基于单片机的LCD数字电流表的设计与实现

摘 要 ： 本文中数字电流表的控制系统采用AT89S51单片机，A／D转换器采用ADC0809为主要硬件，实现数字电流表的硬件电路与软件设计。该系统的数字电流表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化。数字电流表可以测量0～200 mA的8路输入电流值，并在LCD液晶显示屏上显示出来。

0 引言

在现实中，根据测试系统的要求，往往需要采集被测对象的各种参数，如电压、电流等，这些参数的采集是至关重要的，它们直接影响到整个测试系统的测试精度。在有些应用中，需要对电流进行检测，必须先将其电流信号转换为电压信号，然后才能实现A/D转换。常用的转换方法是在电路中加入精密电阻，由此将电流信号转换为电压信号[1]。这种方法的优点是测量简单方便，但是这种方法当电流很小时，从电阻上取得的电压值可能很小，影响测量精度，因而很难选择一个合适的阻值；其次，所得到的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器，从而增加了电路设计调试时的复杂度。因此，需要采用电流/电压转换芯片，并结合单片机以实现对电流信号的检测。本文中采用精密电阻，克服了常规测量电流方法存在的测量范围小、测量误差大等缺点，可提高测量精度，同时采用单片机可实现自动检测。

1 硬件电路设计

本设计旨在设计一款测量范围在0～200 mA、显示精度在小数点前一位的基于AT89S51单片机带液晶显示功能的电流表，经查阅多种相关资料，确定本设计的总体框图如图1所示。

图1所示电路工作过程：将需要检测的电流信号经过I/V变换变为电压信号，将其输出的电压信号连接到ADC0809进行A/D转换，电压信号经过采样后，输出到单片机，单片机控制中断的过程以及数据的读取过程，最后通过控制液晶显示所读取的数据。

1.1 I/V变换电路部分

对本设计来说，由于精度要求并不高，故用有源I/V即可满足要求，有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成的，如图2所示。

该有源I/V变换电路利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为：

若取R1=20 Ω，R2=100 kΩ，R3=100 kΩ，R4=25 kΩ，R5=10 kΩ，则当输入电流为0～200 mA时，对应于0～5 V的电压输出。

1.2 A/D转换模块

基于成本、功耗、分辨率、模拟电压转换范围等因素，此处选择ADC0809芯片。ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。在本设计中，选择中断方式，即把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

1.3 单片机模块

该电流表可测量0～200 mA的直流电压，通过电位器调节产生，显示位数3位[2]，工作电压5 V。通过A/D转换芯片ADC0809把模拟信号转换为数字量传送到单片机的P3口，并在P2口把转换的结果显示出来。在仿真软件Protesus[3]里选择元器件后连接电流表总图，如图3所示。

本设计选用的AT89S51是ATMEL公司推出的高性能8位微控制器，由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由AT89S51的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚的脉冲频率是8051时钟频率的1/6。本设计中单片机时钟频率采用6 MHz，则ALE输出的频率是1 MHz，二分频后为500 kHz，符合ADC0809对频率的要求。

1.4 显示部分

本电流表的显示[4]选择LCDl602型LCD，它具有电流小、功耗低、体积小、字迹清晰、美观、方便、使用寿命长、无电磁辐射等优点。从图3中可看出其与AT89S51的P0口相连，其DO～D7为8位双向数据线，VSS为地电源，VDD接5 V正向电源，VEE为液晶显示器对比度调整端，接正向电源时对比度最弱，而接地电源时对比度最高。该引脚通过一只1 kΩ的电位器来调整其对比度。RS为寄存器选择引脚，RS为高电平时选用数据寄存器；RS为低电平时选用指令寄存器。RW为可读写信号引脚，RW高电平时为读操作；RW低电平时为写操作。当RS和RW共同为低电平时则写入指令或者显示地址；当RS为低电平、RW为高电平时为读忙信号；当RS为高电平、RW为低电平时为写人数据。E为使能端，当E由高电平跳变为低电平时，LCD液晶模块开始执行命令。

