作者 张小波
学习情境2-可调式数字钟
基于DS1302和LCD1602的可调数字钟
前面的任务中我们学会了使用DS1302，知道了如何在单片机系统中的连接，也详细的学习了如何得到DS1302的时钟，并且我们使用了16个数码管把年月日和时分秒实时地显示出来。但数码管的显示毕竟有其自身的缺陷，现在在工业控制的各个环节，都使用液晶进行人机联系。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。
本任务中，我们使用LCD1602液晶显示器芯片作为时钟显示的硬件，这将大大简化电路结构，当然，在软件设计方面就比数码管复杂得多了。通过本任务的学习。希望能掌握LCD1602的软硬件设计方法，为以后学习功能更强大的液晶芯片作好知识储备。
3.1任务设计要求和设计原理 一、设计要求
1、利用专用时钟芯片DS1302获得秒、分、时、日、月、年等时间单位。 2、用液晶显示芯片LCD1602实时显示时间 3、能通过外部按键调节时间
4、利用Proteus软件设计电路原理图、PCB图、并结合软件进行仿真测试 5、利用Keil软件设计C语言源程序，通过编译、链接后生成HEX文件
二、设计原理
本任务主要由单片机AT89C52、时钟芯片DS1302、液晶显示芯片LCD1602等元器件组成。单片机是整个系统的主控芯片，主要负责对时钟芯片内部数据进行读写、并把读取的数据处理后实时送给数码管显示；DS1302时钟芯片则产生本任务所需的时间： 秒、分、时、日、月、年这6个时间单元，DS1302通过串行方式与单片机相连，在该芯片的时钟及复位引脚信号的控制下实现与单片机的数据通信，同时，利用4输入与门和4个独立按键实行对时间的调节，可调节年、月、日、时、分等5个时间单元，星期时间的调节会自动进行。在时间的显示方面，使用了LCD1602，这大大简化了电路结构，LCD1602通过P0口与单片机相连，显示的时间数据均由单片机的P0口输出，P0口外接上拉电阻。
当系统上电后，LCD1602显示时间（在仿真条件下，可设臵为显示电脑时间），反复按下K1按键，可依次调节年、月、日、时、分，按下K2按键，可对相应时间进行加调节，按
作者 张小波
下K3按键，可对相应时间进行的减调节，按下确定按键K4，表示时间调节完毕。
3.2 硬件设计 一、硬件电路设计
本硬件系统电路包括：单片机最小系统（包含时钟电路、复位电路和电源电路）、LCD显示电路、按键调节电路和DS1302时钟电路。系统原理框图如下图所示：
按键调节电路 图3-1系统框图
时钟电路、复位电路、电源电路 8051 单 片 机 LCD显示电路 DS1302时钟电路
系统各部分电路结构简单，在此不一一单独介绍，只简单介绍LCD显示电路，其电路设计原理图如图3-2所示。
图3-2 LCD1602液晶显示电路
从图可知，液晶芯片LCD1602的D0-D7与单片机的P0口相连接，且也外接上拉电阻。引脚RS、RW和E分别与P2口的P2.O、P2.1和P2.2连接，当然你愿意的话也可以和其他未使
作者 张小波
用的端口相连。
其余电路不作介绍，本任务整体系统电路原理图如图3-3所示。
图3-3 整体系统电路原理图
二、 LCD1602技术资料
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
1、液晶显示原理：液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
2、液晶显示器的分类：液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。
作者 张小波
3、液晶显示器各种图形的显示原理：
线段的显示：点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位臵的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。
字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位臵对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位臵加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
1602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。一般1602字符型液晶显示器实物如图3-4：
图3-4 1602字符型液晶显示器实物图
1602LCD分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为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。
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，各引脚接口说明如表1所示:
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。
作者 张小波
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。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。
表1 1602LCD引脚接口说明
编号 符号 1 2 3 4 VSS VDD 引脚说明 电源地 电源正极 编号 符号 引脚说明 9 10 D2 D3 D4 D5 D6 D7 数据 数据 数据 数据 数据 数据 VL 液晶显示偏压 11 RS 数据/命令选择 12 读/写选择 使能信号 数据 数据 13 14 5 R/ W 6 7 8 E D0 D1 15 BL A 背光源正极 16 BL K 背光源负极 1602LCD的指令说明及时序 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2所示：
表2：控制命令表
序号 1 2 3 4 5 6 指令 复位显示器 光标返回 字符进入模式 显示开/关控制 光标或字符移位 功能设臵 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 功能 清屏，光标归位 变，光标移到左上角 * 设臵地址计数器清零，DDRAM数据不1 I/D S 设臵字符进入时的屏幕移位方式 D C B 设臵显示开关，光标开关，闪烁开关 * 设臵字符与光标移动 * 设臵DL，显示行数，字体 1 S/C R/L * DL N F * 7 设臵字符发生存贮器地址 0 8 9 设臵数据存贮器地址 读忙标志或地址 0 0 字符发生存贮器地址 设臵6位的CGRAM地址以读/写数据 显示数据存贮器地址 计数器地址 设臵7位的DDRAM地址以读/写数据 读忙标志及地址计数器 1 BF 0 10 写数据到CGRAM或DDRAM） 1 写入一字节数据，需要先设臵RAM地向CGRAM/DDRAM写入一字节的数据 址 读取入一字节数据，需要先设臵RAM从CGRAM/DDRAM读取一字节的数据 地址 11 从CGRAM或DDRAM读数据 1 1