中国计量学院
毕业设计（论文）
题目：液晶触摸屏系统开发
二级学院信息工程学院
专业电子信息工程
班级
姓名
指导教师
2006年5 月29 日
摘要
触摸屏作为一种全新的输入设备，具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，我们用户只要用手指轻轻地指碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当。液晶显示器因其功耗低、重量轻而成为便携式应用中的主流技术。点阵式液晶显示器（LCD）不仅可以显示数字、字符，还可以直接显示汉字以及图形曲线，实现屏幕菜单人机对话操作。本文主要介绍了以FM7843为控制器的触摸屏和以SED1335为控制器的液晶屏的原理及其与单片机8051的接口设计，以此来阐述液晶触摸屏系统的设计原理及其实现方法。
本次设计主要实现的功能是液晶屏上显示汉字和字符，用触摸屏控制液晶屏的显示，液晶屏设计了四页显示汉字及字符，按触摸屏的按键可以翻页来查看每页液晶屏显示的内容。
关键词：触摸屏；单片机；液晶屏；FM7843；SED1335
Abstract
Touchescreen as one kind of brand-new input device, has durable, the reaction rate firmly quick, the economical space, is easy to exchange and so on many merits. Using this kind of technology, our user so long as gently refers with the finger bumps on the computer display monitor the chart symbol or the writing can realize to the main engine opraation,thus cause the man-machine to be alternately straightforwarder.
The liquid-crystal display is low, the weight lightly because of its power loss becomes in the portable application the mainstream technology.The lattice type liquid-crystal display (LCD) not only may demonstrate the numeral, the character, but also may directly demonstrate the Chinese character as well as the graph curve, realize the screen menu man-machine dialogue operation.This article mainly introduced as the controller touches the screen and take SED1335 take FM7843 as the controller liquid crystal screen principle and its with the monolithic 8051 connections design, by this elaborated the liquid crystal touches the screen system the principle of design and its the realization method .
This design main realization function is on the liquid crystal screen demonstrated the Chinese character and the character, with touched the screen control liquid crystal screen the demonstration, the liquid crystal screen has designed four pages of demonstrations Chinese characters and the character, according to touched the screen the pressed key to be allowed to turn the page to examine each page of liquid crystals screen demonstration the content.
