基于STC12C5A60S2單片機(jī)的樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

左安友，劉廷平，黃 勇

(湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施 445000)

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure of the system

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)定發(fā)展，各種高層、超高層建筑在各城市如雨后春筍般拔地而起.樓宇結(jié)構(gòu)種類(lèi)、復(fù)雜程度不斷增多和增強(qiáng)，樓宇結(jié)構(gòu)介紹成為現(xiàn)代建筑必不可少的組成部分，為滿足這一需要，研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的樓宇結(jié)構(gòu)介紹系統(tǒng)，可以在賓館、醫(yī)院、政府辦公大樓等使用.該系統(tǒng)通過(guò)顯示各樓層平面圖和樓層主要單位的簡(jiǎn)介，把樓宇結(jié)構(gòu)清晰地展現(xiàn)在來(lái)訪者面前.

1 樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件主要由五部分組成：STC12C5A60S2單片機(jī)、SD卡、智能VGA控制板、獨(dú)立鍵盤(pán)、液晶顯示器.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

該系統(tǒng)工作過(guò)程為：接通電源后開(kāi)始顯示首頁(yè)，首頁(yè)包含大樓樓層的主要單位和樓層兩個(gè)部分，來(lái)訪者在首頁(yè)尋找到要去的部門(mén)，查詢(xún)相應(yīng)的樓層.每個(gè)鍵代表一層樓，通過(guò)按鍵來(lái)選擇各個(gè)樓層平面圖，平面圖存儲(chǔ)于SD卡中，由智能VGA控制板清屏，然后驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示各樓層平面圖.進(jìn)入該樓層平面圖后，出現(xiàn)二級(jí)菜單，該菜單上有該樓層的主要單位及負(fù)責(zé)人的簡(jiǎn)介，若一分鐘內(nèi)沒(méi)有人使用它，單片機(jī)自動(dòng)關(guān)閉顯示器，以達(dá)到節(jié)能目的，當(dāng)下次再有人按按鍵時(shí)，液晶顯示器重新啟動(dòng).從顯示主頁(yè)提供的信息來(lái)訪者就可以方便、快捷選擇想要查找的部門(mén)平面圖和了解相關(guān)單位的基本信息.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇

單片機(jī)是整個(gè)方案的核心，用于讀取SD卡中的樓層平面機(jī)構(gòu)圖、控制液晶顯示器刷屏速度，再綜合考慮性能和成本方面的原因，選用了AT-MEC公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)[1]，其特點(diǎn)有：①超強(qiáng)抗干擾，整機(jī)輕松過(guò)2萬(wàn)伏靜電測(cè)試；②速度快，1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低EMI；③超低功耗：外部中斷喚醒功耗，0.1 μA，支持下降沿/上升沿/低電平和遠(yuǎn)程喚醒適用于電池供電系統(tǒng)；④內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，外部復(fù)位電路可徹底省掉，當(dāng)然也可以繼續(xù)用外部復(fù)位電路.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，曾經(jīng)使用STC89C52單片機(jī)，但在調(diào)試時(shí)效果不佳，主要表現(xiàn)在顯示器刷屏速度慢，大約需要30秒左右才把整個(gè)顯示的平面圖展示出來(lái)，這樣對(duì)于使用者浪費(fèi)了很多時(shí)間，同時(shí)給人帶來(lái)的方便程度下降，失去了這項(xiàng)設(shè)計(jì)的意義，但換成STC12C5A60S2增強(qiáng)型單片機(jī)后，把晶振換成47Hz時(shí)刷屏速度明顯加快，時(shí)間縮短為5秒左右，這就充分體現(xiàn)了STC12C5A60S2單片機(jī)的特點(diǎn)，大幅降低EMI.由于該顯示是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間在各種復(fù)雜環(huán)境的顯示，所以使用了該單片機(jī)超低功耗特點(diǎn)，只需電池就可以供電支持下降沿/上升沿/低電平和遠(yuǎn)程喚醒.為了使開(kāi)發(fā)設(shè)備簡(jiǎn)單易用，還利用了該單片機(jī)外部復(fù)位電路可省掉的特點(diǎn).

