《单片机技术及 仿真与应用》-10

１０.１ＬＥＤ点阵１０.１.１ＬＥＤ点阵概述ＬＥＤ点阵又称为ＬＥＤ电子显示屏，是由许多个半导体发光二极管作为像素点均匀排列组成的，可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境，还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。ＬＥＤ显示屏用不同的材料可以制造不同色彩的ＬＥＤ像素点，目前应用最广的是红色、绿色、黄色。ＬＥＤ显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由ＬＥＤ矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、ＶＣＤ节目以及现场实况。ＬＥＤ显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其他公共场所。下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵１０.１.２ＬＥＤ点阵的结构和工作原理日常生活中，使用最多的是８×８ＬＥＤ点阵，其外观图如图１０.１（ａ）所示，它是其他各种组合的基础，市面上绝大部分尺寸的ＬＥＤ点阵都是由８×８的ＬＥＤ点阵作为基本单位组成的，因此本章主要讲解８×８的ＬＥＤ点阵。８×８ＬＥＤ点阵是由６４个ＬＥＤ发光二极管组成８行８列的一个器件，同一行中的各二极管将相同的引脚连接在一起，同一列中的二极管将另外相同的引脚连接在一起，这样，每行引出一条共用线，每列引出一条共用线，一共是１６条线，如图１０.１（ｂ）所示。上一页下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵以８×８ＬＥＤ点阵为例，如图１０.２所示，假如要显示数字“２”，根据点阵编码方式只需要将图中黑色表示的二极管依次点亮即可。１０.１.３ＬＥＤ点阵的编码方式及显示实例由８×８ＬＥＤ点阵原理图可知，每一条行线是同一行中８个二极管的共用线，每一条列线是同一列中８个二极管的共用线，当某个二极管所在的行和列实现电压导通的时候，此二极管才能点亮。而每个要显示的数字或汉字对应的若干个二极管分布在不同的行和列，无法同时点亮，但可以同时对同一行中的若干个二极管进行操作，因此需要采用循环扫描方式逐行点亮相应位置的二极管。上一页下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵对于每一行而言，每过一段时间（一般为若干毫秒）被扫描一次，并使本行中被点亮的二极管持续一段时间（一般不超过５０ｍｓ），如此一来，虽然每一时刻只有一行中的若干个二极管被点亮，但是由于人眼睛的“视觉停留”（人眼的视觉暂留时间为１００ｍｓ），使人眼睛看到要显示的数据在同时点亮。如图１０.２所示，假如要显示数字“２”，根据上述方法可得到８组数据分别为：００００００００，００１１１１００，０００００１００，００１１１１００，００１０００００，００１１１１００，００００００００，００００００００，转换成十六进制为：０ｘ００，０ｘ３Ｂ，０ｘ０４，０ｘ３Ｂ，０ｘ２０，０ｘ３Ｂ，０ｘ００，０ｘ００。上一页下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵上述以行线作为行选，以列线作为数据的编码方式称为行扫描方式编码，如果将列线作为列选，以行线作为数据的编码方式则称为列扫描方式编码，两者的原理是一样的，因此，对后者就不再赘述。为了比较方便地获得要显示数据所对应的编码，读者可以在网上下载一些常用的编码软件，常用的有８×８点阵编码软件、１６×１６编码软件、３２×３２编码软件等。采用这些编码软件可以很方便地获得各种数据对应的编码。１０.１.４ＬＥＤ点阵的动态显示及实例在实际应用过程中，有时为了注重显示效果，会使数据在ＬＥＤ点阵上滚动显示。要显示一个数据，该数据的点阵编码既可以是横向８点组字，也可以是纵向８点组字。无论哪一种编码方法，都既可以显示数据的水平方向移动，也可以显示竖直方向的移动。