MSP430单片机的键盘和显示器应用案例

4　键盘和显示器的应用

在单片机应用系统中，键盘和显示器是非常重要的人机接口。人机接口是指人与计算机系统进行信息交互的接口，包括信息的输入和输出。常用输入设备主要是键盘，常用输出设备包括发光二极管、数码管和液晶显示器等。

4．1　键盘输入

键盘用于实现单片机应用系统中的数据信息和控制命令的输入，按结构可分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生相应的键码值，如计算机键盘。非编码键盘是通过软件的方法产生键码，不需要专用的硬件电路。为了减少电路的复杂程度，节省单片机的I/O端口，在单片机应用系统中广泛使用非编码键盘，主要对象是各种按键或开关。这些按键或开关可以独立使用（称之为独立键盘），也可以组合使用（称之为矩阵式键盘）。

4．1．1　按键电路与按键抖动处理

按键电路连接方法非常简单，如图4．1所示。此电路用于通过外力使按键瞬时接通开关的场合，如单片机的RESET电路中，通过按键产生一个瞬时的低电压，CPU感知这个低电压后重启。

由于按键的闭合与断开都是利用其机械弹性实现的，当机械触点断开、闭合时，会产生抖动，这种抖动操作用户感觉不到，但对CPU来说，其输出波形会明显发生变化，如图4．2所示。

按键闭合和断开时的抖动时间一般为10～20 ms，按键的稳定闭合期由操作用户的按键动作决定，一般为几百毫秒至几秒，而单片机CPU的处理速度在微秒级。因此，按键的一次闭合，有可能导致CPU的多次响应。为了避免这种错误操作，必须对按键电路进行去抖动处理。常用的去抖动方法有硬件方式和软件方式两种。

使用硬件去抖动，需要在按键连接的硬件设计上增加去抖动电路，比如将按键输出信号经过R－S触发器或RC积分电路后再送入单片机，就可以保证按一次键只发出一个脉冲。

软件方式去抖动的基本原理是在软件中采用时间延迟，对按键进行两次测试确认，即在第一次检测到按键闭合后，间隔10 ms左右，再次检测该按键是否闭合，只有在两次都测到按键闭合时才最终确认有键按下，这样就可以避开抖动时间段，消除抖动影响。同样，在按键断开时也采用相同方法。由于人的按键速度比单片机的运行速度要慢很多，所以，软件延时方法从技术上完全可行，而且经济上更加实惠，因此被广泛采用。

图4．1　按键复位电路

图4．2　按键断开、闭合时的电压抖动波形

4．1．2　独立键盘检测

独立键盘是一种最简单的键盘，前面章节已经介绍过使用独立键盘的实例。独立按键的每个键单独占用一根I/O端口线，每根I/O端口线上的按键工作状态不会影响其他I/O线的工作状态。

实例4．1　独立按键编号显示

任务要求：单片机端口连接三个按键，从1～3进行编号；如果其中一个按键闭合时，则在LED数码管上显示相应的按键编号。

1）硬件电路设计

选取MSP430F249单片机的P1端口连接数码管显示按键编号，P3端口的P3．0、P3．1、P3．2端口分别和三个按键连接。硬件电路如图4．3所示。

三个I/O端口P3．0、P3．1、P3．2作为输入端口（输入方式），分别与K1、K2、K3三个按键连接。当按键断开时，I/O端口的输入为高电平；按键闭合时，I/O端口的输入为低电平。此三个引脚上接了上拉电阻，是为了保证按键断开时逻辑电平为高。

2）程序设计

按键闭合时，与该键相连的I/O引脚为低电平；按键断开时，与该键相连的I/O引脚为高电平。所以在程序中通过P3IN寄存器读取P3．0、P3．1、P3．2这三个I/O端口的电平状态，便可检测按键是否闭合。另外，在有按键闭合时，要有一定的延时，以防止由于键盘抖动而引起误操作。当确认某按键闭合后，就让数码管显示其按键编号。

图4．3　独立键盘检测电路图

程序说明：当按键闭合时，P3端口的低三位将不全为高电平。在Read Key函数中，当判断P3的低三位不全为1，即0x07时，则认为有按键闭合，然后延迟20 ms，再次判断P3的低三位；如果低三位依旧不全为1，可以确定是有键按下，并获取键值后显示在数码管上。

