基于单片机的1602液晶显示电路设计

本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题题 目 目 基于单片机的基于单片机的 16021602 液晶显示电路设计液晶显示电路设计 学生姓名 学生姓名 学号 学号 系系 别 别 理工部理工部 专业 专业 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 入学时间 入学时间 2012 年年 09 月月 导师姓名 导师姓名 职称职称 学位 学位 基于单片机的基于单片机的 16021602 液晶显示电路设计液晶显示电路设计 摘要摘要 本文是一篇介绍利用 AT89S52 单片机和 LCD1602 液晶显示屏设计一种液晶显示电路并编程实现 信息的显示功能 AT89S52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 系统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用 1602LCD 是指 显示的内容为 16 2 即可以显示两行 每行 16 个字符液晶模块 显示字符和数字 从 AT89S52 单片机与 LCD1602 液晶显示器性能特点出发 实现两者接口的衔接设计 经过多次的调试 使得该 设计取得了比较满意的结果 且系统软硬件设计简单方便 稳定可靠 可广泛应用于智能化仪器仪 表及各种宣传场所 为嵌入式控制系统提供高灵活 高性价比的解决方案 关键词 关键词 AT89S52AT89S52 单片机 单片机 LCD1602LCD1602 液晶显示器 复位电路 时钟电路液晶显示器 复位电路 时钟电路 1 目目 录录 第一章第一章 前前 言言 2 2 1 11 1 研究现状研究现状 2 2 1 21 2 研究意义研究意义 2 2 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3 3 2 12 1 AT89S52AT89S52 单片机最小系统单片机最小系统 3 3 2 1 12 1 1 主要性能主要性能 3 3 2 1 22 1 2 功能功能 3 3 2 1 32 1 3 引脚说明及实物图引脚说明及实物图 4 4 2 22 2 LCD1602LCD1602 液晶显示器液晶显示器 7 7 2 2 12 2 1 功能功能 7 7 2 2 22 2 2 特点特点 7 7 2 2 32 2 3 引脚引脚 7 7 2 32 3 复位电路复位电路 9 9 2 42 4 时钟电路时钟电路 9 9 第三章第三章 软件设计软件设计 1010 3 13 1 软件设计思路软件设计思路 1010 3 1 13 1 1 AltiumAltium DesignerDesigner 1111 3 1 23 1 2 keilkeil 1111 3 1 33 1 3 AVR fighterAVR fighter 1111 3 23 2 程序设计程序设计 1212 第四章第四章 仿真及硬件电路仿真及硬件电路 1515 第五章第五章 总结与展望总结与展望 1717 主要参考文献主要参考文献 1818 致致 谢谢 1919 2 第一章第一章 前前 言言 本文是一篇研究基于 AT89S52 单片机的 1602 液晶显示电路设计 本次设计要求通 过对单片机和 1602 液晶显示模块的学习 设计出完整的电路并焊出电路板 再对单片 机写入程序 从而实现在液晶屏上显示出字符 1 1 研究现状研究现状 随着科技的发展 单片机的发展越来越迅猛 诞生于 20 世纪 70 年代末的单片机 发展至今 几乎渗透到我们生活的各个领域 小到日常生活的手机 计算器 大到国 家的国防军事 航空航天等随处可看到单片机的身影 单片机的应用不仅给人们带来 了便利 也为国家的安全提供了保障 它的出现使得许多原本花费很高的复杂电路以 及繁多的电气元器件都被取缔 取而代之的是一块小小的芯片 AT89S52 单片机是 Atmel 公司新近推出的高档 增强型产品 它是一个低功耗 高 性能 CMOS8 位微控制器 片内含通用 8 位中央处理器和 ISPFLASH 存储单元 8kb ISP 的 可反复擦写 1000 次的 FLASH 只读程序存储器 片上 FLASH 允许程序存储器在系统可编 程 亦适于常规编程器 器件采用 Atmel 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容 标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可 编程 FLASH 使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 高性价比的解决方 案 单片机液晶显示主要是指单片机以及由单片机驱动的点阵式液晶显示屏所组成的 一个显示系统 作为信息传递的一种方式 液晶显示在我们日常生活中也随处可见 电子仪表 计算器上面都有显示器的身影 LCD 是典型的发光器件 它一材料科学为基 础 综合利用了精密机械 光电及计算机技术 并正在微机械 微光学 纤维光学等 前沿领域研究基础上 向高集成化 智能化方向发展 本文主要研究以 AT89S52 单片 机驱动 LCD1602 液晶显示器 使 LCD1602 液晶显示屏上显示出作者的学号与姓名 1 2 研究意义研究意义 当下社会 由于单片机的快速发展 单片机在以后的应用中将会更加广泛 对于 单片机的应用也将更加普遍 本次的研究使读者了解 AT89S52 单片机和 LCD1602 液晶 显示器的基本工作原理与特点 并且懂得两者接口的应用等 为以后对单片机和液晶 显示器的深入研究打下坚实的基础 3 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 本研究的硬件电路主要包括 AT89S52 单片机最小系统 LCD1602 液晶显示电路 复 位电路和晶振电路 具体内容如下 2 1 AT89S52 单片机最小系统单片机最小系统 AT89S52 单片机是 ATMEL 公司新近推出的高档型 AT89S 