2010测控技术与仪器课程设计1

1、电气信息工程学院基于51单片机的LCD字符串显示姓名： 魏良楷 组员： 吴培林 蒋涛 马红权 班级： 07测控技术与仪器( 1 )班 学号： 200710504061 指导老师： 谢兵 2010年12月摘要目前，51系列单片机在我国的各行各业得到了广泛应用，各大专院校、职业培训学校，均开设了单片机原理与应用方面的课程，这是一门技术性和实践性很强的学科，必须通过一系列的软硬件实验、理论联系实际，才能学好、学懂，取得较好的学习效果。我们的课程设计是基于AT89C51单片机，LCD（LM1602L）上显示字符串。关键词：AT89C51单片机 LCD 字符串 目 录摘要- 2 -目 录- 3 -1 概

2、 论- 1 -1.1 绪 论- 1 -1.2 单片机简介- 1 -1 单片机的特点- 1 -2 单片机的组成及工作过程- 3 -3 单片机的应用- 4 -2 设计思路- 4 -2.1 电路的设计- 4 -2.2 8051单片机的结构组成- 5 -2.3 LCD1602液晶显示简介- 6 -1602LCD的基本参数及引脚功能- 6 -3 系统硬件设计与系统软件设计- 8 -3.1 系统硬件设计- 8 -3.2 系统软件设计- 10 -3.3.1 1602LCD的指令说明及时序- 10 -3.3.2 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表- 12 -3.3.3 1602LCD的一般初始化（复位

3、）过程- 13 -仿真结果- 14 -总结- 16 -参考文献- 17 -附件1- 18 -附件2- 19 -1 概 论1.1 绪 论近年来，计算机技术迅速发展，计算机在工业、农业、国防、科研及日常生活的各个领域均发挥着极其重要的作用，成为各国工业发展水平的重要标志之一。自从世界上公认的第一台电子计算机问世以来，计算机的发展日新月异。短短的几十年间，以有电子管数字计算机发展到今天的超大规模集成电路计算机，运算速度由每秒5000次提高到今天的每秒上白亿次。近年来，计算机一方面向着高速、智能化的超级巨型机方向发展，另一方面向着微型机的方向发展。在微机的大家族中，单片微型计算机（以下简称单片机）异军

4、突起，发展迅速。从美国仙童（Fairchild）公司1974年生产出第一块单片机（F8）开始，在短短的几十年中，单片机如雨后春笋一般，大量涌现出来。GI公司、Rockwell公司、Intel公司、Zilong公司Motorola公司、NEC公司等世界上几大计算机公司都纷纷推出自己的单片机系列。目前，已经出现了4位、8位和16位的单片机，甚至32位的超大规模集成电路单片机（如T414）也以面试，同时性能也在不断提高。如Intel公司的8096，其数据总线为16位，ROM为8K字节，RAM有232位字节，中断源8级，时钟频率为12MHz，可进行加、减、乘、除运算，具有8个模拟通道，10位A/D变换

5、，全双工异步通信接口，5个8位并行接口和4个16位可编程定时器。据统计，90年代世界每6人就有一片单片机，美国及西欧已达到人均4片。目前单片机已经成为工控领域、军事领域及日常生活中最为广泛应用的计算机。1.2 单片机简介单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），简称单片机。它在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、输入/输出接口、可编程定时器/计数器等，有的甚至包含A/D转换器。总而言之，一块单片机芯片，就相当于一台计算机。1 单片机的特点集成度高、功能强微型计算机通常有中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）以及I/O接口组成，其各部分

6、分别集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉Z80微型计算机就是由Z80-CPU、存储器（RAM、ROM）、PIO、CTC等芯片组成的，其原理如图所示：图1.1 Z80型微机结构和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。MCS-51系列单片机内的定时/计数器为16位，而Z80微型计算机只有8位；MCS-51系列单片机中不但有4个I/O接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达12MHz。结构合理目前单片机大多采用Harvard结构。这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。而在许多微型计算机中(如Z80、Intel8085、M8000等)中，大都采用两类存储器合二为一(及统一编

7、址)的方式。单片机采用上述结构主要有以下两点好处：a:存储容量大。例如：采用16位地址总线锝位单片机可寻址外部64KBROM（包括内部ROM）。此外还有内部RAM（通常为128字节）和内部 ROM（一般为24KB）。正因为如此，使用单片机不仅可以进行控制，而且能够进行数据处理。单片机不仅设有监控程序，还可同时汇编、反汇编，具有高级语言以及各种函数库、子程序及图表。因此单片机的功能大为增强，用户使用起来十分方便。b:速度快。单片机由于主要用于工业控制方面，一般都需要较大的程序存储器，用以固化已调好的控制程序；而数据存储器的容量相对较小，主要用来存放少量的随机数据。小容量随机存储器直接装在单片机内

