單片機顯示原理
▌一．接口
LCD1602是很多單片機愛好者較早接觸的字符型液晶顯示器，它的主控芯片是HD44780或者其它兼容芯片。與此相仿的是LCD12864液晶顯示器，它是一種圖形點陣顯示器，能顯示的內容比LCD1602要豐富得多，除了普通字符外，還可以顯示點陣圖案，帶有漢字庫的還可以顯示漢字，它的并行驅動方式與LCD1602相差無幾，所以，在這里花點時間是值得的。
一般來說，LCD1602有16條引腳，據說還有14條引腳的，與16腳的相比缺少了背光電源A(15腳)和地線K(16腳)。這塊LCD1602的型號是HJ1602A，是繪晶科技公司的產品，它有16條引腳。如圖1所示：
圖1
再來一張它的背面的，如圖2所示：
圖2
它的16條引腳定義如下：
引腳號 | 符號 | 引腳說明 | 引腳號 | 符號 | 引腳說明 |
1 | VSS | 電源地 | 9 | D2 | 數據端口 |
2 | VDD | 電源正極 | 10 | D3 | 數據端口 |
3 | VO | 偏壓信號 | 11 | D4 | 數據端口 |
4 | RS | 命令/數據 | 12 | D5 | 數據端口 |
5 | RW | 讀/寫 | 13 | D6 | 數據端口 |
6 | E | 使能 | 14 | D7 | 數據端口 |
7 | D0 | 數據端口 | 15 | A | 背光正極 |
8 | D1 | 數據端口 | 16 | K | 背光負極 |
對這個表的說明：
1. VSS接電源地。
2. VDD接+5V。
3. VO是液晶顯示的偏壓信號，可接10K的3296精密電位器?；蛲瑯幼柚档腞M065/RM063藍白可調電阻。見圖3。
圖3
4. RS是命令/數據選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RS為低電平時，選擇命令；當RS為高電平時，選擇數據。
5. RW是讀/寫選擇引腳，接單片機的一個I/O，當RW為低電平時，向LCD1602寫入命令或數據；當RW為高電平時，從LCD1602讀取狀態(tài)或數據。如果不需要進行讀取操作，可以直接將其接VSS。
6. E，執(zhí)行命令的使能引腳，接單片機的一個I/O。
7. D0—D7，并行數據輸入/輸出引腳，可接單片機的P0—P3任意的8個I/O口。如果接P0口，P0口應該接4.7K—10K的上拉電阻。如果是4線并行驅動，只須接4個I/O口。
8. A背光正極，可接一個10—47歐的限流電阻到VDD。
9. K背光負極，接VSS。見圖4所示。
圖4
▌二．基本操作
LCD1602的基本操作分為四種：
1. 讀狀態(tài)：輸入RS=0，RW=1，E=高脈沖。輸出：D0—D7為狀態(tài)字。
2. 讀數據：輸入RS=1，RW=1，E=高脈沖。輸出：D0—D7為數據。
3. 寫命令：輸入RS=0，RW=0，E=高脈沖。輸出：無。
4. 寫數據：輸入RS=1，RW=0，E=高脈沖。輸出：無。
讀操作時序圖(如圖5)：
圖5
寫操作時序圖(如圖6)：
圖6
時序時間參數(如圖7)：
圖7
▌三．DDRAM、CGROM和CGRAM
DDRAM(Display Data RAM)就是顯示數據RAM，用來寄存待顯示的字符代碼。共80個字節(jié)，其地址和屏幕的對應關系如下(如圖8)：
圖8
DDRAM相當于計算機的顯存，我們?yōu)榱嗽谄聊簧巷@示字符，就把字符代碼送入顯存，這樣該字符就可以顯示在屏幕上了。同樣LCD1602共有80個字節(jié)的顯存，即DDRAM。但LCD1602的顯示屏幕只有16×2大小，因此，并不是所有寫入DDRAM的字符代碼都能在屏幕上顯示出來，只有寫在上圖所示范圍內的字符才可以顯示出來，寫在范圍外的字符不能顯示出來。這樣，我們在程序中可以利用下面的“光標或顯示移動指令”使字符慢慢移動到可見的顯示范圍內，看到字符的移動效果。
