单片机显示原理
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2021-03-17 07:42
▌一．接口
LCD1602是很多单片机爱好者较早接触的字符型液晶显示器，它的主控芯片是HD44780或者其它兼容芯片。与此相仿的是LCD12864液晶显示器，它是一种图形点阵显示器，能显示的内容比LCD1602要丰富得多，除了普通字符外，还可以显示点阵图案，带有汉字库的还可以显示汉字，它的并行驱动方式与LCD1602相差无几，所以，在这里花点时间是值得的。
一般来说，LCD1602有16条引脚，据说还有14条引脚的，与16脚的相比缺少了背光电源A(15脚)和地线K(16脚)。这块LCD1602的型号是HJ1602A，是绘晶科技公司的产品，它有16条引脚。如图1所示：
图1
再来一张它的背面的，如图2所示：
图2
它的16条引脚定义如下：
引脚号 | 符号 | 引脚说明 | 引脚号 | 符号 | 引脚说明 |
1 | VSS | 电源地 | 9 | D2 | 数据端口 |
2 | VDD | 电源正极 | 10 | D3 | 数据端口 |
3 | VO | 偏压信号 | 11 | D4 | 数据端口 |
4 | RS | 命令/数据 | 12 | D5 | 数据端口 |
5 | RW | 读/写 | 13 | D6 | 数据端口 |
6 | E | 使能 | 14 | D7 | 数据端口 |
7 | D0 | 数据端口 | 15 | A | 背光正极 |
8 | D1 | 数据端口 | 16 | K | 背光负极 |
对这个表的说明：
1. VSS接电源地。
2. VDD接+5V。
3. VO是液晶显示的偏压信号，可接10K的3296精密电位器。或同样阻值的RM065/RM063蓝白可调电阻。见图3。
图3
4. RS是命令/数据选择引脚，接单片机的一个I/O，当RS为低电平时，选择命令；当RS为高电平时，选择数据。
5. RW是读/写选择引脚，接单片机的一个I/O，当RW为低电平时，向LCD1602写入命令或数据；当RW为高电平时，从LCD1602读取状态或数据。如果不需要进行读取操作，可以直接将其接VSS。
6. E，执行命令的使能引脚，接单片机的一个I/O。
7. D0—D7，并行数据输入/输出引脚，可接单片机的P0—P3任意的8个I/O口。如果接P0口，P0口应该接4.7K—10K的上拉电阻。如果是4线并行驱动，只须接4个I/O口。
8. A背光正极，可接一个10—47欧的限流电阻到VDD。
9. K背光负极，接VSS。见图4所示。
图4
▌二．基本操作
LCD1602的基本操作分为四种：
1. 读状态：输入RS=0，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为状态字。
2. 读数据：输入RS=1，RW=1，E=高脉冲。输出：D0—D7为数据。
3. 写命令：输入RS=0，RW=0，E=高脉冲。输出：无。
4. 写数据：输入RS=1，RW=0，E=高脉冲。输出：无。
读操作时序图(如图5)：
图5
写操作时序图(如图6)：
图6
时序时间参数(如图7)：
图7
▌三．DDRAM、CGROM和CGRAM
DDRAM(Display Data RAM)就是显示数据RAM，用来寄存待显示的字符代码。共80个字节，其地址和屏幕的对应关系如下(如图8)：
图8
DDRAM相当于计算机的显存，我们为了在屏幕上显示字符，就把字符代码送入显存，这样该字符就可以显示在屏幕上了。同样LCD1602共有80个字节的显存，即DDRAM。但LCD1602的显示屏幕只有16×2大小，因此，并不是所有写入DDRAM的字符代码都能在屏幕上显示出来，只有写在上图所示范围内的字符才可以显示出来，写在范围外的字符不能显示出来。这样，我们在程序中可以利用下面的“光标或显示移动指令”使字符慢慢移动到可见的显示范围内，看到字符的移动效果。
