基于單片機(jī)的線上教學(xué)時(shí)間顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何小映

（西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西西安，710077）

0 引言

2019 年底，爆發(fā)了新冠疫情，受此影響，疫情地區(qū)的學(xué)校授課轉(zhuǎn)為線上[1]，與線下授課不同，線上授課學(xué)生和教師大部分分散在不同地點(diǎn)，不像在學(xué)校，大家集中在一起上課，有計(jì)時(shí)系統(tǒng)計(jì)時(shí)，到時(shí)自動(dòng)打鈴[2]。網(wǎng)課期間，師生只能自己記下學(xué)校作息時(shí)間，自己通過(guò)看手機(jī)等計(jì)時(shí)工具，自己提醒自己造成一定的困擾。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了作息時(shí)間顯示系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)包括時(shí)鐘模塊、矩陣式鍵盤(pán)、單片機(jī)、液晶顯示器，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

時(shí)間由時(shí)鐘模塊提供，矩陣式鍵盤(pán)用來(lái)輸入時(shí)間和日期、星期的初始值，作息時(shí)間將會(huì)在液晶顯示器LCD12864B 上相應(yīng)的位置進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件部分

■2.1 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊主要由DS1302、晶振組成、紐扣電池，DS1302 是美國(guó)DALLAS 公司的產(chǎn)品，具有涓細(xì)電流充電能力，采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)。晶振頻率為32.768kHz，是一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘[3]。具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒寄存器，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.0V ～5.5V[4]。采用三線接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，單片機(jī)可以給它不同的寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，也可以從它不同的寄存器讀取數(shù)據(jù)，其接口如圖2所示。

圖2 DS1302 接口

其中，VCC1 為后備電源，等于系統(tǒng)電源5V，VCC2 為主電源，等于3.6V，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，因?yàn)閂cc1>Vcc2，由Vcc1 供電，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，由VCC2 供電[5]，DS1302 繼續(xù)計(jì)時(shí)。/RST 是復(fù)位/片選線，SCLK 為時(shí)鐘輸入端，I/O 為雙向串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。

■2.2 矩陣式鍵盤(pán)

DS1302的矯正日期、星期、時(shí)間值的輸入采用矩陣式鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)[6]，由4×4 鍵盤(pán)構(gòu)成[7]，電路如圖3所示。

圖3 矩陣式鍵盤(pán)

行線連接到P2.0~P2.3，列線連接到P2.4~P2.7，一共有0~9 共10個(gè)數(shù)字鍵，另有四個(gè)功能鍵，分別表示左移、右移、確認(rèn)、退出，括號(hào)中為該鍵的鍵值（16 進(jìn)制）。按鍵的分析采用行列反轉(zhuǎn)法，P2口先輸出0xF0，再讀取P2口的值，讀取的值保留高四位，然后P2口輸出0X0F，再次讀取P2口的值并保留低四位，所得結(jié)果與前次保留的結(jié)果進(jìn)行或運(yùn)算，就能得出每個(gè)鍵分別按下時(shí)的鍵值，再根據(jù)鍵值就可以判斷該鍵的類型，如果是數(shù)字鍵，則此值即為要設(shè)置的時(shí)間參數(shù)的高位或低位（由程序進(jìn)行判斷）。如果是功能鍵，就執(zhí)行相應(yīng)的功能。

■2.3 液晶顯示器

顯示器采用LCD12864B， 該顯示器的控制器為ST7920，可以顯示常用漢字，數(shù)字，英文字符及圖形，與單片機(jī)的接口電路如圖4所示[8]。

圖4 LCD12864B 與單片機(jī)接口

圖中GND為電源負(fù)極，接地。VCC 為電源正極，接+5V，VO 為對(duì)比度調(diào)節(jié)端，接電位器。RS=1 時(shí)，表示傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)，RS=0 時(shí)，表示傳輸?shù)氖强刂浦噶?。R/W=1時(shí)，單片機(jī)從LCD12864 讀出數(shù)據(jù)，R/W=0 時(shí)，單片機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)到LCD12864B，E 為使能端，D0~D7 為8位數(shù)據(jù)，PSB=1 時(shí)，采用并行模式，PSB=0 時(shí)，采用串行模式，/RESET 為復(fù)位端，低電平有效。Vout 為模塊驅(qū)動(dòng)電壓輸出端，A 為背光電源正極，接+5V，K 為背光電源負(fù)極，接地。