前面說了，為了在液晶屏幕上顯示字符，就把字符代碼送入DDRAM。例如，如果想在屏幕左上角顯示字符‘A’，那么就把字符‘A’的字符代碼41H寫入DDRAM的00H地址處即可。至于怎么寫入，后面會有說明。那么為什么把字符代碼寫入DDRAM，就可以在相應位置顯示這個代碼的字符呢？我們知道，LCD1602是一種字符點陣顯示器，為了顯示一種字符的字形，必須要有這個字符的字模數據，什么叫字符的字模數據，看看下面的這個圖就明白了(如圖9)。
圖9
上圖的左邊就是字符‘A’的字模數據，右邊就是將左邊數據用“○”代表0，用“■”代表1。從而顯示出‘A’這個字形。從下面的圖可以看出，字符‘A’的高4位是0100，低4位是0001，合在一起就是01000001b，即41H。它恰好與該字符的ASCII碼一致，這樣就給了我們很大的方便，我們可以在PC上使用P2=‘A’這樣的語法。編譯后，正好是這個字符的字符代碼。
在LCD1602模塊上固化了字模存儲器，就是CGROM和CGRAM，HD44780內置了192個常用字符的字模，存于字符產生器CGROM(Character Generator ROM)中，另外還有8個允許用戶自定義的字符產生RAM，稱為CGRAM(Character Generator RAM)。下圖(如圖12)說明了CGROM和CGRAM與字符的對應關系。從ROM和RAM的名字我們也可以知道，ROM是早已固化在LCD1602模塊中的，只能讀??；而RAM是可讀寫的。也就是說，如果只需要在屏幕上顯示已存在于CGROM中的字符，那么只須在DDRAM中寫入它的字符代碼就可以了；但如果要顯示CGROM中沒有的字符，比如攝氏溫標的符號，那么就只有先在CGRAM中定義，然后再在DDRAM中寫入這個自定義字符的字符代碼即可。和CGROM中固化的字符不同，CGRAM中本身沒有字符，所以要在DDRAM中寫入某個CGROM不存在的字符，必須在CGRAM中先定義后使用。程序退出后CGRAM中定義的字符也不復存在，下次使用時，必須重新定義。
圖10
上面這個圖(如圖10)說明的是5×8點陣和5×10點陣字符的字形和光標的位置。先來說5×8點陣，它有8行5列。那么定義這樣一個字符需要8個字節(jié)，每個字節(jié)的前3個位沒有被使用。例如，定義攝氏溫標的符號{0x10,0x06,0x09,0x08,0x08,0x09,0x06,0x00}。
圖11
上面這個圖(如圖11)說明的是設置CGRAM地址指令。從這個指令的格式中我們可以看出，它共有aaaaaa這6位，一共可以表示64個地址，即64個字節(jié)。一個5×8點陣字符共占用8個字節(jié)，那么這64個字節(jié)一共可以自定義8個字符。也就是說，上面這個圖的6位地址中的DB5DB4DB3用來表示8個自定義的字符，DB2DB1DB0用來表示每個字符的8個字節(jié)。這DB5DB4DB3所表示的8個自定義字符(0--7)就是要寫入DDRAM中的字符代碼。我們知道，在CGRAM中只能定義8個自定義字符，也就是只有0—7這8個字符代碼，但在下面的這個表(如圖12)中一共有16個字符代碼(××××0000b--××××1111b)。實際上，如圖所示，它只能表示8個自定義字符 (××××0000b=××××1000b, ××××0001b=××××1001b……依次類推)。也就是說，寫入DDRAM中的字符代碼0和字符代碼8是同一個自定義字符。5×10點陣每個字符共占用16個字節(jié)的空間，所以CGRAM中只能定義4個這樣的自定義字符。
那么如何在CGRAM中自定義字符呢？在上面的介紹中，我們知道有一個設置CGRAM地址指令，同寫DDRAM指令相似，只須設置好某個自定義字符的字模數據，然后按照上面介紹的方法，設置好CGRAM地址，依次寫入這個字模數據即可。我們在后面的例子中再進行說明。
圖12
▌四．LCD1602指令
1．工作方式設置指令(如圖13)
圖13
×：不關心，也就是說這個位是0或1都可以，一般取0。
DL：設置數據接口位數。
DL=1：8位數據接口(D7—D0)。
DL=0：4位數據接口(D7—D4)。
N=0：一行顯示。
N=1：兩行顯示。
F=0：5×8點陣字符。
F=1：5×10點陣字符。