3）仿真结果与分析

双击MSP430F249单片机，装载可执行文件。运行时，LED最初没有显示。当按下某键时，将显示相应的数值。图4．4为编号是“3”的按键闭合时的仿真效果图。

图4．4　独立键盘检测的仿真效果图

4．1．3　矩阵式键盘检测

独立键盘与单片机连接时，每一个按键开关占用一个I/O端口线，若单片机系统中需要较多按键，独立按键的方式便会占用过多的I/O端口资源。此时，为了节省I/O端口线，采用矩阵式键盘（也称为行列式键盘）。

下面以4×4矩阵式键盘为例讲解其工作原理和检测方法。将16个按键排成4 行4列，将第一行每个按键的一端连接在一起构成行线，将第一列每个按键的另一端连接在一起构成列线，这样便有4行4列共8根线，如图4．5所示。将这8根线连接到单片机的8个I/O端口上，即可通过程序扫描键盘检测到哪个键闭合，具体方法见实例4．2。

图4．5　4×4矩阵式键盘

实例4．2　矩阵键盘编号显示

任务要求：将4×4矩阵式键盘编号，如果其中一个按键闭合，则在LED数码管上显示相应的按键编号。

分析说明：4×4矩阵式键盘只需要占用一个8位的端口，硬件电路的设计较为简洁，重点在于如何在程序中判断矩阵键盘的按键位置。

1）硬件电路设计

选取MSP430F249单片机的P1端口连接数码管，P3端口的8个引脚分别和矩阵式键盘的行线和列线连接。硬件电路如图4．6所示。

图4．6中，列线P3．4～P3．7通过上拉电阻连接电源，处于输入状态；行线P3．0～P3．3为输出状态。键盘上没有按键闭合时，所有列线P　3．4～P　3．7的输入全部为高电平。当键盘上某个按键闭合时，则对应的行线和列线短接。例如A号键闭合时，行线P3．1和列线P3．5短接，此时P3．5输入电平由P3．2的输出电平决定。

在检测是否有键闭合时，先使4条行线全部输出低电平，然后读取4条列线的状态。如果全部为高电平则表示没有任何键闭合；如果有任一键闭合，由于列线是上拉至VCC的，则行线上读到的将是一个非全“1”的值。

图4．6　矩阵式键盘电路原理图

2）程序设计

确定矩阵式键盘上哪个键闭合通常采用行扫描法，又称为逐行（或列）扫描查询法，其软件主要基于扫描方式完成。关于键盘扫描查询的程序大致可分为以下几个步骤。

（1）检测当前是否有键闭合。

首先看输入的列线，假设4条行线都输出低电平，4条列线都是上拉至VCC的，在没有任何键闭合时，4条列线输入都为“1”。但当与某一条行线相连的4个键中的任何一个闭合时，这条列线将输入低电平，即当某条列线输入低电平时，必定是连接在这条列线上的某个键闭合了。

（2）去除键抖动。

当检测到有键闭合后，延长一段时间再作下一步的检测判断。

（3）若有键闭合，检测出是哪一个键闭合。

逐行扫描方式：在4条行线上分别输出“0”信号。第一次，在P3．0上输出低电平，其他的行线（P3．1、P3．2、P3．3）上输出高电平；第二次，在P3．1上输出低电平，其他的行线（P3．0、P3．2、P3．3）上输出高电平；第三次，在P3．2上输出低电平，其他的行线（P3．0、P3．1、P3．3）上输出高电平；第四次，在P3．3上输出低电平，其他的行线（P3．0、P3．1、P3．2）上输出高电平。当某一行线上输出低电平时，如果此行上有键被按下，那么相应键的列线上就会读取到“0”，于是可以唯一的确定是哪一个键闭合了。

假设图4．6中编号为“6”的键闭合，第一次扫描时，P3．0端口输出“0”，P3．1、P3．2、P3．3输出“1”，则P3．4～P3．7所读到的电平全为“1”；第二次扫描时，P3．1端口输出“0”，P3．0、P3．2、P3．3输出“1”，此时，P3．4、P3．5、P3．6、P3．7读到的电平分别为“1”、“1”、“0”、“1”，由此即可确定P3．1行线和P3．6列线交叉的编号“6”键的具体位置。

