基于51單片機(jī)的TFT液晶顯示設(shè)計(jì)

0 引言

　　51單片機(jī)作為一種常見的通用單片機(jī)， 雖然其內(nèi)部資源， 處理速度等都無法與新型高速單片機(jī)相提并論， 但其低廉的價(jià)格， 極低的入門難度以及適用于簡單場(chǎng)合應(yīng)用等特點(diǎn)， 依然是開發(fā)者的常用選擇之一。

　　用51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶模塊通常都使用1602和12864等極為簡單的液晶模塊， 這里介紹用51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)QVGA分辨率的TFT液晶模塊， 以實(shí)現(xiàn)彩色和更為復(fù)雜的內(nèi)容顯示的方法。同時(shí)， 本文還將使用DS1302芯片和DS18B20芯片來實(shí)現(xiàn)在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘和溫度。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路， TFT液晶顯示電路， 時(shí)鐘電路， 設(shè)置電路以及溫度采集電路。其系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

　圖1 硬件系統(tǒng)原理框圖

　　1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

　　一個(gè)單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括外部晶振、電源、復(fù)位電路等， 這是保證單片機(jī)正常工作的必要條件。通過單片機(jī)可控制整個(gè)系統(tǒng)， 包括讀取DS18B20芯片的溫度數(shù)據(jù)， 讀取/寫入DS1302芯片的日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)， 檢測(cè)是否有按鍵按下并進(jìn)行相應(yīng)的操作， 最后還要向顯示驅(qū)動(dòng)芯片寫入數(shù)據(jù)，以使得TFT液晶屏上能夠顯示所需的內(nèi)容。

　　1.2 液晶顯示電路

　　驅(qū)動(dòng)TFT液晶面板的芯片有多種選擇， 本文使用的是臺(tái)灣奕力科技的ILI9325芯片。該芯片能夠支持320×240 (QVGA) 分辨率， 同時(shí)內(nèi)置173KB的RAM， 故其最高能顯示26萬色。ILI9325支持的接口方式有8/9/16/18位i80系統(tǒng)總線、SPI總線、RGB接口和VSYNC接口。它的總線式接口電路方式是把液晶顯示器看作外部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它訪問液晶顯示器就像訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的一個(gè)單元一樣， 采用這種方式能充分發(fā)揮單片機(jī)的總線讀寫功能優(yōu)勢(shì)， 而且便于升級(jí)和擴(kuò)展。由于本文采用的STC89C54RD+單片機(jī)并沒有SPI總線， 因此， 為了節(jié)約IO的使用， 本文最終采用8位系統(tǒng)總線的方式來連接ILI9325芯片。其顯示部分電路如圖2所示。

圖2 顯示部分電路圖

　　圖2中， 除P0口用作8位總線傳輸數(shù)據(jù)以外，還需要5個(gè)額外的IO口分別用作驅(qū)動(dòng)芯片的片選(CS)， 復(fù)位(RESET)， 命令/數(shù)據(jù)選擇位(RS)， 寫入位(WR) 和讀取位(RD)。但實(shí)際上， 由于這里不需要從驅(qū)動(dòng)芯片中讀取數(shù)據(jù)， 因此， RD位在實(shí)際程序中并未使用。

　　1.3 時(shí)鐘電路

　　時(shí)鐘電路主要由DS1302芯片組成。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片。該芯片內(nèi)含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31 字節(jié)的靜態(tài)RAM，可與單片機(jī)通過簡單的串行接口進(jìn)行通信。該芯片可提供秒、分、時(shí)、日、日期、月、年等信息， 每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)補(bǔ)償， 并能計(jì)算到2100年。DS1302與單片機(jī)之間能簡單地采用同步串行方式進(jìn)行通信， 而且僅需用到復(fù)位(RES)、I/O口、SCLK串行時(shí)鐘三個(gè)口線。DS1302工作時(shí)的功耗很低， 其雙電源管腳可用于主電源和備份電源供應(yīng)， 并可為可編程涓流充電電源附加七個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器。因此， 該芯片可廣泛應(yīng)用于電話等便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品。圖3所示是DS1302的時(shí)鐘電路連接圖。

