基于點陣式液晶顯示模塊的IVC監控系統
摘要： ST7920因內置字庫而被廣泛應用，其圖形顯示的關鍵點是熟練掌握圖形顯示坐標。在筆者所參與的獨立通氣籠盒監控系統設計過程中，利用以ST7920為控制器的液晶顯示模塊構建良好的人機交互界面，以曲線和直方圖的方式顯示實時溫度。系統可由用戶設定開啟密碼，可以查看相關歷史數據、實現實驗動物生長環境及生長過程的控制，以及回溯歷史數據、實時控制參數和環境溫度等參數。該設計對優化控制實驗動物生長環境、穩定實驗動物生活習性、動物形態十分有益。
Abstract：
Key words :
關鍵字：YMl2864R 點陣式液晶 IVC監控
實驗動物獨立通氣籠盒(Individual Ventilated Cages，IVC)(閉環)監控系統，由微控制器實現對籠盒風扇的通氣量、籠盒內部的氨含量等參數采集，并根據這些參數來調整通氣風扇轉速，以調整籠盒的換氣率，從而確保籠盒內部的空氣質量。同時，根據相關參數指標發出警報以提醒更換過濾膜等，實現對小動物生長環境的過程控制。
在整個監控系統中，人機交互界面部分用于顯示整個實驗動物生長環境過程中的控制歷史數據、實時控制參數和環境溫度參數等。
本文采用以ST7920為控制器的YMl2864R點陣式液晶顯示模塊(LCD Module，LCM)構成了整個IVC監控系統的人機界面部分。YM12864R點陣式液晶顯示模塊具有靈活的接口方式和簡單的操作指令，構成的全中文人機交互圖形界面既可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可以顯示圖形。模塊內部設有2MB的中文字型CGROM和64×256點陣的GDRAM繪圖區域；同時，提供4組可編程控制的16×16點陣造字空間。
1 點陣式液晶硬件接口設計
以ST7920為控制器的YM12864R點陣式液晶顯示模塊和單片機之間的接口方式有并行和串行兩種。本文采用串行接口方式，單片機選用AVR公司的ATmega16。接口電路如圖1所示。其中，PC4控制串行的片選信號(CS)，低電平有效；PC5控制串行的數據線(SID)；PC6控制串行的時鐘輸入(CLK)。ST7920通過VCC(+5 V)和GND之間串聯一個10 kΩ的電阻來控制背光強度。如果不需要調節對比度，可以直接將VLCD引腳接VCC(+5 V)，此時對比度最大。
2 文本顯示及繪圖顯示
2.1 文本顯示
ST7920可以顯示半寬的HCGROM字型、CGRAM字型以及中文CGROM三種字型，通過在DDRAM中寫入的編碼選擇。文本顯示DDRAM提供8個×4行的漢字空間，如下所示：
字型編碼如下：
①顯示半寬HCGROM字型。將1字節寫入DDRAM中，范圍為02H～7FH的編碼。
②顯示半寬CGRAM字型。將2字節編碼寫入DDRAM中，總共有0000H、0002H、0004H、0006H四種編碼。
③顯示中文CGROM字型。將2字節編碼寫入DDRAM中，范圍為A1AOH～FTFFH(GB碼)或A140H～D75FH(BIG5碼)的編碼。
2.2 繪圖顯示
繪圖顯示GDRAM提供128×8字節的記憶空間。在更改繪圖RAM時，先連續寫入水平與垂直的坐標值，再寫入2個字節的數據到繪圖RAM中，而地址計數器(AC)會自動加1。在寫入繪圖顯示RAM的期間，繪圖顯示功能必須關閉。整個寫入繪圖RAM的步驟如下：
①關閉繪圖顯示功能；
②先將水平的位元組坐標(X)寫入繪圖RAM地址，再將垂直的坐標(Y)寫入繪圖RAM地址；
③依次將D15～D8和D7～D0寫入RAM中；
④打開繪圖顯示功能。
圖形顯示坐標如圖2所示。其中，水平方向X以字節單位，垂直方向Y以位為單位。
3 字符反白
在實現人機交互界面菜單時，字符反白可以表示菜單中不同選項被選中的狀態。液晶顯示模塊YM12864R的使用手冊中提供了對應行的反白指令，但在原理上ST7920控制器的128×64點陣液晶等同于256×32點陣，第3行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接著第1行，第4行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接第2行。因此，用戶對第1行執行反白顯示操作時，第3行必然也反白顯示；對第2行執行反白操作時，第4行也必然反白。可見，使用手冊中自帶的反白指令不能實現任意字符的反白。
