目前在单片机市场上，8位单片机和32位的ARM嵌入式微处理器占据的市场份额达70%以上。在单片机市场中，代表性的产品有MCS-51系列产品，其中ATMEL公司的AT89C51/C52两个系列8位单片机在焊接领域应用较为广泛。1994年ATMEL公司以其E2PROM和Intel公司的80C31单片机核心技术进行交换，从而取得80C31核的使用权。......
2023-06-26
1602寸液晶显示器：高清成果单片机原理与应用
【摘要】：1602液晶显示器的显示数据RAM称为DDRAM，分为两行且地址是不连续的。
液晶显示器的原理与观看的立体电影有相似之处。当观看立体电影时，需要佩戴具有偏振功能的眼镜，眼镜的左右眼分别贴有两片偏振片，其偏振角度相差90°，这样在观看电影时左右眼就能分别看到由两台电影机投射的图像。液晶显示器也是利用光的偏振原理显示信息的，在两个偏光板之间注入液态晶体并安放电极，就构成了最基本的液晶显示器。其结构如图8-15所示。
图8-15 液晶显示器的结构
图8-15中上下两个偏光板的偏振角相差90°，置于其间的液晶分子可以被光穿透，并能影响光的偏振性。当液晶分子没有施加电压时，光线不能通过两块偏光板，而在液晶分子施加电压后晶体的排列会发生翻转，将光线的偏振角度扭转90°，光线就可以从两块偏光板间通过，这样信息就会显示出来。
8.3.1 1602液晶显示器的特点
1602液晶显示器是字符型液晶显示器，它因为能显示2排，每排16个西文字符而得名，是目前应用最为广泛的模块化液晶显示产品。1602液晶最初采用的控制芯片是HD44780，之后各厂家生产的1602液晶模块基本上也都采用了与HD44780兼容的控制IC，所以市场上出售的1602液晶显示器的结构和功能都基本相同，驱动程序也互相兼容，不同品牌和型号的1602液晶显示器只是在供电电压、字符颜色和背光等辅助功能上有些区别。常用的1602液晶显示器的外观如图8-16所示。
图8-16 1602字符型液晶显示器
8.3.2 1602液晶显示器的引脚功能
1602液晶显示器总计有16个引脚，其功能见表8-3。
表8-3 1602液晶显示器的引脚功能
1602液晶显示器与8051系列单片机的接口电路如图8-17所示。单片机通过一组I/O口与1602液晶的数据端D0～D7端相连，另外三个I/O口分别与1602液晶的RS、R/W和E端相连。VL端为液晶显示偏压信号输入端，通过一个10 kΩ电位器调整电压以改变液晶屏的对比度，BLA、BLK是液晶屏的背光电源端。
图8-17 1602液晶显示器的驱动原理
8.3.3 1602液晶显示器的显示数据RAM
1602液晶显示器内部带了 80个字节的显示 RAM，用来存储发送的数据，其结构如图8-18所示。1602液晶显示器的显示数据RAM称为DDRAM，分为两行且地址是不连续的。
图8-18 DDRAM地址和显示的对应关系
第一行的地址是0x00H到0x27，第二行的地址从0x40到0x67，其中第一行0x00到0x0F是与液晶上第一行16个字符显示位置相对应的，第二行0x40到0x4F 是与第二行16个字符显示位置相对应的。而每行都多出来一部分，是为了显示移动字幕设置的。1602字符型液晶显示器是显示字符的，因此它与ASCII字符表是对应的。比如我们给0x00地址写一个“a”，也就是十进制的97，液晶的最左上方的那个小块就会显示一个字母a。
8.3.4 1602液晶显示器的字符发生器
1602液晶显示器的控制器内部有两种类型的字符发生器，一种是CGROM，其内部已经固化有字模库；另一种是CGRAM，用于保存用户自定义的图形。
1.CGROM
CGROM中内置了192个常用字符的字模，包含有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。CGROM中存储的字符和代码如图8-19所示。
表格的第一行列出了字符代码的高四位，第一列列出了字符代码的低四位，二者组合在一起就是一个完整的字符代码，用于对该字符的寻址。在1602的CGROM中，字符代码20H～7FH为标准的ASCII码，A0H～FFH为日文字符和希腊文字符，其余字符代码10H～1FH及80H～9FH没有定义。
