1、机 电工程技术 年第 卷第 期机电工程技术 年第 卷第 期基于单片机控制的液晶显示原理与设计周一恒， 严家明（中国矿业大学电子信息与电气工程学院 ， 江苏徐州 ；重庆大学输变电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 ， 重庆 ）收稿日期 ： 摘要 ： 提出了一种基于单片机和 控制模块进行液晶显示的实现方法 ， 介绍了液晶显示控制器 的性能特点 ， 给出了单片机与液晶显示屏 硬件接口设计 、 软件设计流程以及详细的液晶显示程序 。 设计的该显示模块能够应用于测控系统中 。关键词 ： 单片机 ； ； 液晶显示 ； 接口电路中图分类号 ： 文献标识码 ： 文章编号 ： () 引言液晶显示 （） 由于具
2、有可编程驱动 、 接口控制方便 、 体积小 、 功耗低 、 具有良好的可视化人机界面等优点 ， 在智能设备尤其是便携式仪器仪表中得到了广泛应用 ， 在许多单片机 、 等应用系统中也被广泛应用于终端显示， 。 已成为当代高新技术产业 、 信息产业中最重要的信息显示方式之一 。随着数控技术 、 测控技术等新技术的发展 ， 对中英文显示 、 图形显示的需求越来越多， ， 普通的 显示已不能满足要求 。 本 文 以 内 核 为 的 液晶显示屏为例 ， 介绍液晶基本功能 、 工作原理及其在智能控制系统中与单片机的硬件接口以及软件设计方法 。 以期为液晶显示在智能控制领域的应用提供一种便捷快速的方法 ，
3、也望有利于液晶显示屏在其他领域的推广应用 。 液晶模块原理在智能控制系统中越来越多地使用了液晶显示屏， 是一种介于液体和固体之间热力学的中间稳定相 ， 它本身不会发光 ， 是利用外部光的反射原理进行显示 。 液晶显示功耗小 ， 字形美观 ， 在系统中可用集成电池来供电。 基本功能 液晶显示屏以 显示控制模块为内核 ， 液晶显示屏幕为 点 ， 可显示四行 ， 每行可显示 中文字符 个或 半宽符号字型 个 。显示控制模块 是内部含有国标一级 、 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示控制模块 ， 其控制的显示分辨率可达 。 模块内带有中文字型库 ， 该字库中含有 个 点阵的中文字符 ， 可利用代码简单
4、方便地显示汉字 ； 半宽字型库 提供了 个 点阵的 字符 ， 便于英文和其他常用字符显示 ； 点阵的造字空间 ， 用户可以根据需要构造生僻字 ； 点阵的绘图区域 ， 可以方便构造图形 ， 与文字混合显示 。显示模块与单片机 、 等微控器的接口界面灵活 ，有并行 、 串行两种连接模式 ， 其中并行模式又有 位 位两种接法 ， 串行模式又分 线 线两种接法 。 指令系统 内核 模块内部有一个指令寄存器和一个数据寄存器 ， 其指令分为基本指令集和扩充指令集 。基本指令集用来初始化液晶屏和实现基本功能控制 。对于指令寄存器来说 ， 包括清除显示 、 位址清零 、 进入点设定 、 显示状态开 关 、 光
5、标或显示移位控制 、 功能设定 、设 定 位 址 、 设 定 位 址 、 读 取 忙 标 志（） 等指令 ； 对于数据寄存器来说 ， 包括写数据到 （）、 读出 的值等指令 。扩充指令集主要用来绘图 ， 包括待命模式 、 卷动位址或 位址 、 选择睡眠模式 、 扩充功能设定 、 设定 位址或卷动位址 、 设定绘图 地址等指令 。 硬件组成 液晶显示屏的外形尺寸为 ， 视域尺寸为 ， 由两块独立的芯片组合而成 ， 分别由使测 控技术40机 电工程技术 年第 卷第 期机电工程技术 年第 卷第 期图 连线图能信号 （）、 （） 加以控制 ， 两芯片共用 （）、 和数据传输线 ， 在同一时刻 ，芯片的