2 电流表软件设计

本电流表的主程序流程包括：系统初始化、中断处理程序、数值转换程序、显示处理程序。较关键的是数据采集部分和显示部分。

2.1 数据采集部分

本部分程序设计的思想如下：首先由ADC0809采集数据，采集完成后单片机通过中断将数据读入，然后将所得十六进制数转换成十进制数，将此十进制数的百、十、个位分别取出，在预先设置好的表中查出其所对应的显示指令并显示出来。以下为数值转换的主代码[5]。

codes=PORT；//将中断值赋予codes

codes1=（codes&0xf0）>>4；//取出codes的高4位

codes0=codes&0x0f；//取出codes的低4位

code_d=codes1*16+codes0；//将codes转化为十进制数

bai=code_d/100；//将code_d的百位取出

shi=code_d/10%10；//将code_d的十位取出

ge=code_d%10；//将code_d的个位取出

2.2 数值显示程序

这部分程序首先要将单位mA显示出来，因为这单位是不变的。要把测得的数值在液晶屏上显示出来时，此处调用一个getchar函数。在这个函数中，用了一个do{}while语句。在此语句的一开头首先测试液晶模块是否空闲，若不空闲则等待其空闲，当液晶空闲时，执行嵌套switch/case语句。由于要显示三个数字，所以设定了一个变量i，当i=0时显示百位，当i=1时显示十位，当i=2时显示个位。显示数字时可选择查表法。先建立三个表，每一位对应一个表。以下为显示十位的例子。

case 1：

{

PA=TABLE2[shi*2+t]；

t++；

}break；

显示完成后，进行适当的延时以保证显示的稳定性。

3 结论

在本次设计中，通过使用Proteus绘制电路图，用C语言编写程序，程序运行完毕后，电压表的显示屏上就可以显示出电流数值来。调节电位器，显示数值就会发生变化。电压表的最小显示值是0 mA，最大显示值是200 mA，这与设计目的一致，1 s内大约可以测量2次电压值。

参考文献

[1] 柳金龙．浅谈数字电压表的特点[J]．中国计量，2004（8）：43-44.

[2] 王韬．3位半积分式A/D转换DC电压表[J]．电子设计工程：电子世界，2002（2）：44-45.

[3] 周润景，张丽娜．刘映群.PROTEUS入门使用教程[M]．北京：机械工业出版社，2007．

[4] 马俊，刘晓林．智能键盘字符输入及LCD显示系统设计[J]．电子设计工程，2009，17（1）：66-68.

[5] 马忠梅，籍顺心，张凯，等．单片机的C语言应用程序设计（第3版）[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．

透彻理解液晶显示模组LCD1602指令集与驱动编程（1）

LCD1602可以说是大多数单片机工程师了解液晶显示的入门级模组，其显示原理与其它很多显示模组也是相似的，今天我们就来详细讨论一下它的指令集。所谓模组的指令集，本质上是该模组使用的控制芯片的指令集，本文主要讨论基于HD44780芯片 的LCD1602。

其实在博客园的博文中，我已经整理了一篇关于LCD1602的文章（原作者已不可考），从技术角度来讲，这篇文章写得还是不错的，该讨论的地方都涉及到了，对LCD1602显示有兴趣的读者可以去阅读一下。但是大家可能都知道，曾几何时，某人曾经对兄弟夸了海口：要说写技术文章，我谁也不服（此剧情纯属虚构，如有雷同，实属巧合，哈哈～～）！所以我决定百尺竿头更进一步，使用另一种方式来探讨它们，Let's Go Go Go, Fire in Hole，不好意思，走神了。