■2.4 改值請(qǐng)求電路

當(dāng)顯示的日期時(shí)間與當(dāng)前日期時(shí)間不一致時(shí)，需要進(jìn)行矯正，矯正請(qǐng)求方式采用單片機(jī)外部中斷0，接口電路如圖5所示。

圖5 時(shí)間日期矯正請(qǐng)求

在主程序中，設(shè)置EA=1，允許總中斷。EX0=1，允許外部中斷0 中斷，當(dāng)需要矯正日期時(shí)間時(shí)，按圖5 中的按鍵，程序進(jìn)入外部中斷0 中斷函數(shù)，進(jìn)行初始值設(shè)置。

硬件整體電路圖如圖6所示。

圖6

3 系統(tǒng)軟件部分

軟件包括主函數(shù)和中斷處理函數(shù)及其他函數(shù)。采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)。

■3.1 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)

主函數(shù)程序流程圖如圖7所示。

圖7 主函數(shù)程序流程圖

圖中xjc 表示節(jié)次，因?yàn)槊抗?jié)課的時(shí)間區(qū)間是固定的，比如第一節(jié)課是08:30-09:15，如果當(dāng)前時(shí)間是08:40， 則xjc=1。 如 果xjc!=0，表示當(dāng)前為上課時(shí)間，則顯示該節(jié)課所處的節(jié)次、起始時(shí)間、進(jìn)度條、截止時(shí)間。

上課期間，使用進(jìn)度條可以顯示當(dāng)前上課時(shí)間進(jìn)度，此時(shí)需要將顯示模式切換為擴(kuò)展模式，用來(lái)顯示圖形，進(jìn)度條顯示在第四行中間位置，占6個(gè)字節(jié)位置，一行48個(gè)點(diǎn)，共16 行，當(dāng)給某點(diǎn)送“1”時(shí)點(diǎn)亮該點(diǎn)，送“0”時(shí)該點(diǎn)熄滅，通過(guò)點(diǎn)亮、熄滅某些點(diǎn)就能顯示進(jìn)度條。一節(jié)課45 分鐘，一行多出3個(gè)點(diǎn)，所以第一分鐘每行點(diǎn)亮最左邊3個(gè)點(diǎn)，后面每1 分鐘每行就向右多點(diǎn)亮一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)度條顯示程序流程如圖8所示。

圖8 進(jìn)度條顯示流程圖

圖8中，thl 為每行需點(diǎn)亮的點(diǎn)數(shù)，計(jì)算方法是：當(dāng)前時(shí)間的小時(shí)和分鐘折合成分鐘減去該節(jié)課的起始時(shí)間的小時(shí)和分鐘折合成的分鐘數(shù)再加3，例如第一節(jié)課時(shí)間是08:30-09:15，如果當(dāng)前時(shí)間是09:10，則thl的值如公式(1)所示。

