智能家居專業(yè)一體化課程研究

武志鵬 焦紅衛(wèi)

摘 要：以STC單片機(jī)控制LED顯示屏為例，闡述在智能家居及其相關(guān)專業(yè)開展單片機(jī)教學(xué)的特點(diǎn)與困境，分析LED顯示屏的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與控制方法，研究單片機(jī)C語言編寫驅(qū)動程序的關(guān)鍵技術(shù)，探討該課程一體化教學(xué)內(nèi)容。最后在Proteus平臺上進(jìn)行軟硬件交互仿真與調(diào)試，使一體化課程中的單片機(jī)模塊教學(xué)更加形象具體。

關(guān)鍵詞：教學(xué)研究;單片機(jī);C語言;LED顯示屏;智能家居;Proteus平臺

中圖分類號：TP393;G642.423文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-04

0 引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)與各類硬件設(shè)備的不斷融合，尤其是物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)的逐步發(fā)展，以單片機(jī)為核心的計算機(jī)控制技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)智能家居相關(guān)專業(yè)學(xué)生的必修課。智能家居專業(yè)本質(zhì)上屬于系統(tǒng)集成應(yīng)用，是多專業(yè)的有機(jī)融合。學(xué)生往往需要在有限的學(xué)年里完成趨于無限的課程，因而傳統(tǒng)的教學(xué)方法與教學(xué)節(jié)奏難以滿足需要。另外，單片機(jī)教學(xué)往往以單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、單片機(jī)原理和匯編指令為核心，這種教學(xué)模式難以有效培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用技能，也難以激發(fā)學(xué)生的積極性，往往導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥乏味，最終造成學(xué)生的應(yīng)用能力不足。因此，單片機(jī)教學(xué)應(yīng)該采用理論與實踐有機(jī)結(jié)合的一體化教學(xué)方式，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識和工程體驗[1-4]。

1 LED屏結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

基于發(fā)光二極管的數(shù)碼管與點(diǎn)陣模塊是一類重要的顯示器件，其可靠性高，使用壽命長，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，操作使用方便靈活，且顯示屏面積可根據(jù)實際需求進(jìn)行擴(kuò)展，對控制系統(tǒng)性能要求低，因而在物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)LED的布局結(jié)構(gòu)不同，常見的LED顯示器可以分為數(shù)碼管類與點(diǎn)陣類。智能家居LED顯示器如圖1所示。數(shù)碼管顯示字符的種類簡單有限，主要用來顯示溫度、濕度、時間及少量字母組成的單詞，如圖1（a）所示。而點(diǎn)陣類可顯示更加豐富的內(nèi)容，如圖1（b）所示。

教學(xué)中常采用8位8段數(shù)碼管和8×8點(diǎn)陣屏，這兩種顯示屏成本低、顯示內(nèi)容靈活性強(qiáng)。數(shù)碼管一般不具備內(nèi)置字符取模器，通過查閱碼表可實現(xiàn)對數(shù)碼管顯示內(nèi)容的控制，而點(diǎn)陣屏則通常需要使用取模軟件。LED顯示屏如圖2所示。

圖2中兩種顯示器均以發(fā)光二極管為元件。外觀上，數(shù)碼管和點(diǎn)陣是兩種不同的顯示器，但是兩者都通過對LED采取不同的布置方式組合而成，硬件連線與控制方法均相同，其原理如圖3所示。兩種顯示屏各有64個LED，8個數(shù)碼管共陽端即其位選線對應(yīng)點(diǎn)陣的8根列線;8個數(shù)碼管的段選并聯(lián)組成8根段選線，對應(yīng)點(diǎn)陣的8根行線。兩者均可用多路復(fù)用技術(shù)即動態(tài)掃描法控制[5-6]。

開展教學(xué)時，可利用Proteus仿真軟件搭建原理圖，也可組織學(xué)生實際操作，采用分立元件搭建數(shù)碼管與點(diǎn)陣，使學(xué)生加深對元件結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。搭建完成后，首先帶領(lǐng)學(xué)生使用單片機(jī)對顯示屏進(jìn)行簡單規(guī)則的點(diǎn)亮與熄滅，待學(xué)生掌握控制規(guī)律后，再開展后續(xù)程序設(shè)計課程。

