點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌設(shè)計(jì)說明

田旭*

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點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌設(shè)計(jì)說明

田旭*

（河北省唐山市開灤第二中學(xué)，河北唐山，063000）

電子計(jì)時(shí)牌是當(dāng)今很多商場(chǎng)、公司、企業(yè)和學(xué)校的必備顯示設(shè)備。具有廣泛的用途。本設(shè)計(jì)基于多層PCB疊加的方式來構(gòu)建電路，利用led點(diǎn)陣屏幕，實(shí)現(xiàn)時(shí)間日期、實(shí)時(shí)溫度、高考倒計(jì)時(shí)牌以及重大日期提醒等功能。同時(shí)，使用51單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)控制其特殊顯示效果，同時(shí)，科學(xué)設(shè)計(jì)電源使用壽命，可以固定使用，也可移動(dòng)使用。

點(diǎn)陣屏；電子計(jì)時(shí)牌；設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)背景

在步入高三的緊張學(xué)習(xí)生活后，我們的壓力越來越大，但不乏有些同學(xué)還沒有高三的學(xué)習(xí)節(jié)奏，有些同學(xué)甚至在一天天的浪費(fèi)寶貴的時(shí)間，為此我想到用一個(gè)可以動(dòng)態(tài)顯示高考倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)牌來提醒這部分同學(xué)：“高考已經(jīng)臨近，別等失敗了再后悔”。

同時(shí)，前些日子天氣炎熱，看到某些同學(xué)因忘記攜帶輕薄的夏季校服而汗流浹背。干脆就添加一個(gè)功能來提醒同學(xué)們注重更新衣物，防止感冒中暑吧。

1.2 設(shè)計(jì)要求

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌要求使用點(diǎn)陣屏作為顯示屏幕，實(shí)現(xiàn)時(shí)間日期、實(shí)時(shí)溫度、高考倒計(jì)時(shí)牌以及重大日期提醒等功能。并使用51單片機(jī)來驅(qū)動(dòng)顯示，屏幕顯示要有滾動(dòng)、漸變等特效，并使用按鍵對(duì)本計(jì)時(shí)牌進(jìn)行設(shè)置。

1.3 發(fā)揮部分

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌將采用多層PCB疊加的方式來構(gòu)建電路，使用專用的時(shí)鐘芯片來實(shí)現(xiàn)日期時(shí)間的計(jì)算，并且可以通過備用電源使得本計(jì)時(shí)牌可以實(shí)現(xiàn)掉電走時(shí)，根據(jù)時(shí)鐘芯片以及備用電源的有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算，可以保持掉電走時(shí)長(zhǎng)達(dá)20年之久。另外，設(shè)計(jì)光敏傳感器來對(duì)環(huán)境光進(jìn)行檢測(cè)，并使用單片機(jī)的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)自動(dòng)控制電子屏的亮度。

1.4 改進(jìn)預(yù)想

電子屏電子計(jì)時(shí)牌可能在未來加入天氣預(yù)報(bào)（通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)獲取信息）、音樂音譜等功能。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 主體結(jié)構(gòu)

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的顯示屏將采用模塊式開發(fā)，使用74HC595來驅(qū)動(dòng)矩陣結(jié)構(gòu)的LED并使用單片機(jī)來產(chǎn)生串行信號(hào)。

LED采用行列掃描式的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)掃描速度超過50Hz時(shí)，人眼就會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)ED是同時(shí)點(diǎn)亮的。

LED矩陣模塊是16*16像素的，需要通過74HC595的級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)屏幕的拼接。

在LED矩陣模塊后有一層PCB板來實(shí)現(xiàn)模塊的拼接固定同時(shí)實(shí)現(xiàn)74HC595的級(jí)聯(lián)電路。

固定LED矩陣模塊用的PCB板后有另外一層驅(qū)動(dòng)用的電路板，其上主要有單片機(jī)、時(shí)鐘芯片DS1302、備用電池、溫度傳感器、各芯片的最小系統(tǒng)以及電源電路等組成。

2.2 顯示部分

顯示部分采用模塊化開發(fā)方案，直接使用模塊進(jìn)行開發(fā)，使用的模塊是16*16像素的，我把四塊模塊一字排開拼接。因?yàn)槟K是使用74HC595從行到列級(jí)聯(lián)下來的，所以只能是把四塊模塊依次行列交錯(cuò)級(jí)聯(lián)下來。不過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響不大，只需要通過對(duì)程序的特殊處理就可以實(shí)現(xiàn)正常顯示。

2.3 控制芯片：如圖1

圖1 電子顯示屏控制芯片

STC12C5A60S2單片機(jī)是增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，比起其他的51系列單片機(jī)運(yùn)行速度更快，更穩(wěn)定，并且內(nèi)部自帶上電復(fù)位功能，對(duì)于對(duì)掃描速度要求很高的點(diǎn)陣屏驅(qū)動(dòng)來說是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。另外，這款單片機(jī)的功能很強(qiáng)大，可以直接實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換和PWM脈寬調(diào)制而不額外添加其他外圍芯片。