6、使能端 、 只能有一个为下降沿触发有效 。 当使能信号有效时 ， 、 和数据传输线就只与使能的芯片相连 ， 从而实现资源的分时使用 ， 占用较小的资源开销 。 在使能信号到达的情况下 ， 、 和数据传输线的逻辑关系如表 所示 。 接口电路设计目前测控仪表系统中大多采用单片机为主控器件 ， 由于 型单片机价格低 、 处理能力强 ， 在数据采集 、工程 应 用 等 很 多 领 域 得 到 了 广 泛 应 用 。 本 设 计 中 采 用 作为系统的控制芯片 ， 外扩存储器选用 。 为了扩充单片机的控制功能 ， 采 用 可 编 程 控 制 芯 片。 系统电路框图如图 所示 。 共 有 个 位 的 并
7、行 端 口 ： 、 、 口 ， 芯片内包含 的 ， 程序存储器的寻址空间为 。单片机对液晶模块的控制分为直接控制方式和间接控制方式。 直接控制方式是把液晶模块作为存储器接在单片机的数据线 、 地址线和控制线上 ， 同时把它的数据总线接在单片机的 口上 ， 读 写操作由单片机的读写操作信号控制 ， 以访问存储器的方式访问液晶模块 ； 间接控制方式则不使用单片机的数据系统 ， 而是利用它的 口来实现与液晶模块的联系 ， 其时序完全靠软件编程实现 ， 不占用 的存储器空间 ， 接口电路与单片机时序无关 。 本次设计在 芯片的扩展下 ， 单片机和液晶模块 、 外扩存储器以直接控制的方式相连接。可编程控
8、制器芯片 对单片机的控制功能进行扩充 ， 产生外扩存储器 、 模块芯片选择 、 指令 （数据 ） 寄存器 、 读写信号等使能信号 ， 协调单片机对外扩存储器和液晶模块的控制 。 该芯片编程容易 ， 可以随时方便地修改其 逻 辑 关 系 ， 在一定程度上提高了开发的通用性 ， 连线如图 所示 。 控制逻辑协议为 为外扩存储器 的使能信号 ， 使能信号 选、 使能信号 选选， 指令 （数 据 ） 寄 存 器 的 片 选 信 号 为选， 读写信号为 端直接连接单片机的 端 。在可编程逻辑器件把单片机控制功能扩展的协调下 ，把液晶模块和外扩存储器挂接在单片机的数据总线和地址总线上直接访问 ， 这种连接
9、方式使得程序代码执行效率较高 ， 系统响应迅速 ； 单片机的 口用来采集外部需要显示的数据信信息 。 具体接口电路图如图 所示 。为了方便监测 、 调试和远程通信 ， 利用单片机的串行口 ， 采用 标准实现与计算机通信 ， 经过可视化编程形成虚拟仪器 ， 方便对系统进行监控 。 软件设计接口软件设计主要包括单片机 初始化 、 液晶控制器 初始化 、 数据采集通讯 、 字符或汉字的显示等 。 从系统的快速性考虑 ， 选用汇编语言进行软件模块的设计实现 。 这里通过液晶显示屏的初始化以及如何显示文本来具体说明单片机控制液晶显示屏的软件设计 。 软件设计流程单片机要控制液晶显示屏系统运行 ， 首先应
10、将系统接通电源 ， 系统自动复位 。 复位后进行单片机系统初始化 、液晶初始化 。 在初始化完毕后 ， 系统采集需要显示的相应参数 ， 通过控制器发出的指令调用相关函数 ， 完成相应的显示功能 。 其软件流程图如图 所示 。 系统及液晶初始化系统初始化禁止所有可屏蔽中断 ， 并关总中断 ， 在进表 指令寄存器 、 数据寄存器读写逻辑表操作指令寄存器的写入忙标志和地址计数器的读出数据寄存器的写入数据寄存器的读出图 系统电路图测控技 术41机 电工程技术 年第 卷第 期机电工程技术 年第 卷第 期图 软件流程图图 接口电路图图 液晶模块初始化流程图行关键设置时不允许发生中断 ， 以免产生干扰 ，
