他们是靠面板后面的背光灯管的亮度来实现的 所以灯 管要设计的多 发光才会均匀 把三管弯成了 U 型 变成了所谓的六根 这样的六灯管设计 加上灯管发光本身就很强 面板就看到很亮 但所有高亮 的面板都会有一个致命伤 屏会漏光 漏光是指在全黑的屏幕下 液晶不是黑 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 3 的 而是发白发灰 所以好的液晶不要一味的强调亮度 而是要多强调对比度 3 信号响应时间 响应时间指的是液晶显示器对于输入信号的反应速度 也就是液晶由暗转 亮或由亮转暗的反应时间 通常是以毫秒 ms 为单位 要说清这一点我们还要 从人眼对动态图像的感知谈起 人眼存在 视觉残留 的现象 高速运动的画 面在人脑中会形成短暂的印象 动画片 电影等一直到现在最新的游戏正是应 用了视觉残留的原理 让一系列渐变的图像在人眼前快速连续显示 便形成动 态的影像 人能够接受的画面显示速度一般为每秒 24 张 这也是电影每秒 24 帧播放速度的由来 如果显示速度低于这一标准 人就会明显感到画面的停顿 和不适 按照这一指标计算 每张画面显示的时间需要小于 40ms 这样 对于 液晶显示器来说 响应时间 40ms 就成了一道坎 低于 40ms 的显示器便会出现 明显的画面闪烁现象 让人感觉眼花 要是想让图像画面达到不闪的程度 则 就最好要达到每秒 60 帧的速度 用一个很简单的公式算出相应反应时间下的每 秒画面数如下 响应时间 30ms 1 0 030 每秒约显示 33 帧画面 响应时间 25ms 1 0 025 每秒约显示 40 帧画面 响应时间 16ms 1 0 016 每秒约显示 63 帧画面 响应时间 12ms 1 0 012 每秒约显示 83 帧画面 响应时间 8ms 1 0 008 每秒约显示 125 帧画面 响应时间 4ms 1 0 004 每秒约显示 250 帧画面 响应时间 3ms 1 0 003 每秒约显示 333 帧画面 响应时间 2ms 1 0 002 每秒约显示 500 帧画面 响应时间 1ms 1 0 001 每秒约显示 1000 帧画面 通过上面的内容我们了解到了响应时间与画面帧数的关系 由此看来响应 时间是越短越好 4 可视角度 LCD 的可视角度是一个让人头疼的问题 当背光源通过偏极片 液晶和取 向层之后 输出的光线便具有了方向性 也就是说大多数光都是从屏幕中垂直 射出来的 所以从某一个较大的角度观看液晶显示器时 便不能看到原本的颜 色 甚至只能看到全白或全黑 为了解决这个问题 制造厂商们也着手开发广 角技术 到目前为止有三种比较流行的技术 分别是 N FILM IPS IN PLANE SWITCHING 和 MVA MULTI DOMAIN VERTICAL ALIGNMENT TN FILM 这项技术就是在原有的基础上 增加一层广视角补偿膜 这层补偿 膜可以将可视角度增加到 150 度左右 是一种简单易行的方法 在液晶显示器 中大量的应用 不过这种技术并不能改善对比度和响应时间等性能 也许对厂 商而言 TN FIL 并不是最佳的解决方案 但它的确是最廉价的解决方法 IPS IN PLANE SWITCHING 板内切换 技术 号称可以让上下左右可视角度达 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 4 到更大的 170 度 IPS 技术虽然增大了可视角度 但采用两个电极驱动液晶分 子 需要消耗更大的电量 这会让液晶显示器的功耗增大 此外这种方式驱动 液晶分子的响应时间会比较慢 MVA MULTI DOMAIN VERTICAL ALIGNMEN 多区域垂直排列 技术 原理是增加突出物来形成多个可视区域 液晶分子在静态的时候并不是完全垂直排列 在施加电压后液晶分子成水平排 列 这样光便可以通过各层 MVA 技术将可视角度提高到 160 度以上 并且提 供比 IPS 和 TN FILM 更短的响应时间 1 3 3 LCD 的分类 液晶显示器按照控制方式不同可分为被动矩阵式 LCD 及主动矩阵式 LCD 两种 段码式显示和点阵式显示 段码是最早最普通的显示方式 比如计算器 电子表这些 点阵式的有如 MP3 手机屏 数码相框这些高档消费品等 1 