Практические аспекты сопряжения ЖКИ с микроконтроллерами

 

Проведен анализ проблем, возникающих при практическом использовании 7-сегментных ЖКИ для отображения информации в микроконтроллерных устройствах. Рассмотрены различные варианты схемотехнического решения способов сопряжения микроконтроллеров с ЖКИ и разработаны рекомендации по их применению.

 

Введение. Микроконтроллерные устройства, как правило, используют те или иные средства индикации. Широкое распространение на практике получили жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), которые принято называть модулями ЖКИ. Наиболее универсальными из таких модулей являются матричные алфавитно-цифровые, которые позволяют отображать цифры, буквы латинского и русского алфавита и даже псевдографику, используя возможности загружаемых символов. Однако такие ЖКИ – модули довольно дороги, не отличаются малым энергопотреблением, да и в ряде устройств просто избыточны. Там, где не требуются широкие возможности средств индикации, более подходящими оказываются 7-сегментные ЖКИ – модули.

Многие фирмы выпускают ЖКИ - модули со встроенными контроллерами, облегчающими реализацию интерфейса ЖКИ и микропроцессора.В этом случае в обязанности разработчика входит только организация передачи информации от основного микроконтроллера в контроллер индикатора. Среди 7-сегментных ЖКИ – модулей наибольшее распространение получили модули на основе контроллера HT1611 (или HT1613) фирмы Holtek [1] и модули МТ10Т7 производства компании «МЭЛТ». Они имеют 10 знакомест и небольшие габариты. Каждый из этих видов модулей имеет свои преимущества и недостатки, связанные с возможностями отображения информации и способами сопряжения с микроконтроллерами.

В данной статье рассматриваются вопросы аппаратного сопряжения микроконтроллеров АТ89С51 фирмы Atmel и символьных ЖКИ, построенных на базе контроллера НТ1611. Низкое напряжение питания (1.5 В) и малый ток потребления (не более 10 мкА) позволяют использовать их в системах с автономным питанием. Основное преимущество таких индикаторов состоит в том, что для передачи информации используются всего две сигнальных линии, по которым реализуется последовательный обмен, требующий минимальных аппаратных и программных затрат.

Постановка задачи. Напряжение питания микроконтроллеров составляет 5 В, а номинальное питающее напряжение индикатора, как указано выше, составляет 1.5 В. Кроме того, как показывает опыт практического применения индикаторов данного вида, напряжение питания индикатора сильно влияет на контрастность. При низком напряжении контрастность недостаточна, а при большом засвечиваются погашенные сегменты. Оптимум находится в промежутке 1.50... 1.65 В.

Сигнальные входы индикатора с таким уровнем напряжения питания не рассчитаны на прямое соединение с пятивольтовыми выходами управляющих микросхем. Уровень единичного сигнала на входе индикатора не должен превышать 1.7 В. Таким образом, при практической реализации схемы сопряжения индикатора с микроконтроллером приходится решать две проблемы:

 

1) обеспечение необходимого уровня напряжения питания для индикатора с возможностью его регулирования;

2) согласование логических уровней сигналов, передаваемых с микроконтроллера на индикатор.

Решение задачи. Распространенная схема сопряжения индикатора НТ1610 с микроконтроллером приведена на рис. 1. При работе в режиме ведомого вход НК индикатора соединяют с общим проводом. Передача информации осуществляется по двум сигнальным линиям – DI (данные передаются последовательно 4-битными посылками) и SK (тактовые импульсы).

В приведенной на рис.1 схеме номинальное питающее напряжение индикатора формируется двумя прямо включенными диодами VD1 и VD2. При использовании резистора R1 с сопротивлением 1.5 кОм и питании схемы 5 В обеспечивается протекание через диоды тока I_Д = 2…3 мА. При этом суммарное падение напряжения на диодах составляет величину 1.4 -1.5 В.

Рис. 1. Стандартная схема подключения индикатора

Такой способ формирования напряжения питания для индикатора не позволяет получить оптимальную контрастность изображения, так как двух диодов оказывается мало, а трех – много. Тем более, желательно иметь возможность регулировки этого напряжения.

