微控制器

微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

微控制器（Microcontroller Unit，即MCU）可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī)；根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

微控制器工作原理

今天，在大量形形色色的產(chǎn)品中，都可以看到微控制器的影子。如果你的微波爐有發(fā)光二極管或是液晶顯示屏和操作按鍵，那么它就裝有微控制器。現(xiàn)在所有的汽車都至少裝有一個(gè)微控制器，多的可達(dá)六到七個(gè)： 發(fā)動(dòng)機(jī)、防抱死剎車系統(tǒng)和定速巡航控制都離不開微控制器的控制。任何配有遙控裝置的設(shè)備幾乎都裝有微控制器： 電視機(jī)、錄像機(jī)和高端的立體聲系統(tǒng)都屬于這一類。 精密的單反相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、便攜攝像機(jī)、電話應(yīng)答機(jī)、激光打印機(jī)、帶來電顯示和號(hào)碼存儲(chǔ)等功能的電話、尋呼機(jī)、功能全面的電冰箱、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)以及帶有顯示屏和操作鍵盤的干衣機(jī)……你應(yīng)該有所了解了。總的來說，任何需要與用戶進(jìn)行交互的產(chǎn)品或設(shè)備都內(nèi)置有微控制器。

在本文中，我們將探討微控制器，幫助你了解它們的本質(zhì)和工作原理。之后我們將進(jìn)一步介紹如何能夠親自動(dòng)手使用微控制器。提前透露一下，我們將制作一個(gè)帶有微控制器的數(shù)字時(shí)鐘！此外，我們還將制作一支數(shù)字溫度計(jì)。 在整個(gè)過程中，你將學(xué)到大量關(guān)于微控制器如何應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品的知識(shí)。

背景知識(shí)

如果你對(duì)數(shù)字邏輯、門電路和線路連接不熟悉，那么請(qǐng)先閱讀以下內(nèi)容：

位和字節(jié)

布爾邏輯的應(yīng)用

電子門工作原理

什么是微處理器？

一個(gè)微處理器就是一個(gè)計(jì)算機(jī)。所有的計(jì)算機(jī)——無論我們所說的個(gè)人臺(tái)式計(jì)算機(jī)或是一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)或是一個(gè)微控制器——都有很多共同點(diǎn)：

所有的計(jì)算機(jī)都有一個(gè)用來執(zhí)行程序的CPU（中央處理單元）。如果你正坐在一臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)前閱讀這篇文章，這臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU現(xiàn)在正在執(zhí)行一個(gè)程序，這個(gè)程序就是用于顯示這個(gè)網(wǎng)頁的Web瀏覽器。

CPU從某個(gè)設(shè)備中加載程序。在你的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，瀏覽器程序是從硬盤中載入的。

計(jì)算機(jī)具有一些用來存儲(chǔ)“變量”的RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。

此外，計(jì)算機(jī)還有一些輸入和輸出的設(shè)備，這樣它才能和用戶交換信息。在你的臺(tái)式計(jì)算機(jī)上，鍵盤和鼠標(biāo)是輸入設(shè)備，顯示器和打印機(jī)是輸出設(shè)備。 硬盤則是一個(gè)輸入輸出設(shè)備——它既可以輸入又可以輸出。

你正在使用的臺(tái)式機(jī)是一種“通用計(jì)算機(jī)”，它可以運(yùn)行數(shù)以千計(jì)的各類程序。而微控制器則是用作特殊用途的“專用計(jì)算機(jī)”。它專注于做一件事。 微控制器還有許多共同的特點(diǎn)。如果一個(gè)計(jì)算機(jī)具備了以下大部分的特征，那么你就可以稱之為“微控制器”：

微控制器都“嵌入”在其他裝置（通常是一個(gè)消費(fèi)類產(chǎn)品）內(nèi)部來控制該產(chǎn)品的功能和操作。 因此，微控制器又被稱為“嵌入式控制器”。