被动矩阵式 LCD 被动矩阵式 LCD 在亮度及可视角方面受到较大的限制 反应速度也较慢 由于画面质量方面的问题 使得这种显示设备不利于发展为桌面型显示器 但 由于成本低廉的因素 市场上仍有部分的显示器采用被动矩阵式 LCD 被动矩 阵式 LCD 又可分为 TN LCD Twisted Nematic LCD 扭曲向列 LCD LCD Super TN LCD 超扭曲向列 LCD 和 DSTN LCD Double layer STN LCD 双层超扭曲向列 LCD 2 主动矩阵式 LCD 目前应用比较广泛的主动阵式 LCD 也称 TF LCD Tin Film Transistor LCD 薄 膜晶体管 LCD 液晶显示器是在画面中的每个像素内建晶体管 可使亮度更明 亮 色彩更丰富及更宽广的可视面积 与 CRT 显示器相比 LCD 显示器的平面 显示技术体现为较少的零件 占据较少的桌面及耗电量较小 但 CRT 技术较为 稳定成熟 1 3 4 LCD 的工作原理 从液晶显示器的结构来看 无论是笔记本电脑还是桌面系统 采用的 LCD 显示屏都是由不同部分组成的分层结构 LCD 由两块玻璃板构成 厚约 1mm 其间由包含有液晶材料的 5 m 均匀间隔隔开 因为液晶材料本身并不发光 所 以在显示屏两边都设有作为光源的灯管 而在液晶显示屏背面有一块背光板 或称匀光板 和反光膜 背光板是由荧光物质组成的 可以发射光线 其作 用主要是提供均匀的背景光源 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之 后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层 液晶层中的液滴都被包含在细小的单 元格结构中 一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素 在玻璃板与液晶材料 之间是透明的电极 电极分为行和列 在行与列的交叉点上 通过改变电压而 改变液晶的旋光状态 液晶材料的作用类似于一个个小的光阀 在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分 当 LCD 中的电极产生电 场时 液晶分子就会产生扭曲 从而将穿越其中的光线进行有规则的折射 然 后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来 液晶显示技术也存在弱点和技 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 5 术瓶颈 与 CRT 显示器相比亮度 画面均匀度 可视角度和反应时间上都存在 明显的差距 其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量 画面均匀度 和辅助光学模块有很大关系 1 3 5 LCD12864 的特点 LCD12864 点阵液晶显示屏有三种控制器 分别是 KS0107 KS0108 T6963C 和 ST7920 三种控制器主要区别是 KS0107 KS0108 不带任何字库 T6963C 带 ASCII 码 ST7920 带国标二级字库 8 千多个汉字 本文选用的是 不带字库的 KS0107 KS0108 控制器 因为这样显示汉字的时候就可以选择 自己喜欢的字体 MPIRE128 64 是由 KS0108 驱动的 与带字库的液晶不同 此块液晶含有两个液晶驱动器 一块驱动器控制 64 64 个点 左右显示 由引 脚 CS1 和 CS2 控制 下图就是 128 64 点阵型的 LCD 内部逻辑结构图 图 2 1 内部逻辑电路图 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 6 第二章 LCD 流动字幕总体系统设计 第 2 1 节 系统总体设计 本系统需要实现分两步走 第一步解决在 LCD 液晶显示器上显示汉字 借 助字模生成软件产生 16 16 点阵的汉字代码 第二步解决汉字的滚动功能 可 以通过改变行的显示地址来让字幕上下滚动 也可以通过改变列地址实现汉字 的左右移动 1 本系统采用的是改变行来实现汉字的向上移动 系统组要有以 下几部件和电路 1 