為了解決上述問題，可以將圖形顯示和字符顯示結合起來使用。在ST7920控制器中，文本顯示的DDRAM和圖形顯示的GDRAM是相互獨立的，而最后顯示到液晶上的結果則是，文本顯示DDRAM中數據和圖形顯示GDRAM中數據的異或結果。
如果要在液晶顯示模塊的某個點上呈現反白顯示，那么就在該點繪圖并且顯示文本；如果要取消反白，只需用全“0”擦掉該點的繪圖。這樣，就可以實現YM12864R的任意字符的反白。
字符反白程序流程如圖3所示。其中，base_x表示繪圖起始的行地址；Y_Pos表示繪圖起始的列地址；第1行至第4行的起始地址分別是(0x80，0x80)，(0xS0，0xg0)，(0x88，0xS0)和(0x88，0x90)。
反白就是在需要反白的區域進行繪圖，即在這個區域寫進0xff。清除一個區域的反白，就是對需要清除反白的區域清除繪圖，即在這個區域寫進0x00。
在整個繪圖的過程中，橫向地址指針是自動進行加1運算的，所以只需要確定這一行的首地址橫坐標；而縱坐標的地址不進行自動加1運算，需要在程序中修正，每次修正是以像素為基本單位的。
字符反白顯示實例如圖4所示。
4 任意位置顯示任意大小圖形
在實現人機交互界面時，圖文結合是常見的一種方式。本文嘗試一種任意位置顯示任意大小圖形(橫向尺寸以字節為基本單位，縱向尺寸以位為基本單位)的方法，為人機交互界面的圖形結合設計提供了捷徑。
4.1 任意位置顯示任意大小圖形程序
任意位置顯示任意大小圖形程序流程如圖5所示。其中，x1和y1表示所畫圖的起始點相對于液晶屏幕左上角起始點(0xS0，0x80)的距離(橫向x1以字節為基本單位，縱向y1以位為基本單位)；x表示所畫圖的起始橫坐標地址；y表示所畫圖的起始縱坐標地址；Write_command()函數用于向液晶中寫命令；templ表示圖形的縱向尺寸(以像素為單位)。
繪圖時，如果所畫的圖形只涉及上半屏(或下半屏)，那么在寫地址時可以不考慮地址跨越上下半屏的調整，只需要在所畫圖形的初始處寫好行地址和列地址：
Write_command(y+templ)；
Write_command(x)；
在繪圖過程中，橫坐標地址指針會在寫數據的過程中自動加1，因此只需要寫出這一行的首地址；但縱坐標地址指針不會自動加1，需要在程序中修正。
4.2 任意位置顯示任意大小圖形實例
任意位置顯示任意大小圖形實例如圖6(a)～(c) 所示。
結 語
ST7920因內置字庫而被廣泛應用，其圖形顯示的關鍵點是熟練掌握圖形顯示坐標。在筆者所參與的獨立通氣籠盒監控系統設計過程中，利用以ST7920為控制器的液晶顯示模塊構建良好的人機交互界面，以曲線和直方圖的方式顯示實時溫度。系統可由用戶設定開啟密碼，可以查看相關歷史數據、實現實驗動物生長環境及生長過程的控制，以及回溯歷史數據、實時控制參數和環境溫度等參數。該設計對優化控制實驗動物生長環境、穩定實驗動物生活習性、動物形態十分有益。
在整個監控系統中，人機交互界面部分用于顯示整個實驗動物生長環境過程中的控制歷史數據、實時控制參數和環境溫度參數等。
本文采用以ST7920為控制器的YMl2864R點陣式液晶顯示模塊(LCD Module，LCM)構成了整個IVC監控系統的人機界面部分。YM12864R點陣式液晶顯示模塊具有靈活的接口方式和簡單的操作指令，構成的全中文人機交互圖形界面既可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可以顯示圖形。模塊內部設有2MB的中文字型CGROM和64×256點陣的GDRAM繪圖區域；同時，提供4組可編程控制的16×16點陣造字空間。
1 點陣式液晶硬件接口設計
以ST7920為控制器的YM12864R點陣式液晶顯示模塊和單片機之間的接口方式有并行和串行兩種。本文采用串行接口方式，單片機選用AVR公司的ATmega16。接口電路如圖1所示。其中，PC4控制串行的片選信號(CS)，低電平有效；PC5控制串行的數據線(SID)；PC6控制串行的時鐘輸入(CLK)。ST7920通過VCC(+5 V)和GND之間串聯一個10 kΩ的電阻來控制背光強度。如果不需要調節對比度，可以直接將VLCD引腳接VCC(+5 V)，此時對比度最大。
2 文本顯示及繪圖顯示
2.1 文本顯示
ST7920可以顯示半寬的HCGROM字型、CGRAM字型以及中文CGROM三種字型，通過在DDRAM中寫入的編碼選擇。文本顯示DDRAM提供8個×4行的漢字空間，如下所示：
字型編碼如下：
①顯示半寬HCGROM字型。將1字節寫入DDRAM中，范圍為02H～7FH的編碼。
②顯示半寬CGRAM字型。將2字節編碼寫入DDRAM中，總共有0000H、0002H、0004H、0006H四種編碼。