前面说了，为了在液晶屏幕上显示字符，就把字符代码送入DDRAM。例如，如果想在屏幕左上角显示字符‘A’，那么就把字符‘A’的字符代码41H写入DDRAM的00H地址处即可。至于怎么写入，后面会有说明。那么为什么把字符代码写入DDRAM，就可以在相应位置显示这个代码的字符呢？我们知道，LCD1602是一种字符点阵显示器，为了显示一种字符的字形，必须要有这个字符的字模数据，什么叫字符的字模数据，看看下面的这个图就明白了(如图9)。
图9
上图的左边就是字符‘A’的字模数据，右边就是将左边数据用“○”代表0，用“■”代表1。从而显示出‘A’这个字形。从下面的图可以看出，字符‘A’的高4位是0100，低4位是0001，合在一起就是01000001b，即41H。它恰好与该字符的ASCII码一致，这样就给了我们很大的方便，我们可以在PC上使用P2=‘A’这样的语法。编译后，正好是这个字符的字符代码。
在LCD1602模块上固化了字模存储器，就是CGROM和CGRAM，HD44780内置了192个常用字符的字模，存于字符产生器CGROM(Character Generator ROM)中，另外还有8个允许用户自定义的字符产生RAM，称为CGRAM(Character Generator RAM)。下图(如图12)说明了CGROM和CGRAM与字符的对应关系。从ROM和RAM的名字我们也可以知道，ROM是早已固化在LCD1602模块中的，只能读取；而RAM是可读写的。也就是说，如果只需要在屏幕上显示已存在于CGROM中的字符，那么只须在DDRAM中写入它的字符代码就可以了；但如果要显示CGROM中没有的字符，比如摄氏温标的符号，那么就只有先在CGRAM中定义，然后再在DDRAM中写入这个自定义字符的字符代码即可。和CGROM中固化的字符不同，CGRAM中本身没有字符，所以要在DDRAM中写入某个CGROM不存在的字符，必须在CGRAM中先定义后使用。程序退出后CGRAM中定义的字符也不复存在，下次使用时，必须重新定义。
图10
上面这个图(如图10)说明的是5×8点阵和5×10点阵字符的字形和光标的位置。先来说5×8点阵，它有8行5列。那么定义这样一个字符需要8个字节，每个字节的前3个位没有被使用。例如，定义摄氏温标的符号{0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00}。
图11
上面这个图(如图11)说明的是设置CGRAM地址指令。从这个指令的格式中我们可以看出，它共有aaaaaa这6位，一共可以表示64个地址，即64个字节。一个5×8点阵字符共占用8个字节，那么这64个字节一共可以自定义8个字符。也就是说，上面这个图的6位地址中的DB5DB4DB3用来表示8个自定义的字符，DB2DB1DB0用来表示每个字符的8个字节。这DB5DB4DB3所表示的8个自定义字符(0--7)就是要写入DDRAM中的字符代码。我们知道，在CGRAM中只能定义8个自定义字符，也就是只有0—7这8个字符代码，但在下面的这个表(如图12)中一共有16个字符代码(××××0000b--××××1111b)。实际上，如图所示，它只能表示8个自定义字符 (××××0000b=××××1000b, ××××0001b=××××1001b……依次类推)。也就是说，写入DDRAM中的字符代码0和字符代码8是同一个自定义字符。5×10点阵每个字符共占用16个字节的空间，所以CGRAM中只能定义4个这样的自定义字符。
那么如何在CGRAM中自定义字符呢？在上面的介绍中，我们知道有一个设置CGRAM地址指令，同写DDRAM指令相似，只须设置好某个自定义字符的字模数据，然后按照上面介绍的方法，设置好CGRAM地址，依次写入这个字模数据即可。我们在后面的例子中再进行说明。
图12
▌四．LCD1602指令
1．工作方式设置指令(如图13)
图13
×：不关心，也就是说这个位是0或1都可以，一般取0。
DL：设置数据接口位数。
DL=1：8位数据接口(D7—D0)。
DL=0：4位数据接口(D7—D4)。
N=0：一行显示。
N=1：两行显示。
F=0：5×8点阵字符。
F=1：5×10点阵字符。