矩阵式键盘的按键检测过程如图4．7所示。

图4．7　矩阵式键盘按键检测流程图

此实例的源程序如下。

程序说明：主程序通过调用键盘扫描程序获取键值，并通过数码管显示出键盘编号。键盘扫描首先通过读取列线输入，如果不是全为1，则延迟20 ms后再次判断列线是否全为1；如果依旧不是全为1，可以确定是稳定的按键动作；通过逐行扫描的方式得到按键的位置。从程序上来看还存在两个问题：一是按键扫描中延迟去抖需要20 ms的时间，浪费了单片机的运算资源；二是在扫描到按键后如果按键闭合不动，主程序会得到多个相同的键值，即重复按键，这种情况可以通过判断按键弹起的动作予以解决。

3）仿真结果与分析

装载可执行文件，运行后的仿真结果如图4．8所示。

图4．8　矩阵式键盘仿真电路图

4．2　LED点阵显示

LED点阵显示器由发光二极管LED按矩阵的方式排成一个n×m的点阵，每个发光二极管构成点阵中的一个点。这种点阵显示器不仅可以静态的显示信息，而且可以通过动态滚动，增加信息显示的容量和效果，因此应用十分广泛。

4．2．1　LED点阵显示原理

LED点阵显示器的分类有多种方法：按阵列点数可分为5×7、5×8、6×8、8×8 等4种，按发光颜色可分为单色、双色、三色等3种；按极性排列方式可分为共阳极型和共阴极型等2种。

图4．9所示为常见的8×8 LED点阵显示器，它由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上。当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的发光二极管就亮。如要将第一个发光二极管点亮，则将第9脚接高电平，第13脚接低电平；如果要将第一行点亮，则将第9脚要接高电平，而将第13、3、4、10、6、11、15、16引脚接低电平；如要将第一列点亮，则将第13脚接低电平，而第9、14、8、12、1、7、2、5引脚接高电平。

从原理上来说，模块没有共阳或共阴之分，共阳的翻转90°就是共阴的了，共阴的翻转90°就是共阳的了。但电路会有行扫描接阴或行扫描接阳之分。

显示单个字母、数字时，只需要一个5×7的LED点阵显示器即可；显示汉字时，需要使用多个LED点阵显示器组合，最常见的组合方式有15×14、16×15、16×16、32×32等。例如，一个16×16的点阵由4个8×8点阵组合而成，即每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示，有笔画经过地方的发光二极管都为点亮状态（即“1”），没有笔画经过的发光二极管都为熄灭状态（即“0”），这样就可以表示不同的汉字。

图4．9　8×8 LED点阵管脚图

LED点阵显示器与LED数码管类似，常用的工作方式有静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，就是当显示器显示一个字符时，相应的发光二极管始终保持导通或截止，在显示的过程中，其状态是静止不变的，直到一个字符显示完毕、将要显示下一个字符时其状态才改变。而动态显示则不同，它在显示每一个字符的过程中，都是按列（或行）不停扫描，一位一位地轮流点亮要显示的每个位，如此反复循环。动态显示方式利用了人眼的视觉暂留性质，当扫描的速度足够快时，可以得到静态显示的效果。由于LED点阵引脚设计的特殊性，一般采用动态扫描显示方式。

下面介绍用动态扫描方式在8×8共阳极LED点阵显示器上显示字符“B”的过程，如图4．10所示，由此简要说明动态扫描的原理。

图4．10　用动态扫描方式显示字符“B”的过程

假设X、Y为两个8位的字节型数据，X的每位对应LED点阵的8条列线X7～ X0；同样，Y的每位对应LED点阵的8条行线Y7～Y0。Y为行扫描线，在每个时刻只有一条为“1”，即有效行选通电平；X为列数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。