2.4 單片機(jī)的時(shí)鐘源

單片機(jī)（MCU）的運(yùn)行需要一個(gè)時(shí)鐘源來提供時(shí)鐘信號(hào)，由于設(shè)計(jì)要求時(shí)序精度很高，所以不能使用內(nèi)部RC振蕩器而采用外部無(wú)源時(shí)鐘。無(wú)源時(shí)鐘比起有源時(shí)鐘精度要差點(diǎn)，但是單片機(jī)只是用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及時(shí)序的實(shí)現(xiàn)，并不需要精確計(jì)時(shí)，因此使用無(wú)源時(shí)鐘來提供單片機(jī)的時(shí)鐘源綽綽有余。最終確定時(shí)鐘源為振蕩頻率12MHz的石英晶體振蕩器。

2.5 時(shí)鐘芯片:如圖2

圖2 時(shí)鐘芯片示意圖

電子計(jì)時(shí)牌使用DS1302來提供精準(zhǔn)的日期時(shí)間數(shù)據(jù)，為日期提醒以及天數(shù)倒計(jì)時(shí)提供計(jì)算參數(shù)。DS1302有自己的專用時(shí)鐘源，能產(chǎn)生精確的一秒鐘，以提供數(shù)據(jù)計(jì)算參數(shù)。DS1302使用串行數(shù)據(jù)協(xié)議，使用很少的幾個(gè)I/O口就可以實(shí)現(xiàn)通信，簡(jiǎn)化了電路的連接。

2.6 溫度傳感器：如圖3

圖3 溫度傳感器

溫度采集使用DS18B20單總線溫度傳感器，DS18B20可以提供9位溫度數(shù)據(jù),只需要一個(gè)I/O口就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。不過這款溫度傳感器對(duì)時(shí)序要求比較高，調(diào)試程序時(shí)可能會(huì)比較費(fèi)時(shí)。

2.7 環(huán)境光檢測(cè)

環(huán)境光檢測(cè)使用光敏電阻作為光敏原件來進(jìn)行光強(qiáng)信息與電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。并且可以使用STC12C5A60S2單片機(jī)的ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能接受的數(shù)字信號(hào)。通過以上圖示電路連接，就可以實(shí)現(xiàn)光敏電阻阻值的計(jì)算，從而轉(zhuǎn)換得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)。

I = UADC0 / R2

UR1 = U總 - UADC0

R1 = UR1 × I

R1 = （U總 - UADC0）×（UADC0 / R2）

然后再根據(jù)光敏電阻的光強(qiáng)阻值線性關(guān)系就可以得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)了。

2.8 屏幕亮度控制

屏幕亮度控制采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)可編程計(jì)數(shù)陣列中的PWM脈寬調(diào)制輸出功能，將輸出接口與顯示部分的74HC595的E0輸出使能相連，可以方便的控制亮度而不必進(jìn)行移位及顯示頻率的控制。

2.9 數(shù)據(jù)掉電存儲(chǔ)

STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部自帶EEPROM功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)，而不必再外部添加AT24Cxx系列的I2C EEPROM芯片了。需要掉電存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要有點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的設(shè)置數(shù)據(jù)、智能提醒所用的文本數(shù)據(jù)、定時(shí)啟停以及鬧鐘的時(shí)間數(shù)據(jù)等。

2.10 鬧鐘輸出

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的計(jì)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能，其工作單元為有源蜂鳴器，可以直接使用板上的5V電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是，由于單片機(jī)的I/O口的驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴器。所以需要一個(gè)三極管放大電路來對(duì)蜂鳴器進(jìn)行控制。

2.11 電源部分

電源部分采用7805穩(wěn)壓芯片將電源適配器提供的12V供電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的5V電源，以提供整個(gè)點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的電源。為防止電壓的抖動(dòng)，應(yīng)在7805穩(wěn)壓芯片的輸入及輸出均使用220uf的濾波電容（電解電容）以及0.1uF的去耦電容（獨(dú)石電容）。此外，在整個(gè)點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的功率驅(qū)動(dòng)部分以及芯片的附近都應(yīng)該添加0.1uf去耦電容以增加電子電路的穩(wěn)定性。

3 功能簡(jiǎn)述

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌可以流動(dòng)顯示實(shí)時(shí)日期時(shí)間以及當(dāng)前環(huán)境溫度，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)顯示合適的穿衣、補(bǔ)水等健康建議。

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌的設(shè)計(jì)初衷是給正在拼搏的高三同學(xué)們一個(gè)精確的高考計(jì)天服務(wù)，必然可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算距高考的天數(shù)，同時(shí)，不只是高考計(jì)天，該計(jì)時(shí)牌還可以自由實(shí)現(xiàn)某些重大日期時(shí)間的計(jì)天、計(jì)時(shí)等。