单片机 采用 80C51 单片机控制液晶显示屏显示字幕 它采用了 CMOS 技术 与 MCS 51 系列的单片机相比集成度高 速度快 功耗低 它主要由以 下几部分组成 1 中央处理器 CPU 单片机中央处理器和通用为处理器基本相同 只是增设了 面向对象 的处 理功能 如为处理器 查表 多种跳转 乘除发运算状态检测 中断处理等 增强了实时性 2 存储器 目前微型计算机和单片机的存储主要有两种结构 机哈佛 Harvard 结构 和普林斯顿 Princeton 结构 所谓哈佛结构 是将程序存储器和数据存储器 截然分开 分别寻址的结构 而普林斯顿结构 则是将程序和数据共用一个存 储空间的结构 80C51 系列单片机采用的是哈佛结构 3 I O 接口 80C51 单片机内部有四个八位的 I O 并行接口 不仅可以灵活的用作输入 或输出 而且还具有多种功能 还有一个全双工的串行口 以实现单片机和其 他设备间的串行通信 该串行口还可以作为移位器使用 4 时钟电路 80C51 单片机内部有时钟电路 但石英晶体和微调电容需外接 时钟电路 为单片机产生式的脉冲序列 5 中断 80C51 共有 5 个中断源 即外部中断 2 个 定时器 计数器中断 2 个 串 行口中断 1 个 2 全部中断源分为两个优先级 优先级的高低通过编程来实现 6 时器 计数器 80C51 共有 2 个 16 位的定时器 计数器 以实现精确的定时或对外部时间 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 7 的计数功能 下面是 80C51 单片机的引脚图以及引脚功能表 图 1 1 80C51 引脚图 表 1 1 各引脚功能表 P0 0 P0 7 漏极开路的双向 I O 口 作地址和数据总 线分时复用 P1 0 P1 7 P1 口是准双向 I O 口 用做输入低位字节 地址 P2 0 P2 7 P2 口也是准双向 I O 口 接收高位字节地 址 P3 0 P3 7 P3 口也是准双向 I O 口 其输出锁存器应 由程序置 1 P3 口可以驱动 4 个 LSTTL 负 载 ALE PROG 地址锁存器允许信号 PSEN 片外程序选通信号 低电平有效 EA Vpp 访问外部程序存储器选通信号 RSTRST 抚慰输入信号 高电平有效 XTAL1 XTAL2用于外接石英晶体和微调电容 VCC VSSVCC 电源 VSS 接地 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 8 2 复位电路 复位电路时有外部复位电路来实现的 复位电路通常采用上 电自动复位和按钮复位两种方式 本设计中所用到的是上电按钮复位 3 时钟电路 单片机的外接时钟电路 通过外接石英晶体实现 4 电源电路 电源是通过二极管 D1 后经过 C1 C2 滤波后由 LM2576 稳定 后提供稳定的 5V 电压通过时发光二极管亮 5 显示模块 LCD12864 LCD12864 是一种图形点阵液晶显示器 它主要由行驱动器 列驱动器及 128 64 全点阵液晶显示器组成 可完成图形显示 也可以显示 8 4 个 16 16 点 阵 汉字 12864 内部功能器件及相关功能如下 1 令寄存器 IR IR 是用于寄存指令码 与数据寄存器数据相对应 当 D I 0 时 在 E 信号 下降沿的作用下 指令码写入 IR 2 据寄存器 DR DR 是用于寄存数据的 与指令寄存器寄存指令相对应 当 D I 1 时 在下 降沿作用下 图形显示数据写入 DR 或在 E 信号高电平作用下由 DR 读到 DB7 DB0 数据总线 DR 和 DDRAM 之间的数据传输是模块内部自动执行的 3 标志 BF BF 标志提供内部工作情况 BF 1 表示模块在内部操作 此时模块不接受 外部指令和数据 BF 0 时 模块为准备状态 随时可接受外部指令和数据 利用 STATUS READ 指令 可以将 BF 读到 DB7 总线 从而检验模块工作 状态 4 示控制触发器 DFF 此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制 DFF 1 为开显示 DISPLAY ON DDRAM 的内容就显示在屏幕上 DFF 0 为关显示 DISPLAY