①Y＝0x01，X＝0x FF，如图4．10中的第一帧；

②Y＝0x02，X＝0x87，如图4．10中的第二帧；

③Y＝0x04，X＝0xBB，如图4．10中的第三帧；

④Y＝0x08，X＝0xBB，如图4．10中的第四帧；

⑤Y＝0x10，X＝0x87，如图4．10中的第五帧；

⑥Y＝0x20，X＝0xBB，如图4．10中的第六帧；

⑦Y＝0x40，X＝0xBB，如图4．10中的第七帧；

⑧Y＝0x80，X＝0x87，如图4．10中的第八帧；

⑨跳到第①步循环。

如果高速地进行①～⑨的循环，且两个步骤的间隔时间小于1/24 s，则由于视觉暂留，LED显示屏上将呈现一个完整的“B”字符。

实例4．3　8×8 LED点阵数字显示

任务要求：利用MSP430F249单片机控制一个8×8 LED点阵显示器，使其循环显示数字0～9。

1）硬件电路设计

选用MSP430F249单片机的P2端口控制LED点阵的行扫描信号，P1端口控制点阵的列显示数据，硬件电路原理如图4．11所示。

图4．11　点阵显示数字字符硬件电路原理图

2）程序设计

程序说明：在主循环中对0～9这10个数字进行循环显示，每个数字扫描次数为255，是为了让每个数字显示时间足够长，得到稳定的显示效果。P2端口送出行扫描信号后，P1端口给出列显示数据。注意，此例中8×8点阵为共阴极接法，显示数据是经过取反后送出的。

3）仿真结果

加载程序后，运行得到仿真效果如图4．12所示。

图4．12　点阵显示数字字符仿真图

4．2．3　16×16汉字点阵显示

与字母和数字显示原理一样，16×16汉字点阵的显示也是采用动态逐行（或逐列）扫描的方式完成，只是列扫描需要16位，而每列数据需要2×8位（2字节），显示一个完整的汉字则需要32字节。

1．点阵驱动电路

实例4．3中，单片机控制一个8×8 LED点阵显示器，需要两组I/O端口，其中一组实现点阵的行扫描，另一组输出列数据。按照这种硬件连接方式，如果利用单片机控制一个16×16汉字点阵实现显示功能，需要8组I/O端口；如果控制多个汉字点阵显示，需要更多的I/O端口。显然，这种连接方式是难以实现的。因此，在多个点阵驱动电路设计中，一般采用移位寄存器的方法来减少对单片机I/O端口的需求。

图4．13　D触发器

寄存器是存放二进制数的电路，由D触发器构成，如图4．13所示。在CP时钟信号的上升沿，将输入的数字DI存入D触发器，Q端的输出就与DI相同，即无论触发器Q原来的值是什么，只要时钟脉冲CP上升沿到来，加在数据输入端的数据就立即被送入触发器，当DI端信号消失，输出Q保持不变，数据被保存在触发器中，所以又称为寄存器。将多个寄存器级联，第一级D触发器接输入信号DI，其余触发器输入D接前级输出Q，所有CP连在一起接输入移位脉冲，所有D触发器都在一个CP的上升沿工作，这种电路称为移位寄存器。以4个D触发器构成的4级移位寄存器如图4．14所示。

在移位脉冲的作用下，输入信息的当前数字DI存入第一级D触发器，第一级D触发器的状态存入第二级D触发器，依此类推，低位D触发器存入高位D触发器状态，实现了输入数码在移位脉冲的作用下向左逐位移存。假设所有寄存器初态为0，DI＝1101串行送入寄存器输入，如图4．15所示。当第一个移位脉冲上升沿到来后，DI＝1，第一个触发器输出Q＝D，而因为初始值都为0，所有Q2、Q3、Q4依然为0。当第二个移位脉冲上升沿到来后，DI＝1，因此Q1＝1，而Q2的值等于触发器Q1之前的输出1，依次类推，当第四个脉冲的上升沿到来后，Q4Q3Q2Q1＝1101。

图4．14　4级移位寄存器

图4．15　4级移位寄存器串行移位

在4个CP作用下，输入的4位串行数码1101全部存入寄存器，这种方式称为串行输入。寄存器中的4位数码1101是并行输出，这种方式称为并行输出。当移位脉冲继续产生，而输入全部为0时，可以看到每一个触发器的输出都是在对输入的1101进行移位操作。

移位寄存器的特点如下。

（1）单向移位寄存器中的数字，在CP脉冲操作下，可以依次右移或左移。

（2）n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制代码。n个CP脉冲即可完成串行输入工作，此后可从Q1～Q n端获得并行的n位二进制数字，再用n个CP脉冲又可实现串行输出操作。

（3）若串行输入端状态为0，则n个CP脉冲后，寄存器便被清零。

利用移位寄存器串行输入、并行输出的特点，在驱动16×16点阵的列信号时，可以在单片机和点阵之间增加一个8位的移位寄存器。由单片机产生CP时钟信号和所需的串行数据输出信号，在8个CP时钟后，可以将串行数据移入移位寄存器并行输出。因此，这种驱动方式只需要单片机的两个I/O端口，大大节约了单片机的引脚资源。