微控制器運(yùn)行一個(gè)特定的程序來完成一項(xiàng)專門的工作。該程序存儲(chǔ)在ROM（只讀存儲(chǔ)器）中，一般不會(huì)被修改。

微控制器通常是低能耗的裝置。 臺(tái)式計(jì)算機(jī)的電源插頭幾乎始終插在墻壁插座中，其功率約為50瓦。電池供電的微控制器的功率大概為0.05瓦。

微控制器有一個(gè)專用輸入設(shè)備，通常（但并不總是）還有一個(gè)用作輸出的發(fā)光二極管或液晶顯示屏。 微控制器也從它所控制的裝置獲取輸入信號(hào)，并通過向設(shè)備中的不同部分發(fā)送信號(hào)來控制該設(shè)備。

例如，電視機(jī)中的微控制器從遙控器得到輸入信號(hào)，然后在屏幕上顯示出來。微控制器會(huì)控制頻道選擇器、揚(yáng)聲器和一些如色彩、亮度等顯像管的電子調(diào)節(jié)。 汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器從氧氣和爆震等傳感器中得到輸入信號(hào)，對(duì)燃料混合以及火花塞定時(shí)等進(jìn)行控制。微波爐控制器從操作鍵盤獲得輸入信號(hào)，在液晶顯示屏上顯示輸出，并控制負(fù)責(zé)微波發(fā)生器開關(guān)的繼電器。

微控制器通常具有小巧、低成本的特點(diǎn)。 對(duì)各個(gè)元件的選擇都秉持使體積最小化、使成本最低化的原則。

微控制器通常都很耐用，但也并不總是這樣。

例如，控制轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的微控制器必須能夠在一般計(jì)算機(jī)無法承受的溫度極限下工作。美國(guó)阿拉斯加的汽車的微控制器就需要工作在零下34攝氏度的寒冷天氣里，而同樣的控制器在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州則需要工作在零上49攝氏度的炎熱環(huán)境中。再加上發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行發(fā)出的熱量，發(fā)動(dòng)機(jī)箱的溫度可高達(dá)零上65-80攝氏度。

而錄像機(jī)內(nèi)部使用的嵌入式微控制器則沒有這么苛刻的要求。

實(shí)際上，用作微控制器的處理器多種多樣。 例如，數(shù)字手機(jī)工作原理一文中的移動(dòng)電話就包含一個(gè)Z-80處理器。Z-80處理器是一個(gè)8位微處理器，它誕生于二十世紀(jì)七十年代，最初用于當(dāng)時(shí)的家用計(jì)算機(jī)中。GPS接收機(jī)工作原理中的Garmin全球定位系統(tǒng)，包含一個(gè)低功耗版的Intel 80386處理器，據(jù)說是這樣。Intel 80386處理器最初是專為臺(tái)式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的。

在許多產(chǎn)品中，例如微波爐，對(duì)于微控制器性能的要求很低，價(jià)格是主要的考慮因素。 在這樣的情況下，制造商開始設(shè)計(jì)專用的微控制器芯片——一種專為成本低、體積小且功耗低設(shè)計(jì)的嵌入式中央處理器。Motorola 6811和Intel 8051都是這種芯片的成功典范。另外還有Microchip公司生產(chǎn)的名為“PIC 微控制器”的系列控制器，也非常受歡迎。從今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，這些中央處理器簡(jiǎn)易得令人難以置信；但是大批量購買的價(jià)格非常低廉，而且往往只需一片就可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的需要。

一個(gè)典型的低端微控制器芯片中約有1000字節(jié)的只讀存儲(chǔ)器和20字節(jié)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，有8個(gè)輸入輸出引腳。大批量生產(chǎn)這種芯片，單位成本不過幾美分。 當(dāng)然，你也不能指望在這種芯片上運(yùn)行像Microsoft Word這樣的程序——因?yàn)?Microsoft Word需要約30兆字節(jié)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)空間和每秒可執(zhí)行幾百萬條指令的處理器。不過控制一臺(tái)微波爐可不需要Microsoft Word這么復(fù)雜的程序。你要使用微控制器完成的是一個(gè)具體的任務(wù)，而且低成本、低功耗運(yùn)行才是最重要的。