OFF DDF 的状态是指令 DISPLAY ON OFF 和 RST 信号控制的 5 Y 地址计数器 XY 地址计数器是一个 9 位计数器 高 3 位是 X 地址计数器 低 6 位为 Y 地址计数器 XY 地址计数器实际是作为 DDRAM 的地址指针 X 地址计数器 为 DDRAM 的页指针 Y 地址计数器为 DDRAM 的 Y 地址指针 X 地址计数器是没有记数功能的 只能用指令设置 Y 地址计数器具有循环记数功能 各显示数据写入后 Y 地址自动加 1 Y 地址指针从 0 到 63 6 示数据 RAM DDRAM 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 9 DDRAM 是存储图形显示数据的 数据为 1 表示显示选择 数据为 0 表示 显示非选择 7 地址计数器 Z 地址计数器是一个 6 位计数器 此计数器具备循环记数功能 它是用于 显示行扫描同步 当一行扫描完成 此地址计数器自动加 1 指向下一行扫描 数据 RST 复位后 Z 地址计数器为 0 Z 地址计数器可以用指令 DISPLAY START LINE 预置 因此 显示屏幕的 起始行就由此指令控制 即 DDRAM 的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行 此模块的 DDRAM 共 64 行 屏幕可以循环滚动显示 64 行 第 2 2 节 LCD12864 的控制要求 LCD12864 显示模块时应注意以下几点 1 在某一个位置显示中文字符时 应先设定显示字符位置 即先设定显示 地址 再写入中文字符编码 2 示 ASCII 字符过程与显示中文字符过程相同 不过在显示连续字符时 只须设定一次显示地址 由模块自动对地址加 1 指向下一个字符位置 否则 显示的字符中将会有一个空 ASCII 字符位置 3 字符编码为 2 字节时 应先写入高位字节 再写入低位字节 4 块在接收指令前 向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态 即读取 BF 标志时 BF 需为 0 方可接受新的指令 如果在送出一个指令前不检查 BF 标志 则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间 即等待前一 个指令确定执行完成 5 RE 为基本指令集与扩充指令集的选择控制位 当变更 RE 后 以 后的指令集将维持在最后的状态 除非再次变更 RE 位 否则使用相同指令 集时 无需每次均重设 RE 位 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 10 第三章 单片机控制的 LCD 流动字幕的硬件系统 第 3 1 节 80C51 单片机的硬件系统 MCS 51 单片机是美国 Intel 公司开发的高档的 8 位单片机系列 是在我国 应用最为广泛的单片机系列 80C51 单片机是第三代单片机的代表 它包括 Intel 公司发展 MCS 51 系列的新一代产品 如 8XC152 80C51 FB 等 还包括 ATMEL Philips Siemens 等公司推出的以 80C51 为核心的大量各具特色的且 与 MCS 51 兼容的单片机 3 1 1 中央处理器 CPU 中央处理器是单片机内部的核心部件 它决定了单片机的主要功能特性 中央处理器从功能上可分为运算器 控制器两部分 1 运算器 运算器由运算逻辑单元 ALU 累加器 ACC 暂存寄存器 B 寄存器 程序 状态标志寄存器 PSW 以及 BCD 码运算修正电路等组成 1 算逻辑单元 ALU ALU 功能十分强大 不仅可以对 8 位变量进行逻辑 与 或 异或 循 环求补 清零等基本操作 还可以进行加 减 乘 除等基本运算 并具有数 据传输 程序转移等功能 2 加器 ACC 累加器 ACC 简称累加器 A 为一个 8 位寄存器 它是 CPU 中使用最频繁 的寄存器 大部分单操作指令的操作数取自累加器 A 很多双操作数指令的一 个操作数取自累加器 A 加 减 乘和除等算术运算结果都存放在累加器 A 或 AB 寄存器中 变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用 