Keyword:toughscreen;microcontroller; liquid-crystal display;FM7843;SED1335
目录
0.前言 (1)
1.设计要求 (2)
2.系统的硬件介绍 (3)
2.1触摸屏的硬件介绍 (3)
2.1.1触摸屏的介绍及其组成结构 (3)
2.1.2触摸屏控制器的介绍及其应用 (5)
2.2液晶屏的硬件介绍 (7)
2.2.1液晶显示模块控制介绍 (7)
2.2.2 SED1335与MPU的接口 (10)
2.2.3液晶显示控制电路特性 (10)
2.3系统的原理与接口介绍 (11)
2.3.1单片机与触摸屏控制器接口 (11)
2.3.2单片机与液晶控制器接口 (12)
2.3.3其他接口介绍 (13)
3.系统的软件接口介绍 (15)
3.1触摸屏的软件接口介绍 (15)
3.2液晶显示控制器SED1335的软件接口特性 (18)
4.总体方案 (20)
5.系统的工作流程及功能介绍 (21)
5.1系统的工作流程 (21)
5.2系统实现的功能 (22)
5.2.1触摸屏内部控制器的转换原理 (22)
5.2.2系统实现的功能 (24)
参考文献 (26)
致谢 (27)
附录 (28)
附录A (28)
附录B (37)
附录C (39)
0.前言
触摸屏具有方便直观、图象清晰、坚固耐用和节省空间等优点。目前，各发达国家也都积极投入触摸屏的研制和开发，触摸平5也从低档向高档逐步升级和发展：从电阻式、红外线式走向电容感应式和表面声波式，性能越来越可靠，技术越来越先进，应用面也越来越广。触摸屏应用于小型个人信息携带设备、信息家电设备、公共信息系统、通讯设备、办公自动化设备、信息收集设备、工业用设备等。
触摸屏的兴起宣告了个人化新计算机时代的来临，它以优异的操作特性及使用便利应用在许多方面，使得各项信息设备使用更为容易，并扩大了可应用的范畴。在没有其他更优异的输入方式挑战下，触摸屏未来数年内将成为信息设备的标准配备之一。
现在，信息技术已经发展成举足轻重的产业，并将成为包括我国在内的许多国家的支柱产业。其中特别是LCD、彩色等离子体平板显示等先进的平板显示技术产业化的发展迅猛，和传统的CRT相抗争。尤其是LCD显示器在电子计算机、通信机、导航设备、电视电话以及航空、航天、军事应用中，均具有很大的优势，居主导地位。
我们研究的课题是液晶触摸屏系统的开发，适合现在技术的发展。对于我们要了解液晶触摸屏方向有一定的意义。
1.设计要求
本次设计的题目为：液晶触摸屏系统开发。因此首先要了解触摸屏以及液晶屏的工作原理，最重要的是要先掌握触摸屏控制器和液晶控制器两块芯片的使用。触摸屏控制器使用的是FM7843四线电阻式触摸屏输入控制芯片；该芯片与触摸屏可以简单地由四根线连接，而与单片机连接则比较复杂，需要通过SPI串行通信协议来实现两块芯片的连接，其中也包括了几处软件的接口。液晶屏控制器使用的是由日本EPSON公司生产的一款液晶显示屏控制器：SED1335，通过16个引脚与单片机8051连接，从而完成软件来驱动液晶屏显示。
此次设计要完成的功能是：液晶用于按键的作用，整个液晶屏被分成12个按键（具体原理下面阐述），液晶显示由软件编入四页汉字及字符显示，按下触摸屏上的按键，液晶屏的显示就会实行往下翻页显示的功能，按另外的按键，液晶屏显示会实行返回上页显示内容的功能。
2.系统的硬件介绍
2.1触摸屏的硬件介绍
2.1.1触摸屏的介绍及其组成结构
触摸屏由于其轻便、占用空间少、方便灵活等优点，己经逐渐取代键盘成为嵌入式系统的常选用的人机交互工具。触摸屏按其技术原理可分为五类:矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。
典型触摸屏的工作部分一般由三部分组成，如图2.1.1所示：两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。阻性导体层选用阻性材料，如铟锡氧化物（ITO）涂在衬底上构成，上层衬底用塑料，下层衬底用玻璃。隔离层为粘性绝缘液体材料，如聚脂薄膜。电极选用导电性能极好的材料（如银粉墨）构成，其导电性能大约为ITO的1000倍。
图2.1.1 触摸屏结构
电阻式触摸屏是一块4层的透明的复合薄膜屏，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开。当手指触摸屏幕时，两导电层的触摸点处接触。如下图2.1.2所示。
图2.1.2触摸屏的触摸示意图
触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面，在每个工作面的两端各涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极。触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2.1.3所示。
图2.1.3工作时的导体层