微控制器的使用

在電子門工作原理一文中，你了解到了7400系列TTL（晶體管邏輯電路）元件，在哪里購買以及如何裝配它們。 你會(huì)發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置通常需要很多門電路。 例如，在數(shù)字時(shí)鐘部分，我們所設(shè)計(jì)的時(shí)鐘可能需要15到20片芯片。微控制器的主要優(yōu)勢(shì)之一就在于，軟件（你編寫并在控制器上執(zhí)行的那個(gè)小程序）可以取代許多門電路。 因此，本文中我們將用微控制器制作一臺(tái)數(shù)字時(shí)鐘。 這將是一臺(tái)非常昂貴的數(shù)字時(shí)鐘（近200美元！），但是在這一過程中，你將積累下今后幾年使用微控制器需要的各種知識(shí)。 即使并不實(shí)際動(dòng)手制作這樣一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘，閱讀相關(guān)內(nèi)容就能讓你獲益良多。

這里用到的一款微控制器是專為方便日常生活設(shè)計(jì)的。 它是Parallax公司開發(fā)的名為“BASIC Stamp”的微控制器。 BASIC Stamp是一個(gè)兼容BASIC程序設(shè)計(jì)語言的PIC微控制器。使用BASIC程序設(shè)計(jì)語言使得微控制器的軟件編寫變得十分容易。 微控制器配套提供了一個(gè)9伏電池供電的母板，通過和計(jì)算機(jī)的一個(gè)端口相連對(duì)其進(jìn)行編程。沒有一個(gè)制造商會(huì)在實(shí)際的產(chǎn)品中使用BASIC Stamp——因?yàn)?Stamp價(jià)格高且速度慢（相對(duì)而言）。 但是，為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模或一次性演示產(chǎn)品使用Stamp非常普遍，因?yàn)樗脑O(shè)置和使用是令人難以置信的輕松。

該微控制器之所以被稱為“Stamps”是因?yàn)樗挥幸粡堗]票大小。

Parallax公司生產(chǎn)了兩種版本的BASIC Stamp：BS-1與BS-2。下面是兩種版本的對(duì)比：

比較項(xiàng)目BS-1BS-2

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器14字節(jié)26字節(jié)

電可擦除只讀存儲(chǔ)器256字節(jié)2000字節(jié)

最大程序長(zhǎng)度約75條指令約600條指令

執(zhí)行速度每秒2，000行每秒4，000行

輸入輸出引腳816

本文中用到的是一個(gè)名為“BASIC Stamp修正版D”的微控制器（如下圖所示）。

BASIC Stamp修正版D是一個(gè)BS-1芯片，安裝在一塊9伏電池供電的母板上。配套組件包括：電壓調(diào)節(jié)器、程序連接電纜、輸入輸出引腳插針以及一小塊建模區(qū)域。你也可以單獨(dú)購買一塊BS-1芯片，在面包板上和其他元件相連。修正版D只不過更加方便一些。

從上表可以看出，你不可能用BASIC Stamp做出非常奇特的東西來。BS-1的75行（256字節(jié)的電可擦除只讀存儲(chǔ)器可以存放約75行BASIC語言程序）程序的限制有相當(dāng)?shù)木窒扌浴Ｈ欢憧梢宰鲂┚傻臇|西，Stamp非常小巧并用電池供電，這就意味著它幾乎可以適用于任何地方。

BASIC Stamp程序設(shè)計(jì)

您需要使用BASIC程序設(shè)計(jì)語言對(duì)BASIC Stamp進(jìn)行編程。如果對(duì)BASIC語言已經(jīng)有一些了解，您會(huì)發(fā)現(xiàn)Stamp中的BASIC語言非常易懂，只是略顯零散。如果您不懂BASIC語言，但是您會(huì)使用如C、Pascal或是Java等程序設(shè)計(jì)語言，那么掌握BASIC對(duì)您來說是易如反掌。如果您沒有任何編程經(jīng)驗(yàn)，建議您先閱讀一下學(xué)習(xí)編程。下面是Stamp BASIC編程所用到指令的簡(jiǎn)要列表。