3 寄存器 B 寄存器是 8 位寄存器 主要用于乘除指令中 4 序状态字 程序状态字 PSW 是一个逐位定义的 8 位标志寄存器 它保存指令执行结果 的特征信息 以供程序的查询 判别 2 控制器 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 11 在 80C51 单片机中 控制器电路包括程序计数器 PC 程序地址寄存器 指令寄存器 指令译码器 数据指针 DPTR 堆栈指针 SP 条件转移逻辑电路 缓冲器以及定时控制电路等 1 序计数器 PC PC 是中央控制器中最基本的寄存器 是一个独立的 16 位计数器 其内容 为将要执行的指令地址 寻址范围可达 64KB 2 据指针 DPTR 数据指针是 80C51 中一个功能比较特殊的 16 位寄存器 主要是作片外数 据存储寻址用的地址寄存器 间址寻址 DPTR 也可以作为访问程序存储器的 基址寄存器 3 3 1 2 80C51 的内部结构 80C51 单片机的内部结构如下图所示 它主要有一下几部分组成 1 个 8 位的中央处理器 KB 的 EPROM ROM 128B 的 RAM 32 条 I O 线 2 个定 时器 计数器 1 个具有 5 个中断源 2 个优先级的中断嵌套结构 用于多处理 机通信 I O 口扩展的全双工通用异步接收发送器 UART 特殊功能寄存器 SFR 1 个片内震荡器和时钟电路 这些部件通过内部总线连接起来 构成 一个完整的微型计算机 4 振荡器及定时电路8KB程序存储器256KB数据存储器 3个16位定时器 实际 计数器 CPU 64KB总线扩展控制可编程I O可编程串行口 串行输入串行输出 并行I O口 控制 中断 中断 计数器 频率基准源 图 3 1 CPU 内部结构图 3 1 3 时钟电路及 CPU 工作时序 1 钟电路 单片机芯片内部有时钟电路 但晶体振荡器和微调电容必须外接 时钟电 路为单片机产生工作时所需的时钟脉冲序列 而时序电路所研究的是指令执行 中各信号之间相互的关系 单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路 为了 保证同步工作方式的实现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 12 工作 80C51 单片机时钟电路 时钟信号可由内部振荡方式或外部振荡方式得 到 内部振荡方式 在 80C51 芯片内部由一个高增益反相放大器 其输入端为 芯片引脚 XTAL1 其输出端引脚为 XTAL2 只需要在片外通过 XTAL1 和 XTAL2 引脚跨接晶体振荡器和在引脚与地之间加接微调电容 形成反馈电路 振荡器即可工作 2 PU 工作时序 振荡周期 时钟周期 机器周期 指令周期 5 第 3 2 节 LCD12864 显示器的硬件系统 液晶屏上如何显示一些汉字或图画 这也许是所有 LCD12864 初学者都最 先思考的一个问题 在数字电路中 所有数据都是由 0 和 1 保存的 同样 LCD 也利用了这一方法 在点阵 LCD 上显示的只有两种颜色 因此可利用 0 和 1 来 表示这两种颜色 假设空格是由 16 16 个 0 组成的 在显示 16 16 的字体时 将其中某些点置为 1 便可在视觉上形成一个汉字 这些二进制数称为代位码 而这些由 0 和 1 转换而成的 16 进制数据便是字模 不同的汉字有不同的字模 相同的汉字不同的字体也有不同的字模 而将字模设为 16 16 像素是因为这样 基本可以将汉字显示清楚准确 更高像素则更为清楚准确 但是却更多地占用 了 LCD 的面积 与汉字不同的是 一个字符只需要 16 8 的像素便即可 如何 将这 16 16 或者 16 8 个 0 1 保存下来也是是初学者所需要了解的 假设要在 LCD12864 屏幕上准确正确的显示出汉字 则需要将 16 16 的汉字分为两行 每行由 16 列组成 这 16 列每列存 8 个点 用 2 位 16 进制数 8 位二进制数 表示这 8 个点 16 个 16 进制数可表示 1 行 32 个 16 进制数则能表示整个汉字 通过 LCD12864 则可将这些字模信息还原成汉字或图像 LCD12864 的管脚共有 20 个之多 