Для согласования логических уровней сигналов в данной схеме используются последовательно включенные между выходами контроллера и входами индикатора резисторы R2 и R3. Выходы многих микроконтроллеров, в частности серии АТ89 фирмы Atmel [2], имеют невысокую нагрузочную способность, когда они находятся в единичном состоянии, поэтому резисторы должны быть достаточно высокоомными. Как правило, их номиналы составляют значения от 47 до 68 кОм.

Преимущество такого способа заключается в том, что согласование не будет зависеть от напряжения питания микроконтроллера. Однако такой способ имеет и недостаток. Ввиду больших номиналов согласующих резисторов уровни на входах будут довольно медленно достигать состояния логической единицы, что потребует значительного снижения скорости обмена.

В схеме, приведенной на рис. 2 реализован один из возможных вариантов схемотехнического решения указанных выше проблем. В данной схеме для согласования используются делители, выполненные на резисторах R2, R4 и R3, R5. При таком решении, если на вход индикатора подается единичный сигнал, "подтягивание" его к плюсу питания осуществляется не внутренними резисторами микроконтроллера, а внешними, что обеспечивает достаточный для управления ток во входной транзистор НТ1610. Нулевой сигнал с выхода микроконтроллера снижает напряжение в месте соединения резисторов до уровня 0.1 – 0.2 В, обеспечивая четкое переключение входного транзистора.

Требуемое напряжение питания индикатора и возможность его регулировки обеспечивает простая схема на одном транзисторе. Регулировка напряжения осуществляется с помощью резистора R6, тип используемого транзистора КТ3130А.

Рис. 2. Схема подключения с регулировкой напряжения питания индикатора с помощью транзистора

 

При выборе номиналов резисторов R6, R7 и R8 необходимо обеспечить активный режим работы транзистора для получения требуемого диапазона изменения напряжения питания.

Задавшись значением тока транзистора I_K, сопротивления резисторов можно рассчитать, используя следующие соотношения:

(1)

 

где	UП – напряжение питания микроконтроллера; Vdd – напряжение питания индикатора; h21Э – коэффициент передачи по току транзистора

 

Для минимального потребления желательно значение тока коллектора принимать в диапазоне от 1.5 до 2 мА.

При необходимости точного подбора напряжения и обеспечения его стабильности в процессе работы устройства можно использовать в схеме питания индикатора несложный регулятор напряжения, как показано на рис. 3.

В схеме используется стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением в цепи положительного полюса. Основным элементом стабилизатора является микросхема LM317T, имеющая три вывода: 1 – управляющий, 2 – выход и 3 – вход. Подстроечный потенциометр R6 используется для установки желаемого выходного напряжения.

Для правильной работы интегральной схемы сумма сопротивлений R6 и R7 должна иметь такое значение, которое бы обеспечивало ток примерно 8 мА при необходимом стабилизированном напряжении индикатора V_dd.

 

Рис. 3. Схема подключения с регулировкой напряжения питания индикатора с помощью интегрального стабилизатора

Таким образом, суммарное сопротивление для схемы стабилизатора напряжения можно определить следующим образом: R6 + R7 = V_dd/0.008 = 1.6/0.008 = 200 Ом.

Описанные схемы питания не являются экономичными и подходят, например, для устройств с сетевым питанием. Система питания автономного устройства может быть очень сложной, и конкретные решения зависят от специфики задачи. Одним из вариантов может быть питание устройства от элемента напряжения 1.5 В, от которого индикатор питается непосредственно. Микроконтроллерная часть устройства питается от того же элемента через повышающий DC/DC преобразователь.

Выводы. Проведенный анализ проблем, возникающих при подключении индикаторов к микроконтроллерам, позволил получить следующие результаты:

1. Приведены практические рекомендации по сопряжению микроконтроллеров АТ89С51 фирмы Atmel и символьных ЖКИ, построенных на базе контроллера НТ1611.

2. Рассмотрены варианты реальных схем подключения индикаторов.

3. Приведены рекомендации по расчету элементов схем.

 

Список литературы:

 

1. Самарин А. Микросхемы контроллеров ЖКИ фирмы Holtek и их применение / А. Самарин // Схемотехника. – 2002. - № 4. - C. 33 -35.

2. Бродин В.Б. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики / В.Б. Бродин, А.В.Калинин. – М.: Издательство ЭКОМ, 2002. - 400 с.: ил.

 

УДК 681.3.07

Недзельский Д.А.