51单片机带SD卡的彩屏手机界面模拟网络与

51单片机带SD卡的彩屏手机界面模拟网络与 赣 南 师 范 学 院 物理与电子信息学院 课程?51 单片机带 SD 卡的彩屏 手机界面模拟 姓名: 王金锦 班级: 08 电子 学号: 080803020 指导老师: 刘 小燕 时间: 2011 年 1 月 6 日 目 录内容摘 要 ................................................................................................... 1关键 词 ....................................................................................................... 1Abstract ................................................................................................... 1Keys ................................................................................................... 11 绪 论 ........................................................................................................ 22 系统设 计............................................................................................... 22.1 设计任务与要 求 .............................................................................. 22.2 的选择与论 证 .......................................................................... 33 系统硬件设 计 ...................................................................................... 33.1 主控制器模 块 ................................................................................... 53.2 小电源模 块 ....................................................................................... 63.3 喇叭音乐模 块 .................................................................................. 63.4 SD 卡初始化及读写模 块 ................................................................ 73.5 彩屏初始化及显示模 块 ................................................................. 93.6 硬件元件清 单 ................................................................................ 104 软件设计与仿 真 ................................................................................. 114.1 主程序设 计 ..................................................................................... 124.2 仿真软件简 介 ................................................................................ 134.3 仿真结 果 ........................................................................................ 164.4 系统调 试 ........................................................................................ 16结束 语 ..................................................................................................... 16参考文 献 ................................................................................................. 19 内容摘要:本设计中 采用国产宏晶科技公司的 STC12C5A60S2 高速单片机作主核心控制器，使用 128x160 分辨率彩屏液晶显示，能够显示图片、字符，个性化模拟手机界面，按键 操作，还带有各种显示特效，如文字的卷帘显示，单个单个打字显示。