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基于单片机的液晶显示和键盘实现
基于单片机的液晶显示与键盘实现
摘要
微电子技术的发展和工业测量的需求,使便携式设备有着很好的发展前景。
便携式设备体积小,单电源供电,多种电压输出的特点,使其模块的设计有其特殊性。
通过对便携式仪表典型硬件结构的分析,总结了各功能模块的需求,提出了便携式仪表处理的一般方法。
大部分的数字便携式设备是基于单片机系统开发的,在单片机系统中,除了需要特定的功能算法和传感器等器件外,还需要输入,输出装置,在便携式设备中,输入装置一般是键盘,而输出装置一般是液晶显示模块。
主要完成工作有实现按键内容的液晶显示,实现按键功能的液晶显示,实现便携式设备的结果输出。
新一代的便携式设备将是一个开放的系统概念,它不再是功能单一的和固定的结构。
尽管我们不知道未来便携式设备将最终发展到何种程度,但我们很清楚,随着计算机网络技术,通讯技术的进步及应用的不断拓展,便携式设备正在向智能化,组合化,网络化的方向发展,适应性越来越强,功能也越来越丰富。
新一代便携式设备将在各行各业中得到越来越广泛的应用。
关键词:
单片机;便携式设备;液晶显示;键盘
LCDandkeyboarddevelopmentbasedonsinglechip
Abstract
Forthedevelopmentofmicroelectronicstechnologyandthedemandoftheindustrialmeasurements,portableinstrumentshaveabrightfuture.Portableinstrumentsaresmallinsize,butflexibleinuse.Itsdesignisquitedifferentfromotherequipment,accordingtheirspecialrequirementsofsinglevoltageinputandmultivoltageoutput.Byanalyzingthetypicalhardwarestructureandthedifferentrequirementsofdifferentmodules,ageneralmethodisgiventosolvesuchproblems.
Mostofdigitalportableinstrumentsaredevelopedbyusingsinglechips.InMCU,inadditiontoneedingparticularalgorithmandsensors,inputandoutputarealsonecessary.Generally,weuseakeyboardastheinputdevice,andLCDastheoutputdevice.ThemaincompletionworkcontainsLCDmanifestationofcarryingoutthekeyboardcontents,carryingouttheLCDmanifestationofkeyboardfunction,andcarryingouttheresultexportationoftheappearance.
Thenewgenerationofportableinstrumentswillbeopensystems.Itismorethanasystemwithsinglefunctionandfixedconstruction.Thoughwedon'tknowhowintenttheportableinstrumentswilldevelopinthefuture,weknowclearlythattheportableinstrumentsarebecomingmoreintelligentandstronger,withthedevelopmentofcomputernetworkandcommunicationtechnology,whichmakesthenewportableinstrumentsgetmoreandmoreapplicationineveryfield.
Keywords:
SingleChipMicyoco;PortableInstruments;LCDmanifestation;Keyboard
插图清单
表格清单
引言
在20世纪最值得人们称道的成就中,就有集成电路和电子计算机的发展。
20世纪70年代出现的微型计算机,在科学技术界引起了影响深远的变革。
在20世纪70年代中期,微型计算机家族中又分支出一个小小的派系——单片机。
随着4位单片机的出现,又出现了8位单片机。