从图8-19中可以看出，大写的英文字母“A”的代码高四位是“0100”，低四位是“0001”，组合在一起则是01000001B，即十六进制的41H。如果要在屏幕上显示字母“A”时，只需把“A”的字符代码41H发送至1602液晶模块，模块会自动把地址41H中的字符点阵数据取出并在屏幕上显示出来。
图8-19 1602液晶显示器的CGROM
2.CGRAM
1602液晶显示器提供了64字节的CGRAM，用于保存自定义的点阵图形，存储地址为00H～3FH。CGRAM 64字节的存储空间每8个为一组，总计可以存储8个5×8点阵的自定义图形。1602液晶显示器每行仅使用5位数据作为字符点阵，所以作为CGRAM字模库仅使用存储单元字节的低5位，而高3位虽然存在但并不作为字模数据使用。
在1602液晶显示器的字符发生器列表中，CGRAM与CGROM统一编址，字符代码00H～07H就是用户自定义的这8组字模库的访问代码，另外8个字符访问代码08H～0FH没有使用。自定义字符代码和CGRAM存储地址的对应关系见表8-4。
表8-4 自定义字符代码和CGRAM存储地址的对应关系
8.3.5 1602液晶显示器的工作时序
1.读操作
读操作的时序如图8-20所示。对1602液晶显示器的读操作分为读状态字和读数据两种，其引脚的逻辑关系如下：
图8-20 1602液晶显示器的读操作时序
（1）读状态字操作：RS＝0，R/W＝1，E＝1。当E端由高电平向低电平跳变（下降沿）时，状态字会从液晶的数据总线上被读出。
（2）读数据操作：RS＝1，R/W＝1，E＝1。当E端由高电平向低电平跳变（下降沿）时，数据会从液晶的数据总线上被读出。
2.写操作
写操作的时序如图8-21所示。对1602液晶显示器的写操作分为写指令和写数据两种，其引脚的逻辑关系如下：
图8-21 1602液晶显示器的写操作时序
（1）写指令操作：RS＝0，R/W＝0，E＝1。当E端由高电平向低电平跳变（下降沿）时，指令会写入液晶显示模块。
（2）写数据操作：RS＝1，R/W＝0，E＝1。当E端由高电平向低电平跳变（下降沿）时，数据会写入液晶显示模块。
8.3.6 1602液晶显示器的操作指令
对1602液晶显示器的操作是通过一系列的指令来完成的，这些指令主要有以下9个：
（1）读取状态字指令：该指令也称为检测忙信号命令，使用此命令可以读回1602液晶显示器自身的状态。
① BF：读/写允许位。置1时表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令；清0时表示液晶显示器可以接收单片机发送来的数据或指令。
② AC6～AC0：读取地址计数器AC的内容。
（2）工作方式设置指令：该指令用于设定液晶显示器的工作状态。
工作方式设置指令：
① DL：设置液晶显示器与MCU的接口形式。该位置1时设定数据总线宽度为8位，即DB7～DB0有效，该位清0时数据总线宽度为4位，即DB7～DB4有效。
② N：设置显示字符的行数。该位置1时为两行字符，清0时为一行字符。
③ F：设置显示字符的字体。该位置1时为5×11点阵字符体，清0时为5×7点阵字符体。
（3）显示状态设置指令：该指令控制着画面、光标和闪烁的开与关。(www.chuimin.cn)
① D：画面显示状态位。该位置1时显示功能开启，清0时显示功能关闭。该指令仅影响显示屏的开关，并不影响显存中的数据。
② C：光标显示状态位。该位置1时显示光标，清0时不显示光标。
③ B：闪烁显示状态位。该位置1时光标闪烁，清0时光标不闪烁。
（4）输入方式设置指令：该指令用于设定每次输入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的1个字符是否移动。
① I/D：光标移动设定位。该位置1时写入新数据后光标右移，清0时写入新数据后光标左移。
② S：字符移动设定位。该位置1时写入新数据后显示屏整体右移1个字符，清0时写入新数据后显示屏不移动。
（5）清屏指令：该指令用于清除液晶显示器屏幕信息。
该指令的功能为清除屏幕信息，即将DDRAM的内容全部填入“空白”的ASCII码20H，将光标置为液晶显示屏的左上方，并将地址计数器AC的值清0。
（6）光标归位指令：将光标置于显示屏左上方。
该指令用于把光标移至显示屏的左上方，把地址计数器AC的值清0并保持DDRAM的内容不变。
