基于单片机的LCD驱动程序设计.docx

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基于单片机的LCD驱动程序设计

基于单片机的LCD驱动程序设计

[摘要]本文主要研究了单片机AT89C51控制的LCD液晶显示系统。

论文首先简要介绍了单片机的结构、功能、特点，并附以单片机结构框图加以说明；然后介绍了液晶显示的结构、功能、驱动方式，并对液晶显示控制器KS0108的结构功能做了详细的说明；之后，着重分析了液晶显示系统的软件实现方案。

本设计实施方案是软、硬件相结合，以软件为基础，用单片机C语言来进行模块化结构的软件设计，进行各功能模块的编写，使程序设计的逻辑关系简洁明了，实现中文显示及上下移动和图片显示功能。

[关键词]单片机AT89C51液晶显示控制器KS0108

TheDesignofLCDDriverBasedonSCM

[Abstract]ThispapermainlystudiesthesinglechipmicrocomputerAT89C51tocontrolLCDdisplaysystem.Firstly,thepaperbrieflyintroducesthestructure,functionandcharacteristicsofsinglechipmicrocomputer,andeachisaccompaniedbyablockdiagramoftheMCUstructureexplained.Secondly,thethesisintroducesthedrivemode,structure,functionoftheLCD,andthestructureandfunctionoftheLCDcontrollerKS0108ismadeadetailedinstruction.Thirdly,thepaperfocusesonanalyzingthesoftwareimplementationschemeoftheliquidcrystaldisplaysystem.Thisdesignembodimentisacombinationofsoftwareandhardware,andisbasedonthesoftwaretousesinglechipmicrocomputerClanguageformodularstructureofsoftwaredesign.Thepreparationoftheeachfunctionmodulemakestheprogramdesignofthelogicalrelationshipissimple,toachieveChinesedisplayandmoveupanddownandphotodisplayfunction.

[KeyWords]Single-ChipMicrocomputerAT89C51Liquidcrystaldisplay

ControllerKS0108

引言

随着以计算机为轴心的各种各样信息处理装置的诞生，为适应这种新形势，信息家电，网络终端，广播-通信等用途的LCD市场也将迅速扩大。

而且如今LCD发展方向不仅在于大屏幕，而且在中小屏幕方面，例如汽车导航系统，摄像机，数字式照相机，便携式电视，PDA（个人数字助理），娱乐/游戏机，摄影机等有着进一步的发展。

液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其他显示器无法比拟的优点，近年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。

液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法相比的优点。

近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中

。

液晶显示器分为段式LCD、字符型LCD和点阵型LCD。

段式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线以及汉字、动画，并且可以实现屏幕滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。

点阵型液晶可显示用户自定义的任意符号和图形并可卷动显示它作为便携式单片机系统人机交互界面的重要组成部分被广泛应用于实时检测和显示的仪器仪表中。

支持汉字显示的点阵型液晶在现代单片机应用系统中是一种十分常用的显示设备，汉字BP机、手机上的显示屏就是点阵型LCD。

点阵型LCD是现代单片机应用系统中最常用的人机交互界面之一

。

本文主要研究内容及要解决的问题有：

（1）液晶显示器件原理及液晶控制器KS0108

（2）单片机工作原理以及端口功能

（3）选择合适的编程软件

（4）熟练运用软件编程并进行仿真

（5）实现液晶显示屏上中文显示及滚动和图片显示功能

第一章绪论

1.1人类生活与显示技术

人类生活离不开信息，正如控制论创始人N.维纳所说：

“要有效地生活，就要有足够的信息。

”人们生活在社会上，每时每刻都在与外部交流信息，人们随时随地都在通过眼、耳、鼻、舌、身从外部世界获得信息。

其中，视觉获得的信息大约占70％以上，其他如听觉、味觉、嗅觉、触觉加在一起不足30％。

可见，最大量的信息是通过眼睛获取的。

视觉信息不仅数量最大，而且最准确、最及时、也最可靠，人们常引用的成语：

“一目了然”就是这个意思。

又如，“百闻不如一见”也是说视觉信息的重要远胜于其他信息来源。

因此，长久以来，人们一直致力于将各种信息转变为视觉信息在传递给人们。

这种将各种信息转化为视觉信息的过程就称之为显示，这种转化技术就称之为显示技术

。

显示，最大的特点是光与电的结合，是光与近代科学成就的结合。

这种显示所追求的目标是清晰、准确、实时、直观、方便、节能、携带信息量大、传递速度快。

这种显示技术是21世纪植根于近代科学技术中发展起来的，是现代科学技术的一个重要组成部分。

更准确地说应该称为现代显示，是一种现代显示技术。

这种现代显示的一般基本过程是将各种电量、非电量（如声、光、热、力、数字、化学等）的信息源通过一定的处理器，进行处理后再由显示器进行显示，也可将这种现代显示技术称之为信息显示技术