標(biāo)準(zhǔn)BASIC語言指令：

for.。.next ： 標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)語句

gosub ： 跳轉(zhuǎn)到子程序

goto ： 跳轉(zhuǎn)到程序標(biāo)記處（例如 -“l(fā)abel：”）

if.。.then ： 標(biāo)準(zhǔn)的“if/then”（如果/那么）判斷

let ： 賦值（可選）

return ： 從子程序返回

end ： 結(jié)束程序，進(jìn)入休眠狀態(tài)

與輸入輸出引腳相關(guān)的指令：

button ： 讀取輸入引腳上的鍵值，防反跳并自動(dòng)重復(fù)

high ： 將輸入輸出引腳設(shè)置為高電平

input ： 將輸入輸出引腳的方向設(shè)置為輸入

low ： 將一個(gè)輸入輸出引腳設(shè)置為低電平

output ： 將輸入輸出引腳的方向設(shè)置為輸出

pot ： 讀取輸入輸出引腳上的電位計(jì)值

pulsin ： 讀取輸入引腳上脈沖的寬度

pulsout ： 通過一個(gè)輸出引腳發(fā)出指定寬度的脈沖

pwm ： 在輸出引腳上執(zhí)行脈沖寬度調(diào)制

reverse ： 反轉(zhuǎn)引腳輸入輸出方向

serin ： 讀取輸入引腳的串行數(shù)據(jù)

serout ： 在輸出引腳寫入串行數(shù)據(jù)

sound ： 向輸出引腳發(fā)送特定頻率的聲音

toggle ： 切換輸出引腳上的位

BASIC Stamp的特有指令：

branch ： 讀取轉(zhuǎn)移表

debug ： 向臺(tái)式計(jì)算機(jī)上的控制臺(tái)發(fā)送調(diào)試字符串

eeprom ： 將程序下載到EEPROM

lookdown ： 返回列表中某個(gè)值的指針

lookup ： 使用索引進(jìn)行數(shù)組查找

nap ： 休眠一段時(shí)間

pause ： 延遲指定的時(shí)間

random ： 選取一個(gè)隨機(jī)數(shù)

read ： 從EEPROM中讀取值

sleep ： 斷電指定的時(shí)間長(zhǎng)度

write ： 向EEPROM寫入數(shù)據(jù)

運(yùn)算：

+ ： 加

- ： 減

* ： 乘（低字）

** ： 乘（高字）

/ ： 除

// ： 取余數(shù)

max ： 返回兩個(gè)值中的最大值

min ： 返回兩個(gè)量的最小值

and ： 與

| ： 或

^ ： 異或

and/ ： 與非

|/ ： 或非

^/ ： 異或非

if 語句邏輯：

=

《》

《

《=

》

》=

AND

OR

變量

BS-1中的所有變量都具有預(yù)定義的名稱（您可以用自己的名稱代替這些名稱）。 請(qǐng)記住，只有14個(gè)字節(jié)的RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）可用，所以變量名稱應(yīng)簡(jiǎn)潔。 以下是標(biāo)準(zhǔn)的名稱：

w0， w1， w2.。.w6 ： 16位字變量

b0， b1， b2.。.b13 ： 8位字節(jié)變量

bit0， bit1， bit2.。.bit15 ： 1位位變量

由于只有14個(gè)字節(jié)的內(nèi)存可用，所以w0和b0/b1在RAM中是相同的位置，w1和b2/b3是相同的位置，以此類推。 此外，bit0到bit15位于w0中（因而b0/b1也是如此）。

輸入輸出引腳

您可以看到，BS-1中有14條指令與I/O引腳相關(guān)。之所以要強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)是因?yàn)檩斎胼敵鲆_是BASIC Stamp與外界交流的唯一途徑。BS-1有8根輸入輸出引腳（編號(hào)0到7），BS-2有16根輸入輸出引腳（編號(hào)0到15）。