本书选择点阵显示系统中常用移位寄存器74HC595来实现点阵列数据的串行输入、并行输出功能。74HC595的管脚图和逻辑图如图4．16和图4．17所示。

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图4．16　74HC595管脚图

图4．17　74HC595逻辑功能图

74HC595输入端是8位串行移位寄存器，输出端是8位并行缓存器，具有锁存功能。其管脚功能描述如表4－1所示。

表4－1　74 HC595管脚描述

74HC595的逻辑功能是在串行移位时钟SHCP的上升沿，将串行数据输入DS的数据，从低位到高位依次移入内部的寄存器中，当8个数据都移入后，若OE为低电平，通过STCP的上升沿将8个数据输出到Q0～Q7引脚上。由于74HC595输出电流较大，可以直接驱动LED，因此，在亮度要求不高的设计中，可以直接将74HC595输出端连接到LED点阵。一片74HC595能驱动一个8位的点阵列输入，若需要驱动多个点阵，则可利用74HC595的Q7′串行数据输出端，将多个74HC595串联起来使用，如图4．18所示。

图4．18　多片74HC595级联驱动点阵示意图

另外，由于74HC595串行数据时钟和锁存时钟是独立的，移位时钟SHCP的上升沿将串行数据移入内部的寄存器后，在锁存时钟STCP的作用下才会输出到Q0～Q7。当多片74HC595级联驱动点阵的时候，通过同一个锁存时钟STCP，在所有列数据准备好后，启动锁存信号使所有数据同时锁存并输出，满足多个点阵列数据并行输出的目的。串行数据时钟，串行数据输入对于MSP430单片机可以通过内部的SPI接口实现高速数据传输，也可以采用I/O端口模拟所需的时序的方式。串行数据时钟模拟的方法是按照移位脉冲时序图，利用单片机的I/O端口定时输出高电平或者低电平，以获得所需的时钟信号。对串行数据的输出，可以通过程序判断8位的数据的最高位是否为1，将数据输出端口置高或者置低。并将数据左移一位，循环八次后即可实现输出8位的串行数据。下面以单片机向74HC595串行发送一个字节函数send＿byte为例。

其中，DS＿L和DS＿H分别是单片机I/O端口输出串行数据的宏定义，SHCP＿L和SHCP＿H是输出串行移位脉冲的宏定义，假定串行数据用P3．1端口，串行移位脉冲用P3．2端口。从程序可以看出，通过软件模拟串行移位方式是参照移位寄存器的时序图实现的，这种方式可以推广到具有串行输入或者输出方式的芯片驱动中。

图4．19　74HC154管脚图

同理，除了列数据输出电路以外，还需要行输出电路实现逐行选通控制功能，即16×16的汉字点阵需要从上到下循环扫描16次，每次扫描过程中某一行被选通，而其他行都要关闭。为减少单片机端口的占用，可以使用74HC154译码器实现点阵行扫描的驱动。

74HC154是一种4线/16线译码器，数据输入端有4位，数据输出端有24＝16个。74HC154译码器的管脚如图4．19所示，其输入输出关系如表4．2所示。

表4．2　74HC154的输入输出关系表

从表4－2可以看出，当输入一个0～15的二进制数据时，对应的某个Y引脚输出低电平，而其他输出引脚为高电平，正好满足行扫描的要求。如果需要行扫描时输出高电平，通过74HC154输出端接入反相器即可。值得注意的是，74HC154输出电流只有20 m A，按每一个LED器件需要10 m A计算，16个LED同时发光时，需要160 m A电流，因此实际应用中应增加专用电流驱动电路，如ULN2803或者三极管才能实现行扫描驱动。

要完成16×16点阵的驱动，需要4片74HC595级联实现其列数据输入，其级联方式参照汉字取模的方式。每片74HC595的Q0～Q7连接一个8×8点阵的8根列数据输入引脚，而点阵的行扫描信号连接到一片74HC154的Y0～Y15即可。依照此方式，可以完成更多点阵级联的驱动电路。

2．汉字字模提取

根据前面所述，16×16点阵由4个8×8点阵组成，分别为ABCD四个部分，如图4．20所示。

图4．20　16×16点阵组成示意图

汉字显示需要先获得汉字点阵的数据，才能通过单片机驱动点阵显示，这种获得汉字点阵的方法称为取模，取模方式按照点阵驱动的不同，可以有ABCD、ACBD、BACD、CABD等四种顺序。取模后得到的数据保存在数组中。由于这些数据是常量，在程序设计中一般用const关键字来描述。对于MSP430序列单片机，常量会保存到单片机内部的Flash存储器中，以节省内存空间的占用。汉字取模通常用取模软件完成，如字模提取软件zimo等。本书使用的字模提取软件如图4．21所示。