上一页下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵（１）显示字符的左右移动在行扫描方式下，点阵数据为列码，左边为低位、右边为高位。若想让显示的内容向左移动一个字符，第一次扫描从列码的点阵数组中取第１～８个数据，送到列码输出口，对应的８个数据，同时用行选码分别控制扫描第１～８行。扫描完这８个数据之后，第二次扫描的８个数据，应将原来第一次扫描的８列码每个都循环右移一位（若是显示右移则列码应循环左移），再进行扫描。如此，每进行下一次扫描，把上一次扫描的８个列码都循环右移一位，再进行扫描。这样就可以实现显示数据左移的现象。（２）显示字符的上下移动。在行扫描方式下，若想让显示的内容向上移动一个字符，第一次扫描从列码的点阵数组中取第１～８个数据，送至列码输出口，对应于这８个数据，同时用行选分别控制扫描第１～８行。上一页下一页返回１０.１ＬＥＤ点阵第二次扫描从点阵数组中取２～９个数据，分别送至列码输出口，对应于这８个数据，同时用行选分别控制扫描第１～８行。第三次扫描从点阵数组中取第３～１０个数据（第１０个数据与第２个数据相同）扫描……如此就实现了字符的向上移动。上一页返回１０.２ＬＣＤ１０.２.１ＬＣＤ概述液晶是一种高分子材料，被广泛用于制作各种尺寸的显示器。液晶是介于液态和结晶态之间的一种物质状态，当通电时，其颜色会发生改变。利用液晶的这一特性，可以制成液晶显示器（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ，ＬＣＤ），通过加电，使其显示字符或画面。液晶显示材料具有很多优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器、便于携带等。液晶显示器也有一个缺点，液晶受温度影响较大，普通液晶的正常工作温度为０℃～５５℃。下一页返回１０.２ＬＣＤ１０.２.２１６０２液晶显示器１６０２液晶也叫１６０２字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个５×７或者５×１１等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以它不能很好地显示图形。１６０２液晶如图１０.４所示。１６０２液晶工作于５Ｖ电压，内有复位电路，屏幕背光，可存储８０字节显示数据的存储器ＤＤＲＡＭ，以及字符生成器ＣＧＲＡＭ和ＣＧＲＯＭ。上一页下一页返回１０.２ＬＣＤＤＤＲＡＭ用于存储将要在屏幕上显示的字符，写入ＤＤＲＡＭ的字符用ＡＳＣＩＩ码表示。ＤＤＲＡＭ的字节地址空间为０ｘ８０～０ｘＦＦ，共１２８个字节。前６４个字节存储第一行显示的数据，后６４个字节存储第二行显示的数据。不同型号的显示器ＤＤＲＡＭ的容量可能不同，但第一行和第二行的首地址是完全相同的，第一行的首地址为０ｘ８０，第二行的首地址为０ｘＣ０。数据可以写在ＤＤＲＡＭ中的任何位置，但只有写在０ｘ８０～０ｘ８Ｆ、０ｘＣ０～０ｘＣＦ的数据才能直接在屏幕上显示出来，写在其他位置的数据，需要通过移屏指令才能显示在屏幕上。也可以用这种显示方式实现动态显示。上一页下一页返回１０.２ＬＣＤＣＧＲＡＭ和ＣＧＲＯＭ是字符生成器，用于保存字符的点阵数据。ＣＧＲＯＭ中保存的点阵数据是硬件固定内置的，不可更改。ＣＧＲＡＭ中的点阵数据是用户自定义的，可以在程序中写入。每个字符都对应一组点阵数据，如果是５×７点阵，则每个字符对应８个字节的点阵数据，字节中的一个二进制位对应点阵中的一个点。ＣＧＲＡＭ的地址空间为０ｘ４０～０ｘ７Ｆ，共６４个字节，每个５×７点阵的字符需要８个字节，所以ＣＧＲＡＭ可以保存８个自定义字符的点阵。１６０２识别的是字符的ＡＳＣＩＩ码，但其字符编码表与标准ＡＳＣＩＩ码表还略有不同。如表１０.１所示，整个表分为四个部分。０ｘ００～０ｘ０Ｆ为用户自定义字符编码，实际只使用前８个编码，也就是ＣＧＲＡＭ中的点阵所对应的字符的编码。上一页下一页返回１０.２ＬＣＤ０ｘ２０～０ｘ７Ｆ为标准ＡＳＣＩＩ码。０ｘＡ０～０ｘＦＦ为日文字符和希腊文字符。剩下的０ｘ１０～０ｘ１Ｆ、０ｘ８０～０ｘ９Ｆ未定义。将表１０.