　　此外， 設(shè)計(jì)時(shí)需要為DS1302 提供外接的32.768 Hz晶振， 而不需要接電容或電阻。

圖3 時(shí)鐘電路連接圖

　　1.4 溫度采集電路

　　DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件(1-Wire)。該芯片具有線路簡單， 體積小的特點(diǎn)。因此， 用它組成的測(cè)溫系統(tǒng)線路簡單。它只用一根通信線就可以連接多個(gè)DS18B20數(shù)字溫度計(jì)， 因此十分方便。此外， 該芯片還具有以下一些特點(diǎn)：

　　◇ 僅需一個(gè)端口即可完成數(shù)據(jù)的讀取和寫入；◇ 每個(gè)DS12B20芯片都有一個(gè)獨(dú)一無二的序列號(hào)， 因此， 可以在一條數(shù)據(jù)線上掛載多個(gè)芯片；◇ 測(cè)量溫度范圍在-55℃到125℃之間；◇ 數(shù)字溫度計(jì)的分辨率可以選擇9到12位；◇ 可以設(shè)置告警溫度的上下限。

　　圖4所示是該芯片與單片機(jī)的連接電路。表1所列是DS18B20三個(gè)引腳的定義。

圖4 溫度采集電路圖

表1 DS18B20的引腳定義

　　1.5 設(shè)置電路

　　設(shè)置電路的主要功能是將時(shí)間和日期設(shè)置到當(dāng)前時(shí)間和日期。本設(shè)計(jì)僅需使用3個(gè)按鍵即可完成該功能。第一個(gè)按鍵用于選擇更改的內(nèi)容，即第一次按下該按鍵時(shí)， 時(shí)鐘停止并且出現(xiàn)一指示符， 該指示符指向秒所在位置， 以后每按下該按鍵， 系統(tǒng)將依次輪詢分、時(shí)、日、月、年、星期， 這樣用戶便可修改系統(tǒng)時(shí)間和日期， 當(dāng)選完星期之后， 再次按下第一個(gè)按鍵， 則時(shí)鐘又從設(shè)定的時(shí)間繼續(xù)運(yùn)行并且指示符消失。另外兩個(gè)按鍵起“+”， “-” 的作用， 可供用戶調(diào)節(jié)時(shí)間和日期時(shí)使用。需要注意的是， 只有在調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)按下“+”， “-” 按鈕才能起作用。

　　在按鍵去抖方面， 本設(shè)計(jì)使用的是軟件去抖， 但在實(shí)際中， 有時(shí)也應(yīng)該加入電容或雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以實(shí)現(xiàn)硬件去抖。當(dāng)然， 在本文的實(shí)驗(yàn)中， 僅使用軟件去抖也能很好的工作。其設(shè)置電路原理圖如圖5所示。

圖5 設(shè)置電路原理圖。

　　2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括顯示子程序、DS1302芯片子程序、DS18B20芯片子程序、按鍵處理子程序以及主程序。主程序部分主要用于進(jìn)行各個(gè)設(shè)備的初始化， 接著進(jìn)行鍵盤掃描， 同時(shí)讀取時(shí)間、溫度， 最后調(diào)用顯示子程序。DS1302芯片子程序主要負(fù)責(zé)讀取內(nèi)部存儲(chǔ)器中的時(shí)間、日期， 并在有相應(yīng)鍵盤響應(yīng)時(shí)將時(shí)間、日期數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。DS18B20芯片子程序的作用相對(duì)比較簡單， 只需按一定間隔讀取溫度數(shù)據(jù)即可。按鍵子程序的目的是不停的輪詢按鍵， 一旦有按鍵被按下， 程序?qū)⒘⒓磮?zhí)行相應(yīng)的處理。而顯示部分子程序是該項(xiàng)目中難度最大同時(shí)也是代碼最多的子程序， 它包含顯示驅(qū)動(dòng)芯片的初始化函數(shù)，同時(shí)也定義了如何向液晶屏發(fā)送指定內(nèi)容的函數(shù)， 例如文字、字母、圖形等。

　　2.1 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序在完成對(duì)各器件的初始化后， 便開始執(zhí)行鍵盤掃描， 以讀取芯片數(shù)據(jù)及顯示程序。其主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖。

　　2.2 顯示程序設(shè)計(jì)

　　顯示程序的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)， 究其原因， 第一， 是顯示驅(qū)動(dòng)芯片的寄存器配置比較復(fù)雜， ILI9325有超過40個(gè)寄存器， 這些寄存器大部分在顯示初始化程序中即可配置完成， 而另外一些則可能會(huì)在其他程序中再次用到。例如在每次寫入數(shù)據(jù)前首先要確定寫入的范圍， 而這個(gè)范圍需要在寄存器中配置。