这里字模提取方式为横向取模，取模顺序为ABCD。比如汉字“中”取模得到的数据为：

0x01，0x00，0x01，0x00，0x01，0x04，0x7F，0x FE，0x41，0x04，0x41，0x04，0x41，0x04，0x41，0x04，0x7F，0x FC，0x41，0x04，0x01，0x00，0x01，0x00，0x01，0x00，0x01，0x00，0x01，0x00，0x01，0x00

数据共32个字节，对照上面提取软件的点阵图像可以看出，0x01对应的是左上的第一行数据，0x00对应的是右上的第一行，如此类推。根据取模的方式，硬件上对74HC595级联时，如果是ABCD这种方式，则是AB级联，CD级联，我们在单片机程序中输出数据的顺序也要按照取模的顺序。

图4．21　字模提取软件

实例4．4　16×64 LED点阵汉字显示

任务要求：利用16个8×8点阵构成4个16×16点阵，显示四个汉字字符“中国你好”。

分析说明：4个16×16点阵用8片74HC595输出列数据驱动，行扫描可以用1 片74HC154译码器实现，将占用单片机I/O端口的资源降到最低，同时也解决了单片机输出电流不足的问题。

1）硬件电路设计

16个8×8点阵构成4个16×16点阵汉字，单片机控制其显示的原理框图如图4．22所示。该点阵为“行共阴极”，即一行中所有的阴极接在一起。16条行选通利用单片机的4个I/O端口控制4线/16线译码器74HC154，实现16条行线的低电平分别选通。每1个8×8点阵的列线由1片8位串入并出移位寄存器74HC595控制。74HC595输出具有锁存功能，使得74HC595锁存显示某一行数据时，单片机可以进行下一行数据的传送。

图4．22中，74HC595首尾串行连接，每两片驱动一个16×16点阵的列，一共有8 片74HC595，所有74HC595共用SHCP和STCP时钟信号，在单片机输出的SHCP驱动下，数据从DS端输入到第一片74HC595的DS端，经过8个时钟脉冲将第一个数据输出到第一片74HC595，在下一个时钟脉冲的作用下，一方面第一片74HC595继续接收数据，另一方面将接收的数据移位输出到第二片74HC595，如此经过16×8 ＝256个时钟的驱动，可将所有的行数据保存在16个74HC595内部寄存器中，再经过STCP锁存信号驱动输出到LED点阵。同时，单片机此时应输出行的编号，通过74HC154选通行信号点亮汉字字模对应的LED。当所有的行扫描结束后再次循环，从而输出所需的汉字。

图4．22　16×64 LED点阵显示原理框图

按照显示原理框图设计的proteus硬件电路如图4．23所示。

图4．23中，为简化图纸，芯片之间的电路连接都采用网络标号实现。其中P1．0、P1．1、P1．2、P1．3作为74HC154译码器输入信号，P3．0作为锁存时钟信号STCP输出端，P3．1作为串行数据输出端连接到74HC595的DS端，P3．2作为串行移位时钟信号输出端连接到74HC595的SHCP端。

2）程序设计

图4．23　16×64 LED点阵硬件电路图

3）仿真结果与分析

加载程序后运行得到本实例的仿真结果如图4．24所示，可见到点阵上显示“中国你好”字符。

图4．24　16×64点阵显示汉字仿真图

4．3　LCD液晶显示器的应用

LCD液晶显示器（LCD，简称液晶）是一种被动式的显示器，与LED不同，液晶本身并不发光，而是利用液晶在电压作用下能改变光线通过方向的特性，达到显示字符或者图片的目的。LCD由于体积小、重量轻、电压低（工作电压一般为3～5 V）、功耗低（每平方厘米液晶显示屏的耗电量在μA级，主要的功耗是LCD的背光所产生）等优点已在单片机系统中得到广泛使用。近年来液晶显示器技术的发展迅猛，彩色液晶、OLED有机发光液晶显示器、大屏幕显示器也开始用于人—机接口领域。在要求低功耗的电子产品中，如手机、万用表等，液晶显示器是首选的显示器。