为了本文的完整性，我们简单介绍一下HD44780中DDRAM的组织方式，如下图所示：

DDRAM（Display DataRAM）即“显示数据随机存取存储器”，一般我们简称为“显存”，简单的说，你往显存中写入什么，屏幕上就会显示什么。显示位置（Display position）表示DDRAM地址对应的屏幕位置。例如，显示位置1（屏幕左上角）对应DDRAM地址0x00（当然，这只是默认情况下 ）。

HD44780包含80个显存地址（第一行0x00～0x27、第二行0x40～0x67），也就意味可以显示最多80个字符。但是，我们使用的LCD1602只能显示2行，每行16个字符。换句话说，默认情况下 ，它只使用到了32个DDRAM地址（第一行0x00～0xF、第二行0x40～0x4F），相应的DDRAM地址与屏幕对应关系如下图所示（注意：两行DDRAM地址不是连续的 ）。

例如，你想在LCD左上角显示内容，就应该把数据写入到DDRAM地址0x00中，如果想在LCD右下角显示内容，应该把相应的数据写入到DDRAM地址0x4F中。总之，液晶显示屏上的内容与DDRAM地址是一一对应的。

当然，我们往DDRAM中写入数据是字模的地址 （而不是字模本身 ），具体屏幕上显示什么取决于字模地址中对应的字模。HD44780芯片已经预定义了一些字模，它们保存在一个称为CGROM（Character Generator ROM，字符生成只读存储器）的地方，简单的说，CGROM就是一个字库，相应的字模如下图所示（当然，还有一个CGRAM，它允许用户自定义字模，后续有机会再讨论）。

使用CGROM中预定义的字模非常简单，只需要把字模对应的地址写入到DDRAM即可。例如，你要显示小写字母“j”，我们就应该写入0b0110_1010（0x6A），其中0110表示高4位地址（Upper 4 Bits），1010表示低4位地址（Lower 4 Bits）。

好的，我们已经知道如何确定字模地址，那怎么来定位DDRAM地址呢？总不能乱写一通吧！HD44780内部有一个地址计数器（AddressCount, AC ），它保存的就是DDRAM（或CGRAM）的地址，我们通过指令就可以控制具体访问的DDRAM地址。

咱们来看看HD44780数据手册定义的指令集，后续的单条指令截图都可以从这里查到，如下图所示：

首先我们来看看“功能设置（Function Set）”指令，它用来设置与硬件相关的配置，功能设置不当可能会导致数据传输或显示不正常，所以“功能设置”指令通常也是发送给LCD1602的第一条指令，其中包含DL、N、F三个配置位，如下图所示：

DL 位（Data Length）选择数据总线的宽度为4位（DL=0）还是8位（DL=1），一般我们常用的还是8位总线。

N 位(Number)表示一行（N=0）还是两行（N=1）显示（它们对应的DDRAM地址是不一样的，有兴趣可以参考数据手册查阅一行显示的DDRAM组织方式），LCD1602当然应该设置为2行显示。

F 位（Font）表示显示的字体为5x8点阵（F=0）还是5x10（F=1），两行显示下只能显示5x8点阵，下图左侧给出了两种字体的区别（包含光标位置，右侧是光标闪烁时的状态转换）

我们决定使用8位数据总线给LCD1602发送数据，相应的指令应该为“0b11_1000（0x38） ”。

然后我们可以使用显示开关控制（Display on/offcontrol） 指令，之所以紧赶慢赶地先讨论它，是因为只要正确使用该指令，就可以打开显示并开启（闪烁）光标。在实际硬件调试时，能打开光标就意味着硬件的连接正常，且单片机往模组中写入的数据被正常接收（即写数据的时序正确），至此显示模组的驱动过程基本上已经完成了一半，接下来就是逐个指令调试的过程了。

显示开关控制指令可以设置D、C、B三位，HD44780数据手册对该指令的详细描述如下：

D位 (Display)是显示开关控制位，当D=1时显示开启，当D=0时显示关闭。当然，该位状态并不影响DDRAM中已经写入的数据，如果你反复开启与关闭显示，DDRAM中的内容仍然是不变的，因为本质上它只是控制液晶屏驱动时序是否生成。