MCS48系列,特别是MCS51系列单片机的出现,确立了单片机作为微控制器(MCU)的地位,引起了微型计算机领域新的变革。
在当今世界上,微处理器(MPU)和微控制器(MCU)形成了各具特色的两个分支。
它们互相区别,但又互相融合,互相促进。
与微处理器(MPU)以运算性能和速度为特征的飞速发展不同,微控制器(MCU)则是以其控制功能的不断完善为发展标志[1]。
在品种众多的单片机中,MCS5l系列单片机以其结构的系统完整、特殊功能寄存器的规范化以及指令系统的控制功能等特色,成为单片机中的主流机型。
随着集成技术的发展,80C51系列单片机完全继承并发展了MCS51系列的技术特色。
在微电子技术基础上发展起来的单片机及其外围器件,使仪表技术进入了一个崭新的智能化时代。
此外,半导体工艺的发展使器件普遍地采用CMOS技术,CMOS器件不仅器件的体积越来越小,也为实现低电压、低功耗和功耗管理提供了良好的条件,使便携式仪表的普及成为可能[2]。
本次的毕业设计是基于单片机的知识作便携式设备的液晶显示与键盘输入,便携式设备有着广泛的用途,如远程监控,无损检测等,目前大部分的数字便携式设备是基于单片机系统开发的,在单片机系统中,除了需要特定的功能算法和传感器等器件外,还需要输入,输出装置,在便携式仪表中,输入装置一般是键盘,而输出装置一般是液晶显示模块。
主要完成以下内容实现按键内容的液晶显示,实现按键功能的液晶显示[14],实现便携式设备的结果输出。
随着时代的发展,科技的日新月异,便携式设备将得到更大的普及,在生产生活中发挥更加广泛的作用。
第1章绪论
随着近代超大规模集成电路的出现,微处理器及其外围芯片有了迅速的发展。
集成技术的最新进展之一是将CPU和外围芯片,如程序存储器、数据存储器、并行、串行、I/时/计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中,制成单片计算机。
而近年来推出的一些高档单片机还包含有许多特殊功能单元,如 A/D转换器、调制解调器、通信控制器、锁相环、DMA、浮点运算单元等。
因此,只要外加一些扩展电路及必要的通道接口就可以构成各种计算机应用系统,如工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪表、智能接口、功能模块等[3]。
8位单片机,特别是高档8位单片机出现是计算机工程应用史上的一个里程碑,这是因为:
(1)开始结束了计算机专业人员垄断计算机工程应用的时代。
计算机在工程中的应用技术开始为非计算机专业的广大工程技术人员敞开大门。
计算机软、硬件技术的发展使技术人员掌握计算机应用系统设计、组装、调试等变得十分容易。
计算机应用系统有可能成为非计算机专业人员用来实现一些控制功能的常规性工具。
(2)单片机系统的开发、应用会成为计算机工程应用的一个重要领域,特别是工业测控系统不再是通用计算机系统和通用微处理器系统的一统天下。
单片机的结构,外围器件的配套以及如何更好地满足工程领域、高技术领域形形色色的功能要求,会逐渐形成计算机芯片技术发展的一个重要方面。
随着单片机结构的发展与完整,单片机应用系统会向更高层次和更大规模发展。
(3)单片机已成为高科技领域中的有力工具。
目前中、高档单片机,兆位、32位单片机,以及一些专用单片机(如数字信息处理、通信控制等)已开始在工业测控系统,机器视觉系统,行走系统,分布式测控系统,快速多机实时处理系统和图像信息系统中成为不可缺少的重要组成部分。
单片机的出现,并在各个技术领域中得到如此迅猛的发展,与单片机构成计算机应用系统所形成的下述特点有关[4]:
(1)单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
这些可靠性的获得除了依靠单片机芯片本身的高可靠性以及应用系统有最少的联接外,还可以方便地采用软、硬件冗余技术。
(2)系统扩展、系统配置较典型、规范,容易构成各种规模的应用系统,应用系统有较高的软、硬件利用系数。
(3)由于构成的应用系统是一个计算机系统,相当多的测、控功能由软件实现,故具有柔性特征,不须改变硬件系统就能适当地改变系统功能。
(4)有优异的性能、价格比。
本次的毕业设计是基于单片机的知识作便携式设备的液晶显示与键盘输入,便携式设备有着广泛的用途,如远程监控,无损检测等,目前大部分的数字便携式设备是基于单片机系统开发的,在单片机系统中,除了需要特定的功能算法和传感器等器件外,还需要输入,输出装置,在便携式仪表中,输入装置一般是键盘,而输出装置一般是液晶显示模块。
在本次的毕业设计中要求[7]
(1)实现按键内容的液晶显示
(2)实现按键功能的液晶显示