。

随着科学技术的发展及社会的进步，人类所接触的信息量也在不断增加。

统计表明，信息量的增长平均每年在13％以上，今后更将以每年40％以上的速度增长。

人们把这种增长称之为“信息爆炸”。

面临着如此浩如烟海的大量信息，人们已经成功地使用了计算机来进行处理。

计算机可以将人们原来一生处理不完的信息在几秒钟内处理完毕。

但是要想将处理后的信息及时、准确的传递给人们，还必须通过显示技术来实现。

显示技术是现代社会人与信息间最可靠的桥梁。

不能想象一个没有现代显示技术的现代社会，将会成为什么状态。

在信息显示技术中，人们总是要对信息数字化。

数字化后的信息才能更准确，而且具有了同一性，才能被计算机识别、处理，才能准确清晰地传递给人们。

所以数字显示是信息显示的一个重要内容。

数字显示是应用面最广、使用量最大、开发器件种类最多的一种显示。

荧光显示器件（VFD）、辉光显示器件、等离子显示器件（PDP）、液晶显示器件（LCD）、半导体显示器件（LED）、电致发光显示器件（EL）、平板场发射显示器件、电泳显示器件、电致变色显示器件、有机电致发光器件（有机EL）、数字微镜显示（DM）等都是各具特色。

因此，用途广阔的数字显示器件，它们都已深深地扎根于人类的生活和国民经济的各个领域了。

可以确信，现代显示技术的发展必将为人类的进步、社会的发展带来不可估量的影响。

1.2液晶和液晶显

液晶是物质的一种特殊状态。

它从宏观上看，既具有液体的流动性，又具有晶体的物理和光学向异性。

从微观上观察，液晶的分子一般都是刚性的棒状分子，而且沿分子轴的不同方向会表现出不同的物理性质。

液晶的物理性质具有各向相异性，例如介电常数

、电导率

、粘滞系数

等均有异向行。

总之，液晶既不同于液体，又不是晶体，而是一种既有液体流动性又具有晶体各向异性的特殊物质态

。

正是由于存在着各向异性，所以在定温度区域内，呈液晶态时，分子之间的作用是使其分子呈现有序排列。

一般根据分子排列的不同，液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相。

目前，广泛用于显示器件上的液晶叫列相。

其分子呈长棒状，平时，是沿棒状长轴方向有序排列的，当它与固体表面接触时，会沿与固体表面状态最低自由能状态排列。

不过，随着科学技术的发展，胆甾相和近晶相也开始应用在最新的显示器件上了。

液晶是一种很有价值，应用广泛的物质形态。

显示器件是液晶发展应用最快的一个领域。

液晶由于稍微受外界环境影响分子排列就会改变，因而是一种具有很多奇异性能的功能材料。

此外，在生命、医疗领域液晶将更能发挥独特的作用，成为打开生命迷宫的一把钥匙。

液晶作为显示器件时，方式很多。

最常见的液晶显示器件（LCD）属于扭曲相列型（TN）。

此外，还有不用偏振片，具有存储效应的相变型（PC）;有电流效应的动态散射型（DS）；有加入染料的宾主彩色型（GH）;有彩色偏振片型（STN）；有可以作为液晶电视的有源矩阵型（TFT）;还有正在开发的后起之秀铁电型（FE）及MLC、LCOS等等