系列单片机中的增强型产品 是 一种低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 系统可编程 Flash 存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵 巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得 到广泛应用 2 1 1 主要性能 1 与 MCS 51 单片机产品兼容 2 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 3 1000 次擦写周期 4 全静态操作 0Hz 33MHz 5 三级加密程序存储器 6 32 个可编程 I O 口线 7 三个 16 位定时器 计数器 8 8 个中断源 9 全双工 UART 串行通道 10 低功耗空闲和掉电模式 11 掉电后中断可唤醒 12 看门狗定时器 13 双数据指针 14 掉电标识符 2 1 2 功能 8k 字节 Flash 256 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位 定时器 计数器 一个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及 4 时钟电路 另外 AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU 停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工 作 掉电 保护方式下 RAM 内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断 或硬件复位为止 2 1 3 引脚说明及实物图 AT89S52 单片机共有 40 个引脚 如图 2 1 图 2 1 AT89S52 单片机引脚图 VCC 电源电压 P0 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻 辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和 数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 不具有 内部上拉电阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输 出指令字节 程序校验 时 需要外部上拉电阻 P1 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p1 输出缓冲器能驱 动 4 个 TTL 逻辑电平 此外 P1 0 和 P1 1 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地 址字节 引脚号第二功能 P1 0 T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 5 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输 入 口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内 容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号 PST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片 机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉 冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的 脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据 存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 FLASH 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉 冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置 位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此 外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89S52 由 外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 6 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会 锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 FLASH 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使 用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器以及内部时钟电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 GND 地 AT89S52 单片机实物图如图 2 2 2 3 图 2 2AT89S52 背面 图 2 3AT89S52 正面 AT89S52 单片机最小系统尺寸 长 85mm 宽 55mm 高 18mm 7 2 2 LCD1602 液晶显示器液晶显示器 LCD1602 工业字符型液晶 指显示的内容为 16X2 即可以显示两行 每行 16 个字符 液晶模块 显示字符和数字 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性 通过电压对 其显示区域进行控制 