但是连接的电路并不复杂 但是需要注 意的是 LCD 的电源共有 2 组 一组是用于驱动 LCD 显示 另一组用于背光显 示 可将这两组连在一起或者背光电源省略 另外有个输入管脚 V0 需要接入 LCD 调整电压来调节对比度 通常刚使用液晶时的问题是由此引起的 对比度 过高于或过低均会使屏幕无法正常显示 它可接至 10K 20K 电位器的调整端 电位器两端分别接至 VDD 与 VEE 目前市场上某些 LCD12864 的对比度可由 单片机操作其寄存器调节 可根据不同的条件进行选择 其余的端口均连接至 单片机 下面是 LCD12364 的引脚图以及引脚功能表 图 3 2 LCD12864 引脚图 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 13 表 3 1 LCD12864 引脚功能 管脚名称LEVER管脚功能描述 VSS0电源地 VDD 5 0V电源电压 V0 液晶显示器驱动电压 D I RS H L D I H 表示 DB7 DB0 为显示数据 D I L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 R WH L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L 数据被写到 IR 或 DR EH L R W L E 信号下降沿锁存 DB7 DB0 R W H E H DDRAM 数据读到 DB7 DB0 DB0H L数据线 DB1H L数据线 DB2H L数据线 DB3H L数据线 DB4H L数据线 DB5H L数据线 DB6H L数据线 DB7H L数据线 CS1H LH 选择芯片 右半屏 信号 CS2H LH 选择芯片 左半屏 信号 RETH L复位信号 低电平复位 VOUT 10VLCD 驱动负电压 LED LED 背光板电源 LED LED 背光板电源 第 3 3 节 LD12864 的显示 使用 LCD12864 时 要显示文字必须先设置 LCD 显示器行 列 页的首地 址 LCD12864 共有 8 页 64 行以及 64 列 通过改变这些首地址可以实现需要 的功能 通过设置屏幕显示的起始行实现屏幕的上下滚动功能可循环设置这一 地址 也可直接设置行地址来控制字体上下的位置 开头空两格则可设置列地 址来完成 可将列地址设置 32 而这一行文字的其余列的列地址并不需要手动 设置 LCD 中的 Y 地址计数器可自动加 1 对应页地址计数的还有 X 地址计数 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 14 器与对应行地址计数的 Z 地址计数器 XY 地址计数器是一个 9 位计数器 高 3 位是 X 地址计数器 低 6 位为 Y 地址计数器 是作为 DDRAM 的地址指针 X 地址计数器为 DDRAM 的页指针 Y 地址计数器为 DDRAM 的 Y 地址指针 而这里的 DDRAM 是存储图形显示数据的 用于存储单片机送入的点阵信息 6 第 3 4 节 系统总体的硬件连接图以及工作原理 由 P0 口控制 DB0 CB7 的数据输入口 当空闲时向 LCD12864 里写入程序 或数据 由 P2 2 P2 1 控制片选口 P2 6 控制时能端 当使能端从 1 0 时实 现锁屏显示 P2 3 控制复位信号 低电平时复位 P2 5 控制 R W 口 当 R W H E H 则数据被读到 DB7 DB0 当 R W L E H L 则数据被 写到 IR 或 DR P2 4 控制 D I 口 当 D I H 则 DB7 DB0 为显示数据 当 D I L 则 DB7 DB0 为显示指令数据 7 单 片 机 电源 列驱动 LCD显示 行 驱 动 图 3 3 显示控制图 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 15 图 3 4 系统总接线图 图 3 5 复位电路 复位电路是由外部复位电路来实现的 复位电路通常采用上电自动复位和 按钮复位两种方式 本设计中所用到的是上电按钮复位 13 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 