0 引言

　　51單片機作為一種常見的通用單片機， 雖然其內部資源， 處理速度等都無法與新型高速單片機相提并論， 但其低廉的價格， 極低的入門難度以及適用于簡單場合應用等特點， 依然是開發者的常用選擇之一。

　　用51單片機驅動液晶模塊通常都使用1602和12864等極為簡單的液晶模塊， 這里介紹用51單片機驅動QVGA分辨率的TFT液晶模塊， 以實現彩色和更為復雜的內容顯示的方法。同時， 本文還將使用DS1302芯片和DS18B20芯片來實現在液晶屏上顯示實時時鐘和溫度。

　　1 硬件設計

　　本系統硬件電路的設計主要包括單片機最小系統電路， TFT液晶顯示電路， 時鐘電路， 設置電路以及溫度采集電路。其系統工作原理框圖如圖1所示。

　圖1 硬件系統原理框圖

　　1.1 單片機最小系統

　　一個單片機的最小系統包括外部晶振、電源、復位電路等， 這是保證單片機正常工作的必要條件。通過單片機可控制整個系統， 包括讀取DS18B20芯片的溫度數據， 讀取/寫入DS1302芯片的日歷時鐘數據， 檢測是否有按鍵按下并進行相應的操作， 最后還要向顯示驅動芯片寫入數據，以使得TFT液晶屏上能夠顯示所需的內容。

　　1.2 液晶顯示電路

　　驅動TFT液晶面板的芯片有多種選擇， 本文使用的是臺灣奕力科技的ILI9325芯片。該芯片能夠支持320×240 (QVGA) 分辨率， 同時內置173KB的RAM， 故其最高能顯示26萬色。ILI9325支持的接口方式有8/9/16/18位i80系統總線、SPI總線、RGB接口和VSYNC接口。它的總線式接口電路方式是把液晶顯示器看作外部的數據存儲器，它訪問液晶顯示器就像訪問數據存儲器的一個單元一樣， 采用這種方式能充分發揮單片機的總線讀寫功能優勢， 而且便于升級和擴展。由于本文采用的STC89C54RD+單片機并沒有SPI總線， 因此， 為了節約IO的使用， 本文最終采用8位系統總線的方式來連接ILI9325芯片。其顯示部分電路如圖2所示。

圖2 顯示部分電路圖

　　圖2中， 除P0口用作8位總線傳輸數據以外，還需要5個額外的IO口分別用作驅動芯片的片選(CS)， 復位(RESET)， 命令/數據選擇位(RS)， 寫入位(WR) 和讀取位(RD)。但實際上， 由于這里不需要從驅動芯片中讀取數據， 因此， RD位在實際程序中并未使用。

　　1.3 時鐘電路

　　時鐘電路主要由DS1302芯片組成。DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片。該芯片內含一個實時時鐘/日歷和31 字節的靜態RAM，可與單片機通過簡單的串行接口進行通信。該芯片可提供秒、分、時、日、日期、月、年等信息， 每月的天數和閏年的天數可自動補償， 并能計算到2100年。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行方式進行通信， 而且僅需用到復位(RES)、I/O口、SCLK串行時鐘三個口線。DS1302工作時的功耗很低， 其雙電源管腳可用于主電源和備份電源供應， 并可為可編程涓流充電電源附加七個字節的存儲器。因此， 該芯片可廣泛應用于電話等便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產品。圖3所示是DS1302的時鐘電路連接圖。

　　此外， 設計時需要為DS1302 提供外接的32.768 Hz晶振， 而不需要接電容或電阻。

圖3 時鐘電路連接圖

　　1.4 溫度采集電路

　　DS18B20數字溫度計是DALLAS公司生產的單總線器件(1-Wire)。該芯片具有線路簡單， 體積小的特點。因此， 用它組成的測溫系統線路簡單。它只用一根通信線就可以連接多個DS18B20數字溫度計， 因此十分方便。此外， 該芯片還具有以下一些特點：

　　◇ 僅需一個端口即可完成數據的讀取和寫入；◇ 每個DS12B20芯片都有一個獨一無二的序列號， 因此， 可以在一條數據線上掛載多個芯片；◇ 測量溫度范圍在-55℃到125℃之間；◇ 數字溫度計的分辨率可以選擇9到12位；◇ 可以設置告警溫度的上下限。

　　圖4所示是該芯片與單片機的連接電路。表1所列是DS18B20三個引腳的定義。

圖4 溫度采集電路圖

表1 DS18B20的引腳定義

　　1.5 設置電路

　　設置電路的主要功能是將時間和日期設置到當前時間和日期。本設計僅需使用3個按鍵即可完成該功能。第一個按鍵用于選擇更改的內容，即第一次按下該按鍵時， 時鐘停止并且出現一指示符， 該指示符指向秒所在位置， 以后每按下該按鍵， 系統將依次輪詢分、時、日、月、年、星期， 這樣用戶便可修改系統時間和日期， 當選完星期之后， 再次按下第一個按鍵， 則時鐘又從設定的時間繼續運行并且指示符消失。另外兩個按鍵起“+”， “-” 的作用， 可供用戶調節時間和日期時使用。需要注意的是， 只有在調節狀態時按下“+”， “-” 按鈕才能起作用。