qcthl 為上次每行需點(diǎn)亮的點(diǎn)數(shù)，初始值為0，則thl>qcthl 成立，執(zhí)行qcthl=thl 來(lái)控制進(jìn)度條更新的頻率，因?yàn)閠hl 每分鐘更新一次，在一分鐘之內(nèi)qcthl=thl 始終成立，所以為進(jìn)度條每分鐘更新一次，另外，qcthl的值需要在休息時(shí)間程序段中再次清0，否則一節(jié)課結(jié)束，qcthl為最大值，后面上課時(shí)間的進(jìn)度條不會(huì)顯示。jsjdt(thl)函數(shù)計(jì)算進(jìn)度條數(shù)組jdt[ ]的值，jdt[ ]數(shù)組共7個(gè)數(shù)，此處jdt[0]=0，jdt[1]=jdt[2]=jdt[3]=jdt[4]=jdt[5]=0xFF；jdt[6]=0xE0，共43個(gè)“1”，對(duì)應(yīng)一行共43個(gè)點(diǎn)點(diǎn)亮，第一個(gè)值jdt[0]=0是因?yàn)檫M(jìn)度條在08:30 后面顯示，而顯示圖形時(shí)，1個(gè)列號(hào)包含兩個(gè)字節(jié)，08:30 是5個(gè)字節(jié)，進(jìn)度條從第二個(gè)列號(hào)開(kāi)始顯示，故第一字節(jié)被起始時(shí)間08:30的最后一個(gè)數(shù)字“0”占據(jù)，所以該字節(jié)所在的八個(gè)點(diǎn)為0，否則起始時(shí)間分值的個(gè)位會(huì)被占據(jù)無(wú)法正常顯示。dis(48,2,7,16,jdt)表示將jdt[]數(shù)組中的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)從第48 行，第2 列號(hào)開(kāi)始顯示出來(lái)，共16 行，7個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，實(shí)際每行顯示點(diǎn)陣的為6個(gè)字節(jié)，如前所述。

如果xjc=0，則當(dāng)前為休息時(shí)間，先使qcthl=0（如前述），然后清屏第三四行內(nèi)容，再在第四行顯示“休息到XX:XX”，因?yàn)樾菹r(shí)間至少十分鐘，所以由變量控制僅在休息時(shí)間的第一分鐘清屏三、四行。

■3.2 矩陣式鍵盤(pán)處理程序

矩陣式鍵盤(pán)用來(lái)設(shè)置初始值，當(dāng)日期、星期、時(shí)間不正確時(shí)需要進(jìn)行矯正，此時(shí)按圖5 中的按鍵，程序進(jìn)入外部中斷0 服務(wù)程序，該程序的流程圖如圖9所示。

圖9 中斷0 服務(wù)程序流程圖

圖9流程圖中，sethang 確定要設(shè)置的兩位數(shù)字的行地址，setlie 確定要設(shè)置的兩位數(shù)字的列地址，12864B 一共有四行，第一行到第四行的地址分別為：0x80,0x90,0x88,0x98。本系統(tǒng)中要設(shè)置的參數(shù)位于第一二行，其中年、月、日、星期在第一行設(shè)置，sethang=0x80，對(duì)應(yīng)的setlie 分別為：0x00，0x02，0x04，0x06，時(shí)、分、秒在第二行顯示，sethang=0x90，對(duì)應(yīng)的setlie=0x02，0x04，0x06，gbwz 變量表示七個(gè)要設(shè)置的變量，其值為0~6，分別對(duì)應(yīng)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒。szjax 變量是數(shù)字鍵按下標(biāo)志位，當(dāng)數(shù)字鍵按下時(shí)其值為1，certn 是確認(rèn)鍵按下標(biāo)志，只有先按下數(shù)字鍵，再按確認(rèn)鍵時(shí)，certn的值才變化。由流程圖可知，如果第一次就按功能鍵，不會(huì)影響閃動(dòng)位置處的值。

4 結(jié)論

圖10為第一節(jié)課前、課中、課后的時(shí)間信息顯示。

從圖10可以看出，該系統(tǒng)能夠顯示日期，星期，時(shí)間，當(dāng)當(dāng)前時(shí)間為上課時(shí)間，則顯示當(dāng)前節(jié)次及該節(jié)課起始時(shí)間、進(jìn)度條、截止時(shí)間，如果當(dāng)前為休息時(shí)間，則顯示休息到下節(jié)課上課時(shí)間，滿足了網(wǎng)課期間作息時(shí)間的提示要求。

圖10 作息時(shí)間顯示實(shí)例