智能家居專業一體化課程研究

武志鵬 焦紅衛

摘 要：以STC單片機控制LED顯示屏為例，闡述在智能家居及其相關專業開展單片機教學的特點與困境，分析LED顯示屏的結構特點與控制方法，研究單片機C語言編寫驅動程序的關鍵技術，探討該課程一體化教學內容。最后在Proteus平臺上進行軟硬件交互仿真與調試，使一體化課程中的單片機模塊教學更加形象具體。

關鍵詞：教學研究;單片機;C語言;LED顯示屏;智能家居;Proteus平臺

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

0 引 言

隨著嵌入式系統與各類硬件設備的不斷融合，尤其是物聯網智能家居技術的逐步發展，以單片機為核心的計算機控制技術成為物聯網智能家居相關專業學生的必修課。智能家居專業本質上屬于系統集成應用，是多專業的有機融合。學生往往需要在有限的學年里完成趨于無限的課程，因而傳統的教學方法與教學節奏難以滿足需要。另外，單片機教學往往以單片機內部結構、單片機原理和匯編指令為核心，這種教學模式難以有效培養學生的應用技能，也難以激發學生的積極性，往往導致學生認為學習內容枯燥乏味，最終造成學生的應用能力不足。因此，單片機教學應該采用理論與實踐有機結合的一體化教學方式，進而增強學生的感性認識和工程體驗[1-4]。

1 LED屏結構特點及工作原理

基于發光二極管的數碼管與點陣模塊是一類重要的顯示器件，其可靠性高，使用壽命長，環境適應能力強，操作使用方便靈活，且顯示屏面積可根據實際需求進行擴展，對控制系統性能要求低，因而在物聯網智能家居產品中得到了廣泛應用。根據LED的布局結構不同，常見的LED顯示器可以分為數碼管類與點陣類。智能家居LED顯示器如圖1所示。數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。而點陣類可顯示更加豐富的內容，如圖1（b）所示。

教學中常采用8位8段數碼管和8×8點陣屏，這兩種顯示屏成本低、顯示內容靈活性強。數碼管一般不具備內置字符取模器，通過查閱碼表可實現對數碼管顯示內容的控制，而點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光二極管為元件。外觀上，數碼管和點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個數碼管共陽端即其位選線對應點陣的8根列線;8個數碼管的段選并聯組成8根段選線，對應點陣的8根行線。兩者均可用多路復用技術即動態掃描法控制[5-6]。

開展教學時，可利用Proteus仿真軟件搭建原理圖，也可組織學生實際操作，采用分立元件搭建數碼管與點陣，使學生加深對元件結構的認知。搭建完成后，首先帶領學生使用單片機對顯示屏進行簡單規則的點亮與熄滅，待學生掌握控制規律后，再開展后續程序設計課程。

2 數碼管滾動

數碼管結構單一，顯示內容有限，編碼方法易于掌握，應首先開展數碼管的滾動控制教學。

2.1 程序原理分析及設計

要求顯示內容“HELLO”，自右至左滾動顯示，周而復始。采用8位8段共陽型數碼管顯示5位字符，根據數碼管動態掃描原理，需用3個空屏“0xFF”補足顯示內容（0xFF，0xFF，0x89，0x86，0xC7，0xC7，0xC0，0xFF），若顯示內容的字符數量大于8且不為8的整倍數，則應用空屏“0xFF”補足至8的整倍數。

經分析，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幀數據循環發送至數碼管即可顯示滾動動態效果。由表易知，兩個for循環即可滿足數據的循環發送，但考慮到數據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，仿真結果如圖5所示，主要程序截取如下：

#define duanxuan P2//數碼管段選

#define weixuan P3//數碼管位選

uchar duan [] = {//字碼數組

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

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

//3個空屏補足8位顯示內容

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

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

void main（）

{while（1）

{uchar i，j，k;

for（i=0;i<17;i++）//循環發送17幀

{for（j=0;j<100;j++）//滾動速度

{for（k=0;k<8;k++）//8位數碼管動態掃描

{duanxuan=duan[k+i];

//根據幀數選取8個段碼發送至段選端口

weixuan=wei[k];

delay（50）;//延時函數

weixuan=wei[8];//數碼管消隱

} } } ? } ? ?}

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

3 8×8點陣

3.1 滾動

在講授點陣模塊時，教師應注意強調點陣和數碼管具有相似的動態掃描原理，因此可預設點陣列選對應數碼管位選，點陣行選對應數碼管段選。這種概念上的同義替換，有利于學生將先前所學知識應用于后續教學中。

此時應采用字模提取V2.2軟件提取點陣顯示字符的16進制數據，取模軟件設置為縱向取模，將生成的數據復制到上述程序字碼數組中對應位置，略加修改后即得到點陣滾動程序。仿真結果如圖6所示，主要程序截取如下：

#define hangxuan P2//對應數碼管段選

#define liexuan P3//對應數碼管位選

uchar hang[]={//字碼數組

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，對應共陽數碼管位選

void main（）

{while（1）

{uchar i，j，k;

for（i=0;i<25;i++）//顯示了兩組字碼，故有25幀數據

{for（j=0;j<50;j++）//滾動速度

{for（k=0;k<8;k++）

{liexuan=lie[k];//點陣列選

hangxuan=～hang[k+i];

//根據幀數選取8個段碼發送至行選端口

delay（50）;//延時函數

} } } } ? }

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果，不同的組合會產生如反向滾動、上下滾動、畫面旋轉或亂碼等結果。此時可組織學生分組進行實驗，通過歸納法總結出在取模軟件中設置不同的參數對顯示結果會有不同的影響。

3.2 翻頁

將字碼數組中的內容分為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，運行程序。當i=0時，從字碼數組中依次取出成員[0～7]循環并行發送至8根行線上，列線0～7依次選通，即顯示第1幀;當i=1時，取成員[8～15]數據置于列上，列線0～7依次選通，顯示第2幀;依此循環4次至i<4。將上例程序修改兩處即能實現翻頁效果，仿真結果如圖7所示，主要程序截取如下：

for（i=0;i<4;i++）//循環發送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根據幀次從數組中選擇對應的8個程序

delay（50）;

} } }

需要為學生總結的是，同是由64個LED構成，點陣顯示的信息種類要比數碼管多，而8×8點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點陣構成一塊16×16點陣顯示漢字，而16×16點陣的控制應作為另一個課題講授。

4 結 語

物聯網智能家居產業規模巨大，對相關人才需求逐步增加，以單片機為核心的嵌入式計算機系統對智能家居產業的發展意義重大。本文以LED顯示屏控制教學內容為例詳細介紹了兩者的結構及控制原理，將顯示需求分解為動畫數據幀，把抽象需求量化為具體的數據表格再設計程序結構，編寫51單片機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。開展教學時，應注意避免“教師講的多，學生做的少”。通過這種將教學內容有機整合、有效壓縮的教學方式，充分調動了學生的主觀能動性，提高了學生對知識技能的綜合運用能力，最終提高教學質量[8-10]。

參 考 文 獻

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