說明：因為是寫指令字，所以RS和RW都是0。LCD1602只能用并行方式驅動，不能用串行方式驅動。而并行方式又可以選擇8位數據接口或4位數據接口。這里我們選擇8位數據接口(D7—D0)。我們的設置是8位數據接口，兩行顯示，5×8點陣，即0b00111000也就是0x38。(注意：NF是10或11的效果是一樣的，都是兩行5×8點陣。因為它不能以兩行5×10點陣方式進行顯示，換句話說，這里用0x38或0x3c是一樣的)。
2．顯示開關控制指令(如圖14)
圖14
D=1：顯示開，D=0：顯示關。
C=1：光標顯示，C=0：光標不顯示。
B=1：光標閃爍，B=0：光標不閃爍。
說明：這里的設置是顯示開，不顯示光標，光標不閃爍，設置字為0x0c。
3．進入模式設置指令(如圖15、16)
圖15
I/D=1：寫入新數據后光標右移。
I/D=0：寫入新數據后光標左移。
S=1：顯示移動。
S=0：顯示不移動。
圖16
說明：這里的設置是0x06。
4．光標或顯示移動指令(如圖17、18)
圖17
圖18
說明：在需要進行整屏移動時，這個指令非常有用，可以實現屏幕的滾動顯示效果。初始化時不使用這個指令。
5．清屏指令(如圖19)
圖19
說明：清除屏幕顯示內容。光標返回屏幕左上角。執(zhí)行這個指令時需要一定時間。
6．光標歸位指令(如圖20)
圖20
說明：光標返回屏幕左上角，它不改變屏幕顯示內容。
7．設置CGRAM地址指令(如圖21)
圖21
說明：這個指令在上面已經介紹過。用法在后面例子中說明。
8．設置DDRAM地址指令(如圖22)
圖22
說明：這個指令用于設置DDRAM地址。在對DDRAM進行讀寫之前，首先要設置DDRAM地址，然后才能進行讀寫。前面我們說過，DDRAM就是LCD1602的顯示存儲器。我們要在它上面進行顯示，就要把要顯示的字符寫入DDRAM。同樣，我們想知道DDRAM某個地址上有什么字符，也要先設置DDRAM地址，然后將它讀出到單片機。
9．讀忙信號和地址計數器AC(如圖23)
圖23
說明：這個指令用來讀取LCD1602狀態(tài)。對于單片機來說，LCD1602屬于慢速設備。當單片機向其發(fā)送一個指令后，它將去執(zhí)行這個指令。這時如果單片機再次發(fā)送下一條指令，由于LCD1602速度較慢，前一條指令還未執(zhí)行完畢，它將不接受這新的指令，導致新的指令丟失。因此這條讀忙指令可以用來判斷LCD1602是否忙，能否接收單片機發(fā)來的指令。當BF=1，表示LCD1602正忙，不能接受單片機的指令；當BF=0，表示LCD1602空閑，可以接收單片機的指令。RS=0，表示是指令；RW=1，表示是讀取。這條指令還有一個副產品：即可以得到地址記數器AC的值(address counter)。LCD1602維護了一個地址計數器AC，用來記錄下一次讀寫CGRAM或DDRAM的位置。需要強調的是：這條指令我一次也沒有執(zhí)行成功。很多網友似乎也是這樣。好在我們有另外的辦法，也就是延時。通過查看每條指令的執(zhí)行時間，再經過一些試驗，可以確定指令的延時。這樣就可以在上一條指令執(zhí)行完畢后再執(zhí)行下一條指令了。
10．寫數據到CGRAM或DDRAM指令(如圖24)
圖24
說明：RS=1，數據；RW=0，寫。指令執(zhí)行時，要在DB7—DB0上先設置好要寫入的數據，然后執(zhí)行寫命令。
11．從CGRAM或DDRAM讀數據指令(如圖25)
圖25
說明：RS=1，數據；RW=1，讀。先設置好CGRAM或DDRAM的地址，然后執(zhí)行讀取命令。數據就被讀入后DB7—DB0。
▌五．實例
下面我們就以一個實例來結束這篇文章。先介紹一下背景：單片機最小系統(tǒng)(擴充了外部RAM 62256)。采用STC89C52RC，晶振22.1184MHZ。以5×8點陣，16×2行，8位數據端口。首先在第一行顯示“I love MCU!”,第二行顯示“LCD1602 Test!”。延時一段時間，清屏。然后在第一行顯示自定義字符：攝氏溫標標志。第二行顯示圓周率(pai)標志。再延時一段時間，清屏。最后在第一行顯示“Welcome to my blog!”，顯示方式是從屏幕右面移入，左面移出。周而復始(如圖26)。
圖26