各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。比如：1602的意思是每行显示16个字符，一共显示两行；类似的命名还有0801、0802、1601等。这类液晶通常都是点阵字符型液晶，即由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制器及必要的连接件、结构件装配而成，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形。12864液晶属于点阵图形型液晶，其点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空格，这种液晶不仅可以显示字符，而且可以显示连续、完整的图形。其命名的意思是液晶由128列、64行组成，即共有128×64个点来显示各种图形、字符和汉字等，我们可以通过程序控制这128×64个点中的任一个点显示或不显示。类似的命名还有12232、19264、320240等。点阵图形型液晶显示器的显示灵活性好，自由度大，如果驱动液晶显示器以一定速度更新，可以实现视频的播放。但点阵图形型液晶显示器的控制复杂，硬件连接线多，且要对点阵数据进行更新，占用单片机的存储空间大。

因此，本章节主要介绍点阵字符型液晶1602的显示应用，通过学习其工作原理和相关指令，让大家掌握液晶显示的程序设计方法。4．3．1　1602引脚功能

1602液晶是把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器全做在一块PCB板上，构成便于应用的显示器模块，实物如图4．25所示。

图4．25　1602液晶实物图

1602 LCD采用标准的14引脚（无背光）或16引脚（背光）接口，芯片和背光电路工作电压与单片机兼容，液晶是否带背光在应用中并无差别。其引脚分电源、通信数据和控制三部分，可以很方便地与单片机进行连接。各引脚接口说明如表4－3所示。

表4－3　1602引脚接口说明

●VDD接5 V正电源，为模块最佳工作电压。

●VL为液晶对比度调整端，接正电源时对比度最低，接地时对比度最高。对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10 kΩ的电位器调整对比度。

●RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

●R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或显示地址；当RS为低电平、R/W为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平、R/W为低电平时可以写入数据。

●E端为使能端，当E端从高电平跳变到低电平时，液晶模块执行命令。

●DO～D7为8位双向数据线。

4．3．2　1602时序及指令说明

1．基本时序操作

单片机驱动1602 LCD的主要操作包括读状态、写指令、读数据、写数据等。数据的读写是通过1602 LCD的数据端口D0～D7和RS、R/W、E三个控制端电平组合控制实现的，具体的操作时序如表4－4所示。

表4－4　基本操作时序

在数据或指令的读写过程中，控制端外加电平有一定的时序要求，图4．26、图4．27分别为该器件的读写操作时序图，时序图说明了三个控制端口与数据之间的时间对应关系，这是基本操作的程序设计的基础。

图4．26　读操作时序

2．控制指令

1602 LCD模块内部的控制器共有11条控制指令，各指令利用2位16进制代码表示，如表4－5所示。

图4．27　写操作时序

表4－5　1602 LCD控制指令集

●清屏指令代码为0x01。单片机向1602的数据端口写入0x01后，1602自动将本身DDRAM的内容全部填入“空白”的ASCII代码0x20，并将地址计数器AC的值设为0，同时光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方。此时显示器无显示。

●光标归位指令代码为0x02或0x03。其主要功能是把地址计数器（AC）的值设置为0，保持DDRAM的内容不变，同时把光标撤回到显示器的左上方。

●模式设置指令中，当I/D为0时，写入新数据后光标右移；当I/D为1时，写入新数据后光标左移，显示屏幕不移动。当S＝0时，写入新数据后显示屏幕不移动；当S＝1时，写入新数据后显示屏幕整体右移1个字符。如指令代码为0x06时，光标随写入数据自动右移。

●显示开关控制指令中，D为0时关显示功能，为1时开显示功能；C为0时无光闪烁，C为1时有光闪烁；B为0时光标闪烁，为1时光标不闪烁。如指令码为0x0C，设置为显示功能开，无光标，光标不闪烁。

●屏幕光标指令中，S/C、R/L设定为0、0时光标左移1格，且AC减1；S/C、R/L设定为0、1时光标右移1格，且AC加1；S/C、R/L设定为1、0时显示器上的字符左移1格，光标不动；S/C、R/L设定为1、1时显示器上的字符右移1格，光标不动。如指令码0x14，设置为AC＋1，光标右移1格（打字的效果）。

