基于STM32F 103C8T6单片机的LCD显示系统设计*

杨 伟，肖义平

（湖北工业大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430068）

0 引言

随着社会的不断发展，人们对终端显示器的要求越来越高，体积小、重量轻、功耗低、清晰度高的LCD显示器无疑成为大家心中理想的选择[1]。与传统的CRT相比，基于单片机的LCD显示系统具有硬件结构简单、控制方便、成本低等优点，在现代嵌入式系统中已得到广泛的运用。本文设计了一种基于单片机STM32F103C8T6和LCD12864的液晶显示系统，可以实现字符、图形的显示，并在此基础上设计了一个贪吃蛇游戏实例。

1 系统硬件设计

LCD显示系统主要由单片机、LCD显示模块、电源模块、4×4矩阵键盘、通信接口电路组成。系统方框图如图1所示。

图1 系统方框图

系统电源部分可以使用5 V电源端口供电，再通过3.3 V稳压芯片ASM1117-3.3得到单片机与LCD显示模块所需电源。单片机采用ST公司的芯片STM32F103C8T6，4×4矩阵键盘作为系统的输入设备，采用LCD12864液晶显示模块作为系统的显示部分。单片机系统通过处理键盘输入数据后，根据不同的情况对显示屏发出不同的操作指令。通信接口电路主要是由芯片PL2303构成，它的功能主要是将电脑的USB接口转换为串口，同时还将PC的逻辑电平转换为与单片机系统相同的CMOS电平，方便程序的烧写以及与上位机的通信。

1.1 Keil MDK和单片机STM32F103C8T6简介

KeilMDK是德国Keil公司为基于Cortex-M、ARM7、ARM9等系列处理器提供的一款集成开发环境，支持程序的编辑、编译、链接以及在线调试等功能，可以自动配置启动代码，简单易学，性能优越，能满足大多数嵌入式应用[2]。

STM32F103C8T6是一款基于ARM32位的Cortext M3内核的单片机，2.0～3.6 V的宽电压供电范围，CPU工作频率最大可达72 MHz，具有单周期的乘法指令和硬件除法，以及优先级可编程的中断系统。同时它还具有64 KB的Flash存储器与20 KB的SRAM存储器，另外还集成了非常丰富的片内外设，如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC接口等，具有成本低、速度快、性价比高等优点。

1.2 液晶LCD12864显示模块

LCD12864液晶屏的数据接口是串行的，工作电压为2.8～5.5 V，像素为128×64，显示颜色为黑白色，背光颜色为蓝色，不带字库。模块内部采用的控制器为ST7565P，功耗非常低，在省电模式下的工作电流最大仅为5 μA，显示模块仅有8个引脚接口，占用主控制器的I/O数量少。LCD12864引脚说明如表1所示。

表1 LCD12864引脚说明

1.3 LCD12864与单片机STM32F103C8T6的硬件连接

单片机STM32F103C8T6与LCD显示模块的硬件连接非常简单，如图2所示。LCD12864引脚编号为1～5的控制端口可以直接与STM32F103C8T6单片机的GPIO口相连，第8引脚是LCD的背光电源端口，通过单片机的一个I/O口控制三极管的导通来控制背光电源的通断，从而节省功耗[3]。

图2 单片机STM32F103C8T6与LCD12864的硬件连接图

2 系统软件设计

系统软件设计主要包括LCD初始化、写数据、写命令，以及画点、字符显示等程序设计。液晶显示模块正常工作前，需要对其进行初始化，主要包括复位液晶、确定显示对比度、偏压比等参数，然后才能实现字符、图形以及其他的显示功能。在向液晶显示模块写入数据或者命令时，一定要注意写入的时序，只有严格地按照时序编写驱动程序才能正常工作。设计程序时，为了方便移植，可以将相关引脚的操作用宏封装起来，如将片选引脚拉低的操作可以用宏LCD_CS_0（）定义[4-5]。写数据命令的功能函数如下：

写数据功能函数voidLCD12864_WriteData（uint8 Dat）实现方法与写命令功能函数相同，只是打开片选后，选择的是写数据LCD_A0_1（）。

在设计LCD液晶驱动程序时，最基本的功能就是在屏幕的任意位置显示一个点，然后在此基础上实现更复杂的功能。但是每次写入的数据都包含了8个点的信息，而且该LCD显示模块没有读控制端口，不能通过读数据的命令了解其他7个点的状态，这样就不能达到最终的目的。为了解决这个问题，可以在单片机的内存区开辟一个数据空间，来记录显示器上每个点的显示情况，代码如下：

因为液晶模块未带字库，在字符显示前，需要将其字模存入单片机的程序存储空间中，然后在任意坐标显示一个点的基础上，实现字符的显示。8×16字符显示的驱动程序如下：

3 实例设计

以单片机STM32F103C8T6作为控制核心，在LCD12864驱动程序的基础上，实现了贪吃蛇游戏的功能。贪吃蛇游戏程序主要分为3个子程序模块，即键盘扫描模块、LCD12864驱动模块和贪吃蛇游戏数据处理模块。贪吃蛇程序流程图如图3所示。

图3 贪吃蛇程序流程图

游戏中的食物和蛇可以看作两个不同的对象，它们的属性可以用两个结构体变量来描述，然后根据游戏功能将整个大模块合理地划分为各个子模块，并编写相应的功能函数，供主模块函数调用。在设计程序时，定义蛇的最长长度为15，蛇运动区域的长为20个单位，宽为15个单位，即横坐标的坐标范围为1～20，纵坐标的坐标范围为1～15。贪吃蛇游戏中定义了食物结构体和蛇结构体变量。食物结构体定义为：

蛇结构体变量中定义了蛇体长度、蛇的等级和蛇的分数，具体定义为：

在贪吃蛇游戏的程序设计中，放置食物的程序会涉及如何获取随机数的问题，为了增加游戏的随机性，本次设计不采用伪随机数产生的方法，而是利用单片机的AD采样引脚在悬空的情况下采样，获得的AD值作为随机种子，然后通过一系列的运算来得到随机数，经过实践得知，此种方式得到的随机数更真实，效果很好。食物放置程序如下：

4 结论

STM32F103C8T6是一款高性能的单片机，LCD12864硬件接口简单，所占用单片机的I/O口资源非常少，单片机有足够的硬件资源供其他外设使用，显示系统可以作为其他嵌入式系统的一部分，运用于不同的显示场合；系统的程序设计采用的是C语言，其移植性非常好，模块化的设计思想可以在系统中灵活地扩展其他功能，满足不同的显示要求。

[1]刘金星，李洪文.基于高速单片机的液晶显示模块控制[J].液晶与显示，2011，26（1）：88-91.

[2]韩敬海，王蕊.Cortext-M3开发技术与实现[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[3]陈杨杨，陈梅.基于PIC18F458单片机的LCD显示[J].仪表技术，2005（4）：52-53.

[4]武俊鹏，张国印，姚爱红，等.基于ARM的嵌入式系统设计实验与实践教程[M].北京：清华大学出版社，2011.

[5]石红晓，吴光敏.基于Nios II处理器的TFT-LCD图形显示设计[J].微型机与应用，2010，29（18）：37-39.