同时能够对 SD 卡 SPI 时序实现基本的扇区读写，将存储在其中的图片数据读取并在彩屏上显示出 来。还模拟了音乐播放机，有曲目列表、暂停、停止快进等，在其他任何操作时能 够后台播放音乐;由于两个 IO 口输出方波音乐，合成后有似手机铃声的和弦效果。 关键词:彩屏 STC SD 音乐播放 单片机 TFT Abstract : The crystal used in the design of domestic macro speedmicrocontroller technology companies STC12C5A60S2 decide the corecontroller use the 128x160 resolution color LCD display that can displaypictures characters individual analog phone interface the key operationbut also with the various display effects such as the shutter display texta single individual type display. SPI to SD card while the timing of thesector to achieve the basic reading and writing will be stored in one ofthe image data read and displayed on the color. Also simulated the musicplayer a track list pause stop fast forward etc. in any other operationcan play background music the two IO port output square wave music likeafter the synthesis of cell phone ringtones polyphonic effect. Keywords :ColorLCD STC SD Music SCM TFT 11 绪论 自 1947 年半导体时代的到来，如今已发展至顶峰状态。 单片计算机作为一种简易的处理器，在实际许多应用中不可或缺。现在发展较为成熟的 51 内核 8 位单片机，用其作为某一系统的控制核心，以其价廉性高的优势在市场上占有一大席之地。 电脑的操作系统从原来的纯黑白 DOS 到现在占大部分的 Windows Windows之所以能取代 DOS 成为一代主流操作系统，有一大原因是将处理器的内部工作以图形文字的形式展现给用户，人性化的视窗操作界面。本模块的设计，也同样可以应用到许多场合中，作为一种易操作、人性化的图形文字界面嵌入在各种控制系统中。本模块器件少，性价比高，处理速度快，界面易懂，可操作性强，功耗低。2 系统设计2.1 设计任务与要求2.1.1 设计任务 (1)设计一个手机界面模拟模块，模拟基本人机交互人性化界面; (2)在设计过程中，用计算机绘制电路图，使用仿真软件 Proteus、Keil C 进行仿真调试; (3)模块能够实现彩屏的图形、字符显示，及一些个性特效显示; (4)实现一般手机的可操作易操作交互界面，按键控制选择; (5)能够对 SD 卡内扇区数据进行读与写，并将位图图片数据在彩屏上显示出来，将操作过程中需要保存的数据存储在特定扇区中; (6)充分利用 51 单片机资源，带音乐播放机实现双通道输出合成至一个喇叭，并在其他任何操作时能后台播放; 22.1.2 设计要求 (1)彩屏液晶分辨率 128x160; (2)使 SD 卡进入 SPI 模式，以 SPI 时序指定扇区读写，SD 卡的容量最大能支持 2GB; (3)单片机为 5V 电压，彩屏、SD 卡 3.3V 电压，应适当稳压。 (4)模块快速启动，整体启动时间不超过 0.3 秒;一张 40Kb 的图片完成 SD卡读取彩屏显示不超过 0.4 秒;2.2 方案的选择与论证2.2.1 总体 方案一:采用各类数字电路来组成彩屏控制与 SD 控制系统，如选用 CPLD 等可编程逻辑器件。本模块所需接口比较多、速率要求快，且一般 CPLD 运行速度快、I/O 口也比较多;但是本方案程序比较复杂，灵活性不高，编程效率低，不利于系统的扩展，所需成本亦很高。 方案二:采用 51 系列单片机作为整机的控制核心，与彩屏、SD 卡安排好接口。51 单片机易开发，易编程，I/O 口足够，效率高，灵活性好，易于扩展，成本低。2.2.2 方案选择 综上所述，宜选择方案二，使用单片机来实现。3 系统硬件设计 本系统由小电源模块、按键模块、喇叭模块、SD 卡模块、彩屏模块，5 个模块组成，系统硬件构思组成框图如图 1 所示。 3 图1 整体硬件构思框图作出整体电路图如下(图 2)所示: 图 2 51 单片机带 SD 卡的彩屏手机界面模拟总电路图 43.1 控制器模块 本系统控制器芯片采用 STC 单片机，其管脚图和 8051 单片机一样通用的管脚，如图 3 所示。 图 3 STC12C5A60S2 单片机管脚图 本模块采用的 STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位 51 内核的微控制器。具有 60K Flash 程序存储器，1280 Bytes SRAM。本模块中程序有所复杂，需要大容量的程序存储器，及读写 SD 彩屏显示需要的大内存高速运行，足够所需的硬件要求。 