。

目前，应用在电子表、计算器及其它广泛应用在仪器、仪表上的液晶显示器件属于一种叫做扭曲向列型的显示器件。

它使将液晶夹在两片玻璃之间，并使其分子沿玻璃表面平行并在两片玻璃之间又连续扭转90°。

玻璃外面前后再配上正交偏振片。

这样，当显示部位施加上电压后，引起液晶分子排列状态的改变，调制了外界光，从而达到了显示的目的。

这种显示器件的最大特点

是：

1.微功耗，每个显示字符只有几个毫安。

是所有显示器件中功耗最小的。

2.低压驱动，一般扭曲向列型（TN）器件阀值电压仅1.5－2V，可以直接与大规模集成电路直接匹配。

3.平板形结构，尺寸可以很大，也可以很小。

显示的有效面积相对来说也是比较大的。

显示图案的自由度也相当大。

4.液晶显示器件属于被动型，不发光，靠调制外界光达到显示目的。

因此，在阳光下也能看的很清楚，既没有刺目感，也不会引起视觉疲劳，更没有射线辐射，伤害视力。

所以它是高信息量信息显示的理想器件。

5.液晶显示器件虽然所需材料都有特殊、较高的要求，但是其结构简单，而且工艺非常适应现代化规模生产。

所以其生产成本不高。

正因为它具有这些特点，所以在一切小型、便携、数字、智能化仪表中具有最大竞争力；在大信息量、彩色化、微型及巨型显示领域，液晶显示器件也具有很大的潜力。

1.3液晶显示器发展史

液晶显示技术最早于1968年问世，不过真正运用在产品上还是在1973年。

SHARP公司在其生产的小型计算器上首次采用了LCD，它所采用的是扭转向列型（TwistedNematic，TN）液晶显示技术，画面反应时间较慢，且输出的光线亮度不高，所以称为“被动式”。

这一类液晶显示器对动、静态影像的显示表现都不好。

而且可视角度小，拖影现象十分明显，因此仅被应用于计算机面板、电子表及电器零件显示器，及早期的低价位笔记本电脑等对图像显示质量要求不高的设备上

。

在其后的10年间，液晶显示器技术发展的十分缓慢，当1985年东芝公司推出全球第一台笔记本电脑时，液晶显示器立即与笔记本电脑融为一体，频繁地“抛头露面”。

但那时的液晶显示器色彩单一，亮度很低，用户所能看到是没有色度的黑白显示屏。

一年后，（STN）液晶显示器出现了，STN是“SuperTwistedNematic”的缩写，从字面上我们就可以知道“SuperTwistedNematic”是“TwistedNematic”的改进增强型。

STN的出现首次让LCD出现了色彩，STN主要应用于一些显示屏尺寸较大要求不高的产品中。

1989年，在东芝公司的努力下，第一台彩色的DSTN显示器正式应用在笔记本电脑中，这次革新让笔记本电脑用户所面对的黑白世界瞬间进入了真正的彩色世界。

DSTN是DualScanTortuosityNomograph的缩写，中文称之为“双重扫描被动式”，我们也把DSTN俗称“伪彩”。

尽管实现了彩色输出，DSTN显示器依然存在着许多令人无法忍受的局限性，由于视角狭小、图像品质较差、分辨率和彩色深度低等缺点，DSTN显示只能提供EGA（640×350）分辨率，显示出16种色彩。

1994年，东芝公司又推出了专为笔记本电脑设计的TFT液晶显示屏，并且迅速登上时代的舞台，成为当今IT业界的主流选择。

TFT（ThinFilmTransistor）液晶即薄膜场效应晶体管液晶，是有源矩阵类型液晶显示器（AM-LCD）中的一种，其具有更高的对比度、更丰富的色彩和更新频率更快等特性，俗称“真彩”。

相对于DSTN而言，TFT液晶的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件，其加工工艺类似于大规模集成电路。

由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。

这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应时间，同时在灰度控制上也可以做到非常精确，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。

近两年来，随着TFT制造技术的逐渐完善，产品成品率的提高，TFT的价格下降了许多，加上一些新技术的出现，使得TFT液晶显示器在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，进一步拉近了与传统CRT显示器的差距。