(3)实现便携式设备的结果输出
随着技术的发展,单片机在目前的发展形势下,表现出几大趋势:
可靠性越来越高,与互联网的连接也是一种明显的趋势。
NS(美国国家半导体)公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中,也就是说,单片机的意义只是在于单片集成电路,而不在于其功能了;如果从功能上讲它可以讲是万用机。
原因是其内部已集成上各种应用电路,功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。
便携式设备是电子新兴行业的一个发展趋势,它的硬件可以看作是一个完整的单片机系统,包括了多种形式的输入输出,整个系统的管理是一个重要的问题,在设计具体的模块时要注意如下几个方面:
——为降低系统功耗,减小仪表体积,应尽可能地选用CMOS器件;
——根据容许的空间和需求的容量合理地选择电池,从互换性角度考虑应尽量选用普通电池作为电源;
——选用合适的电源稳压变换器件,在满足电源需求的前提下,使电源模块的外围电路简单,减小占用空间[14];
——当要实现多电压输出时,既可以直接选用具备相应功能的电源稳压变换器件,也可以充分利用电路中已有器件的辅助电压输出,达到简化外围电路的目的。
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高,单片机还会不断产生新的变化和进步,最终人们可能发现:
单片机与微机系统之间的距离越来越小,甚至难以辨认。
单片机的发展日新月异,鉴于本人水平有限,加之时间仓促,因此此次的毕业设计论文缺点在所难免,敬请各位老师同学批评指正。
、
第2章单片机概述
单片微型计算机(以下简称单片机)是微型计算机发展中的一个重要分支,其发展十分迅速。
单片机由于具有高可靠性,集成度高,价格低廉和容易产品化的特点,因此在智能仪器仪表工业实时控制、智能终端、通信设备、医疗器械、汽车电器和家用电器领域得到了广泛的应用。
2.1什么是单片机
单片机又称单片微型计算机,它把一个计算机系统集成到一块芯片上,其主要包括微处理器(CPU),存储器(随机访问存储器RAM)和各种输入\输出接口包括定时器/计数器、并行I/O接口、串行口、A/D转换器以及脉冲宽度调制。
相对于微型计算机,单片机扩展了各种功能,如A/D,PWM计算器的捕获/比较逻辑/高速I/O口,WDT等,突破了微型计算机的传统内容,所以更准确地反映其本质的称呼应该是微控制器(microcontroller)[16]。
单片机主要用于嵌入式应用,故又被称为嵌入式微控制器(MCUMicroControllerUnit),国际上常把单片机称为微控制器,而国内则比较习惯称为“单片机”。
2.2单片机的特点
(1)集成度高
单片机把CPU,RAM,ROM,I/O接口以及定时器/计数器都集成在一个芯片上,和常规的计算机系统相比,它具有体积小,集成度高的特点。
(2)存储量大
采用16位地址总线的8位单片机可寻址外部64KB数据存储器和64KB程序存储器。
此外,大部分单片机还有片上RAM(一般为128~256B)和内部ROM(一般为2~4KB),在大多数情况下,内部存储器就已经足够了,从而减少了器件的使用数量,降低了成本。
(3)性能高,速度快
为了提高速度和执行效率,单片机使用RISC体系结构,并行流水线操作和DSP等设计技术,指令运行速度大幅提高。
(4)抗干扰性强
单片机的各种功能都集成在一个芯片上,特别是存储器也集成在芯片内部,因此单片机布线短,大都在芯片内部传送数据,因此不易受到外部的干扰,增强了抗干扰能力,系统运行更加可靠。
(5)指令丰富
单片机一般都有传送指令,逻辑运算指令,转移指令相加,减运算指令,位操作指令。
2.3单片机的应用
(1)家用电器领域
洗衣机、电冰箱、空调、微波炉、电饭煲、电视机、录像机及其他视频音像设备的控制器中已普遍采用单片机扩展电路取代传统的控制电路。
(2)办公自动化领域
一台PC可以嵌入10个单片机系统,如键盘、鼠标、显示器、CD-ROM、声卡、打印机、软/硬盘驱动器和调制解调器等。
(3)工业自动化领域的应用
在工业自动化领域,如工业过程控制、过程检测、工业控制器及机电一体化控制系统等,单片机系统主要用来实现信号的检测,数据的采集以及应用对象的控制。
这些系统除一些小型工控机外,许多都是以单片机为核心的单机或多机网络系统。
(4)智能仪器仪表与智能传感器领域
目前各种变送器,电器测量仪表普遍采用单片机应用系统代替传统的测量系统,使测量系统具有各种智能化功能,如存储,数据处理,查找,判断,联网和语音功能等。
(5)汽车电子与航空航天电子系统
通常在这些电子系统中集中显示系统,动力检测控制系统,自动驾驶系统,通信系统以及运行监视器(黑匣子)等,都要构成冗余的网络系统。