STC12C5A60S2 的主要特性是:与 MCS-51 单片机产品完全兼容，是一种高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机;具有 60K 在系统可编程 Flash 存储器，1280Bytes SRAM;10000 次擦写周期;出产加密程序存储器，一般无法解密，以保障各种工程上的知识产权;除 32 个可编程 I/O 口线，还增加了 P4 口;1T 时钟，是普通 8051 单片机的 8-12 倍速;看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器;8 个中断源;一个 6 向量 2 级中断结构，全双工 UART 串行通道，自带上电复位电路、片内 R/C 时钟电路。低功耗空闲和掉电模式;掉电后中断可唤醒; 5有看门狗定时器;双数据指针。ISP(在系统可编程)/IAP(在应 用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过品行口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成程序下载。 另外，STC12C5A60S2 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。3.2 电源模块 本单片机为 5V 单片机，外部供电是 5V 的，而彩屏和 SD 卡模块均为 3.3V，使用 5V 电压，将会烧坏。故应对 5V 电源转为 3.3V 稳压。本设计中，使用一小电阻和 3.3V 稳压管串联稳压，3.3V 输出时加一小电容滤去纹波，以得到更好电压的效果，如图 4; 由于 SD 卡和彩屏一起工作时，需要较大电流，特别是 SD 卡模块。这要求稳压的电流输出大，带负载能力强。加一较大耐流三极管放大输出，分析得如图 5 的改进电源，以作为本模块电源。实际测试，前种方法不能使 SD 卡正常工作，改进方法才行。 6图 4 简易串联分压 3.3V 稳压电路 图5 改进型 3.3V 稳压电路3.3 喇叭音乐模块 由于只使用 51 单片机本身发出音乐，未使用其他音乐 IC 模块之类、也未用更强大的信号处理芯片，所谓音乐都是是方波级别的音乐。故不必用功放电路，利用 PNP 三极管即可驱动扬声器发声。扬声器使用一般 8 欧 0.5 瓦规格的小型喇叭。 要突破音乐的局限性，本设计中充分利用单片机资源，打开三个定时器以及实现双通道音乐输出及后台音乐播放。双通道要合成至一个喇叭上使用简易对接便可，如下图 6 所示。有的音乐使用两个声道，如五线谱大谱表中的高音谱和低音谱，图示中的主声道便是高音谱，低音谱作次声道。主声道音量级别应比次声道大，由实际测试效果知，次声道输出串一小电阻削弱其音量与主声道合成，效果更可观。 7 图 6 双通道方波合成音乐电路图3.4 SD 卡读写模块 SD 卡(Secure Digital Memory Card)中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理PDA和多媒体播放器等。 卡由日本松下、 SD 东芝及美国 SanDisk 公司于 1999 年 8 月共同开发研制。大小犹如一张邮票的 SD 记忆卡，重量只有 2 克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。 SD 卡 在 24mm×32mm×2.1mm 的 体 积 内 结 合 了 SanDisk 快 闪 记 忆 卡 控 制 与 MLC(Multilevel Cell)技术和 Toshiba(东芝)0.16u 及 0.13u 的 NAND 技术，通过 9 针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其上记忆的信息。而且它是一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。其引脚图示如表 1。 SD 卡支持两种总线方式: 方式与 SPI 方式。 SD 其中 SD 方式采用 6 线制，使用 CLK、CMD、DAT0DAT3 进行数据通信。而 SPI 方式采用 4 线制，使用 CS、CLK、DataIn、DataOut 进行数据通信。 方式时的数据传输速度与 SPI 方式要快， SD 采用单片机对 SD 卡进行读写时一般都采用 SPI 模式。采用不同的初始化方式可以使 SD 卡工作于 SD 方式或 SPI 方式。本设计只对其以 SPI 方式读写。 8 表1 SD 卡接口引脚定义 引脚 SD 模式 SPI 模式 编号 名称 类型 描述 名称 类型 描述 1 CD/DAT3 IO 或 PP 卡检测/ CS I 片选 数据线 3 2 CMD PP 命令/ DI I 数据输入 回应 3 VSS1 S 电源地 VSS S 电源地 4 VDD S 电源 VDD S 电源 5 CLK I 时钟 SCLK I 时钟 6 VSS2 S 电源地 VSS2 S 电源地 7 DAT0 IO 或 PP 数据线 0 DO O 或 PP 数据输出 8 DAT1 IO 或 PP 数据线 1 RSV 9 DAT2 IO 或 PP 数据线 2 RSV 所用单片机与 SD 卡的电 平不匹配，它们之间通信可能需要电平转换。但是，一般情况，这两种电平之间能够通用，TTL 的输出可以直接接 CMOS 的输入，CMOS 的输出接 TTL 的输入得看情况。因为所用的 51 单片机其输出电流很小，一般带负载能力很弱，故不用电平转换电路即可解决电平不匹配的问题。SD 卡要加一分流电阻与单片机 I/O 口相连。