8、部，可使数据船送速度快。抗干扰性强由于单片机的各种功能部件都集中在一个芯片上，特别是存储器也集成在芯片内部，部线短，数据大都在芯片内部传送，不易受到外部干扰，增强了抗干扰能力，使系统运行更可靠。指令丰富单片机一般都有传送指令逻辑运算指令，转移指令，加、减运算指令等。有些单片机还具有乘法及除法运算指令，特别是位操作指令十分丰富。例如在MCS-51系列单片机中，专门设有布尔处理器，并且有一个专用的处理布尔变量的指令集。指令集中包括布尔变量的传送、逻辑运算、控制转移、置位等指令。因而单片机能在逻辑控制、开关变量控制以及顺序控制中得以广泛应用。2 单片机的组成及工作过程单片机是由中央处理器（CPU）和

9、适当容量的存储器、输入/输出接口电路三大基本部分组成，它通过接口电路再与输入/输出外部设备连接。以下简单叙述各部件的作用：中央处理器（CPU）CPU是整个单片机系统的核心，它是有算术逻辑运算单元和控制器组成的。它的功能是进行数据处理，并且控制数据和指令在单片机中的运行，即控制单片机根据给定的要求进行操作。存储器存储器是单片机存放程序和数据的部件，它是有许多存储信息的单元组成。存储单元越多，存储器容量越大，可存放的信息量就越多。输入/输出借口电路(I/O)接口接口电路CPU和外部设备之间不可缺少的连接纽带。人们要控制单片机的运行，可通过键盘送入指令，也可用开关送入信号，键盘和开关都是输入设备。单

10、片机要运行的结果输出，可通过显示器、打印机告诉人们，也可通过接口电路输出信号，操作各种电器设备进行动作，显示器、打印机和电器设备都是输出设备。因为外部设备与CPU之间的逻辑电平、速度、时序、驱动能力的有很大的差别，所以必须通过I/O接口电路解决它们之间的匹配问题。单片机的工作过程单片机在工作前，首先必须在程序存储器内装入程序。单片机开始工作后，即按地址先从存储器中取出指令，然后把指令译码，以确定该指令执行的是什么操作和操作数的存放地址，再根据这3个地址取操作数，接着CPU对操作数进行操作，操作结果送入存储器或经接口电路送入显示器、打印机等外部设备。3 单片机的应用（1）工业过程控制中的应用由于

11、单片机的I/O接口线多，位操作指令丰富，逻辑操作功能强，因此，特别适用于工业过程控制。它既可以作为主机控制，也可作为分布式控制系统的前端机。在作为主机使用的系统中，单片机为核心控制器件，用来完成模拟量和开关量的采集、处理和控制计算（包括逻辑运算），然后输出控制信号。（2）生活中的应用由于单片机价格低廉、体积小、逻辑判断及控制功能强，因此广泛地应用于人类生活的各个方面。如：洗衣机、电冰箱、电子玩具及电梯控制等。（3）计算机网络及通信技术中的应用单片机集成了通信接口，因而使其在计算机网络及通信设备中得以广泛应用，例如Intel公司的8044，它由8051单片机及SDLC通信接口组合而成，用性能高的

12、串行接口单元SIU代替传统的UART，其传送距离可达1200mMbit/s。2 设计思路2.1 电路的设计定时闹钟的控制电路分为以下几部分：u 单片机8051。u LCD。内部总线接点说明：总线是用于传送信息的公共途径。总线可分为数据总线、地址总线、控制总线。单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。采用总线结构可以减少信息传输线的根数，提高系统可靠性，增强系统灵活性。中断控制系统是指CPU暂停正在执行的原程序转而为中断服务（执行中断服务程序），在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执行。中断系统是指能够处理上述中断过程的部分电路。MCS51单片机设有5个中断源（

13、外中断2个，定时/记数中断2个，串行中断2个），二级优先级，可实现两极中断嵌套。输入/输出借口电路(I/O)接口：接口电路CPU和外部设备之间不可缺少的连接纽带。人们要控制单片机的运行，可通过键盘送入指令，也可用开关送入信号，键盘和开关都是输入设备。单片机要运行的结果输出，可通过显示器、打印机告诉人们，也可通过接口电路输出信号，操作各种电器设备进行动作，显示器、打印机和电器设备都是输出设备。而本设计中应用到的主要是显示器，通过显示器我们就可以看到此设计的显示效果和计时时间。因为外部设备与CPU之间的逻辑电平、速度、时序、驱动能力的有很大的差别，所以必须通过I/O接口电路解决它们之间的匹配问题。

14、2.2 8051单片机的结构组成MCS51系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。图2.1是8051单片机的内部结构框图。它包含了作为微型计算机所必需的基本功能部件，各功能部件通过片内机单一总线连成一个整体，集成在一块芯片上。MCS51单片机是在一块芯片中集成了CPU、存储器（包括RAM和ROM）、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。主要包括1个8位CPU、1个片内振荡器及时钟电路、128 RAM、4KB ROM、2个16位定时器/计数器、32条可编程的I/O线和一个可编程的全双工串行口、5个中断源、2个中断优先级嵌套中断结构。图 LCD16

