基于STC12C5A60S2單片機顯示模塊的實驗研究

【摘 要】 以常用的STC12C5A60S2單片機為主控芯片，以實驗室單片機平臺為載體，分別對數碼管、LCD1602、LCD12864、OLED以及TFT五種顯示屏進行DS18B20溫度傳感器采集與顯示實驗。實驗測試結果表明五種顯示模塊均能有效采集并顯示當前溫度值，對比分析各種顯示模塊的性能，為不同應用場景下的顯示需求提供了參考和借鑒，具有重要的實際應用價值。

【關鍵詞】 顯示模塊；STC12C5A60S2；DS18B20；實驗

Experimental Research of Display Module Based on STC12C5A60S2

Single Chip Microcomputer

Shu Renyi，Xu Feng， Wang Jian，Wang Qianchun

（Huainan Normal University， Huainan 232038， China）

【Abstract】 Single Chip Microcomputer （MCU） technology is the basic course of electronic information major. Display module， as an important part of the peripheral interface circuit of MCU， has been widely used in various practical activities. In this study， STC12C5A60S2 single chip microcomputer is used as the main control chip， and the single chip microcomputer platform in the laboratory is used as the carrier. The DS18B20 temperature sensor acquisition and display experiments are carried out on five kinds of display screens， namely digital tube， LCD1602， LCD12864， OLED and TFT. The experimental test results show that the five display modules can effectively collect and display the current temperature value， and compare and analyze the performance of various display modules， which provides a reference for the display requirements in different application scenarios， and has important practical application value.

【Key words】 display module; STC12C5A60S2; DS18B20; experiment

〔中圖分類號〕 TP274 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674 - 3229（2024）03 - 0083 - 06

0 引言

單片機技術在日常生活、社會生產和實踐中的應用無處不在，如單片機在農業大棚中的應用［1］、智能家居安防系統設計［2］、汽車防撞系統設計［3］、廢水利用系統設計［4］等。幾乎所有的應用案例都離不開顯示功能，最常見的數字時鐘設計中使用數碼管顯示［5］、信號發生制作中用到LCD1602屏［6］、智慧教室監控系統設計使用LCD12864屏［7］、電動車充電保護裝置設計用到OLED屏［8］、射頻功率計設計使用TFT屏［6］。本研究基于STC12C5A60S2單片機對以上常見的顯示模塊分別進行溫度采集實驗，比較不同顯示模塊的參數，分析每個顯示模塊適合的應用場景。

1 系統設計

為了研究常用的顯示模塊，采用最簡潔的溫度傳感器獲取當前的溫度值，系統整體結構如圖1所示。單片機采用STC12C5A60S2芯片，溫度傳感器使用DS18B20型號，數碼管，液晶屏（Liquid Crystal Display， LCD）分別采用LCD1602、LCD12864、有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）以及薄膜晶體管（Thin film transistor， TFT）液晶屏4種類型。

2 系統硬件模塊

2.1 STC12C5A60S2單片機

STC12C5A60S2屬于增強型8051，指令代碼完全兼容傳統8051［9］。本設計采用雙列直插封裝類型，相比傳統增加P4口部分引腳，整個管腳排列如圖2所示。

2.2 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器芯片［10］，具有3引腳TO-92小體積封裝形式，如圖3所示，引腳接口信息如表1所示。

DS18B20溫度傳感器顯示溫度范圍為-55℃～+125℃。顯示模塊采用6位字符，保留小數點后1位。當溫度為正時，顯示格式如圖4所示；溫度為負時，顯示格式如圖5所示。

2.3 數碼管

數碼管是最常用的顯示模塊，一般在顯示內容不多時使用，成本低。根據顯示要求，采用8段式共陽數碼管顯示器，共陽數碼管的公共端接的是高電平，為了增加數碼管的驅動能力，使用74HC245芯片。由于8段式數碼管可以顯示小數點，在顯示個位數字時點亮小數點，因此，數碼管只需要5個就可以滿足顯示溫度的要求，設計示意如圖6所示。

采用動態顯示采集的溫度值，利用人的視覺暫留效應，只要設置好足夠短的時間間隔，使循環周期達到每秒24次以上，就可以實現人眼靜態顯示的效果。

2.4 LCD1602顯示屏

LCD1602是2×6字符型液晶顯示模塊，一般顯示2行，每行16個字符，采用5×7的點陣顯示。它的內部結構由字符型液晶顯示屏、控制驅動電路HD44780以及擴展驅動電路HD44100三部分組成。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，一般標準無背光的是14引腳接口，帶背光的是16引腳接口。本設計采用帶背光調節的LCD1602，具體接口信息如表2所示。LCD1602液晶顯示溫度設計示意如圖7所示。