１中的字符编码写入ＤＤＲＡＭ后，液晶显示器就会根据编码读取字符生成器中的点阵数据，然后根据点阵数据将字符显示在屏幕上。１６０２的接口有两种形式，并行接口和串行接口，多采用并行接口。１６０２采用标准的１６引脚并行接口，各引脚的功能如表１０.２所示。通过向１６０２液晶显示器中写入命令，可以控制它的显示状态，例如：清屏、显示开关、光标移位、移屏等。各命令对应的指令码如表１０.３所示。上一页下一页返回１０.２ＬＣＤ１０.２.３１６０２液晶显示实例电路图如图１０.５所示，１６０２的ＶＥＥ引脚用于调节对比度，如果是实物电路，则需要连接一个可变电阻调节电压，但在模拟电路中可以不连。将Ｄ０～Ｄ７连接到５１单片机的Ｐ２端口，用于并行传送命令和数据。将ＲＳ、ＲＷ、Ｅ引脚连到５１单片机上，则可以实现对于ＬＣＤ的读写命令、读写数据的控制。上一页下一页返回１０.２ＬＣＤ初始化之后开始向ＤＤＲＡＭ中写入数据，首先用ｗｒｉｔｅＣ（０ｘ８０）设置写入字符的位置，０ｘ８０为第一行的首地址，然后通过ｆｏｒ循环写入字符串，每循环一次写入一个字符。在写入的过程中，每写入一个字符，地址指针自动加１，也就是下一个字符的地址。接下来写入第图１０.６模拟电路的执行效果二个字符串，ｗｒｉｔｅＣ（０ｘＣ２）设置第二个字符串的写入位置，０ｘＣ０是第二行的首地址，０ｘＣ２也就是相对于行首缩进了两个字符。程序的执行结果如图１０.６所示。上一页返回１０.３温度传感器１０.３.１温度传感器概述温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从１７世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，２０世纪相继开发了半导体热电偶传感器、ＰＮ结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。现代的温度传感器外形非常小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为人们的生活提供了无数的便利和功能。温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器（ＲＴＤ）和ＩＣ温度传感器。ＩＣ温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。图１０.７中是一些温度传感器的实物。下一页返回１０.３温度传感器１０.３.２ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０是ＤＡＬＬＡＳ公司生产的单总线数字温度传感器，其优点众多：低功耗、高性能、抗干扰、耐磨耐碰、体积小、使用方便、可直接将温度转化为数字信号、易于处理。其封装形式多样，如管道式、螺纹式、磁铁吸附式、不锈钢封装式，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。封装后的ＤＳ１８Ｂ２０可用于冷冻库、粮仓、电缆沟等测温和控制领域，轴瓦、缸体、纺机、空调等狭小空间工业设备测温，锅炉、机房、农业大棚、弹药库等各种非极限温度场合。电源极性接反时，不会因发热而烧毁，只是不能正常工作。ＤＳ１８Ｂ２０有两种封装形式：三脚直插式和八脚贴片式，如图１０.８所示。上一页下一页返回１０.３温度传感器引脚定义见表１０.４。ＤＳ１８Ｂ２０连线简单，只需占用５１单片机的一个Ｉ／Ｏ引脚即可，典型的连接电路如图１０.９所示。数据引脚需外接一个约５ｋΩ的上拉电阻。ＤＳ１８Ｂ２０主要的数据部件：（１）光刻ＲＯＭ中的６４位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该ＤＳ１８Ｂ２０的地址序列码。６４位光刻ＲＯＭ包括：８位为产品类型标号，４８位为该ＤＳ１８Ｂ２０自身的序列号，另８位是循环冗余校验码。ＲＯＭ指令表见表１０.５。（２）ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ＲＡＭ和一个非易失性的可电擦除的ＥＥＰＲＡＭ，后者存放高温度和低温度触发器ＴＨ、ＴＬ和结构寄存器。