2.2 智能VGA控制器

智能VGA控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要部件，智能VGA控制板采用了先進(jìn)的大規(guī)模集成電路，整合了USB2.0、CPLD、FPGA、32位ARM處理器、嵌入式系統(tǒng)等先進(jìn)的技術(shù)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)單片機(jī)用戶而精心設(shè)計(jì)，是一款可用單片機(jī)直接控制VGA/LCD 顯示器的智能顯示，它的性能直接影響到系統(tǒng)的功能和效果.智能VGA 控制板更像是為單片機(jī)量身定做的“顯卡”，能通過(guò)VGA接口直接驅(qū)動(dòng)液晶或CRT 顯示器.其特點(diǎn)是：①分辨率可選800×600或1024×768或640×480；分辨率是640×480時(shí)刷新率是60 Hz，分辨率是 800×600時(shí)刷新率是70 Hz，分辨率是1024×768時(shí)刷新率是60 Hz；顏色位數(shù)為65536色，真正的真彩色；②在指定的X軸，Y軸位置顯示12×12、16×16、24×24、32×32、40×40、48×48、64×64等中英文字符，內(nèi)置有中英文字庫(kù).可以顯示任何字體和大小的中英文字庫(kù)，字體的多樣化媲美WINDOW XP操作系統(tǒng)；③在指定的X軸，Y軸的位置顯示直線、矩形、圓或橢圓；④動(dòng)態(tài)曲線和波形的顯示；⑤清除全屏、填充指定位置和長(zhǎng)寬的矩形區(qū)域、反色指定大小的矩形區(qū)域；⑥64M字節(jié)大小的超大NAND FLASH存儲(chǔ)器空間用于存放用戶的圖片，支持顯示JPG、BMP、GIF等格式的圖片.圖片的顏色均支持64K色，顯示速度快且流暢.圖片的顯示效果非常接近PC機(jī)上的“所見(jiàn)即所得”；⑦所有的功能只需通過(guò)單片機(jī)的RS232串行口發(fā)送簡(jiǎn)單的指令完成；⑨PS2鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)功能，提供了強(qiáng)大的人機(jī)交互控制功能.上電自動(dòng)識(shí)別鼠標(biāo)；鼠標(biāo)出錯(cuò)檢測(cè)，出錯(cuò)自動(dòng)重啟；具有4種以上可控鼠標(biāo)形狀.使用過(guò)程中用VGA智能控制板驅(qū)動(dòng)了19寸液晶顯示器[2]，應(yīng)用生產(chǎn)商提供的調(diào)試代碼進(jìn)行了顯示設(shè)置，分辨率為800×600，背景色為藍(lán)色，由于生產(chǎn)商在生產(chǎn)過(guò)程中就很多特性已經(jīng)調(diào)試完成，并提供了源代碼，開(kāi)發(fā)人員不必了解和學(xué)習(xí)VGA智能開(kāi)發(fā)板的結(jié)構(gòu)與性能，只要根據(jù)源代碼設(shè)定一些需要設(shè)定的參數(shù)，這為系統(tǒng)調(diào)試提供了方便.

2.3 SD卡、鍵盤(pán)、液晶顯示器

SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，在很小的體積內(nèi)結(jié)合了SanDisk快閃記憶卡控制與MLC，是一種微型、低功耗、可移動(dòng)的Flash多功能存儲(chǔ)卡，該卡向上兼容MMC卡，并且增加了智能保護(hù)功能，以有效防止盜版，同時(shí)具有更快的傳輸速率及更高的存儲(chǔ)容量，可廣泛用于便攜式消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中[3].有足夠的空間存儲(chǔ)所需圖片，方便單片機(jī)讀取圖片,SD卡讀寫(xiě)系統(tǒng)中的接口電路采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)控制，SD卡中存儲(chǔ)的圖片是經(jīng)前期對(duì)樓層調(diào)查，準(zhǔn)確提供了繪制平面圖的數(shù)據(jù)，使用AUTO CAD 2010軟件繪制的平面圖，經(jīng)Adobe Photoshop CS3進(jìn)行加工，經(jīng)轉(zhuǎn)換成bin圖片存儲(chǔ)于SD卡中，并標(biāo)注其位置，在單片機(jī)編程中把圖片調(diào)出時(shí)需要相應(yīng)的位置信息，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)SPI模式的數(shù)據(jù)傳輸(包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)的輸入和輸出)，把圖片顯示在液晶顯示器上.在SPI模式下，單片機(jī)與SD卡的連接主要有四根線(包括時(shí)鐘線，兩根數(shù)據(jù)傳輸線和一根片選線).

鍵盤(pán)設(shè)計(jì)方案常見(jiàn)的有兩種，第一是矩陣式，第二是獨(dú)立式[4].由于本系統(tǒng)所涉及到的按鍵不多，常用的獨(dú)立式的按鍵包括k1-k6鍵，用于選擇樓層及主要單位或者主要負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介，功能按鍵有返回按鍵，當(dāng)需要返回首頁(yè)時(shí)按下.液晶顯示器用于顯示樓層平面圖及相關(guān)信息，直接通過(guò)串口與VGA連接.

圖2 系統(tǒng)電路原理圖Fig.2 Circuit principle diagram of the system

2.4 復(fù)位電路

在一分鐘內(nèi)沒(méi)有人使用它時(shí)，單片機(jī)中斷自動(dòng)關(guān)閉顯示器，需要重新顯示的時(shí)候，按下復(fù)位鍵，重新刷屏，開(kāi)始顯示[5].