（7）DDRAM地址设置指令：该指令用于设置DDRAM的访问地址。
该指令将7位的DDRAM地址写入地址指针计数器AC中，随后的读或写操作则是针对DDRAM中上述地址的读或写操作。
（8）光标或画面滚动设置指令：该指令设置光标和画面的特性。
① S/C：滚动对象的选择位。该位置1时画面滚动，清0时光标滚动。
② R/L：滚动方向的选择位。该位置1时向右滚动，清0时向左滚动。
画面滚动是将DDRAM每一行40个显示单元的第一个单元和最后一个单元连接起来，形成闭环式的滚动，其效果是将屏幕上两行显示内容同时向左或向右移动。光标滚动则是在整个DDRAM范围内，将AC指针计数器的值加1或减1，其效果是最初写入的字符不动，后续字符依次向左或向右写入。本条指令在执行后画面即开始变化，每执行一次画面就变化一次。
（9）CGRAM地址设置指令：该指令用于设置CGRAM的访问地址。
该指令用于将6位的CGRAM地址写入地址指针计数器AC内，随后的读或写操作则是针对CGRAM的读或写操作。
编程向导：初始化1602液晶显示器。
对1602液晶显示器的初始化，主要是完成对其基本功能的设置。为了简化操作，在实际使用时往往只向1602液晶显示器中写入命令或数据，而不检测忙信号，对1602液晶显示器的初始化操作可以参考以下步骤：
（1）写入指令38H，将1602液晶显示器设置为8位数据线、2行字符显示、5×7点阵。
（2）写入指令0x0F，将1602液晶显示器设置为显示功能开、有光标且光标闪烁。
（3）写入指令0x06，将1602液晶显示器设置为写入新数据后光标右移、显示屏不移动。
（4）写入指令0x01，清除液晶屏幕信息，将光标撤回液晶显示屏的左上方并且将地址计数器AC的值清零。
这里需要说明的是：上述前三条指令的执行速度都很快，大约在40 µs的时间内就可以完成，只有最后一条清屏指令用时较长，大约需要1.64 ms的时间，因此在使用这条指令时，要考虑加入适当的延时。
8.3.7 1602液晶显示器的编程应用
在Proteus中绘制好液晶显示的电路图，可参考图8-17所示的连接方法，在实际实验箱连接时要根据实验箱的实际电路进行连接，重点要明白电源线、控制线、数据线的连接。
【实训8.3】通用字符显示。将CGROM中内置的192个常用字符显示出来，并按照预先设计的方式产生移动等特殊效果，具体程序见代码清单。
程序运行后液晶屏上会有两行文字显示，显示的内容会以半秒钟的时间间隔向屏幕的左侧移动，具体状态如图8-22所示。如果此时液晶屏显示模糊，可以用调整RP1的电位器，直至液晶屏显示清晰为止。
图8-22 1602液晶显示器通用字符显示
【实训8.4】自定义字符显示。在1602液晶显示器上显示一个心形自定义字符，在初始化1602液晶显示器时关闭闪烁的光标。
1.定义心形字模
CGRAM可以存储用户自定义的字符信息，它本身是一个动态存储器，存入其中的字符在液晶屏掉电后会消失，所以程序在每次执行时需要先将字模数据调入，再通过固定的代码调用并显示出来。例如，我们要自定义一个心形字模，存储在0x00～0x07这组CGRAM里面，需要准备的数据如图8-23所示。
图8-23 心形字模
在向CGRAM中写入字模数据时，需要使用CGRAM地址设置指令，该指令的高2位已固定为“01”，只有后面的6位是地址数据。这样一个自定义字符的字模地址就表示为“01000000～01000111”8个，使用时先用地址设置指令将CGRAM地址写入地址指针计数器AC内，随后再用写数据指令将字模数据依次写入这8个存储单元中，即可将心形字模保存至CGRAM。
2.调用自定义字模
自定义字模调用时只需将与其地址对应的字符代码写入DDRAM中，即可在液晶屏上显示出该字符，CGRAM中的8个自定义字符代码如图8-24所示。
图8-24 CGRAM字符代码
以下程序代码用于在1602液晶显示器上显示一个心形自定义字符，在初始化1602液晶显示器时关闭闪烁的光标，具体程序见代码清单。
以上程序执行后，一个心形字符会在1602液晶屏幕的第一行第一个字符的位置上显示出来，具体状态如图8-25所示。
图8-25 1602液晶显示器自定义字符显示
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