当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标,即当在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y 方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y+(或
Y-)电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X+电极的电压，便可得知触点的Y坐标。比如，在顶层的电极(X+,X－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(X+)之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极（Y+,Y－）上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。四线式触摸屏的X工作面和Y工作面分别加在两个导电层上，共有四根引出线，分别连到触摸屏的X电极对和Y 电极对上。在触摸点X、Y坐标的测量过程中，测量电压与测量点的等效电路如图2.1.4所示，图中P为测量点。
图2.1.4测量关系
2.1.2触摸屏控制器的介绍及其应用
在该系统中触摸屏采用突破光电公司生产的Turbo T4四线电阻式触摸屏，具有4096 X 40%的分辨率，足够胜任汉字的书写和辨识。
触摸屏控制器要完成两件事情:其一，是完成电极电压的转换;其二，是采集接触点处的电压值(即A/D )
触摸屏控制器采用上海复旦微电子的FM7843四线电阻式触摸屏输入控制芯片。该芯片内置12位模数转换器、并具有同步串行数据接口，和触摸屏驱动电路。采用SSOP-16引脚封装形式，温度范围是一400c十850c。具有两个辅助输(IN3.IN4 )，可设置为8位或12位模式。供电电压2.7-5 V，参考电压VREF为1V一+VCC，转换电压的输入范围为0- VREF,最高转换速率为125 kHz。基准电压确定了转换器的输入
范围，输出数据中每个数字位代表的模拟电压等于基准电压除以4096。平均基准输入电流由FM7843的转换率来确定。该芯片有Shutdown模式，在该模式下功耗可降低至0.5pWa FM7843的引脚配置如图2.2所示。
图2.1.5FM7843引脚排列图
各引脚的功能说明见表2.1.1。
表2.1.1FM7843引脚功能说明表
FM7843的控制字如表2.2所列，其中S为数据传输起始标志位，该位必为“1"。A2-AO进行通道选择，MODE用来选择A/D转换的精度，“1”选择8位，“0”,选择12位。SER//DFR选择参考电压的输入模式，“0”选择差分工作模式，“1”选择单端工作模式。PD1、PDO选择省电模式:“00”省电模式允许，在两次A/D转换之间掉电，且中断允许；“O1”同“00”，只是不允许中断;“10”保留;“11”.禁止省电模式。
表2.1.2FM7843的控制字
由于X+输入引脚与PENIRQ中断输出相连，因此在X+上的噪声可能引起触摸屏的错误触发。因此一方面可以在PENIRQ引脚上接一个RC滤波电路，另一方面也可以在软件中将野值去除。
微处理器通过P1口、中断和TO口与触摸屏采用同步串行方式(Serial Peripheral Interface, SPI)通讯。其外部连接电路如图2.1.6所示。
图2.1.6
2.2液晶屏的硬件介绍
2.2.1液晶显示模块控制介绍
液晶显示模块(LCD)具有功耗低、体积小、重量轻等许多优点，被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。液晶显示模块可以分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和
数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求:而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字。
这次选用的液晶屏是以SED1335为控制器的液晶显示屏MGLS320240。具有高分辨率(点为0.27mm×0.27mm)、高对比度FSTN、高可靠性、低功耗、低价格等优点，特别适用于数控机床、PDA、掌上电脑、游戏机等产品。
SED1335控制器是由日本EPSON公司生产的一款液晶显示屏控制器，最大驱动能力为640×256点阵，与同类产品相比，功能最强。其主要特点有：
?有较强功能的I/O缓冲器；
?指令功能丰富；
?四位数据并行发送；
?图形和文本方式混合显示。
图2.2.1为SED1335的引脚图，2.2.2为SED1335的电路原理图。
图2.2.1SED1335引脚图
图2.2.2 SED1335电路原理图
SED1335硬件结构可分为MPU接口、控制部分和驱动LCM部分，结构如图2.2.3所示。