11、还包括变量 、 专用寄存器的初始化和定时器赋初值等 。液晶模块初始化就是对液晶模块的各项参数进行设置 ， 如输入方式 、 显示开关控制 、 数据接口位数 、 光标的位置以及显示方式等 。如果液晶显示屏正常工作 ， 便可写命令到 。本系统中的单片机主频为 ， 相对而言 ， 液晶属于慢速的外设 ， 所以在读写程序中应该插入一些延时等待 。 值得注意的是 ， 当 在接受指令前 ， 单片机必须先确认 内部处于非忙碌状态 ， 即读取 标志位时 需为 ， 方可接受新的指令 。 这里用到用户定义函数 ， 其作用为判断 内部是否处于忙碌状态 。 液晶模块初始化流程如图 所示 。 的读写时序在软件设计过程中 ，
12、 只有产生符合 的读写时序后才能对液晶正确操作 ， 否则液晶显示屏不会有任何输出 。 根据图 和图 中的时序图以及液晶模块的初始化流程 ， 可以编写以下液晶模块初始化功能设置程序 （其中为了提高程序的可移植性与可读性 ， 在程序开头都用了宏定义 ， 限于篇幅在此不再给出 ）。液晶模块初始化功能设置如下 ： ， ；（功能设置 ： 开显示及关光标 ， 字体不闪烁 ） ， ， ；（ 产生高电平 ， 选择指令寄存器 ）测 控技术42机 电工程技术 年第 卷第 期机电工程技术 年第 卷第 期图 读时序图 写时序 ；（读写控制信号 ， 低电平写信号 ） ， ；（ 产生低电平 ， 形成下降沿 ， 片使能写入
13、功能设置 ） 液晶显示程序设计单片机对 显示的控制主要是把字符或字母在字库中的地址码写入到控制 显示的 中 ， 字库中 的地址码是 位 ， 中文字符的地址码是 位。显示半宽字型的字母 、 数字 时 ， 直接将 位的地址码写入到 即可 ， 范围为 的编码 ；显示 中文字型时 ， 也是先向指令寄存器写功能设置 ， 将 位的地址码写入到 中 ， 在写入地址码时 ， 先写高八位 ， 再写低八位 ， 并且是连续输入 。 每个 字符起首地址应该放在 中半宽数字符的偶数倍位置处 ， 否则显示会产生错误 。 所以 ， 在半宽字型和中文字型混合显示的时候 ， 如果遇到在奇数个半宽地址显示中文字符的情况 ， 通常
14、是用占半宽字节的空格来跳过 。下面以在液晶屏幕中显示 “直流电压 ” 为例给出显示程序 ， 字符在字库中的地址以查表的形式读取 。 ， （光标转至第二行首列 ， 置 地址 ） ， ， ， ， （取显示数据的首地址 ， 算出偏移量 ） ， （显示的字数 ， 一个汉字的高 位和低 为连续写入 ） ， : ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ；由于篇幅 ， 这里对自定义字符 、 绘制图形 、 计算机通信 、 虚拟仪器开发以及外部存储器的扩展等就不再讨论 。 结论本文对基于单片机和 液晶显示模块的实现方法进行了探讨 ， 设计了硬件电路和软件对显示控制模块 进行了有效的控制 ， 所应用程
15、序均在 系列的软件编译环境下调试通过 。 该显示方法已经在某工业测控系统上得到成功验证 。该液晶显示屏不仅能够正常显示连续的汉字 、 字符 ，而且能读取 内容实现图形及曲线的显示等 ， 人机接口更友好 ， 绘图显示更加流畅 。 与同类型的其他图形点阵液晶显示模块相比 ， 其硬件电路结构简单 、 控制方式灵活 、 对于其他型号的接口芯片也有参考价值 。通过对计算机通信设计 、 虚拟仪器的开发以及外部存储器的扩展 ， 非常方便地形成主从机的多机通信监控系统 。 因此 ， 本文所研究的液晶显示模块的硬件接口和软件设计在测控系统的液晶显示中有很高的实用价值 。参考文献 ： 李维諟 ， 郭强 液晶显示应