2.5 LCD12864顯示屏

LCD12864液晶是點陣液晶顯示模塊，由128×64個液晶顯示點組成，一般采用8位并行接口方式，內部有帶字庫和不帶字庫兩種，本設計采用的是帶字庫的液晶顯示器，共有20個管腳，接口信息如表3所示。LCD12864液晶顯示溫度設計示意圖與LCD1602基本一致，如圖7所示。

2.6 OLED顯示屏

OLED顯示屏的原理是利用有機發光二極管的特性來實現圖像顯示，一般大小是0.96寸，分辨率為128×64，可以顯示4行，每行8個漢字，驅動芯片為SSD1306。OLED采用IIC（Inter-integerted Circuit）通信方式，以半雙工方式傳送的串行總線，由數據線SDA和時鐘SCL構成，可以發送和接收數據。本設計采用4管腳的白色OLED模塊，引腳信息如表4所示。OLED液晶顯示溫度設計框圖如圖8所示。

2.7 TFT顯示屏

TFT屏是在液晶顯示屏的每一個像素上都設置有一個薄膜晶體管，可以提高顯示圖像質量。本設計采用ILI9341芯片驅動的TFT屏，支持分辨率為240×320的圖片數據，屏大小為2.8寸，采用4線SPI接口，具體引腳信息如表5所示。TFT液晶顯示溫度設計示意如圖9所示。

3   系統軟件設計

3.1 主程序設計

軟件設計以Keil為開發平臺，顯示溫度的主程序流程分別如圖10和圖11所示。溫度值為非負時，直接獲取溫度的百位、十位、個位和小數位；溫度為負時，先取出溫度的負號，再獲取十位、個位和小數位。

3.2 溫度采集設計

獲取DS18B20的溫度值處理過程主要分為3個步驟：首先啟動溫度轉換命令；其次等待溫度轉換；最后復位初始化并發出讀溫度轉換值命令。溫度獲取程序流程如圖12所示。

4 實驗結果

4.1 實驗測試

實驗測試以單片機綜合實驗箱為硬件基礎平臺，依據圖6-圖9的連接示意圖，分別搭建各個顯示模塊電路，同時同地進行測量，測得實驗結果如圖13所示。

實驗結果表明，各種顯示模塊均能正常顯示當前溫度值（單位：℃），測得溫度值大小基本一致，圖14顯示3個不同時段的室內溫度值大小（實驗時間：2024年5月14日）。由于同一時間段在實驗室不同位置測量溫度值會略有差異。

4.2 數據分析

為了比較5種不同顯示溫度模塊的差異，分別從所用數量、成本、占用單片機資源以及程序大小方面進行對比，如表6所示。

從表6中可以看出不同顯示模塊適用于不同應用場合，在僅顯示溫度情況下選擇數碼管或者OLED屏顯示較合適，如果需要顯示更多信息，數碼管可能無法滿足要求。無論從體積、成本還是消耗資源來說，使用OLED屏相對其他3個液晶屏更合適。

5 結論

進行簡單的溫度采集，分別在數碼管、LCD1602、LCD12864、OLED以及TFT五種顯示屏上，測試、對比各種顯示模塊的特點，為顯示模塊的選擇提供了參考價值。本次實驗中DS18B20的DQ引腳接的是P3.6引腳，由于P1口、P2口以及P3口引腳內置了上拉電阻，因此，在外接DQ時可以不用再接上拉電阻，如果使用的是P0口引腳，由于內部無上拉電阻，一般需要外接一個上拉電阻。單片機顯示模塊在電子信息類專業課程設計、學科競賽等實踐活動中也有著很廣泛的應用，如安徽省單片機技能競賽對于51平臺指定使用LCD12864顯示屏，對于STM32平臺指定使用TFT屏；全國大學生電子設計競賽使用較多的有OLED屏、TFT屏。后續可在此研究基礎上擴充至不同傳感器和處理器平臺顯示更加豐富的數據信息，因此，對單片機顯示模塊的研究在學生的學習和實踐中有著重要的指導意義。

［參考文獻］

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責任編輯 呂榮榮

[收稿日期] 2024-05-12

[基金項目] 安徽省高等學校質量工程教學研究項目（2022jyxm1433、2021jyxm1384）；淮南師范學院質量工程教學研究項目（2021hsjyxm03）；安徽省高校自然科學重點研究項目（2023AH051550）；淮南師范學院電子信息工程專業教學創新團隊（2023hsjxtd01）；淮南師范學院示范實驗實訓中心（2023hssysx01）

[作者簡介] 束仁義（1987- ），男，碩士，淮南師范學院電子工程學院講師，研究方向：嵌入式系統設計。