點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌可以設(shè)置實(shí)現(xiàn)在夜晚或指定的時(shí)間段（上課期間）關(guān)閉顯示以節(jié)約電能或避免因屏幕點(diǎn)亮引起的注意力轉(zhuǎn)移。

針對(duì)不同時(shí)間段環(huán)境亮度可能不同，導(dǎo)致屏幕顯示亮度可能不適合觀察（過亮刺眼，過暗無(wú)法看見）的問題，我設(shè)計(jì)了可以通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光自動(dòng)調(diào)節(jié)屏幕亮度的功能，此功能與上一條不沖突。

4 程序算法

因?yàn)橐褂?4HC595來驅(qū)動(dòng)電子計(jì)時(shí)牌的顯示部分，所以需要對(duì)該芯片進(jìn)行串行輸入，在時(shí)鐘口高電平時(shí)更改數(shù)據(jù)口電平，而在時(shí)鐘口低電平時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)口電平，等待芯片的讀取。發(fā)送的時(shí)候是先發(fā)高位再發(fā)低位。

void HC595SendData(unsigned int SendVal){

unsigned char i;

for(i = 0;i < 16;i++){

if((SendVal << i) & 0x8000) R1 = 1;

else R1 = 0;

CLK = 0;

CLK = 1;

}

}

在主程序的最內(nèi)層嵌套，是74HC595的輸入控制，先串行輸入八組行列數(shù)據(jù)，再通過在三態(tài)鎖存口輸入一次低電平脈沖把數(shù)據(jù)從移位寄存器送到鎖存器中并加以顯示。

行數(shù)據(jù)是通過一個(gè)計(jì)次循環(huán)依次將0x0001(0000 0001)左移j次(j為循環(huán)次數(shù)，從0開始)來實(shí)現(xiàn)的。

因?yàn)閿?shù)據(jù)量對(duì)于8位的51單片機(jī)很大，只好把列數(shù)據(jù)（內(nèi)容數(shù)據(jù)）存儲(chǔ)在單片機(jī)片外RAM存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)是以線性表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的，方便掃描程序以線性進(jìn)行讀取。

unsigned int xdata Output[256];

另外，為了流暢的實(shí)現(xiàn)屏幕的滾動(dòng)效果，不能采用極為耗費(fèi)單片機(jī)運(yùn)算資源的依次移位的方法。我想到的方法是通過使用一個(gè)隨時(shí)間變化的變量k來控制所有地址的偏移，進(jìn)而使屏幕橫向滾動(dòng)起來。

for(j = 0;j < 16;j++){

bite = 0x0001 << j;

HC595SendData(bite);

HC595SendData(~(Output[j+48+k])); HC595SendData(bite);

HC595SendData(~(Output[j+32+k]));

HC595SendData(bite);

HC595SendData(~(Output[j+16+k]));

HC595SendData(bite);

HC595SendData(~(Output[j+k]));

LAT = 0;

_nop_();

LAT = 1;

}

因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)的片外存儲(chǔ)器有一定的記憶效應(yīng)，數(shù)據(jù)會(huì)在掉電后有一部分不會(huì)消失，或者產(chǎn)生亂碼，或者存著上次關(guān)機(jī)時(shí)的胡亂的數(shù)據(jù)等。因此需要在主函數(shù)的 while（1）主循環(huán)之前，對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行全部填0處理，清除其中的亂碼等，以保證在開機(jī)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的錯(cuò)誤。

for(h = 0;h < 16; h++){

for(i = 0;i < 16;i++){

Output[i+16*h] = 0x0000;

}

}

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Dot Matrix Screen Electronic Timing Board Design Notes

TIAN Xu*

（Kailuan second middle school, Hebei, Tangshan City, Hebei Tangshan, 063000, China）

Electronic countdown is one of the many shopping malls, companies must display equipment. Businesses and schools have been widely used. The design of multilayer PCB stack based approach to building the circuit, the use of LED dot matrix screen, date and time, real-time temperature, countdown entrance and important date reminder functions. At the same time, the use of 51 single the driving control of a special display, at the same time, the scientific design of the service life of the power source, can be fixed, can also move.

Dot matrix screen; electronic timing board; design

田旭. 點(diǎn)陣屏電子計(jì)時(shí)牌設(shè)計(jì)說明[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 40-42.

TIAN Xu. Dot Matrix Screen Electronic Timing Board Design Notes[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 40-42.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.016

TG802

A

1672-9129(2017)05-0040-03

2017-02-15；

2017-03-09。

田旭（2000-），男，河北唐山，學(xué)生，高中，研究方向：電子制作，程序開發(fā)。E-mail: 1839156454@qq.com