目前，液晶显示器的响应时间都在50ms以下，亮度在200cd/m2左右，可视度达到120°以上。

液晶显示（LIQUIDCRYSTALDISPLAY）由于众多优点而成为被人们广泛应用的一种显示材料，而它的种类又有很多。

1．常用液晶的种类：

液晶产品可根据产品结构特性、显示方式、特殊工艺等几个方面进行分类。

其中按结构特性分类是最基本的。

而TN、STN型液晶最为普通常见，应用也最为广泛。

近年来由于电脑液晶显示器的出现，使TFT型液晶显示屏成为液晶高端产品中的新星。

低端产品中TN型液晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件。

常见的手表、数字仪表、电子钟等都是TN型器件。

一般来讲，只要是笔段式的液晶显示器大都是采用TN型液晶显示材料。

STN型液晶显示器件在定义中被称为超扭曲向列液晶显示器件。

与TN型LCD显著不同之处在于，它的分子排列的扭曲角加大，使其具有更适合多路驱动的特性。

目前，几乎所有的点阵图形和大部分点阵字符液晶显示器件都是采用STN型液晶材料。

2．液晶种类

如图1.1所示：

图1.1液晶种类图表

Fig.1.1ThechartofLCDtype

不同种类液晶简单参数

如表1.1所示：

表1.1液晶简单参数

Table1.1LCDsimpleparameters

项目

TNLCD

HTNLCD

STNLCD

FTNLCD

名称

扭曲向列型

高扭曲向列型

超扭曲向列型

格式化扭曲向列型

液晶分子扭曲角度

90°

110°

210°~255°

210°~255°

对比度

可接受

好

良

优

占空比

静态~1/16

1/8~1/16

1/16~更高

1/64~更高

显示

正性

黑/白

黑/白

紫/黄绿蓝紫/灰

黑/白

负性

白/黑

白/黑

白/蓝

白/黑

价格

最低

中

中

高

应用举例

计数器，时钟等

计数器，时钟等

传呼机，记事本等

手提式电脑等

1.4本文的主要工作

本文的主要工作是：

（1）掌握液晶显示器件原理及液晶控制器LS0108。

（2）深入熟悉单片机工作原理以及端口用法。

（3）熟练运用Proteus及Keil软件编程方法。

（4）实现液晶显示屏上中文显示及滚动和图片显示功能。

第二章液晶显示系统原理

2.1AT89C51单片机功能原理

2.1.1AT89系列单片机的特点

（1）89系列单片机的优点

89系列单片机对于一般用户来说，存在下列很明显的优点：

1.Flash存储器

因此在系统的开发过程中可以十分容易进行程序的修改，这就大大缩短了系统的开发周期。

同时，在系统的工作过程中，能有效的保存一些数据信息，即使外界电源损坏也不影响到信息的保存。

2.和8051插座兼容

89系列单片机的引脚是和80C51一样的，所以，当用89系列单片机取代80C51时，可以直接去代换。

这时不管用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的89系列单片机取代80C51的单片机即可。

3.静态时钟方式

89系列单片机采用静态时钟方式，所以可以节省电能，这对于降低便携式产品的功耗十分有用。

4.可进行反复系统试验

用89系列单片机设计的系统，可以进行反复的系统试验；每次可以编入不同的程序，这样可以保证用户的设计达到最优化。

而且随用户的需要和发展，还可以进行修改，使系统不断追随用户的最新要求。

（2）89系列单片机的内部结构

89系列单片机的内部结构和80C51相近，它主要包含以下一些部件：

a）.CPU；b）.振荡电路；

c）.总线控制部件；d）.中断控制部件；

e）.片内Flash存储器；f）.片内RAM；

g）.并行I/O接口；h）.定时器；

i）.串行I/O接口

2.1.2AT89C51单片机介绍

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容

。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

（1）AT89C51的内部结构：

AT89C51单片机由中央处理器（CPU），程序存储器（ROM），数据存储器（RAM），定时器/计数器，并行I/O接口，串行I/O接口和中断系统等组成

。

图2.1AT89C51内部结构图

Fig.2.1TheinternalstructureofAT89C51

（2）AT89C51单片机的特性

：

AT89C51单片机具有与MCS-51兼容的特性，4k字节FLASH闪速存储器，1000写/擦循环的寿命，10年的数据保留时间，128×8位内部RAM，32可编程I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，0Hz-24MHz的全静态工作，三级程序存储器锁定，低功耗的闲置和掉电模式，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。

空闲方式体制CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。

（3）AT89C51单片机的引脚

：

AT89C51单片机有40个引脚，共分为电源线，端口线和控制线三类。

图2.2AT89C51单片机的引脚图

Fig.2.2AT89C51Microcontroller

引脚说明

VCC:

供电电压

GND:

接地

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接受。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST:

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG:

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN:

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP:

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（4）振荡器特性

：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

（5）芯片擦除

：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操