图2.2.3 SED1335硬件结构图
接口部分具有功能较强的I/O缓冲器，MPU访问SED1335不需要判其“忙”，SED1335可随时接受MPU的访问，并及时地把MPU发来的指令、数据传输就位；控制部分由振荡器、功能逻辑器、显示RAM管理电路、字符库及驱动时序电路的时序发生器组成；驱动部分具有各显示区的合成显示能力，传输数据的组织功能及产生液晶显示模块所需的时序。
2.2.2 SED1335与MPU的接口
SED1335接口部分由指令输入寄存器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志寄存器组成，通道的选择由引脚A0和读写操作信号联合控制，如图2.2.4所示。
图2.2.4SED1335和MPU接口
DB为数据总线，可以直接连在MPU数据总线上；CS为片选信号，低电平有效；A0为I/O缓冲器选择信号，为1时，写指令代码或读数据，为0时，写数据、参数；RD、WR分别为读操作信号和写操作信号，低电平有效。
2.2.3液晶显示控制电路特性
SEDl335控制部具有较强的管理显示存储器的能力。控制部能分区管理64K的显示存储器，可以同时管理三个或四个显示区，并同时能管理自定义字符发生器。
显示区根据其数据的性质可以具有两种特性:
1. 文本显示特性
拥有该特性的显示区专用于文本方式显示使用。在该显示区内的单元的数据均被认为是字符代码。这个字符代码作为字符发生器地址的一部分实现对字符发生器的寻址，以取得相应的字符字模数据，送至液晶显示驱动系统显示。
2. 图形显示区
拥有该特性的显示区专用于图形方式显示使用。在该显示区内的单元的数据被认为是8点位的显示数据，直接送入液晶显示驱动系统显示。
控制部能够同时管理三个或四个显示区。每个显示区都拥有自己的显示特性。这里将这四个区定义为第一显示区L1，第二显示区L2，第三显示区L3和第四显示区L4。SEDl335以第一显示区和第二显示区为主显示区，第三显示区和第四显示区为辅显示区。在控制单屏结构液晶显示驱动系统时，SEDl335可以分别或同时使用第一，第二和第三显示区。在此情况下，第一，第二显示区仅管理显示屏上半屏的显示数据，第三，第四显示区管理显示屏下半屏的显示数据，并规定第一和第三显示区合成为一控制全屏显示，第二和四显示区合成为一控制全屏显示。图
3.3.1给出了显示区的划分与单屏的关系。
图2.2.5显示区的划分与单屏结构液晶显示屏面的对应关系
2.3系统的原理与接口介绍
2.3.1单片机与触摸屏控制器接口
整体的原理图和PCB版图见附录B。
单片机与触摸屏控制器的接口是用了SPI串行通信协议，其接口的具体电路图如下2.3.1所示。
图2.3.1单片机与触摸屏接口原理图
单片机的P1.0口和FM7843的外部时钟输入DCLK相连；P1.1口和FM7643的片选线/CS相连；P1.2口和FM7843的数据输入DIN相连；P1.3口和FM7843的BUSY 线相连；P1.4口和FM7843的数据输出线DOUT相连。FM7843的中断口和单片机的外部中断口INT1相连。
系统上电后,单片机选中FM7843后,判断触摸屏上手指点是否接触,若无接触则FM7843继续进行扫描,若有接触则FM7843向单片机发送中断请求。8051向FM7843发送X坐标的控制字，使触摸屏上X的坐标通过FM7843送给8051，接着以同样的方式把Y的坐标送给8051。这一过程都是通过FM7843与单片机的这几个接口实现的。
这样选择接口是根据上文中提到的SPI串行通信协议来定的。当然，这几根主要的接口线并不是固定为P1.0、P1.1、P1.2和P1.3，只要接在P1口 8个引脚中的任意四个就可以实现。
2.3.2单片机与液晶控制器接口
单片机与SED1335连接的电路图如图2.3.2所示。
图2.3.2单片机与液晶控制器接口原理图
SED1335数据线DB0-DB7直接与8051的P0口相连；SED1335的8脚接反复位电路，是液晶屏的复位信号，低电平有效；控制器的I/O缓冲器选择信号A0用8051的P2.5相连；控制器的片选线与8051的P2.6相连；SED1335的读和写控制信号/WR和/RD与8051的/WR和/RD相连。
2.3.3其他接口介绍
MCS-51单片机工作时,P0口分时作地址/数据复用总线。在作地址线时，给出存储单元的低8位地址，作数据总线时，在CPU与存储器之间传送数据或指令信息。为保证系统正常工作，P0口应通过地址锁存器与存储器的低8位地址相连，以保持存储器的低8位地址。设计中用到的74LS373的作用是锁存低八位地址。
设计中的存储器为DS1225Y，它的主要功能是存储触摸屏上触摸到的X，Y的地址，使得前一点触摸过的位置的光标的地址能容易地被软件调用。它的另外一个重要的功能是在掉电后，存储器能存储原来送入的地址，不会让保存的数据丢失。因此，在上电之后，液晶屏上仍可以显示掉电前的内容。其连接图如 2.3.3所示。
