揭秘单片机控制液晶显示原理：深入浅出剖析显示机制

# 1. 单片机与液晶显示概述

单片机是一种集成了中央处理器、存储器和输入/输出接口等功能的微型计算机，广泛应用于各种电子设备中。液晶显示（LCD）是一种薄而轻的显示器件，具有低功耗、高对比度和宽视角等优点，常用于仪器仪表、手机和电视等设备中。

单片机与液晶显示相结合，可以实现对液晶显示的控制，从而显示各种信息和图形。本章将概述单片机与液晶显示的基本概念、原理和应用，为后续章节的深入讲解奠定基础。

# 2. 液晶显示原理与驱动方式

### 2.1 液晶显示的基本原理

#### 2.1.1 液晶的结构和特性

液晶是一种介于固态和液态之间的物质，具有流动性，但其分子排列具有部分有序性。液晶分子由细长的棒状分子组成，在电场或磁场的作用下，液晶分子可以发生取向变化，从而改变液晶的光学性质。

#### 2.1.2 液晶显示的成像原理

液晶显示器（LCD）利用液晶的这种特性，通过电极对液晶分子进行控制，从而实现显示。LCD由两块玻璃基板组成，中间夹有液晶层。玻璃基板上涂有透明电极，电极上施加电压后，液晶分子会发生取向变化，从而改变液晶层的透光率。

### 2.2 液晶显示的驱动方式

#### 2.2.1 静态驱动方式

静态驱动方式是一种简单的驱动方式，每个像素点都由一个独立的电极控制。当电极上施加电压时，液晶分子发生取向变化，从而实现显示。静态驱动方式的优点是响应速度快，但缺点是需要大量的电极，功耗较高。

#### 2.2.2 动态驱动方式

动态驱动方式是一种复用的驱动方式，利用时分复用技术，用较少的电极控制更多的像素点。动态驱动方式的优点是功耗低，但缺点是响应速度较慢。

**代码块：**

// 初始化液晶显示器
void lcd_init(void) {
    // 设置液晶显示器的参数
    lcd_set_contrast(0x30);
    lcd_set_bias(0x04);
    lcd_set_temp(0x20);
}

// 设置液晶显示器的对比度
void lcd_set_contrast(uint8_t contrast) {
    // 对比度寄存器地址
    const uint8_t CONTRAST_REG = 0x20;

    // 设置对比度值
    lcd_write_reg(CONTRAST_REG, contrast);
}

// 设置液晶显示器的偏压
void lcd_set_bias(uint8_t bias) {
    // 偏压寄存器地址
    const uint8_t BIAS_REG = 0x21;

    // 设置偏压值
    lcd_write_reg(BIAS_REG, bias);
}

// 设置液晶显示器的温度补偿
void lcd_set_temp(uint8_t temp) {
    // 温度补偿寄存器地址
    const uint8_t TEMP_REG = 0x22;

    // 设置温度补偿值
    lcd_write_reg(TEMP_REG, temp);
}

**代码逻辑分析：**

* `lcd_init()` 函数初始化液晶显示器，设置对比度、偏压和温度补偿等参数。
* `lcd_set_contrast()` 函数设置液晶显示器的对比度。
* `lcd_set_bias()` 函数设置液晶显示器的偏压。
* `lcd_set_temp()` 函数设置液晶显示器的温度补偿。

**参数说明：**

* `contrast`: 对比度值，范围为 0x00-0x3F。
* `bias`: 偏压值，范围为 0x00-0x0F。
* `temp`: 温度补偿值，范围为 0x00-0x3F。

**表格：液晶显示器驱动方式对比**

| 驱动方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 静态驱动 | 响应速度快 | 电极多，功耗高 |
| 动态驱动 | 功耗低 | 响应速度慢 |

**Mermaid 流程图：**

graph LR
subgraph 静态驱动方式
    A[电极] --> B[像素点]
end
subgraph 动态驱动方式
    A[电极] --> B[时分复用] --> C[像素点]
end

# 3. 单片机控制液晶显示接口

### 3.1 液晶显示接口类型

液晶显示与单片机的连接方式主要有并行接口和串行接口两种。

#### 3.1.1 并行接口

并行接口是一种最基本的接口方式，它使用多个数据线同时传输数据，数据线数量与液晶显示器的数据位数相对应。并行接口传输速度快，但需要占用较多的I/O端口资源。

#### 3.1.2 串行接口

串行接口是一种通过单根数据线逐位传输数据的接口方式。串行接口占用I/O端口资源少，但传输速度较慢。常用的串行接口类型有SPI接口、I2C接口和UART接口。

### 3.2 液晶显示接口驱动电路

为了与单片机连接，液晶显示器需要相应的驱动电路。驱动电路的作用是将单片机输出的信号转换为液晶显示器能够识别的信号。

#### 3.2.1 并行接口驱动电路

并行接口驱动电路主要由数据缓冲器和锁存器组成。数据缓冲器用于存储单片机输出的数据，锁存器用于将数据保持在液晶显示器的数据总线上。

#### 3.2.2 串行接口驱动电路

串行接口驱动电路主要由移位寄存器和时钟发生器组成。移位寄存器用于将单片机输出的串行数据转换为并行数据，时钟发生器用于提供移位寄存器的时钟信号。

### 3.3 液晶显示接口选择

液晶显示接口的选择主要根据以下因素：

- 数据传输速度：并行接口传输速度快，串行接口传输速度慢。
- I/O端口资源占用：并行接口占用I/O端口资源多，串行接口占用I/O端口资源少。
- 成本：并行接口驱动电路成本较高，串行接口驱动电路成本较低。