C位 (Cursor)表示是否显示光标，当C=1时显示，当C=0时不显示光标。B位 (Blink)表示光标是否闪烁，当B=1时表示闪烁，当B=0时不闪烁。

假设我们需要打开显示，且开启光标闪烁，需要给HD44780的指令是什么呢？我们把显示开关控制（Display on/off control）指令重新剪贴如下：

打开显示需要设置D=1，显示光标需要设置C=1，而让光标闪烁需要设置B=1，也就是说，我们需要给HD44780发送指令“0xF ”。我们来看看VisualCom软件平台相应的仿真效果，如下图所示

VisualCom软件平台中“内存”与“寄存器”窗口中的数据取决于具体的调入元器件类型，一般的显示控制芯片（这里是HD44780）都会有，而像LED、数码管、按键之类器件则无。VisualCom软件平台有一个非常实用的功能，就是预置数据 ，它可以给当前选择的器件预置一些数据或命令，当你运行仿真之后，器件会先执行预置数据。

我们先调入“LCD1602”仿真器件，右击后在弹出的快捷菜单中选择“预置数据”项即可打开如下图所示对话框。

对话框中有一个表格，你可以插入想要的数据行，“类型 ”栏中可以是数据 或命令 ；“附加栏 ”是扩展项，对于HD44780是无效的；“十进制 ”与“十六进制 ”表示插入的具体数据或命令，两栏的数据完全一样，你往十进制写入15，十六进制中就会显示F，反之亦然，这可以方便不同的进制数据输入的场合；“自定义备注 ”栏可以为你插入的行做注释。

为了插入数据或命令行，你可以选择左下角的“插入数据”或“插入命令”按钮插入数据行，它们会在表格的结尾插入，你也可以右击后选择相应的选项，它可以在你点击的某行上方插入一行。当然，也可以对数据行进行移动、删除等操作，此处不再赘述

我们先插入一条“功能设置指令”（0x38 ），再插入了一条“显示开关控制指令”（0xF ），然后点击“单步运行”按钮，就可以看到液晶显示模组的左上角出现了一个闪烁的光标。同时我们注意到，“寄存器窗口”中的B、C、D位均为1。光标的位置由地址计数器（AC）决定 ，由于AC =0，所以光标出现在左上角。

执行“0xF ”指令后还显示了两行字符“join weixin mp XXXXX ”，我们可以查看“内存窗口”中对应的字模地址。例如，0x01地址中数据为0x6A，也就是小写字母“j”的字模地址，其它依此类推。我们买到的真实LCD1602模组当然不会显示这两行字，然而即便如此，我们通常也会习惯使用一条清屏指令（Clear Display） 清除屏幕的显示内容，因为上电之后DDRAM中的数据可能是乱码，相应的指令如下所示：

清屏，顾名思义，一旦执行该指令，屏幕上不会有任何内容显示。实际上，清屏指令把所有DDRAM地址中的数据都设置为0x20。

有些人可能会想：为什么不全部设置为0x00呢？因为前面已经提过，DDRAM中的数据代表的是字模地址 ，而不是字模本身 。我们看看前面的CGROM字模表，0x20（0b0010_0000）恰好对应一个空白的字模（实际上，0x20就是空格的ASCII码），这样也就可以清除屏幕显示。

我们在之前的预置数据后再添加了一条指令“0x1 ”，单步运行后的效果如下图所示：

可以看到，“内存窗口”中的有DDRAM地址的数据全部都修改为0x20，但是原来光标状态还是不变的，该显示的显示，该闪烁的还是闪烁，因为光标不属于显示内容，只不过其位置总会回到左上角（如果原来没在左上角的话），数据手册对此已经明确说明，如下图所示：

这段说明中还提到了I/D 位(Increment/Decrement)与S 位（Shift），这就要涉及到另一条“进入模式设置（Entry mode set） ”，如下图所示。