15、02液晶显示简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般1602字符型液晶显示器实物如图图1602字符型液晶显示器实物图1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2-3所示：图1602LCD尺寸图1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符工作电流:2.0mA(5.0V)字符尺寸:2.954.35

16、(WH)mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1所示:编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表2-1：引脚接口说明表第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

17、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。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，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3系统硬件设计与系统软件设计3.1 系统硬件设计（1）时钟芯片选择 选用89C51时钟芯片。（2）单片机的选择 选用8051单片机，并配备11.0592MHz

18、晶振，复位电路采用上电复位。其最小系统如图3.1所示：图3.1 at89c51单片机的最小系统原理图（3） 电源选择 采用直流5V电源供电。(4)复位电路 MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。上电复位：上电复位电路是种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VC

19、C对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。电路图如下：上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。(5)时钟电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本文用的是内部时钟方式。电路图如下：MCS-51单片机内部有一个用于构成振

20、荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。3.2 系统软件设计系统软件实现的流程框图：图3.1 系统框图LCD显示程序流程框图：图3.2 LCD显示程序框图 1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-1所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置

21、功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容表3-1：控制命令表1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平

22、则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数

23、据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。与HD44780相兼容的芯片时序表如下：读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无表.3-2：基本操作时序表读写操作时序如图3-3和3-4所示：图3-3 读操作时序图3-4 写操作时序1602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

24、要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3-5是1602的内部显示地址。图3-5 1602LCD内部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）+10000000B=11000000B.在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同

25、的点阵字符图形，如图3-6所示，这些字符有：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，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”图3-6 字符代码与图形对应图 1602LCD的一般初始化（复位）过程延时15mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令

26、0CH：显示开及光标设置仿真结果(1) 打开Keil uVision3，新建Keil项目，选择AT89S51单片机作为CPU，新建C语言源文件，编写程序，并将其导入到“Source Group”中。在“Option for Target”对话窗口中，选中“Output”选项卡中的“Create HEX”选项和“Debug”选项卡中的“Use：Proteus VSM Simulator”选项。编译源程序，改正程序中的错误。(2) 在Proteus ISIS中，选中AT89S51并单击鼠标左键，打开“Edit Compoment”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHZ，在此窗口中的“Progra

27、m File”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。在Proteus ISIS的菜单栏中选择“File”-“Save Design”选项，保存设计。在Proteus ISIS的菜单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“Use Remote Debug Monitor”选项，以支持与Keil的联合调试。(3) 在Keil的菜单栏中选择“Debug”-“Star/Stop Debug Session”选项，或者直接单击工具栏的“DebugStar/Stop Debug Session”图标，进入程序调试环境。按“F5”键，顺序运行程序。调出“Proteus ISIS”界面，可以看到

28、如下图的显示内容。显示330寝室，吴、魏、马、将的英文字符：显示 和07测控技术与仪器的英文字符总结本设计硬件电路较简单，所用器件较少，电路中使用了AT89S52单片机、LCD1602、74ls373和一个与非门等主要芯片,实现了预计功能。在对芯片的管脚功能和用法有充分的了解后，根据设计要求设计硬件电路，包括单片机最小系统和时钟电路通过单片机控制利用LCD1602显示字符串。通过本设计，更加熟悉了LCD的显示控制原理。单片机的编程环境和Protues的基本操作。参考文献.北京.高等教育出版社,20012 李 华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京.北京航空航天出版社，19933 陈立国，

29、陈宇等.单片机原理及应用.北京.机械工业出版社,20014 耿长青等.单片机应用技术.北京.化工工业出版社,20045 胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京.清华大学出版社,19956 王幸之,钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术.北京.北京航空航天大学出版社,20047 杨文龙.单片机原理及应用.陕西. 西安电子科技大学出版社,1999附件1硬件电路原理图：附件2源程序：; LCD 的字符串显示; 时钟 1.2MHz ;LCD Registers addressesLCD_CMD_WRequ 0LCD_DATA_WRequ1LCD_BUSY_RDequ2LCD_DATA_RDequ3;L

30、CD CommandsLCD_CLSequ1LCD_HOMEequ2LCD_SETMODEequ4LCD_SETVISIBLEequ8LCD_SHIFTequ16LCD_SETFUNCTIONequ32LCD_SETCGADDRequ64LCD_SETDDADDRequ128;Reset vectororg 0000hjmp start;程序开始org 0100hstring1a:db ! ! db 0string1b:db ! ! db 0string2:db 07cekongjishuyuyiqi db 0string3:db 10#330 dormitory db 0string4:db wu ma wei jiang!db 0start:mov A,#038hcall wrcmdloop:mov A,#LCD_SETVISIBLE+6 ;显示call wrcmdmov R7,#2loop2: mov DPTR,#string1acall wrstr mov DPTR,#200 call wtmsmov A,#LCD_CLS;清屏call wrcmdmov DPTR,#string1bcall wrstr mov DPTR,#200 call wtm