2.5 系統(tǒng)原理圖

如前所述，整個(gè)系統(tǒng)由以上各個(gè)電路單元組成，系統(tǒng)整體原理圖如圖2所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為提高代碼執(zhí)行效率，運(yùn)算精確，采用C語(yǔ)言編程[6-7]，具有編譯效率高，對(duì)底層硬件操作方便，方便移植等特點(diǎn).主程序模塊主要負(fù)責(zé)定時(shí)中斷的初始化和各I/O口初始化，等待鍵盤(pán)對(duì)各樓層的指令，并選擇各樓層平面圖形，如：在平面圖右邊有其需要了解的部門(mén)或者單位，對(duì)應(yīng)按下選擇鍵，顯示主要部門(mén)簡(jiǎn)介或主要負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介，如果選擇錯(cuò)誤可按下返回按鍵，圖像界面就回到首頁(yè).在無(wú)人使用的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉顯示器，起到節(jié)能和保護(hù)顯示器的作用.

3.1 SD卡的初始化

為了使SD卡初始化進(jìn)入SPI模式[8]，需要使用的命令有3個(gè)：CMD0、ACMD41、CMD55(使用ACMD類(lèi)的指令前應(yīng)先發(fā)CMD55，CMD55起到一個(gè)切換到ACMD類(lèi)命令的作用)，為了實(shí)現(xiàn)兼容性，上電或者發(fā)送CMD0后，先發(fā)送CMD55+ACMD41確認(rèn)是否有回應(yīng)，如果有回應(yīng)則為SD卡，如果等回應(yīng)超時(shí)，則可能是MMC卡，再發(fā)CMD1確認(rèn)，正確的回應(yīng)內(nèi)容應(yīng)該是：CMD0—0x01(SD卡處于in-idle-state)，CMD55—0x01(SD卡處于in-idle-state)，ACMD41—0x00(SD卡跳出in-idle-state，完成初始化準(zhǔn)備接受下一條指令)，如果最后的回應(yīng)內(nèi)容是0x01的話，可以循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，直到回應(yīng)的內(nèi)容0x00，在所有的指令中，CMD0較特殊，在向SD卡發(fā)送以前需要向SD卡發(fā)送74個(gè)時(shí)鐘(CLK).

3.2 SD卡的讀寫(xiě)

SD卡的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)塊讀寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)RAM中已存放由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳來(lái)的512 KB數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)便向SD卡寫(xiě)入此塊數(shù)據(jù).塊讀取時(shí)，可發(fā)送命令CMD17， 接收到的應(yīng)答信號(hào)為0x00， 這樣就可以直接接收數(shù)據(jù)了，接收到的數(shù)據(jù)的第1個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)令牌0xfe，后面的為接收到的數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出口變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表明讀取操作完成.SD卡的讀操作與寫(xiě)操作相同.主程序流程圖如圖3、SD卡子程序圖如圖4、VGA子程序圖如圖5所示.

圖3 主程序流程圖 圖4 SD卡子程序圖 圖5 VGA子程序圖 Fig.3 Main program flow chart Fig.4 SD subprogram chart Fig.5 VGA subprogram chart

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 硬件調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖2搭建硬件電路，在連線正確的前提下進(jìn)行硬件調(diào)試，通電后，用示波器檢測(cè)單片機(jī)的ALE管腳，觀察到輸出的波形為方波2MHz,說(shuō)明單片機(jī)工作正常.

4.2 軟件調(diào)試

該設(shè)計(jì)用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，用Keil uVision3編譯軟件進(jìn)行編譯，將源文件：基于STC12C5A60S2單片機(jī)樓宇平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).C進(jìn)行編譯，編譯順利通過(guò).產(chǎn)生了如下文件：①基于STC12C5A60S2單片機(jī)樓宇平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).uv2；②基于STC12C5A60S2單片機(jī)樓宇平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).M51；③基于STC12C5A60S2單片機(jī)樓宇平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).lnp；④基于STC12C5A60S2單片機(jī)樓宇平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).hex.

4.3 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)以湖北民族學(xué)院理學(xué)院教學(xué)大樓為例，顯示效果如圖6所示.

圖6 理學(xué)院教學(xué)大樓平面結(jié)構(gòu)顯示效果圖Fig.6 Science teaching building plane structure display rendering

5 結(jié)論

本文完整的給出了樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，以智能VGA控制板、SD卡及外圍電路為輔助，詳細(xì)說(shuō)明了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理.通過(guò)制作該裝置以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該樓宇平面結(jié)構(gòu)顯示系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值.目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)并獲得了國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利[9].

[1] 楊明欣，張杰，鄭郁正.基于STC單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21(3)：410-413.

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[9] 劉廷平，黃勇，左安友.一種電子樓宇平面結(jié)構(gòu)展示裝置[P].中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，ZL 2011 2 0018934.X,2011-08-10.