　　第二， 是往顯示屏上輸出任何內(nèi)容均需要手動(dòng)編寫方法。如果在1602液晶或12864液晶上寫入英文字母、數(shù)字， 有的甚至可以是中文都可以直接使用現(xiàn)有指令寫入。但I(xiàn)LI9325芯片沒有字庫， 因而會(huì)帶來一些困難， 但同時(shí)也帶來了靈活的選擇， 因?yàn)檫@樣， 字體和字號(hào)就不受限制了。

　　本文在制作字庫時(shí)， 使用的是常見的字模軟件，該軟件可以生成任意大小的字模， 還可以根據(jù)圖片取模。因此， 利用該軟件可獲得所需的所有漢字和字母， 本文所取的漢字字模大小為40×46，數(shù)字為16×31。正是由于字模大小的不同， 本設(shè)計(jì)生成的兩個(gè)頭文件均使用結(jié)構(gòu)體方式來定義了索引內(nèi)碼和點(diǎn)陣碼數(shù)據(jù)兩個(gè)屬性。特別需要注意的是， 漢字內(nèi)碼為2byte， 而英文數(shù)字內(nèi)碼為1byte。因此， 在兩個(gè)不同的索引程序的判斷條件中必須將其區(qū)分開。本文還將需要使用的一些簡單標(biāo)志圖形(如指示時(shí)鐘修改位的標(biāo)志) 也都合并到了英文字庫中。

　　解決了上述兩個(gè)難點(diǎn)， 程序設(shè)計(jì)也就基本完成了。如果需要用到一些復(fù)雜的圖形， 例如圓形、方形、三角形等， 也完全可以額外增加幾個(gè)函數(shù)。還有一點(diǎn)要注意的是， 從溫度采集芯片和時(shí)鐘芯片獲得的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為ASCII碼， 否則，索引程序就不能識(shí)別。本系統(tǒng)的顯示程序流程圖如圖7所示。

圖7 顯示程序流程圖2.3 DS1302子程序及按鍵處理子程序：

　　DS1302時(shí)鐘日期芯片子程序中定義了讀取寫入數(shù)據(jù)的函數(shù)。通過這兩個(gè)函數(shù)可以確定讀取芯片中時(shí)間和日期等數(shù)據(jù)的函數(shù)以及設(shè)置這些數(shù)據(jù)的函數(shù)。設(shè)置函數(shù)將被鍵盤掃描程序使用， 而讀取函數(shù)則將在主函數(shù)中應(yīng)用。

　　按鍵處理子程序的主要目的就是輪詢各按鈕是否被按下， 只有當(dāng)?shù)谝话存I被按下時(shí)， 才會(huì)處理第二和第三按鍵。注意， 按下第一功能鍵時(shí)，必須關(guān)閉DS1302寫保護(hù)功能， 而在退出設(shè)定狀態(tài)時(shí)， 則需要打開寫保護(hù)。為了在更改數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)時(shí)顯示出更改的數(shù)值， 在按鍵處理時(shí)， 也要用到顯示函數(shù)。該流程較為簡單， 本文不再贅述。

　　2.4 DS18B20芯片子程序

　　DS18B20是一種溫度采集芯片。在進(jìn)行溫度采集前， 一般首先都需要初始化， 然后還需進(jìn)行ROM操作， 待發(fā)出存儲(chǔ)器操作指令后才能讀取溫度數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用定時(shí)器0中斷， 每隔1秒讀取一次溫度， 這一速度已經(jīng)足夠滿足日常要求了。

　　3 結(jié)束語

　　本文使用51單片機(jī)配合QVGA液晶實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、日期和溫度的實(shí)時(shí)顯示。事實(shí)上， 選用TFT液晶能夠更加靈活、多彩的顯示內(nèi)容， 更符合未來的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)， 在處理簡單的圖像內(nèi)容上， STC89C54RD+單片機(jī)已經(jīng)足夠滿足要求， 其刷新速度在首次刷屏后幾乎沒有延遲， 故可取得很好的效果。同時(shí)其硬件電路上也相當(dāng)簡潔， 精度也很好， 因而具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。