③顯示中文CGROM字型。將2字節編碼寫入DDRAM中，范圍為A1AOH～FTFFH(GB碼)或A140H～D75FH(BIG5碼)的編碼。
2.2 繪圖顯示
繪圖顯示GDRAM提供128×8字節的記憶空間。在更改繪圖RAM時，先連續寫入水平與垂直的坐標值，再寫入2個字節的數據到繪圖RAM中，而地址計數器(AC)會自動加1。在寫入繪圖顯示RAM的期間，繪圖顯示功能必須關閉。整個寫入繪圖RAM的步驟如下：
①關閉繪圖顯示功能；
②先將水平的位元組坐標(X)寫入繪圖RAM地址，再將垂直的坐標(Y)寫入繪圖RAM地址；
③依次將D15～D8和D7～D0寫入RAM中；
④打開繪圖顯示功能。
圖形顯示坐標如圖2所示。其中，水平方向X以字節單位，垂直方向Y以位為單位。
3 字符反白
在實現人機交互界面菜單時，字符反白可以表示菜單中不同選項被選中的狀態。液晶顯示模塊YM12864R的使用手冊中提供了對應行的反白指令，但在原理上ST7920控制器的128×64點陣液晶等同于256×32點陣，第3行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接著第1行，第4行對應的文本顯示(DDRAM)地址緊接第2行。因此，用戶對第1行執行反白顯示操作時，第3行必然也反白顯示；對第2行執行反白操作時，第4行也必然反白。可見，使用手冊中自帶的反白指令不能實現任意字符的反白。
為了解決上述問題，可以將圖形顯示和字符顯示結合起來使用。在ST7920控制器中，文本顯示的DDRAM和圖形顯示的GDRAM是相互獨立的，而最后顯示到液晶上的結果則是，文本顯示DDRAM中數據和圖形顯示GDRAM中數據的異或結果。
如果要在液晶顯示模塊的某個點上呈現反白顯示，那么就在該點繪圖并且顯示文本；如果要取消反白，只需用全“0”擦掉該點的繪圖。這樣，就可以實現YM12864R的任意字符的反白。
字符反白程序流程如圖3所示。其中，base_x表示繪圖起始的行地址；Y_Pos表示繪圖起始的列地址；第1行至第4行的起始地址分別是(0x80，0x80)，(0xS0，0xg0)，(0x88，0xS0)和(0x88，0x90)。
反白就是在需要反白的區域進行繪圖，即在這個區域寫進0xff。清除一個區域的反白，就是對需要清除反白的區域清除繪圖，即在這個區域寫進0x00。
在整個繪圖的過程中，橫向地址指針是自動進行加1運算的，所以只需要確定這一行的首地址橫坐標；而縱坐標的地址不進行自動加1運算，需要在程序中修正，每次修正是以像素為基本單位的。
字符反白顯示實例如圖4所示。
4 任意位置顯示任意大小圖形
在實現人機交互界面時，圖文結合是常見的一種方式。本文嘗試一種任意位置顯示任意大小圖形(橫向尺寸以字節為基本單位，縱向尺寸以位為基本單位)的方法，為人機交互界面的圖形結合設計提供了捷徑。
4.1 任意位置顯示任意大小圖形程序
任意位置顯示任意大小圖形程序流程如圖5所示。其中，x1和y1表示所畫圖的起始點相對于液晶屏幕左上角起始點(0xS0，0x80)的距離(橫向x1以字節為基本單位，縱向y1以位為基本單位)；x表示所畫圖的起始橫坐標地址；y表示所畫圖的起始縱坐標地址；Write_command()函數用于向液晶中寫命令；templ表示圖形的縱向尺寸(以像素為單位)。
繪圖時，如果所畫的圖形只涉及上半屏(或下半屏)，那么在寫地址時可以不考慮地址跨越上下半屏的調整，只需要在所畫圖形的初始處寫好行地址和列地址：
Write_command(y+templ)；
Write_command(x)；
在繪圖過程中，橫坐標地址指針會在寫數據的過程中自動加1，因此只需要寫出這一行的首地址；但縱坐標地址指針不會自動加1，需要在程序中修正。
4.2 任意位置顯示任意大小圖形實例
任意位置顯示任意大小圖形實例如圖6(a)～(c) 所示。
結 語
ST7920因內置字庫而被廣泛應用，其圖形顯示的關鍵點是熟練掌握圖形顯示坐標。在筆者所參與的獨立通氣籠盒監控系統設計過程中，利用以ST7920為控制器的液晶顯示模塊構建良好的人機交互界面，以曲線和直方圖的方式顯示實時溫度。系統可由用戶設定開啟密碼，可以查看相關歷史數據、實現實驗動物生長環境及生長過程的控制，以及回溯歷史數據、實時控制參數和環境溫度等參數。該設計對優化控制實驗動物生長環境、穩定實驗動物生活習性、動物形態十分有益。
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