上一页下一页返回１０.３温度传感器高速暂存存储器由９个字节组成，其分配如表１０.６所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第０和第１个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表１０.７所示。对应的温度计算：当符号位Ｓ＝０时，直接将二进制位转换为十进制；当Ｓ＝１时，先将补码变为原码，再计算十进制值。与ＲＯＭ类似，ＤＳ１８Ｂ２０也提供了对于高速暂存存储器的操作代码，如表１０.８所示。１０.３.３ＬＣＤ１６０２与ＤＳ１８Ｂ２０综合应用实例上一页返回１０.４Ｃ＃与单片机通信实现温度显示系统１０.４.１Ｃ＃简介ＶｉｓｕａｌＣ＃２０１０（版本号：４.０）是微软开发的一种面向对象的编程语言，是微软.ＮＥＴ开发环境的重要组成部分。它是为生成在.ＮＥＴＦｒａｍｅｗｏｒｋ上运行的多种应用程序而设计的。Ｃ＃简单、功能强大、类型安全，而且是面向对象的。Ｃ＃凭借它的许多创新，在保持Ｃ语言的表示形式和优美的同时，实现了应用程序的快速开发。利用它，可以轻松创建具有适应多种需求的灵活的命令窗口、按钮、菜单、工具栏和其他屏幕元素。１０.４.２系统总体设计将ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器的温度数据用单片机读出来，并通过串口线传送至ＰＣ机，在Ｃ＃编写的软件界面上显示出实时数据，并在界面上动态显示随时间变化的温度曲线。系统示意图如图１０.１１所示。系统要求如下：下一页返回１０.４Ｃ＃与单片机通信实现温度显示系统（１）单片机能将温度传感器的实时温度读取出来。（２）单片机能将读取的温度通过串口传送至ＰＣ。（３）通过Ｃ＃编写的界面能打开串口并接收来自单片机的数据。（４）在Ｃ＃编写界面上能实时显示ＰＣ机接收到的温度数据，并能实时显示区间为３０秒内的温度数据曲线。１０.４.３系统硬件设计１.单片机最小系统在整个系统中，单片机部分是核心，要保证单片机能正常工作，需要保持其最小系统，包括稳压电源部分、复位电路、晶振以及８９Ｓ５１芯片，将各部分的相关引脚按图１０.１２所示进行连接，从而组成一个单片机的最小系统。上一页下一页返回１０.４Ｃ＃与单片机通信实现温度显示系统２.温度传感器这里采用的是经常使用的三角ＴＯ－９２直插式ＤＳ１８Ｂ２０温度传感器芯片。ＤＳ１８Ｂ２０使用的是单总线技术，它采用单条信号线（ＤＱ），既可以传输时钟，又可以传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单、硬件开销少、成本低廉、便于总线维护及扩展等优点，非常适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。但是也正由于该芯片使用了单总线，使得输入和输出、数据和时钟都要经过同一个数据线，在一定程度上增加了软件编程的难度，即硬件得到了简化，软件增加了难度，对于任何一种器件而言，无法彻底解决“软件”和“硬件”难易匹配的问题。３.串口上一页下一页返回１０.４Ｃ＃与单片机通信实现温度显示系统在本例中，考虑到单片机与ＰＣ机之间的传输距离比较近，而且传输的数据量不大，因此使用串口作为单片机与ＰＣ机之间的通信链路。１０.４.４系统软件设计因为此实例涉及单片机与上位机（Ｃ＃）两部分，所以我们分别介绍单片机部分的软件设计和上位机（Ｃ＃）的软件设计。１.单片机部分软件设计２.上位机软件设计这一部分专门讲解如何运用Ｃ＃使用相关控件设计界面、设置串口及波特率、接收数据、处理数据和显示数据。上一页下一页返回１０.４Ｃ＃与单片机通信实现温度显示系统第一步，打开Ｃ＃软件，单击“Ｆｉｌｅ”→“ＮｅｗＰｒｏｊｅｃｔ”→“ＷｉｎｄｏｗｓＦｏｒｍｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”，工程名采用默认，也可以自定义修改，如图１０.１３所示。第二步，在新建的工程界面右侧的“ＳｏｌｕｔｉｏｎＥｘｐｌｏｒｅｒ”框中双击“Ｆｏｒｍ.ｃｓ”，打开要设计的空白面板。然后在空白面板上添加４个ｌａｂｅｌ控件、２个ｃｏｍｂｏｂｏｘ控件、