●功能设定指令主要是设置1602的初始工作状态。其中DL为0时，数据总线为4位，DL为1时，数据总线为8位；N为0时显示1行，N为1时显示2行；F为0时，1602显示的一个字符为5×7点阵，为1时为5×10点阵。如指令码为0x38，1602被设置成为8位并行数据接口，显示2行，5×7点阵显示。

●设定CGRAM/DDRAM（字符发生存储器地址/数据存储器地址）指令有0x40＋地址、0x80＋地址两个。0x40是设定CGRAM地址的命令，地址是指你要设置的CGRAM地址；0x80是设定DDRAM地址的命令，地址是指要写入的DDRAM地址。

●读取忙信号或AC地址指令中，RS＝0、R/W＝1，单片机读取忙信号BF的内容。当BF＝1时，表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令；当BF ＝0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令，同时单片机读取地址计数器（AC）的内容。

●写入CGRAM/DDRAM数据操作中，RS＝1、R/W＝0，单片机可以将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符，也可以将用户自己设计的图形存入CGRAM。

●从CGRAM/DDRAM读数据指令中，RS＝1、R/W＝1，单片机读取DDRAM或CGRAM中的内容。

4．3．3　1602的RAM地址映射及标准字库表

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志是否为低电平，如果是低电平则表示不忙（空闲），否则此指令失效。显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图4．28所示的是1602液晶的内部显示地址。

图4．28　1602液晶内部RAM地址映射图

例如，第二行第一个字符的地址是0x40，那么是否直接写入0x40就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1，所以实际写入的数据应该是01000000B（40H）＋10000000B（80H）＝11000000B（C0H）。

在初始化液晶模块时要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有阿拉伯数字、大小写英文字母、常用的符号和日文假名等，如图4．29所示。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B （41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，就能看到字母“A”。

图4．29　CGROM和CGRAM中字符代码与字符图形对应关系

实例4．5　1602液晶显示字符

任务要求：利用MSP430F249单片机驱动1602 LCD，使其显示两行字符：第一行显示“I like mcu”，第二行显示“I can；I do”。

1）硬件电路设计

无背光1602 LCD的引脚共14根，其中数据线D0～D7与单片机的P1端口相连，控制端口RS、R/W和E分别与P2端口低3位相连，如图4．30所示。控制单片机的P2端口的电平变换，产生所需的液晶时序。

2）程序设计

图4．30　1602LCD显示硬件电路原理图

程序说明：程序首先对端口进行初始化，将P1和P2的某些端口设置为输出，并对液晶初始化。在液晶的程序设计中，用了一些宏定义实现对液晶的RS、R/W、E等引脚的高低电平的控制，其顺序是按照前面介绍的液晶时序设计的。值得注意的是，当单片机将字符串输出给液晶显示器后，液晶显示器就不再需要单片机对其进行动态刷新操作，这种显示类似于数码管的静态显示，可使单片机程序设计得以简化。另外，液晶显示一般都是对字符串的输出，在很多情况下，比如A/D转换、数据处理等，结果都是数字，需要将这些数字转换为字符串。

3）仿真结果与分析

程序的仿真运行参照前面的实例，点击运行后可以观察到液晶上显示了两行字符。仿真结果如图4．31所示。

图4．31　1602 LCD显示仿真结果图

思考与练习

1．简述键盘的机械特性和键盘扫描程序的特点。

2．键盘扫描方式中，除了行扫描方法以外，还有一种行反转的方法，试分析其工作方式并完成4×4键盘的扫描功能。

3．将MSP430F249单片机P1端口外接4×4键盘，为减少键盘扫描时间，试采用MSP430F249端口中断方式判断键盘按下的动作。要求用Proteus和IAR完成硬件和软件设计。

4．利用8×8 LED点阵实现一个箭头符号循环向上移动的动作。要求用Proteus和IAR完成硬件和软件设计。

5．用6个8×8 LED点阵设计一数字钟，显示时、分、秒。要求用Proteus和IAR完成硬件和软件设计。

6．试利用MSP430F249单片机和2个16×16 LED点阵显示“你好”两个汉字，并循环左移。驱动电路可采用74 HC595和74 HC154。

7．设计一数字时钟，要求MSP430F249单片机外接1602 LCD和按键K1、K2、K3、K4，1602 LCD显示时、分、秒，外接的按键K1、K2、K3完成对时、分、秒进行校时，K4为确认键。

8．试采用74 HC595实现对1602 LCD的控制，利用Proteus和IAR完成测试。