16 图 3 6 时钟电路 时钟电路 外接晶体以及电容 C2 和 C3 构成并联谐振电路 接在放大器的 反馈回路中 对外界电容的值虽然没有严格的要求 但电容的大小会影响振荡 器频率的高低 谐振器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 晶体可在 1 2MHZ 12MHZ 之间任选 电容 C5 和 C6 的典型值在 20Pf 100pF 之间选择 但在 60Pf 70pF 时振荡器具有较高的频率稳定性 典型值通常选择 30pF 左右 但本电路采用 33pF 在设计印刷电路版时 晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能 安装的与单片机芯片靠近 以减少寄生电容 更好的保证振荡器稳定和可靠地 工作 为了提高温度的稳定性 应采用温度稳定性能好的 NPO 高频电容 14 图 3 7 上拉电阻 上拉电阻 RP1 因为 P0 口是开漏的 不管它的驱动能力多大 相当于它是 没有电源的 需要外部的电路提供 绝大多数情况下 P0 口是必需加上拉电阻的 图 3 8 电源电路 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 17 本装置的电源是通过二极管 D1 后经过 C1 C4 滤波后由 LM2576 稳定后提 供稳定的 5V 电压通过时发光二极管亮 15 第四章 基于单片机的 LCD 流动字幕软件系统 第 4 1 节 LCD12864 的基本指令 1 显示开 关设置 CODE 表 4 1 显示开 关设置 R WD 1DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 LLLLHHHHHH 功能 设置屏幕显示开 关 DB0 H 开显示 DB0 L 关显示 不影响显 示 RAM DDRAM 中的内容 2 设置显示起始行 CODE 表 4 2 设置显示起始行 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 LLHH行地址 0 63 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 18 功能 执行该命令后 所设置的行将显示在屏幕的第一行 显示起始行是 由 Z 地址计数器控制的 该命令自动将 A0 A5 位地址送入 Z 地址计数器 起始 地址可以是 0 63 范围内任意一行 Z 地址计数器具有循环计数功能 用于显示 行扫描同步 当扫描完一行后自动加一 3 设置页地址 CODE 表 4 3 设置页地址 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 LLHLHHH页地址 0 7 功能 执行本指令后 下面的读写操作将在指定页内 直到重新设置 页 地址就是 DDRAM 的行地址 页地址存储在 X 地址计数器中 A2 A0 可表示 8 页 读写数据对页地址没有影响 除本指令可改变页地址外 复位信号 RST 可把页地址计数器内容清零 4 设置列地址 CODE 表 4 4 设置列地址 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 LLLH列地址 0 63 功能 DDRAM 的列地址存储在 Y 地址计数器中 读写数据对列地址有影 响 在对 DDRAM 进行读写操作后 Y 地址自动加一 5 状态检测 CODE 表 4 5 状态检测 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 HLBFLON OFFRETLLLL 功能 读忙信号标志位 BF 复位标志位 RST 以及显示状态位 ON OFF BF H 内部正在执行操作 BF L 空闲状态 RST H 正处于复位初始化状态 RST L 正常状态 ON OFF H 表示显示关闭 ON OFF L 表示显示开 6 写显示数据 CODE 表 4 6 写显示数据 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 LHD7D6D5D4D3D2D1D0 功能 写数据到 DDRAM