有电就有显示 这样即可以显示出图形 2 2 1 功能 1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD 多出来的 2 条线是背 光电源线 15 脚的 Vcc 和 16 脚的 GND 本次研究采用 16 引脚的 LCD 专门用来显示字 母 数字 符号等的点阵型液晶模块 通过驱动模块与显示器的有效连接 能直观的 显示出程序中要求的内容 2 2 2 特点 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度 恒定发光 而不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新亮点 因此 液晶显 示器画质高且不会闪烁 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简单可靠 操 作更加方便 体积小 重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示 的目的 在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 功耗低 相对而言 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上 因 而耗电量比其它显示器要少得多 2 2 3 引脚 本次研究采用 16 引脚 LCD1602 液晶显示器 引脚图如图 2 4 图 2 4 LCD1602 液晶显示器引脚图 8 1602LCD 主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 引脚功能 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 VL 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地时对比度 最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 即电平 0 为输入指令 电平 1 为输入数据 第 5 脚 R W 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 R W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为高电平时可 以读忙信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 1 时读取信息 当 E 端由高电平跳变成低电平时 即当 1 0 下降沿 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 7 号引脚为最低位 14 号引脚为最高位 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 下面是 LCD1602 液晶显示器实物图正面图 2 5 背面图 2 6 图 2 5 LCD1602 正面 9 图 2 6 LCD1602 背面 2 3 复位电路复位电路 单片机复位电路就好比电脑的重启部分 当电脑在使用中出现死机 按下重启按 钮电脑内部的程序从头开始执行 单片机也一样 当单片机系统在运行中 受到环境 干扰出现程序跑飞的时候 按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行 系统上电时 提供复位信号 直至系统电源稳定后 撤销复位信号 为可靠起见 电源稳定后还要 经一定的延时才撤销复位信号 以防电源开关或电源插头分 合过程中引起的抖动而影 响复位 本次研究所采用的复位电路如图 2 7 所示 其中 C3 10 F 目的就是防抖 此 复位电路高电平有效 低电平复位 图 2 7 复位电路 10 2 4 时钟电路时钟电路 时钟电路是用来配合外部晶体实现震荡的电路 这样可以为单片机提供运行时钟 如果运行时钟为 0 单片机就不工作 超出单片机的工作频率也会导致单片机不工作 单片机的时钟连接方式一般分为两种 内部时钟方式和外部时钟方式 如图 2 8 图 2 9 所示 图 2 8 内部时钟方式 图 2 9 外部时钟电路 本次研究采用的是内部时钟方式 晶振采用 12M 晶振 电容为 30 F 电路图如图 2 8 第三章第三章 软件设计软件设计 本次研究设计主要涉及到电路图的设计 程序的编写 程序的烧录 分别用到 Altium Designer keil AVR fighter 下面将对这三个软件一一进行简单的介绍 3 1 软件设计思路软件设计思路 通过对 AT89S52 单片机和 LCD1602 的基本了解 利用 Altium designer 软件绘制 出电路图进行仿真 根据电路图焊接出电路板 并进行测试 利用 keil 软件编写 c 程 序 程序编写无误后 将程序生成 hex 文件 利用 AVR fighter 烧录软件将程序烧录 到单片机 得到设计结果 即 LCD1602 液晶显示屏上显示出字符 11 3 1 原理框图 3 1 1 Altium Designer Altium Designer 是原 Protel 软件开发商 Altium 公司推出的一体化的电子产品 开发系统 主要运行在 Windows 操作系统 这套软件通过把原理图设计 电路仿真 PCB 绘制编辑 拓扑逻辑自动布线 信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合 为 设计者提供了全新的设计解决方案 使设计者可以轻松进行设计 熟练使用这一软件 必将使电路设计的质量和效率大大提高 主要功能有 1 原理图设计 2 印刷电路板设计 3 FPGA 的开发 4 嵌入式开发 5 3D PCB 设计 3 1 2 keil Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系 统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而 