前面我们不是说过，想往哪个DDRAM地址写数据就需要先设置AC 吗？现在我们要写一行16个字符，如果每写一个字符都要使用指令设置一下DDRAM地址，是不是很麻烦？HD44780允许我们往（从）DDRAM地址写（或读）数据后，将AC 自动加1（I/D=1）或减1（I/D=0），这样如果你要写一行字符，只需要确定首地址就可以了，是不是很方便？由于光标的位置取决于AC ，如果光标显示已经打开，当你往DDRAM连续写入字符时，光标位置也会随之移动。

现在我们要从左上角开始写入字符串“dzzzzcn”，首先从CGROM字模表中找到小写字母“d”、“z”、“c”、“n”对应的字模地址分别为“0x64 ”、“0x7A ”、“0x63 ”、“0x6E ”、，然后在VisualCom软件中再接着添加7个预置数据，即“0x64”、“0x7A”、“0x7A”、“0x7A”、“0x7A”、“0x63”、“0x6E”，如下图所示：

运行后的效果如下图所示：

有人可能会想问：没看到你使用DDRAM地址设置指令呀？也没有使用“进入模式设置”指令设置地址增加模式，怎么它就会从左上角（0x00）开始写起呢？因为我们已经使用的清屏指令，它会把AC 清零，并且它还会将I/D 位设置为1（地址增加模式）。

S位 用来控制移屏功能的开启与否。移屏是个神马东西？其实跟卷屏差不多，只不过卷屏通常是显示内容上下卷动，而HD44780只有两行，它的移屏方向要么左（I/D=1）要么向右（I/D=0），你想要开启它，只要将S位设置为1即可，数据手册说明如下：

注意该段说明中有句话：如果S=1，看起来光标没有移动但屏幕移动了 。这是什么意思呢？我们仿真一下不就知道了，将预置数据修改如下：

我们只是在写数据前插入了一条“进入模式设置”指令（0x5 ），它打开了移屏功能，并且将I/D设置为0。也就是说，每往DDRAM写一个数据，地址会自减1，而且会往右移屏。

我们来看看相应的仿真效果，如下图所示。

运行结果似乎有点耐人寻味？怎么会是这样的呢？其实并没有错，因为我们设置了地址自减模式，而清屏后的AC =0，那么你再写一个数据，它减到哪里去了？就跳到第一行DDRAM的尾地址0x27（而不是0xF）。我们前面已经提过，LCD1602只使用了32个DDRAM地址（第一行0x00～0xF、第二行0x40～0x4F），所以在正常情况下，当你往DDRAM地址0x27写入字模地址时，屏幕上是不会显示相应的字模，对不对？

但是由于你开启了右移屏指令，当你写第一个字母d的时候，AC 指向了DDRAM地址0x27，同时往右移了一次屏，所以此时屏幕最左侧对应的DDRAM地址就是0x27（第一行）与0x67（第二行），而不再是原来的0x0与0x40，更不是正常情况下LCD1602最右侧对应的DDRAM地址0xF与0x4F。

当你全部写完“dzzzzcn”字符串后，光标所在的位置（AC ）就是0x21。也就是说，你写7个字符的同时也往右移了7次屏。看到没有，光标原来的位置并没有改变就是这个意思。

如果我们把地址模式改为自加模式（“进入模式指令”为0x7 ），写入同样的数据会出现什么结果呢？自加模式下为左移屏，每写一次数据左移一次，所以最后的结果应该是：从显示屏上来看，相当于什么都没写 。我们来看看仿真的结果，如下图所示：

好像跟清屏后的效果一样呀！但是请注意，现在的AC值为0x7 ，从“内存窗口”可以看到，DDRAM地址0x00～0x07中还是写入了“dzzzzcn”的字模，只不过由于写数据的同时往左移了7次屏，所以看起来好像什么都没写一样。

好的，剩下的指令我们后续有机会再来讨论吧，么么哒～～

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