2 數(shù)碼管滾動

數(shù)碼管結(jié)構(gòu)單一，顯示內(nèi)容有限，編碼方法易于掌握，應(yīng)首先開展數(shù)碼管的滾動控制教學(xué)。

2.1 程序原理分析及設(shè)計

要求顯示內(nèi)容“HELLO”，自右至左滾動顯示，周而復(fù)始。采用8位8段共陽型數(shù)碼管顯示5位字符，根據(jù)數(shù)碼管動態(tài)掃描原理，需用3個空屏“0xFF”補(bǔ)足顯示內(nèi)容（0xFF，0xFF，0x89，0x86，0xC7，0xC7，0xC0，0xFF），若顯示內(nèi)容的字符數(shù)量大于8且不為8的整倍數(shù)，則應(yīng)用空屏“0xFF”補(bǔ)足至8的整倍數(shù)。

經(jīng)分析，本例滾動動畫過程可分解為17幀，動畫幀次分解見表1所列。將表中7幀數(shù)據(jù)循環(huán)發(fā)送至數(shù)碼管即可顯示滾動動態(tài)效果。由表易知，兩個for循環(huán)即可滿足數(shù)據(jù)的循環(huán)發(fā)送，但考慮到數(shù)據(jù)幀之間需保留一段時間使人眼能夠識別，因此可通過增加一個for循環(huán)控制滾動速度[7]，程序流程如圖4所示。

2.2 編寫程序及仿真

由上述原理，在Keil軟件平臺上編寫C語言程序，仿真結(jié)果如圖5所示，主要程序截取如下：

#define duanxuan P2//數(shù)碼管段選

#define weixuan P3//數(shù)碼管位選

uchar duan [] = {//字碼數(shù)組

0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，0xFF，//空屏

0xFF，0xFF，0x89，0x86，0xC7，0xC7，0xC0，0xFF，

//3個空屏補(bǔ)足8位顯示內(nèi)容

0xFF， 0xFF，0xFF，0xFF， 0xFF， 0xFF， 0xFF， 0xFF};//空屏

uchar wei [] = {0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40，0x80，0x00};//共陽數(shù)碼管位選

void main（）

{while（1）

{uchar i，j，k;

for（i=0;i<17;i++）//循環(huán)發(fā)送17幀

{for（j=0;j<100;j++）//滾動速度

{for（k=0;k<8;k++）//8位數(shù)碼管動態(tài)掃描

{duanxuan=duan[k+i];

//根據(jù)幀數(shù)選取8個段碼發(fā)送至段選端口

weixuan=wei[k];

delay（50）;//延時函數(shù)

weixuan=wei[8];//數(shù)碼管消隱

} } } ? } ? ?}

在講授此部分內(nèi)容時，若采用逐個指令逐個語法講解的教學(xué)方法，則極易造成學(xué)生難以跟上教學(xué)節(jié)奏，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)興趣。一個較好的方法是，先讓學(xué)生抄下所有程序代碼，然后讓學(xué)生親自動手完成輸入、編譯、下載，目的是使學(xué)生對操作過程產(chǎn)生宏觀認(rèn)知。待學(xué)生能夠完整正確地實現(xiàn)控制目標(biāo)后，再逐個講解知識點(diǎn)。如教給學(xué)生更換顯示內(nèi)容以及調(diào)整滾動速度的方法。值得注意的是，教師應(yīng)注重傳授給學(xué)生解決問題的“方法”，而非僅僅講授解決問題的“知識”。

3 8×8點(diǎn)陣

3.1 滾動

在講授點(diǎn)陣模塊時，教師應(yīng)注意強(qiáng)調(diào)點(diǎn)陣和數(shù)碼管具有相似的動態(tài)掃描原理，因此可預(yù)設(shè)點(diǎn)陣列選對應(yīng)數(shù)碼管位選，點(diǎn)陣行選對應(yīng)數(shù)碼管段選。這種概念上的同義替換，有利于學(xué)生將先前所學(xué)知識應(yīng)用于后續(xù)教學(xué)中。