易学易用 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 链接器 库管理和一个功能强大的仿 真调试器等在内的完整开发方案 通过一个集成开发环境 Vision 将这些部分组 合在一起 优点 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容 易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 12 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因 而易学易用 用过汇编语言后再使用 C 来开发 体会更加深刻 3 1 3 AVR fighter AVR fighter 是 AVR 单片机 ISP 下载编程软件 此软件必须将编写的 c 程序利用 keil 软件生成 hex 文件才能烧录到单片机 操作界面如图 3 2 所示 图 3 2 AVR fighter 3 2 程序设计程序设计 利用 keil 软件编写程序 程序如下 include 52 寄存器文件 include typedef unsigned char BYTE 用 BYTE 代替 unsigned char typedef unsigned int WORD WORD 代替 unsigned int typedef bit BOOL 用 BOOL 代替 bit sbit rs P2 6 复位端 13 sbit rw P2 5 写数据端 sbit ep P2 7 使能端 BYTE code dis1 Nie Shuai BYTE code dis2 延时函数 delay BYTE ms BYTE i while ms for i 0 i 250 i nop nop 空执行消耗 CPU 时间达到等待的效果 nop nop LCD 侧忙函数 BOOL lcd bz BOOL result rs 0 rw 1 ep 1 nop nop nop nop result BOOL P0 检测 P0 最高位是否为 1 ep 0 return result 返回侧忙结果 lcd wcmd BYTE cmd 写入指令数据到 LCD while lcd bz rs 0 rw 0 ep 0 nop nop 14 P0 cmd 4 将 8 位指令通过 P0 口传给 1602 nop nop 用于产生一个脉冲宽度 nop nop ep 1 nop nop nop nop ep 0 lcd pos BYTE pos 设定显示位置 lcd wcmd pos 0 x80 lcd wdat BYTE dat 写入字符显示数据到 LCD while lcd bz rs 1 rw 0 ep 0 P0 dat 4 将 8 位数据通过 P0 口传给 1602 nop nop nop 用于产生一个脉冲宽度 nop ep 1 nop nop nop nop ep 0 lcd init LCD 初始化设定 lcd wcmd 0 x38 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据 delay 1 lcd wcmd 0 x0c 显示开 关光标 delay 1 lcd wcmd 0 x06 移动光标 delay 1 lcd wcmd 0 x01 清除 LCD 的显示内容 15 delay 1 main BYTE i lcd init 初始化 LCD delay 10 lcd pos 4 设置显示位置为第一行的第 5 个字符 i 0 while dis1 i 0 显示字符 Nie Shuai lcd wdat dis1 i i lcd pos 0 x41 设置显示位置为第二行第二个字符 i 0 while dis2 i 0 lcd wdat dis2 i 显示字符 i while 1 程序编写无误后 生成 hex 文件 即如图 3 3 图 3 3 程序生成 hex 文件 利用烧录软件 AVR fighter 将程序烧录到单片机 第四章第四章 仿真及硬件电路仿真及硬件电路 利用 Altium Designer 软件绘制设计电路 研究电路图如图 4 1 所示 16 图 4 1 电路图 元器件清单 AT89S52 单片机 1 个 LCD1602 液晶显示器 1 个 洞洞板 万能板 1 个 电阻 R1 R4 10K 2 个 R2 1K 1 个 R3 10K 3296 精密电位器 1 个 电容 C1 10 F 1 个 C2 C3 30 F 2 个 开关 自锁开关 1 个 复位开关 1 个 晶振 12M 1 个 LED 灯 红色 1 个 杜邦线 若干 排针排母 若干 下载器 1 个 焊接电路板 设计硬件电路 如图 4 2 所示 17 图 4 2 硬件实物图 第五章第五章 总结与展望总结与展望 本次研究介绍了 AT89S52 单片机和 LCD1602 液晶显示器的基本特性和功能 从本 次的设计研究中发现 对于 AT89S52 单片机的程序烧录必须使用专用的下载器即 USB ASP 下载器 从选题到现在 这个设计主要经历了以下几个过程 广泛查阅资料 文献综述 总体思路的确定 方案的具体化及论证 方案的确定 设计制板及硬件电路的完成 软件的调试 系统的调试 还包括论文的定稿 我认为整个过程是一个联系非常紧密 的过程 前一过程的结果为后一过程奠定了基础 本次设计虽然不是特别的复杂 但是由于初次涉及这样的设计 没有任何的经验 过程还是倍感吃力的 首先就是 AT89S52 单片机的选择 因为之前没有学习过这样的 器件 算是一个新的概念 所以认识不全 有些不知所措 然后研究如何获取正确的 参数 其中图片的取模就很令我苦恼 最后在老师的辅导下才得以提取正确 程序有 了之后 再进行相关的变换 最终得到新颖的效果 18 在这次的设计过程中虽然尝到了设计的困难 但是更重要的是让我感受到了它的 魅力 不知不觉的就想要做出更多的花样 特别是成功仿真后 着实有一种成就感 在此次过程中不仅巩固了我对 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