图2.3.3DS1335Y接口图
8051的18和19脚之间以内时钟方式接了一个时钟电路。它利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1，XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可以观察到XTAL2输出的正弦波，定时元件采用了石英晶体和电容组成的并联谐振电路，其连接方法如图2.3.4所示。所选的晶体为12MHz,电容为20pF，两个电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。在设计制板时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，采用的是瓷片电容。
图2.3.4时钟电路图
除了时钟电路之外,设计中还采用了上电自动复位电路。在上电自动复位的瞬间，电容两端电压不能突变，+5V电压通过电阻给电容充电，慢慢地电容的电压达到+5V，实现复位功能，其电路图也如图2.3.5所示。
图2.3.5复位电路图
3.系统的软件接口介绍
3.1触摸屏的软件接口介绍
SPI(Serial Peripheral Interface--串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOST 和低电平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线，因此，采用SPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。由此可见，在MCS51系列等不具有SPI接口的单片机组成的智能仪器和工业测控系统中，当传输速度要求不是太高时，使用SPI总线可以增加应用系统接口器件的种类，提高应用系统的性能。
利用SPI总线可在软件的控制下构成各种系统。如1个主MCU和几个从MCU、几个从MCU相互连接构成多主机系统（分布式系统）、1个主MCU和1个或几个从I/O设备所构成的各种系统等。在大多数应用场合，可使用1个MCU作为控机来控制数据，并向1个或几个从外围器件传送该数据。从器件只有在主机发命令时才能接收或发送数据。其数据的传输格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。SPI总线接口系统的典型结构如图3.1.1所示。
图3.1.1SPI总线典型组成结构
当一个主控机通过SPI与少L种不同的串行1/0芯片相连时，必须使用每片的允
许控制端，这可通过MCU的1/0端口输出线来实现。但应特别注意这些串行1/O芯片的输入输出特性:首先是输入芯片的串行数据输出是否有三态控制端。未选中芯片时，输出端应处于高阻态。若没有三态控制端，则应外加三态门。其次是输出芯片的串行数据输入是否有允许控制端。只有在此芯片允许时，SCK脉冲才把串行数据移入该芯片;在禁止时，SCK对芯片无影响。若没有允许控制端，则应在外围采用门电路对SCK进行控制，然后再加到芯片的时钟输入端;当然，也可以只在SPI总线上连接1个芯片，不再连接其它1/0芯片。
对于不带SPI串行总线接口的MCS51系列单片机来说，可以使用软件来模拟SPI 的操作，包括串行时钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时钟输出口P1.1的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P1.1为0。这样，MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至MCS51单片机的P1.3口（模拟MCU的MISO线），此后再置P1.1为1，使MCS51系列单片机从P1.0（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0，模拟下1位数据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据(MCU发送1位数据)，从而完成1位数据的传送。
图3.1.2 SPI总线接口原理图
图3.1.2所示为MCS51系列单片机与存储器X25F008（E2PROM）的硬件连接图，图3.1.2中，P1.0模拟MCU的数据输出端（MOSI），P1.1模拟SPI的SCK输出端，P1.2模拟SPI的从机选择端，P1.3模拟SPI的数据输入端（MISO）。下面介绍用MCS51单片机的汇编语言模拟SPI串行输入、串行输出和串行输入/输出的3个子程序，实际上，这些子程序也适用于在串行时钟的上升沿输入和下降沿输出的其它各种串行外围接口芯片（如A/D转换芯片、网络控制器芯片、LED显示驱动芯片等）。对于下降沿输入、上升沿输出的各种串行外围接口芯片，只要改变P1.1的