16、用技术 北京 ： 电子工业出版社 ， 何立民 单片机应用系统设计 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 于龙成 ， 史延龄 仪表用中文 与单片机的接口技术 仪表技术 ， （）： 马文蔚 ， 解希顺 物理学 （第四版 ） 北京 ： 高等教育出版社 ， 孙涵芳 ， 等 单片机原理及应用 北京 ： 北京航空航天大学出版社 ， 周明德 微型计算机硬件软件及应用 北京 ： 清华大学（下转第 页 ）测控技 术43机 电工程技术 年第 卷第 期机电工程技术 年第 卷第 期出版社 ， 于龙成 ， 史延龄 仪表用中文 与单片机的接口技术 仪表技术 ， （）： 李华 ， 等 系列单片机实用接口技术 北京 ： 北京
17、航空航天大学出版社 ， 李敏 ， 孟臣 串行接口中文图形点阵液晶显示模块的应用 单片机与嵌入式系统应用 ， （）： , 第一作者简介 ： 周一恒 ， 女 ， 年生 ， 江苏丰县人 ， 硕士 ， 助教 。 研究领域 ： 检测技术与自动化装置 。 已发表论文 篇 。(编辑 ：梁 玉 )图 电容电压波形图 中点电压波形如图 所示为中点电压波形 ， 可以看出 ， 能够实现对中点电压的有效控制 ， 中点电压在很小的范围内波动 。 实验研究在理论分析和仿真的基础上 ， 还进行了实验研究 ，实验系统由一台绕线式异步电动机 （ 对极 ， 额定功率， 额 定 电 压 ， 额 定 电 流 ， 额 定 转 速） 和
18、一台它励直流发电机 （额 定 功 率 ，额定电压 ， 额定电流 ） 组成 ， 实验系统框图如图 所示 。实验测试波形是在控制周期为 、 直流母线电压为 的基础上测得的 。 在控制过程中 ， 利用直接转矩控制产生的磁链与转矩的控制信号以及中点电压控制信号 ， 查询事先编好的开关状态表 ， 然后更新 比较寄存器的值 ， 实现电机的控制 。在测量过程中 ， 将示波器探头 的地线接两个电容的中点 ， 正端接直流母线的正端 ， 探头 的正端接直流母线的负端 。 得到的电容电压波形图如图 所示 ， 可以看出 ，在整个运行过程中 ， 两个电容电压基本相同 ， 没有出现失衡的情况 ， 这是加入了中点电压控制的
19、结果 ， 同时也是保证二极管箝位三电平逆变器能够可靠运行的一个重要前提 。 结束语本文在直接转矩控制合成矢量法的基础上 ， 提出并实施了一种改进的电压矢量合成法 ， 仿真与实验结果表明 ，此方法不仅顺利实现了直接转矩控制 ， 而且使中点电压在很小的范围波动 ， 证明了其合理性和有效性 。参考文献 ： 陶生桂 ， 等 三电平逆变器中点电位平衡电路的设计与仿真 同济大学学报 （自然科学版 ）， ， （）： 康劲松 ， 等 三电平逆变器系统直接转矩复式控制 同济大学学报 （自然科学版 ）， ， （）： 崔俊国 ， 等 三点式逆变器电压空间矢量控制方法 同济大学学报 ， ， （）： 第一作者简介 ： 秦 虹 ， 女 ， 年生 ， 浙江绍兴人 ， 大学本科 ， 副教授 。 研究领域 ： 电动机控制技术 。 已发表论文 篇 。(编辑 ：向 飞 )图 三电平逆变器异步电机直接转矩控制实验系统框图!（上接第 页 ）研究与开 发83