DDRAM 是存储图形显示数据的 写指令执行 后 Y 地址计数器自动加 1 D7 D0 位数据为 1 表示显示 数据为 0 表示不显示 写数据到 DDRAM 前 要先执行 设置页地址 及 设置列地址 命令 7 读显示数据 CODE 表 4 7 读显示数据 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 HHD7D6D5D4D3D2D1D0 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 19 功能 从 DDRAM 读数据 读指令执行后 Y 地址计数器自动加 1 从 DDRAM 读数据前要先执行 设置页地址 及 设置列地址 命令 第 4 2 节 LCD16 16 点阵字模 在数字电路中 所有的数据都是以 0 和 1 保存的 对 LCD 控制器进行不同 的数据操作 可以得到不同的结果 对于显示英文操作 由于英文字母种类很 少 只需要 8 位 一字节 即可 而对于中文 常用却有 6000 以上 于是我们 的 DOS 前辈想了一个办法 就是将 ASCII 表的高 128 个很少用到的数值以两 个为一组来表示汉字 即汉字的内码 而剩下的低 128 位则留给英文字符使用 即英文的内码 那么 得到了汉字的内码后 还仅是一组数字 那又如何在屏幕上去显示 呢 这就涉及到文字的字模 字模虽然也是一组数字 但它的意义却与数字的 意义有了根本的变化 它是用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状 如英 文的 A 在字模的记载方式如图所示 而中文的 你 在字模中的记载却如图所示 图 4 2 你 字模图 根据芯片的不同取模的方式不同 有多种取模方式 单色点阵液晶字模 横向取模 字节正序 单色点阵液晶字模 横向取模 字节倒序 单色点阵液 晶字模 纵向取模 字节正序 单色点阵液晶字模 纵向取模 字节倒序等等 图 4 1 A 字模图 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 20 17 本课题需要显示 4 行字幕由下至上移动 字幕第一行为 南京师范大学 第 二行为 电力工程学院 第三行为 机电 084 第四行为 洪燕 本系统采 用 LCD 点阵汉字生成器生成字模 C 语言代码为 南 0 x01 0 x00 0 x01 0 x04 0 xFF 0 xFE 0 x01 0 x00 0 x01 0 x04 0 x7F 0 xFE 0 x48 0 x24 0 x44 0 x44 0 x5F 0 xF4 0 x41 0 x04 0 x41 0 x04 0 x5F 0 xF4 0 x41 0 x04 0 x41 0 x04 0 x41 0 x14 0 x40 0 x08 第 4 3 节 LCD 显示程序 4 3 1 LCD 端口定义程序 通过端口的定义实现对 LCD12864 的直接控制 当 P2 口的数据发生改变时 LCD 的状态随之改变 define data ora P0 液晶数据总线 sbit LCDMcs P2 1 片选 1 sbit LCDScs P2 2 片选 2 sbit RESET P2 3 复位信号 sbit LCDDi P2 4 数据 指令 选择 sbit LCDRW P2 5 读 写 选择 sbit LCDEnable P2 6 读 写 使能 4 3 2 LCD 清屏程序 Clr scr 子程序为清屏程序 其中应用 write com 语句命令的写入 采用 FOR 循环语句控制页数使其不超出 LCD 的页数 采用 write data 0 x00 直接实 现清屏 17 图 4 3 南 字模图 南师大泰州学院电力工程学院基于单片机的 LCD 流动字幕 21 oid Clr Scr uchar j k LCDMcs 0 左 右屏均开显示 LCDScs 0 write com Page Add 0 write com LCDCol Add 0 for k 0 k 8 k 控制页数 0 7 共 8 页 write com Page Add k 每页每页进行写 for j 0 j 64 j 每页最多可写 32 个中文文字或 64 个 ASCII 字符 write com