2.4单片机的历史
1971年微处理器的研制成功后不久,就出现了单片机。
单片机根据其操作处理的位数可以分为:
1位单片机,4位单片机,8位单片机,16位单片机,32位单片机[8]。
最早的单片机是一位的,其发展历史基本上可以分为以下4个阶段
(1)单片机的初级阶段(1974~1976)
因工艺限制,早期的单片机普遍采用双片的形式,功能比较简单。
例如仙童公司生产的F8单片机,实际上只包含8位CPU,64BRAM和2个并行口。
因此还需加一块3851(由1KBROM,定时器/计数器和2个并行I/O构成)才能组成一台完整的计算机。
(2)低性能单片机阶段(1976~1978年)
此阶段的代表为Intel公司制造的MCS~48单片机,这种单片机内集成了8位CPU,并行I/O口,8位定时器/计数器和RAM,ROM等,其不足之处是无串行口,中断处理比较简单,片内RAM和ROM容量较小,且寻址范围不大于4KB。
(3)高性能单片机阶段(1978~现在)
此阶段推出的单片机普遍带有串行口,多极中断系统,16位定时器/计数器。
片内POM,RAM容量加大,且寻址范围可打64KB,有的片内还有A/D转换器,这类单片机的典型代表是:
Intel公司的MCS~51系列,Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等,这类单片机的性价比高,仍被广泛应用,是目前应用比较广泛的单片机。
(4)8位单片机巩固发展以及16位,32位单片机推出(阶段1982~现在)
此阶段的主要特征是,一方面发展16位单片机,32位单片机以及专用型单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,以满足不同的用户需求,16位单片机的典型产品如Intel公司生产的MCS~96系列单片机,其集成度已达120000管子片/片,主频12MHz,片内RAM为232B,ROM为8KB,中断处理为8级,而且片内带有多通道10位A/D转换器和高速输入/输出部件(HIS/HSO).实时处理能力很强。
32位单片机除了具有更高的集成度外,其主频可达20MHz,数据处理速度比16位单片机快了许多,性能比8位,16位单片机更加优越。
2.58位单片机的主要生产厂家和机型
自20世纪80年代以来,单片机产品如雨后春笋般大量涌现,GI公司,Rochwe公司,Intel公司,Zilog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。
据统计,现在市场上的单片机产品有50多个系列,数百个品种。
目前世界上较为著名的8位单片机的生产厂家和主要机型如下
美国Intel公司:
MCS-51系列及其增强型系列
美国Motorola公司:
6801系列和6805系列
美国Atmel公司:
89C51系列
美国Zilog公司:
Z8系列及SUPER8
美国Fairchild公司:
F8系列和3870系列
美国Rochwe公司:
6500/1系列
美国TI(德克萨司仪器仪表)公司:
TMS7000系列
NS(美国国家半导体)公司:
NS8070系列
美国RCA(无线电):
CDP1800系列
日本松下(National):
MN6800系列
日本NEC(电气)公司:
(COM87((PD7800))系列
日本HITACHI(日立):
HD6301/HD63L05/HD6305
荷兰PHILIPS(菲利浦)公司:
8*C552系列
虽然单片机的品种很多,但在我国使用最多的还是Intel公司的MCS-51系列单片机,MCS-51系列单片机是在MCS-48系列的基础上于20世纪80年代初发展起来的,虽然它仍然是8位单片机,但它品种齐全,兼容性强,性能价格比高,且软硬件应用设计资料丰富,已为广大工程技术人员所熟悉,因此在我国得到了广泛的应用。
2.6单片机的最新发展
为了满足不同的用户要求,提高单片机的技术性能,各公司竞相推出能满足不同需要的产品。
其改进主要体现在以下几个方面[9]
(1)CPU的改进
①采用双CPU结构,以提高处理能力。
②增加数据总线宽度,单片机内部采用16位数据总线,其数据处理能力明显优于一般8位单片机。
③采用流水线结构。
指令以队列形式出现在CPU中,且具有很快的运算速度。
尤其适合于做数字信号处理用,例如TMS320系列数字信号处理机。
④串行总线结构,菲利浦公司开发了一种新型总线-IIC总线(Intel-ICbus).该总线是用3条数据线代替现行的8位数据总线,从而大大减少了单片机引线,降低了单片机的成本,目前许多公司都在积极的开发此类产品。
(2)存储器的改进
