微机原理与接口技术课程设计——液晶显示器与键盘系统

时间：2025-01-12

使用proteus软件设计基于51单片机的液晶显示与键盘系统电路图,文档内含原理图和仿真程序。

微机原理与接口技术综合实践说明书

院班级：设计

指导教师：设计时间：

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微机原理与接口技术综合实践任务书

使用proteus软件设计基于51单片机的液晶显示与键盘系统电路图,文档内含原理图和仿真程序。

工作计划安排： ◆ 分组、选题，1 天 ◆ 方案设计，2 天(软硬件总体结构，元器件的选购) ◆ 硬件搭接，2 天；软件程序设计，5 天；综合调试，2 天 ◆ 课程设计任务书，2 天

同组设计者及分工：亚哈亚 09221151 山姆 0922115x 0922115X 硬件电路设计仿真，程序整合调试，编写设计说明书总体方案设计，编写设计说明书 LCD 硬件仿真，联合调试，搜集资料，编写设计说明书 YYYYY 0922115X 硬件电路搭接，购买元器件，资料搜集 LCD 显示编程及调试，购买元器件，编写设计说明书

XXXXX

ZZZZZ 0922115X

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一、

1. 2. 3. 二、

总体设计 ..................................................................................................................... 5 单片机选型 ................................................................................................................. 5 按键扫描 ..................................................................................................................... 5 1602LCD显示 ............................................................................................................ 5 主要元件介绍 ............................................................................................................. 6 AT89S51概述 ............................................................................................................. 6 1.1 AT89S51主要特征 ............................................................................................... 6 1.2 管脚说明 .............................................................................................................. 7 1.3 本设计中的应用 .................................................................................................. 9 2. 1602LCD ................................................................................................................... 10

2.1 1602LCD概述 .................................................................................................... 10 2.2 1602LCD控制指令 ............................................................................................ 12

三、基于PROTEUS的硬件电路设计 ............................................................................ 14

1. PROTEUS软件相关 ................................................................................................. 14 2. 电路组成 ................................................................................................................... 14

2.1 复位电路 ....................................................................................................... 14 2.2 时钟电路 ....................................................................................................... 15 2.3 1602LCD显示电路 ...................................................................................... 15 2.4 按键扫描电路 ............................................................................................... 16 2.5 蜂鸣器和发光二级管控制电路 ................................................................... 17

四、硬件配置 ........................................................................................................................... 18

1. 按键扫描程序 ........................................................................................................... 18 2. 1602LCD显示程序 .................................................................................................. 20 五、电路仿真 ................................................................................................................... 22 六、总结 ........................................................................................................................... 23 七、附件 ........................................................................................................................... 24

1. 电路原理图 ............................................................................................................... 24 2. 源程序 ....................................................................................................................... 24

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一、总体设计

1. 单片机选型

AT89S51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。根据万向开关的的档位，控制小直流电动机执行相应的动作。

2. 按键扫描

运用P0口第四位进行行扫描，高四位进行列扫描。循环判断，得到按键位置。并在相应按键按下后实现特定功能：按键10按下时，发光二级管点亮，按键11按下时，发光二级管停止亮；按键12按下时，蜂鸣器响，按键13按下时，蜂鸣器停止响。

3. 1602LCD显示

将按键扫描值通过LCD显示出来，并在LCD上显示“WELCOM TO BJTU!”及“XX key press”。

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二、主要元件介绍

1. AT89S51概述

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

1.1 AT89S51主要特征

(1) 4k Bytes Flash片内程序存储器；

(2) 128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）； (3) 32个外部双向输入/输出（I/O）口； (4) 2个中断优先级、2层中断嵌套中断； (5) 6个中断源；

(6) 2个16位可编程定时器/计数器； (7) 2个全双工串行通信口； (8) 看门狗（WDT）电路； (9) 片内振荡器和时钟电路； (10) 与MCS-51兼容；

(11) 全静态工作：0Hz-33MHz； (12) 三级程序存储器保密锁定； (13) 可编程串行通道；

(14) 低功耗的闲置和掉电模式。

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1.2 管脚说明

图1 AT89S51引脚图

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P1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/地址的第八位。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外部必须被拉高。

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口作为第八位地址接收。 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出；P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）；P1.5 MOSI（在系统编程用）；P1.6 MISO（在系统编程用）；P1.7 SCK（在系统编程用）。

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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，如下表所示：管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（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。

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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。

1.3 本设计中的应用

在本设计中,AT89S51是整个系统的核心。I/O口主要用来连接键盘、蜂鸣器、以及控制LCD显示。P0口用来控制按键扫描。其中P1、P2口分别用来连接LCD的数据口和命令口；P2.0，2.1用于连接发光二级管和蜂鸣器。

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2. 1602LCD 2.1 1602LCD概述

1602LCD 分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别.

图2 1602LCD

1602LCD 主要技术参数：显示容量:16×2 个字符芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm

引脚功能说明:1602LCD 采用标准的14 脚（无背光）或16 脚（带背光）接口，引脚接口说明如表一。

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表一 1602LCD 引脚接口说明

第1 脚：VSS 为地电源。第2 脚：VDD 接5V 正电源。

第3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，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10K 的电位器调整对比度。

第4 脚：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。

第5 脚：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者显示地址，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。

第6 脚：E 端为使能端，当E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14 脚：D0～D7 为8 位双向数据线。

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第15 脚：背光源正极。第16 脚：背光源负极。

2.2 1602LCD控制指令

1620液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表二所示。表二 1602LCD控制指令

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）

指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H

指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移

S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标

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指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符指令7：字符发生器RAM地址设置指令8：DDRAM地址设置

指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据

1620液晶显示模块可以和单片机直接接口。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为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要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。程序在开始时对液晶模块功能进行了初始化设置，约定了显示格式。

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三、基于PROTEUS的硬件电路设计

1. PROTEUS软件相关

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2. 电路组成

根据设计要求，硬件电路主要包括复位电路、晶体振荡电路、LCD显示电路、按键扫描电路以及蜂鸣器和发光二级管控制电路。

2.1 复位电路

复位是任何一种微型计算机都必须具备的工作方式。复位操作使单片机处于一种初始化的状态。MCS-51单片机的RST引脚上出现持续24个振荡周期

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的高电平信号时，单片机进入复位。通常有上电复位与人工按钮复位两种方式。本设计中采用上电复位方式。如下图3所示。

图3 上电复位电路

2.2 时钟电路

通常单片机系统电路的实际有内部时钟和外部时钟两种形式，两种电路都向单片机提供最基本的振荡脉冲信号。本设计中的晶体振荡电路如下图四所示。

图4 晶体振荡电路

2.3 1602LCD显示电路

1602LCD 采用标准的14 脚（无背光）或16 脚（带背光）接口。本设计中采用14脚LCD。VSS和VDD为电源端和接地端，VEE用于调整液晶显示器对比度。D0~D7为8位双向数据线。电路连接图如图五。