一般情况下，对于数据传输速度要求高、I/O端口资源充足的应用，选择并行接口；对于数据传输速度要求不高、I/O端口资源紧张的应用，选择串行接口。

# 4 单片机控制液晶显示编程

### 4.1 液晶显示初始化

#### 4.1.1 初始化液晶显示器

液晶显示器初始化是液晶显示控制的第一步，其目的是对液晶显示器进行复位、设置显示模式、设置显示参数等操作，使其进入正常工作状态。

**代码块 1：液晶显示器初始化**

void LCD_Init(void)
{
    // 复位液晶显示器
    LCD_RST_L;
    delay_ms(50);
    LCD_RST_H;
    delay_ms(100);

    // 设置显示模式
    LCD_WriteCmd(0x38); // 8位数据接口，两行显示，5x8点阵
    LCD_WriteCmd(0x0C); // 显示开，光标关，闪烁关
    LCD_WriteCmd(0x06); // 光标向右移，不显示光标
    LCD_WriteCmd(0x01); // 清屏
    LCD_WriteCmd(0x02); // 返回原点
}

**逻辑分析：**

* `LCD_RST_L`：将液晶显示器复位引脚置低，复位液晶显示器。
* `delay_ms(50)`：复位后延时 50ms，等待液晶显示器稳定。
* `LCD_RST_H`：将液晶显示器复位引脚置高，解除复位状态。
* `delay_ms(100)`：复位后延时 100ms，等待液晶显示器初始化完成。
* `LCD_WriteCmd(0x38)`：设置液晶显示模式为 8 位数据接口，两行显示，5x8 点阵。
* `LCD_WriteCmd(0x0C)`：设置显示开，光标关，闪烁关。
* `LCD_WriteCmd(0x06)`：设置光标向右移，不显示光标。
* `LCD_WriteCmd(0x01)`：清屏。
* `LCD_WriteCmd(0x02)`：返回原点。

#### 4.1.2 设置液晶显示参数

液晶显示参数包括对比度、亮度、偏置电压等，这些参数可以根据实际需要进行调整，以获得最佳的显示效果。

**代码块 2：设置液晶显示参数**

void LCD_SetContrast(uint8_t contrast)
{
    LCD_WriteCmd(0x21); // 设置对比度
    LCD_WriteData(contrast); // 对比度值范围：0x00-0x3F
}

void LCD_SetBrightness(uint8_t brightness)
{
    LCD_WriteCmd(0x20); // 设置亮度
    LCD_WriteData(brightness); // 亮度值范围：0x00-0x0F
}

**逻辑分析：**

* `LCD_WriteCmd(0x21)`：设置对比度命令。
* `LCD_WriteData(contrast)`：写入对比度值，范围为 0x00-0x3F。
* `LCD_WriteCmd(0x20)`：设置亮度命令。
* `LCD_WriteData(brightness)`：写入亮度值，范围为 0x00-0x0F。

### 4.2 液晶显示数据写入

#### 4.2.1 字符数据写入

液晶显示器可以显示字符，字符数据写入是将 ASCII 码写入液晶显示器，液晶显示器根据 ASCII 码显示对应的字符。

**代码块 3：字符数据写入**

void LCD_WriteChar(uint8_t ch)
{
    LCD_WriteData(ch);
}

**逻辑分析：**

* `LCD_WriteData(ch)`：将 ASCII 码 `ch` 写入液晶显示器。

#### 4.2.2 图形数据写入

液晶显示器也可以显示图形，图形数据写入是将图形数据写入液晶显示器，液晶显示器根据图形数据显示对应的图形。

**代码块 4：图形数据写入**

void LCD_WriteBitmap(const uint8_t *bitmap, uint8_t width, uint8_t height)
{
    uint8_t i, j;

    // 设置显示区域
    LCD_SetAddr(0, 0, width - 1, height - 1);

    // 写入图形数据
    for (i = 0; i < height; i++)
    {
        for (j = 0; j < width; j++)
        {
            LCD_WriteData(bitmap[i * width + j]);
        }
    }
}

**逻辑分析：**

* `LCD_SetAddr(0, 0, width - 1, height - 1)`：设置显示区域为从 (0, 0) 到 (width - 1, height - 1)。
* `for (i = 0; i < height; i++)`：遍历图形高度。
* `for (j = 0; j < width; j++)`：遍历图形宽度。
* `LCD_WriteData(bitmap[i * width + j])`：写入图形数据，`bitmap` 是图形数据数组，`i * width + j` 是当前像素在数组中的索引。

