【文章內(nèi)容簡介】 有秩序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過。讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。從技術(shù)上簡單地說，液晶面板包含了兩片相當精致的無鈉玻璃素材，稱為Substrates，中間夾著一層液晶。當光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，因而阻隔或使光束順利通過。大多數(shù)液晶都屬于有機復(fù)合物，由長棒狀的分子構(gòu)成。在自然狀態(tài)下，這些棒狀分子的長軸大致平行。將液晶倒入一個經(jīng)精良加工的開槽平面，液晶分子會順著槽排列，所以假如那些槽非常平行，則各分子也是完全平行的。液晶是一種介于晶體狀態(tài)和液態(tài)狀態(tài)之間的中間物質(zhì)。它兼有液體和晶體的某些特點，表現(xiàn)出一些獨特的性質(zhì)。 液晶顯示器液晶顯示器，又稱LCD(Liquid Crystal Display)，為平面超薄的顯示設(shè)備，它由一定數(shù)量的彩色或黑白畫素組成，放置于光源或者反射面前方。液晶顯示器功耗很低，因此倍受工程師青睞，適用于使用電池的電子設(shè)備。每個畫素由以下幾個部分構(gòu)成：懸浮于兩個透明電極(氧化銦錫)間的一列液晶分子，兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾片，如果沒有電極間的液晶，光通過其中一個過濾片勢必被另一個阻擋，通過一個過濾片的光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)，從而能夠通過另一個。液晶分子本身帶有電荷，將少量的電荷加到每個畫素或者子畫素的透明電極，則液晶的分子將被靜電力旋轉(zhuǎn)，通過的光線同時也被旋轉(zhuǎn)，改變一定的角度，從而能夠通過偏振過濾片。在將電荷加到透明電極之前，液晶分子處于無約束狀態(tài)，分子上的電荷使得這些分子組成了螺旋形或者環(huán)形（晶體狀）， 在有些LCD中，電極的化學(xué)物質(zhì)表面可作為晶體的晶種，因此分子按照需要的角度結(jié)晶，通過一個過濾片的光線在通過液芯片后偏振防線發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使光線能夠通過另一個偏振片，一小部分光線被偏振片吸收，但其余的設(shè)備都是透明的。 　　將電荷加到透明電極上后，液晶分子將順著電場方向排列，因此限制了透過光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)，假如液晶分子被完全打散，通過的光線其偏振方向?qū)⒑偷诙€偏振片完全垂直，因此被光線完全阻擋了，此時畫素不發(fā)光，通過控制每個畫素中液晶的旋轉(zhuǎn)方向，我們可以控制照亮畫素的光線，可多可少。 　　許多LCD在交流電作用下變黑，交流電破壞了液晶的螺旋效應(yīng)，而關(guān)閉電流后，LCD會變亮或者透明。 　　為了省電，LCD顯示采用復(fù)用的方法，在復(fù)用模式下，一端的電極分組連接在一起，每一組電極連接到一個電源，另一端的電極也分組連接，每一組連接到電源另一端，分組設(shè)計保證每個畫素由一個獨立的電源控制，電子設(shè)備或者驅(qū)動電子設(shè)備的軟件通過控制電源的開/關(guān)序列，從而控制畫素的顯示。 　　檢驗LCD顯示器的指標包括以下幾個重要方面：顯示大小，反應(yīng)時間(同步速率)，陣列類型（主動和被動），視角，所支持的顏色，亮度和對比度，分辨率和屏幕高寬比，以及輸入接口（例如視覺接口和視頻顯示陣列）。利用液晶的基本性質(zhì)實現(xiàn)顯示。自然光經(jīng)過一偏振片后“過濾”為線性偏振光，由于液晶分子在盒子中的扭曲螺距遠比可見光波長大得多，所以當沿取向膜表面的液晶分子排列方向一致或正交的線性偏振光入射后，其偏光方向在經(jīng)過整個液晶層后會扭曲90176。由另一側(cè)射出，正交偏振片起到透光的作用；如果在液晶盒上施加一定值的電壓，液晶長軸開始沿電場方向傾斜，當電壓達到約2倍閾值電壓后，除電極表面的液晶分子外，所有液晶盒內(nèi)兩電極之間的液晶分子都變成沿電場方向的再排列，這時90176。旋光的功能消失，在正交片振片間失去了旋光作用，使器件不能透光。如果使用平行偏振片則相反。 　　正是這樣利用給液晶盒通電或斷電的辦法使光改變其透－遮住狀態(tài)，從而實現(xiàn)顯示。上下偏振片為正交或平行方向時顯示表現(xiàn)為常白或常黑模式。 實時時鐘簡介現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS130 DS130PCF8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。 