说明：因为是写指令字，所以RS和RW都是0。LCD1602只能用并行方式驱动，不能用串行方式驱动。而并行方式又可以选择8位数据接口或4位数据接口。这里我们选择8位数据接口(D7—D0)。我们的设置是8位数据接口，两行显示，5×8点阵，即0b00111000也就是0x38。(注意：NF是10或11的效果是一样的，都是两行5×8点阵。因为它不能以两行5×10点阵方式进行显示，换句话说，这里用0x38或0x3c是一样的)。
2．显示开关控制指令(如图14)
图14
D=1：显示开，D=0：显示关。
C=1：光标显示，C=0：光标不显示。
B=1：光标闪烁，B=0：光标不闪烁。
说明：这里的设置是显示开，不显示光标，光标不闪烁，设置字为0x0c。
3．进入模式设置指令(如图15、16)
图15
I/D=1：写入新数据后光标右移。
I/D=0：写入新数据后光标左移。
S=1：显示移动。
S=0：显示不移动。
图16
说明：这里的设置是0x06。
4．光标或显示移动指令(如图17、18)
图17
图18
说明：在需要进行整屏移动时，这个指令非常有用，可以实现屏幕的滚动显示效果。初始化时不使用这个指令。
5．清屏指令(如图19)
图19
说明：清除屏幕显示内容。光标返回屏幕左上角。执行这个指令时需要一定时间。
6．光标归位指令(如图20)
图20
说明：光标返回屏幕左上角，它不改变屏幕显示内容。
7．设置CGRAM地址指令(如图21)
图21
说明：这个指令在上面已经介绍过。用法在后面例子中说明。
8．设置DDRAM地址指令(如图22)
图22
说明：这个指令用于设置DDRAM地址。在对DDRAM进行读写之前，首先要设置DDRAM地址，然后才能进行读写。前面我们说过，DDRAM就是LCD1602的显示存储器。我们要在它上面进行显示，就要把要显示的字符写入DDRAM。同样，我们想知道DDRAM某个地址上有什么字符，也要先设置DDRAM地址，然后将它读出到单片机。
9．读忙信号和地址计数器AC(如图23)
图23
说明：这个指令用来读取LCD1602状态。对于单片机来说，LCD1602属于慢速设备。当单片机向其发送一个指令后，它将去执行这个指令。这时如果单片机再次发送下一条指令，由于LCD1602速度较慢，前一条指令还未执行完毕，它将不接受这新的指令，导致新的指令丢失。因此这条读忙指令可以用来判断LCD1602是否忙，能否接收单片机发来的指令。当BF=1，表示LCD1602正忙，不能接受单片机的指令；当BF=0，表示LCD1602空闲，可以接收单片机的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是读取。这条指令还有一个副产品：即可以得到地址记数器AC的值(address counter)。LCD1602维护了一个地址计数器AC，用来记录下一次读写CGRAM或DDRAM的位置。需要强调的是：这条指令我一次也没有执行成功。很多网友似乎也是这样。好在我们有另外的办法，也就是延时。通过查看每条指令的执行时间，再经过一些试验，可以确定指令的延时。这样就可以在上一条指令执行完毕后再执行下一条指令了。
10．写数据到CGRAM或DDRAM指令(如图24)
图24
说明：RS=1，数据；RW=0，写。指令执行时，要在DB7—DB0上先设置好要写入的数据，然后执行写命令。
11．从CGRAM或DDRAM读数据指令(如图25)
图25
说明：RS=1，数据；RW=1，读。先设置好CGRAM或DDRAM的地址，然后执行读取命令。数据就被读入后DB7—DB0。
▌五．实例
下面我们就以一个实例来结束这篇文章。先介绍一下背景：单片机最小系统(扩充了外部RAM 62256)。采用STC89C52RC，晶振22.1184MHZ。以5×8点阵，16×2行，8位数据端口。首先在第一行显示“I love MCU!”,第二行显示“LCD1602 Test!”。延时一段时间，清屏。然后在第一行显示自定义字符：摄氏温标标志。第二行显示圆周率(pai)标志。再延时一段时间，清屏。最后在第一行显示“Welcome to my blog!”，显示方式是从屏幕右面移入，左面移出。周而复始(如图26)。
图26