# 5. 单片机控制液晶显示应用

### 5.1 液晶显示时钟

**5.1.1 时钟显示原理**

液晶显示时钟的原理是利用单片机定时器或中断定时器产生定时中断，在中断服务程序中读取当前时间，并将其显示在液晶显示屏上。

**5.1.2 单片机时钟显示程序设计**

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_RW = P2^1;
sbit LCD_E = P2^2;
sbit LCD_D4 = P2^4;
sbit LCD_D5 = P2^5;
sbit LCD_D6 = P2^6;
sbit LCD_D7 = P2^7;

void delay(unsigned int t)
{
    while(t--);
}

void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd)
{
    LCD_RS = 0;
    LCD_RW = 0;
    LCD_D4 = (cmd >> 4) & 0x01;
    LCD_D5 = (cmd >> 5) & 0x01;
    LCD_D6 = (cmd >> 6) & 0x01;
    LCD_D7 = (cmd >> 7) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
    LCD_D4 = cmd & 0x01;
    LCD_D5 = (cmd >> 1) & 0x01;
    LCD_D6 = (cmd >> 2) & 0x01;
    LCD_D7 = (cmd >> 3) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
}

void LCD_WriteData(unsigned char data)
{
    LCD_RS = 1;
    LCD_RW = 0;
    LCD_D4 = (data >> 4) & 0x01;
    LCD_D5 = (data >> 5) & 0x01;
    LCD_D6 = (data >> 6) & 0x01;
    LCD_D7 = (data >> 7) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
    LCD_D4 = data & 0x01;
    LCD_D5 = (data >> 1) & 0x01;
    LCD_D6 = (data >> 2) & 0x01;
    LCD_D7 = (data >> 3) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
}

void LCD_Init()
{
    LCD_WriteCmd(0x38);
    LCD_WriteCmd(0x0C);
    LCD_WriteCmd(0x06);
    LCD_WriteCmd(0x01);
}

void LCD_DisplayTime(unsigned char hour, unsigned char minute, unsigned char second)
{
    LCD_WriteData(hour / 10 + '0');
    LCD_WriteData(hour % 10 + '0');
    LCD_WriteData(':');
    LCD_WriteData(minute / 10 + '0');
    LCD_WriteData(minute % 10 + '0');
    LCD_WriteData(':');
    LCD_WriteData(second / 10 + '0');
    LCD_WriteData(second % 10 + '0');
}

void main()
{
    LCD_Init();
    while(1)
    {
        unsigned char hour = 12;
        unsigned char minute = 30;
        unsigned char second = 0;
        LCD_DisplayTime(hour, minute, second);
        delay(1000);
    }
}

### 5.2 液晶显示温度计

**5.2.1 温度测量原理**

液晶显示温度计的原理是利用温度传感器（如LM35）将温度信号转换成电信号，然后通过单片机ADC（模数转换器）将电信号转换成数字信号，最后在液晶显示屏上显示温度值。

**5.2.2 单片机温度计程序设计**

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit LCD_RS = P2^0;
sbit LCD_RW = P2^1;
sbit LCD_E = P2^2;
sbit LCD_D4 = P2^4;
sbit LCD_D5 = P2^5;
sbit LCD_D6 = P2^6;
sbit LCD_D7 = P2^7;

void delay(unsigned int t)
{
    while(t--);
}

void LCD_WriteCmd(unsigned char cmd)
{
    LCD_RS = 0;
    LCD_RW = 0;
    LCD_D4 = (cmd >> 4) & 0x01;
    LCD_D5 = (cmd >> 5) & 0x01;
    LCD_D6 = (cmd >> 6) & 0x01;
    LCD_D7 = (cmd >> 7) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
    LCD_D4 = cmd & 0x01;
    LCD_D5 = (cmd >> 1) & 0x01;
    LCD_D6 = (cmd >> 2) & 0x01;
    LCD_D7 = (cmd >> 3) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
}

void LCD_WriteData(unsigned char data)
{
    LCD_RS = 1;
    LCD_RW = 0;
    LCD_D4 = (data >> 4) & 0x01;
    LCD_D5 = (data >> 5) & 0x01;
    LCD_D6 = (data >> 6) & 0x01;
    LCD_D7 = (data >> 7) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
    LCD_D4 = data & 0x01;
    LCD_D5 = (data >> 1) & 0x01;
    LCD_D6 = (data >> 2) & 0x01;
    LCD_D7 = (data >> 3) & 0x01;
    LCD_E = 1;
    delay(1);
    LCD_E = 0;
}

void LCD_Init()
{
    LCD_WriteCmd(0x38);
    LCD_WriteCmd(0x0C);
    LCD_WriteCmd(0x06);
    LCD_WriteCmd(0x01);
}

void LCD_DisplayTemp(unsigned char temp)
{
    LCD_WriteData(temp / 10 + '0');
    LCD_WriteData(temp % 10 + '0');
    LCD_WriteData('°');
    LCD_WriteData('C');
}

void main()
{
    LCD_Init();
    while(1)
    {
        unsigned char temp = 25;
        LCD_DisplayTemp(temp);
        delay(1000);
    }
}