图 7 所示为 SD卡模块电阻分流解决电平问题电路。 图 7 SD 卡模块与单片机 I/O 口相连电路 93.5 彩屏显示模块 彩屏，这里所指的屏幕颜色实质上即为色阶的概念。色阶是表示手机液晶显示屏亮度强弱的指数 ，也就是通常所说的色彩指数。屏幕材质、色彩数、对比度、亮度等指标中显示屏的种类是核心参数，它在很大程度上决 定了其他几项参数。手机的彩色屏幕因 LCD 品质和研发技术不同而有所差异，其种类大致有 STN(CSTN) 、TFT(LTPS) 、TFD、UFB 和 OLED 几种。一般来说能显示的颜色越多越能显示复杂的图像， 画面的层次也更丰富。市面上常见到的彩屏手机通常有65536(65K)色、262144(26 万 )、1670 万色三种，级数越高的显示效果越好。 TFT (Thin Film Transistor 薄膜晶体管)是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种， TFT 在液晶的背部设置特殊光管，可以“主动”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这也就是所谓 的主动矩阵 TFT(active matrix TFT)的来历，这样可以大大提高反应时间，一般 TFT 的反应时间比 较快，约 80ms，而 STN 则为200ms。如果要提高就会有闪烁现象发生。而且由于 TFT 是主动式矩阵 LCD 可 让液晶的排列方式具有记忆性，不会在电流消失后马上恢复原状。 TFT 还改善了 STN会闪烁(水波纹) 模糊的现象，有效地提高了播放动态画面的能力。与 STN 相比TFT 有出色的色彩饱和度、还原能力和更 高的对比度，但是缺点就是比较耗电，而且成本也比较高。 有的彩屏基本上都是只内置了驱动器，而不带控制器，这样给用户的使用造成了一些难度。 基本上很多朋友在用彩屏时选择一些带 LCD 控制器的 ARM7 或 ARM9去开发，对于不会 ARM 开发的朋友来说，只使用普通 MCU，这样可以选择的 1.8寸 TFT 模块，就很难找到了。 本设计就是使用市场上一款比较实惠的 1.8 寸 TFT 彩屏， 我们只需要帮该 TFT模块当作普通的单色液晶的开发思路来使用，就可以很容易去编程。内部带控制器和寄存器，故找到其控制器资料，按照它规定的指令去编程便是。所用彩屏控制 IC是 S6B33BF;分辨率为:128x160;颜色数据:RGB565，16 位真彩色;虽然有 32个引脚，但是有些是空脚、电源、复位，我们只要用 16 根数据线，加上几根控制线。其引脚接口如下图示(图 8) 。 10 图8 1.8 彩屏液晶引脚接口 同样彩屏需要解决电平匹配问题，因为所用的 51 单片机其输出电流很小，一般带负载能力很弱，故不用电平转换电路即可解决电平不匹配的问题。3.3V 彩屏是可以直接与普通 51 单片机的 I/O 口相连而正常工作的。3.6 硬件元件清单 由上述硬件分析，列出系统元器件清单如下表 2: 11 表 2 系统元器件清单 器件 数量 器件 数量 STC12C5A60S2 1 彩屏(128x160) 1 独立按键 4 SD 卡及卡槽 1 自锁式开关 1 电容(100n) 1 排阻(10k) 1 电容(30p) 2 电阻(220) 4 叭(8 欧 0.5 瓦) 1 喇 无源晶振(32M) 1 电阻(100) 2 电容(22uF) 1 三极管 34 软件设计与仿真 本系统程序包括主程序、键盘中断子程序、SD 卡初始化读写子程序、彩屏初始化显示子程序、音乐播放子程序等。主程序里主要包含系统初始化，子程序调用等。 主程序中包含系统上电初始化，手机界面等待按键输出及对相应按键作出相应响应。键盘接入的外部中断，键盘中断子程序中判断哪个键，产生相应状态 变化，实现人机键盘交互。SD 卡子程序中用于上电对 SD 卡的 SPI 模式初始化，及读写子函数实现对 SD 卡扇区读写。彩屏程序用于彩屏显示，包含有彩屏的上电初始化、基本 8080 时序读写函数、画点函数、显示字符函数、图片显示函数、特定窗口开辟图文显示函数等。音乐播放的要用于音乐播放机中，包含三个定时器的初始化、音乐谱子存储定义及一些歌曲谱的数组，音乐播放函数与停止播放函数以便主程序中调用控制。4.1 主程序设计4.1.1 主程序 主程序中包含系统上电初始化，手机界面等待按键输出及对相应按键作出相应响应。键盘接入的外部中断，键盘中断子程序中判断哪个键，产生相应状态变化， 12实现人机键盘交互。开始只要调用其他子模块的初始化函数。 然后是显示主界面，有“SD 卡数码相册”、 “特效字体演示”、“音乐播放机”等选择条。待选中某项便进入其中，SD 数码相册中是能够看到预存储在其中的图片可以，是调用的 SD 卡相应扇区读写子程序及将读出的数据显示在彩屏上的过程。音乐播放机等其他都是调用的子程序中相应子函数来实现的。4.1.2 SD 卡初始化及读写 SD 卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI 的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高 SPI的速率。在刚开始要先发送至少 74 个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令 CMD0 与 CMD1，使 SD 卡进 (图 9)入 SPI 模式。初始化时序图: 图 9 主程序流程图 完成 SD 卡的初始化之后即可进行它的读写操作。SD 卡的读写操作都是通过发送 SD 卡命令完成的。SPI 总线模式支持单块(CMD24)和多块(CMD25)写操作，多块操作是指从指定位.