Краткие теоретические сведения
Практическая работа №2
Тема: Разработка схемы динамической индикации.
Цель: Получить практические навыки проектирования элементов индикации цифровых устройств.
Задание: Разработать электрическую принципиальную схему цифрового семисегментного светодиодного дисплея на основе микроконтроллера в соответствии с техническим заданием.
Краткие теоретические сведения
Для вывода цифровой и символьной информации во встроенных системах используются семисегментные и матричные индикаторы. Семисегментные индикаторы бывают жидкокристаллического и светодиодного типов.
Светодиодный семисегментный индикатор представляет собой восемь светодиодов с соединенными катодами или анодами. Сегменты обозначаются буквами A,B,C,D,E,F,G,H как показано на рисунке 1.
Рисунок 1
Свечение сегмента возникает при подаче на общий вывод положительного напряжения, а на катод - нулевого.
Существует два способа организации интерфейса с дисплеем: статический и динамический. Недостатком первого является необходимость большого количества линий управления (количество разрядов портов микроконтроллера) - по 8 на каждый индикатор.
При динамическом способе индикации требуется количество разрядов равное сумме количества сегментов и количества разрядов.
Динамический способ является импульсным и основан на том, что если «мерцание» производится с частотой 50Гц и более, то свечение представляется человеку постоянным. Этот способ требует минимальных аппаратных затрат, обработка динамического дисплея, в том числе и преобразование кодов производится программно.
В динамическом дисплее одноименные сегменты всех индикаторов включены параллельно, образуя сегментную шину, а общие аноды индикаторов образуют шину выбора индикаторов. Таким образом, требуется значительно меньшее количество линий, чем при статическом методе.
Обработка дисплея заключается в поочерёдной выдаче на шину сегментов позиционных семисегментных кодов символов и синхронным включением (выбором) индикаторов.
Схема четырехразрядного динамического индикатора представлена на рисунке 3 . Сегментная шина подключена к порту С микроконтроллера, а четыре младших разряда порта D являются разрядами выбора разрядов индикатора.
Очевидно, что индикатор должен обрабатываться программой. Программа выдает в порт С семисегментный код символа для правого (младшего) разряда индикатор, а разряд РС0 устанавливает в нулевое состояние. Происходит включение младшего разряда индикатора (нулевой уровень открывает транзистор VT3).
Таким образом, сигнал на одной линии выбора представляет собой импульсную последовательность со скважностью равной числу индикаторов.
При частоте «мерцания» 50Гц период импульсов равен 20мс.
Рисунок 2
Рисунок 3 – Электрическая схема динамической индикации
На рисунке 2 представлены временные диаграммы сигналов выбора для четырехразрядного дисплея. Время свечения одного индикатора 5мс.
Так как глаз человека «усредняет» силу света импульсного характера, то для получения нормальной яркости амплитуда тока протекающего через сегменты, должна быть большей, чем при статической индикации. Характеристика зависимости силы света от величины тока является нелинейной.
Амплитуда импульса тока в цепи выбора индикатора должна быть в 8 раз (по числу сегментов) больше амплитуды тока в сегменте.
На рис. 2 представлена схема динамического четырехразрядного дисплея , выполненного на семисегментных цифровых индикаторах.
Шина сегментов SA-SH образована выводами порта Р2 микроконтроллера, а четыре младших разряда порта Р1 образуют шину выбора индикаторов (SELI-SEL4). Дисплей обрабатывается программным модулем следующим образом. В порт Р2 загружается семисегментный код символа правого индикатора (HG4). Усиленный элементом DD2 этот ток поступает на шину сегментов а,Ь,с... Затем в младшую тетраду порта Р1 загружается код выбора (включения) индикатора HG4: SEL1=0 , SEL2 -SEL4=1 (шестнадцатиричное значение Е). Ток логического нуля, усиленный элементом DD2, по проводу 11 протекает через резистор R7 и открывает транзистор VT4. Остальные транзисторы выключены. Напряжение питания +5В поступает через открытый транзистор на общий анод индикатора HG4, вызывая индикацию символа. Такое состояние сохраняется в течение времени 5мс. По окончании этого временного интервала МК выдает на разряд порта SEL1 высокий уровень, транзистор VT4 закрывается и ключ VT3 и индицируется символ в этом разряде свечение разряда прекращается . Затем в порт Р2 выдается семисегментный код символа индикатора HG3, а в состояние низкого уровня устанавливается разряд Р1.1. Тем самым включается дисплея и т.д.
Временной интервал, соответствующий времени свечения индикатора, может использоваться для реализации функции управления объектом.
Преобразование двоичного кода выводимых данных в семисегментный код индикатора производится программно с помощью массива семисегментных кодов. Элементами массива являются семисегментные коды символов. В соответствии со схемой, сегмент будет находиться во включенном состоянии, если на него подать низкий уровень напряжения. Из этого соображения составляется содержимое таблицы 2.
Таблица 2 – Семисегментные коды
| Байт данных | A | B | C | D | E | F | G | H | НЕХ -код символа |
| $9F | |||||||||
| $25 | |||||||||
| $D | |||||||||
| $99 | |||||||||
| $49 | |||||||||
| $41 | |||||||||
| $1F | |||||||||
Задание
1. Разработать электрическую принципиальную схему динамического цифрового семисегментного дисплея.
2. Выполнить чертеж схемы электрической принципиальной согласно ГОСТ ЕСКД.
3. Обосновать выбор схемотехнических решений.
4. Исходные данные для проектирования представлены в таблице вариантов 2. Для расширения разрядности портов параллельного ввода-вывода микроконтроллера использовать микросхемы сдвиговых регистров. Для управления линиями выбора индикатора использовать двоично-десятичный индикатор. Для усиления сигналов выбора разряда индикации использовать транзисторные ключи.
Таблица 2 – Исходные данные
| Вариант № | Тип микроконтроллера | Тип индикатора | Количество сегментов |
| ATmega8 | BL-S56A-11 | ||
| ATmega16 | BC56-11SRWA | ||
| ATtiny13 | BL-D56A-21 | ||
| ATtiny2313 | BL-S56B-11 | ||
| ATmega8 | BA56-11GWA | ||
| ATmega16 | BL-D56B-21 | ||
| ATtiny13 | BL-D56A-21 | ||
| ATtiny2313 | BL-D56A-21 | ||
| ATmega16 | BL-S56B-11 | ||
| ATtiny13 | BL-D56B-21 |
Содержание отчета
Отчет по практической работе должен содержать:
- наименование практической работы;
- тему практической работы;
- цели и задачи практической работы;
- задание в соответствии с вариантом;
- чертеж схемы электрической принципиальной;
- обоснование разработки схемы электрической принципиальной;
- вывод по проделанной работе;
- ответы на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы
1. Для чего применяются семисегментные индикаторы?
2. При каких условиях возникает свечение сегментов индикатора?
3. На чем основан основной принцип динамической индикации?
4. Как определить частоту переключения сегментов динамического дисплея для выполнения условий динамической индикации?
5. Что собой представляет позиционный семисегментный код?
6. По какому принципу составляется таблица семисегментных кодов?