DS1302的結(jié)構(gòu)及工作原理DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，～。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。 引腳功能及結(jié)構(gòu)在DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，Vcc2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1+，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。 DS1302的控制字節(jié)和數(shù)據(jù)的輸入輸出DS1302 的控制字符表示?？刂谱止?jié)的最高有效位(位7)必須是邏輯1，如果它為0，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中，位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)。位5至位1指示操作單元的地址。最低有效位(位0)如為0表示要進行寫操作，為1表示進行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時從低位0位到高位7。 DS1302的寄存器DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。 鍵盤檢測原理簡介鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而靠軟件編程來識別的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機組成的各種系統(tǒng)中，用的較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤。 獨立鍵盤檢測鍵盤實際上是一組按鍵，在單片機外圍電路中，通常用到的按鍵都是機械彈性開關(guān)，當開關(guān)閉合時，線路導(dǎo)通，開關(guān)斷開時，線路斷開。彈性小按鍵被按下時閉合，松手后自動斷開；自鎖式按鍵按下時閉合且會自動鎖住，只有再次按下時才彈起斷開。通常我們把自鎖式按鍵當做開關(guān)使用，比如單片機試驗箱上得的源開關(guān)就是用自鎖按鍵。單片機的外圍輸入控制用小彈性按鍵比較好，單片機檢測按鍵的原理是：單片機的I/O口既可以作為輸出也可以作為輸入使用，當檢測按鍵時用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機的某個I/O口相連，開始時先給I/O口賦一高電平，然后讓單片機不斷地檢測該I/O口是否變?yōu)榈碗娖?，當按鍵閉合時，即相當于該I/O口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測到I/O口變?yōu)榈碗娖絼t說明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。按鍵的連接方法非常簡單，如圖36所示，右側(cè)I/O端與單片機的任一I/O口相連。按鍵在被按下時，其觸點電壓變化過程如圖37所示。從圖37可看出，理想波形與實際波形之間是有區(qū)別的，實際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動現(xiàn)象，抖動時間的長短和按鍵的機械特性有關(guān)，一般位5~10ms。通常我們手動按下鍵然后立即釋放，這個動作中穩(wěn)定閉合的時間超過20ms。因此單片機在檢測鍵盤是否按下時都要加上去抖動操作，有動用的去抖動電路，也有專用的去抖動芯片，但通常我們用軟件延時的方法就能很容易解決抖動問題，而沒有必要再添加多余的硬件電路。圖36 按鍵與單片機連接圖 圖37 按鍵被按下時電壓變化用示波器跟蹤不同類型的開關(guān)，得到圖38和圖39的波形，觀察波形可以幫助我們對抖動現(xiàn)象有一個直觀的了解。圖38是一個小按鈕開關(guān)在閉合時的抖動現(xiàn)象，水平軸2ms/Div，抖動間隙大約為10ms，在達到穩(wěn)定狀態(tài)前一共有6次變化，頻率隨時間升高。圖38 小按鈕開關(guān)閉合瞬間圖39是一個小型繼電器在閉合時抖動現(xiàn)象，水平軸2ms/Div，抖動間隙大約為8ms，在達到穩(wěn)定狀態(tài)前共有13次變化。注意在開始和結(jié)束時，幾個小的脈沖后伴隨較高的頻率。圖39 小型繼電器閉合瞬間編寫單片機的鍵盤檢測程序時，一般在檢測按下時加入去抖延時，檢測松手時就不用加了。 矩陣鍵盤檢測獨立鍵盤與單片機連接時，每一個按鍵都需要單片機的一個I/O口，若某單片機系統(tǒng)需要較多的按鍵，如果用獨立按鍵便會占用過多的I/O口資源。單片機系統(tǒng)中I/O口資源往往比較寶貴，當用到多個按鍵時，為了節(jié)省I/O口線，可采用矩陣鍵盤。無論是獨立鍵盤還是矩陣鍵盤，單片機檢測其是否被按下的依據(jù)都是一樣的，也就是檢測與該鍵對應(yīng)的I/O口是否是低電平。