　　在按鍵去抖方面， 本設計使用的是軟件去抖， 但在實際中， 有時也應該加入電容或雙穩態觸發器以實現硬件去抖。當然， 在本文的實驗中， 僅使用軟件去抖也能很好的工作。其設置電路原理圖如圖5所示。

圖5 設置電路原理圖。

　　2 軟件系統設計

　　軟件部分的設計主要包括顯示子程序、DS1302芯片子程序、DS18B20芯片子程序、按鍵處理子程序以及主程序。主程序部分主要用于進行各個設備的初始化， 接著進行鍵盤掃描， 同時讀取時間、溫度， 最后調用顯示子程序。DS1302芯片子程序主要負責讀取內部存儲器中的時間、日期， 并在有相應鍵盤響應時將時間、日期數據存入存儲器。DS18B20芯片子程序的作用相對比較簡單， 只需按一定間隔讀取溫度數據即可。按鍵子程序的目的是不停的輪詢按鍵， 一旦有按鍵被按下， 程序將立即執行相應的處理。而顯示部分子程序是該項目中難度最大同時也是代碼最多的子程序， 它包含顯示驅動芯片的初始化函數，同時也定義了如何向液晶屏發送指定內容的函數， 例如文字、字母、圖形等。

　　2.1 主程序設計

　　主程序在完成對各器件的初始化后， 便開始執行鍵盤掃描， 以讀取芯片數據及顯示程序。其主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖。

　　2.2 顯示程序設計

　　顯示程序的設計是本設計的難點， 究其原因， 第一， 是顯示驅動芯片的寄存器配置比較復雜， ILI9325有超過40個寄存器， 這些寄存器大部分在顯示初始化程序中即可配置完成， 而另外一些則可能會在其他程序中再次用到。例如在每次寫入數據前首先要確定寫入的范圍， 而這個范圍需要在寄存器中配置。

　　第二， 是往顯示屏上輸出任何內容均需要手動編寫方法。如果在1602液晶或12864液晶上寫入英文字母、數字， 有的甚至可以是中文都可以直接使用現有指令寫入。但ILI9325芯片沒有字庫， 因而會帶來一些困難， 但同時也帶來了靈活的選擇， 因為這樣， 字體和字號就不受限制了。

　　本文在制作字庫時， 使用的是常見的字模軟件，該軟件可以生成任意大小的字模， 還可以根據圖片取模。因此， 利用該軟件可獲得所需的所有漢字和字母， 本文所取的漢字字模大小為40×46，數字為16×31。正是由于字模大小的不同， 本設計生成的兩個頭文件均使用結構體方式來定義了索引內碼和點陣碼數據兩個屬性。特別需要注意的是， 漢字內碼為2byte， 而英文數字內碼為1byte。因此， 在兩個不同的索引程序的判斷條件中必須將其區分開。本文還將需要使用的一些簡單標志圖形(如指示時鐘修改位的標志) 也都合并到了英文字庫中。

　　解決了上述兩個難點， 程序設計也就基本完成了。如果需要用到一些復雜的圖形， 例如圓形、方形、三角形等， 也完全可以額外增加幾個函數。還有一點要注意的是， 從溫度采集芯片和時鐘芯片獲得的數據必須轉換為ASCII碼， 否則，索引程序就不能識別。本系統的顯示程序流程圖如圖7所示。

圖7 顯示程序流程圖2.3 DS1302子程序及按鍵處理子程序：

　　DS1302時鐘日期芯片子程序中定義了讀取寫入數據的函數。通過這兩個函數可以確定讀取芯片中時間和日期等數據的函數以及設置這些數據的函數。設置函數將被鍵盤掃描程序使用， 而讀取函數則將在主函數中應用。

　　按鍵處理子程序的主要目的就是輪詢各按鈕是否被按下， 只有當第一按鍵被按下時， 才會處理第二和第三按鍵。注意， 按下第一功能鍵時，必須關閉DS1302寫保護功能， 而在退出設定狀態時， 則需要打開寫保護。為了在更改數據時實時顯示出更改的數值， 在按鍵處理時， 也要用到顯示函數。該流程較為簡單， 本文不再贅述。

　　2.4 DS18B20芯片子程序

　　DS18B20是一種溫度采集芯片。在進行溫度采集前， 一般首先都需要初始化， 然后還需進行ROM操作， 待發出存儲器操作指令后才能讀取溫度數據。本設計使用定時器0中斷， 每隔1秒讀取一次溫度， 這一速度已經足夠滿足日常要求了。

　　3 結束語

　　本文使用51單片機配合QVGA液晶實現了時間、日期和溫度的實時顯示。事實上， 選用TFT液晶能夠更加靈活、多彩的顯示內容， 更符合未來的發展趨勢。同時， 在處理簡單的圖像內容上， STC89C54RD+單片機已經足夠滿足要求， 其刷新速度在首次刷屏后幾乎沒有延遲， 故可取得很好的效果。同時其硬件電路上也相當簡潔， 精度也很好， 因而具有不錯的應用前景。