①增加存储容量:
新型单片机片内ROM一般可达4K~8KB,RAM为256B。
有的单片机内ROM可达128KB。
②闪速(Flash)存储器:
片内EPROM由于需要高压编程写入,紫外线擦抹给用户带来不便,闪速存储器能在+5V电压下读写,不需紫外线擦抹,既具有静态RAM读写操作的简便,又具有在掉点是数据不会丢失的优点。
由于闪速存储器中数据写入后能永久保持,因此,有的单片机将它们作为片内RAM使用,甚至有的单片机将闪速存储器用做片内通用寄存器。
③程序保密化:
一般EPROM中的程序很容易被复制。
为防止复制,某些公司开始采用KEPROM(Key_WXedacessEPROM)编程写入,有的则对片内EPROM或EEPROM加锁。
加锁后,用户无法读取其中的程序。
若要去读,必须抹去EEPROM中的信息,这就达到了程序保密的目的。
(3)片内I/O的改进
单片机有较多的并行口,以满足外围设备,芯片扩展的需要。
单片机配有串行口,以满足多机通信的要求。
①增加并行口的驱动能力。
这样可减少外部驱动芯片。
有的单片机能直接输出大电流和高电压,以便能直接驱动LED和VFD(荧光显示器)
②增加I/O口的逻辑控制功能.大部分单片机的I/O口都能进行逻辑运算。
高档单片机的位处理系统能够对I/O口进行位寻址及位操作,大大加强了I/O口线的灵活性
③有些单片机设置了一些特殊的串型接口功能,为构成网络化系统提供了方便条件
(4)外围电路内装化
早期的单片机采用PMOS工艺,接着由PMOS发展到NMOS工艺。
目前高档单片机已基本采用了具有高性能的HMOS和CMOS工艺,随着半导体技术的发展,单片机的集成度不断提高,把众多的外围功能器件都集成在片内,除了一般必须具有ROM,RAM,定时器/计数器和中断系统外,为了适应检测,控制等更高的要求,有些单片机还集成有A/D转换器,D/A转换器,DMA控制器,中断控制器,锁相环,频率合成器,字符发生器,声音发生器,CRT控制器和译码驱动器等。
随着集成电路技术及工艺的不断发展,装入片内的外围电路也可以大规模生产。
把所需的外围电路全部装入单片机内,使系统单片化是目前单片机发展的趋势之一。
(5)低功耗和供电范围加宽
8位单片机中有一半的产品已CMOS化。
CMOS芯片的单片机本身具有功耗小的优点,而且为了充分发挥低功耗的特点,这类单片机普遍配置有Wait和Stop两种工作方式,例如:
采用CHMOS工艺的MCS-51系列单片机80C51BH/80C31BH/87C51在正常运行(5V,12MHz)时,工作电流为16mA,同样条件下在Wait方式工作时,工作电流则为3.7mA,而在Stop方式(2V)工作时,工作电流仅为50µa。
对于NMOS工艺的单片机工作电源,一般为4.5~5.5V采用CMOS工艺的单片机,工作电压范围至3~6V。
随着科技的发展,单片机将向多功能,高性能,高速度,低电压,低功耗,低价格,外围电路内装化以及片内存储器增加和Flash存储器方向发展。
但其位数不一定会继续增加,尽管现在已经有32位单片机,但使用得并不多。
此外,专用化也是单片机的一个发展方向,针对单一用途的专用单片机将会越来越多。
2.7MCS-51系列单片机
MCS是Intel公司的注册商标,凡在Intel公司生产的以8051为核心单元的其他派生单片机都可以称为MCS-51系列,有时简称为51系列,MCS-51系列单片机包括3个基本型8031,8051,8751和对应耗型80C31,80C51,87C51[10]。
20世纪80年代中期以后,Intel公司以专利转让的形式把8051内核心技术转让给许多半导体芯片生产厂家,如ATMEL,PHILIPS,ANALOGDEVICES,DALLAS等。
这些厂家生产的芯片是MCS-51系列的兼容产品,准确的说是与MCS-51指令系统兼容的单片机。
这些兼容机与8051的系统结构(主要是指令系统)相同,采用CMOS工艺,因而,常用80C51系列来称呼所有具有8051指令系统的单片机,但是,这些公司生产的以8051为核心的其他派生单片机却不能称为MCS-51系列,只能称为8051系列。
也就是说,MCS-51系列是专指Intel公司生产的以8051为核心单元的单片机,而8051系列泛指所有公司(也包括Intel公司)生产的以8051为核心单元的所有单片机。
MCS-51系列及80C51单片机有多种品种。
它们的引脚及指令系统相互兼容,主要在内部结构上有些区别,目前使用的MCS-51系列单片机及兼容产品通常分为以下几类[11]:
(1)基本型(典型产品:
8031/8051/8751)
80
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