獨立鍵盤有一端固定為低電平，單片機程序檢測時比較方便。而矩陣鍵盤兩端都與單片機I/O口相連，因此在檢測時需人為通過單片機I/O口送出低電平。檢測時，先送一列位低電平，其余幾列全為高電平（這時我們確定了列數(shù)），然后立即輪流檢測一次各行是否有低電平，若檢測到某一行為低電平（這時我們有確定了行數(shù)），則我們便可確認當前被按下的鍵是哪一行哪一列的，用同樣方法輪流送各列一次低電平，在輪流檢測一次各行是否變?yōu)榈碗娖剑@樣即可檢測完所有的按鍵，當有鍵被按下時便可判斷出按下的鍵是哪一個鍵。這就是矩陣鍵盤檢測的原理和方法。4 系統(tǒng)硬件 系統(tǒng)控制模塊本次設(shè)計中采用了高速51內(nèi)核MCU，具體型號為STC89C52，高速8051架構(gòu)，每個機器周期一個時鐘，最高頻率33MHz，單周期指令30ns，雙數(shù)據(jù)指針，支持四種頁面存儲器訪問模式。 控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)STC89C52支持片內(nèi)8KB閃存，在應(yīng)用編程，可通過串口實現(xiàn)在系統(tǒng)編程。四路8位并行I/O端口，三個定時器，512字節(jié)暫存RAM。支持電源管理模式，可編程的時鐘分頻器，自動的硬件和軟件退出低功耗。外設(shè)特性：兩路全雙工串口、可編程看門狗定時器、五級中斷優(yōu)先級、電源失效復(fù)位等。 控制器具體電路整個系統(tǒng)的控制部分主要完成對指南針模塊數(shù)據(jù)的讀取和處理并將數(shù)據(jù)的處理結(jié)果通過控制液晶界面顯示出來，同時監(jiān)控鍵盤的輸入以便完成系統(tǒng)功能設(shè)定等操作。整個系統(tǒng)中各個模塊對微控制器的端口占用比較少，指南針模塊的接口采用串口與單片機相連。LCD是系統(tǒng)中比較繁忙的器件之一，其接口采用了并口模式可以提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，保證了液晶顯示屏的及時刷新。圖41 控制器電路圖整個微控制系統(tǒng)中采用了無源晶振的形式發(fā)生MCU所需要的時鐘信號。時鐘電路中的兩個電容用作補償，使得晶振更容易起振，頻率更加穩(wěn)定。系統(tǒng)的復(fù)位采用了上電復(fù)的形式，上電過程中微控制器復(fù)位引腳保證10ms以上的高電平就能可靠的將微控制器復(fù)位，具體如圖42,43所示。圖42 晶振電路圖 圖43 復(fù)位電路圖 指南針模塊本次設(shè)計中采用了NGY26指南針模塊。GY26是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊。輸入電壓低，功耗小，體積小。其工作原理是通過磁傳感器中兩個相互垂直軸同時感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方位角度，此羅盤以RS232協(xié)議，及IIC協(xié)議與其他設(shè)備通信。 指南針模塊電路該產(chǎn)品精度高，穩(wěn)定性高。并切具有重新標定的功能，能夠在任意位置得到準確的方位角，其輸出的波特率是9600bps,有連續(xù)輸出與詢問輸出兩種方式，具有磁偏角補償功能，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。本次設(shè)計采用了串口通信協(xié)議，其電路接線如圖44。圖44 指南針電路圖 指南針模塊串口通信協(xié)議 串口通信參數(shù)波特率校驗位數(shù)據(jù)位停止位9600bpsN81 指南針模塊輸出格式輸出位輸出格式注釋Byte00x0DASCII碼 回車Byte10x0AASCII碼 換行Byte20x30~0x33角度百位ASCII碼 0~3Byte30x30~0x39角度十位ASCII碼 0~9Byte40x30~0x39角度個位ASCII碼 0~9Byte50x2EASCII碼小數(shù)點Byte60x30~0x39角度小數(shù)位ASCII碼 0~9Byte70x00~0xFF校驗和 僅低8bit 實時時鐘模塊系統(tǒng)采用了DS1302實時時鐘芯片為系統(tǒng)提供實時時鐘。DS1302是美國DALLS公司推出的一款高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。整個時鐘部分的電路如圖45所示。圖45 時鐘電路圖DS1302是一款穿行時鐘芯片，主要由移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實時時鐘以及RAM組成。為初始化數(shù)據(jù)傳送，把RST置為高電平且把提供地址和命令信息的8位裝入到移位寄存器。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期，也無論是單字節(jié)還是多字節(jié)