此時應(yīng)采用字模提取V2.2軟件提取點(diǎn)陣顯示字符的16進(jìn)制數(shù)據(jù)，取模軟件設(shè)置為縱向取模，將生成的數(shù)據(jù)復(fù)制到上述程序字碼數(shù)組中對應(yīng)位置，略加修改后即得到點(diǎn)陣滾動程序。仿真結(jié)果如圖6所示，主要程序截取如下：

#define hangxuan P2//對應(yīng)數(shù)碼管段選

#define liexuan P3//對應(yīng)數(shù)碼管位選

uchar hang[]={//字碼數(shù)組

0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，//空屏

0x00，0x3E，0x2A，0x7F，0xFF，0xAA，0xBE，0xC0，

//漢字“電”

0x00，0x09，0x09，0x89，0xFD，0x0F，0x0B，0x00，

//漢字“子”

0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00//空屏

};

uchar lie[]={0x01，0x02，0x04，0x08，0x10，0x20，0x40，0x80};//列選碼，對應(yīng)共陽數(shù)碼管位選

void main（）

{while（1）

{uchar i，j，k;

for（i=0;i<25;i++）//顯示了兩組字碼，故有25幀數(shù)據(jù)

{for（j=0;j<50;j++）//滾動速度

{for（k=0;k<8;k++）

{liexuan=lie[k];//點(diǎn)陣列選

hangxuan=～hang[k+i];

//根據(jù)幀數(shù)選取8個段碼發(fā)送至行選端口

delay（50）;//延時函數(shù)

} } } } ? }

需要注意的是，取模方式、接線順序及列選順序均會影響顯示結(jié)果，不同的組合會產(chǎn)生如反向滾動、上下滾動、畫面旋轉(zhuǎn)或亂碼等結(jié)果。此時可組織學(xué)生分組進(jìn)行實驗，通過歸納法總結(jié)出在取模軟件中設(shè)置不同的參數(shù)對顯示結(jié)果會有不同的影響。

3.2 翻頁

將字碼數(shù)組中的內(nèi)容分為4幀顯示4個畫面（空屏-電-子-空屏）就形成了翻頁效果。采用縱向取模，運(yùn)行程序。當(dāng)i=0時，從字碼數(shù)組中依次取出成員[0～7]循環(huán)并行發(fā)送至8根行線上，列線0～7依次選通，即顯示第1幀;當(dāng)i=1時，取成員[8～15]數(shù)據(jù)置于列上，列線0～7依次選通，顯示第2幀;依此循環(huán)4次至i<4。將上例程序修改兩處即能實現(xiàn)翻頁效果，仿真結(jié)果如圖7所示，主要程序截取如下：

for（i=0;i<4;i++）//循環(huán)發(fā)送4幀畫面

{for（j=0;j<200;j++）

{for（k=0;k<8;k++）

{liexuan=lie[k];

hangxuan=～hang[k+i*8];

//k*8根據(jù)幀次從數(shù)組中選擇對應(yīng)的8個程序

delay（50）;

} } }

需要為學(xué)生總結(jié)的是，同是由64個LED構(gòu)成，點(diǎn)陣顯示的信息種類要比數(shù)碼管多，而8×8點(diǎn)陣的分辨率決定了其無法顯示筆畫較多的漢字，常采用4塊8×8點(diǎn)陣構(gòu)成一塊16×16點(diǎn)陣顯示漢字，而16×16點(diǎn)陣的控制應(yīng)作為另一個課題講授。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)智能家居產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，對相關(guān)人才需求逐步增加，以單片機(jī)為核心的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)對智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。本文以LED顯示屏控制教學(xué)內(nèi)容為例詳細(xì)介紹了兩者的結(jié)構(gòu)及控制原理，將顯示需求分解為動畫數(shù)據(jù)幀，把抽象需求量化為具體的數(shù)據(jù)表格再設(shè)計程序結(jié)構(gòu)，編寫51單片機(jī)C語言程序。同時，引入Proteus軟件為實驗平臺開展理實一體化教學(xué)。開展教學(xué)時，應(yīng)注意避免“教師講的多，學(xué)生做的少”。通過這種將教學(xué)內(nèi)容有機(jī)整合、有效壓縮的教學(xué)方式，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，提高了學(xué)生對知識技能的綜合運(yùn)用能力，最終提高教學(xué)質(zhì)量[8-10]。

參 考 文 獻(xiàn)

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