這些輸入輸出引腳都是雙向的，就是說既可以從引腳上讀輸入值也可以通過引腳輸出。要向引腳發(fā)送值，最簡(jiǎn)便的方法是使用HIGH或LOW指令。 使用語句high 3可以在引腳3上發(fā)出一個(gè)1（+5伏），使用LOW則發(fā)出一個(gè)0（接地）。這里的3號(hào)引腳是任意選取的——您可以對(duì)0到7號(hào)任意引腳輸出電平信號(hào)。

關(guān)于輸入輸出引腳有許多有趣的指令。 例如，如果您按照POT指令要求在電位計(jì)（可變電阻器）兩端并聯(lián)一個(gè)電容器，POT指令就可以讀出電位計(jì)的設(shè)置。 PWM指令可以發(fā)出脈沖寬度的調(diào)制信號(hào)。借助類似這樣的指令，為Stamp添加控制和驅(qū)動(dòng)功能要輕松得多。有關(guān)語言的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見documentation。此外，諸如斯科特·愛德華所著Programming and Customizing the BASIC Stamp Computer（對(duì)BASIC Stamp計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和自定義）這樣包含大量示例項(xiàng)目的書，也是極有裨益的。

BASIC Stamp的實(shí)際操作

如果您想實(shí)際操作一下BASIC Stamp，上手是十分容易的。您所需要的就是一臺(tái)臺(tái)式計(jì)算機(jī)，和一個(gè)BASIC Stamp入門工具包。入門工具包包括Stamp微控制器、編程電纜以及一個(gè)運(yùn)行于臺(tái)式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序?qū)ASIC程序下載到Stamp中。

入門工具包可以從Parallax公司這樣的制造商那里獲得，也可以從Jameco公司這樣的供應(yīng)商那里獲得。如果讀過有關(guān)門電路和數(shù)字時(shí)鐘的文章，您會(huì)對(duì)Jameco公司耳熟能詳。從Parallax公司您可以訂購“BASIC Stamp D入門工具包”（部件號(hào) 27202），從Jameco公司您可以訂購部件號(hào)為140089的入門工具包。您將收到 Stamp（如下圖）、編程電纜、軟件和操作說明書。兩家公司的定價(jià)均為79美元。有時(shí)，Parallax公司會(huì)推出特別版本的入門工具包，稱為“必備基礎(chǔ)、一網(wǎng)打盡”，這個(gè)特別版本除上述內(nèi)容外，還包括斯科特·愛德華編寫的Programming and Customizing the BASIC Stamp Computer（對(duì)BASIC Stamp計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和自定義）一書。

Stamp的連接十分容易。您只需將其連接到計(jì)算機(jī)的并行端口， 然后運(yùn)行DOS 應(yīng)用程序來編輯您的BASIC程序，并將該程序下載到Stamp中就可以了。以下是一個(gè)典型的編輯器（選自斯科特·愛德華的書中）的截圖：

要在此編輯器中運(yùn)行程序，請(qǐng)按ALT+R組合鍵。編輯器應(yīng)用程序?qū)z查BASIC程序，然后通過電纜將程序發(fā)送到Stamp上的EEPROM（電可擦除只讀存儲(chǔ)器）。 隨后，Stamp會(huì)執(zhí)行該程序。在這個(gè)例子中，程序在I/O引腳3上生成方波。如果引腳3上連接有邏輯探針或LED（發(fā)光二極管），您將看到，LED每秒鐘亮滅兩次，這是由于它根據(jù)PAUSE指令，每隔250毫秒改變一次狀態(tài)。了解LED的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱有關(guān)門電路的文章。一節(jié)9伏的干電池可以讓這個(gè)程序運(yùn)行幾個(gè)星期。縮短LED處于打開狀態(tài)的時(shí)間（例如亮50毫秒，滅450毫秒），或者用NAP r指令代替PAUSE指令，都可以節(jié)約電能。

制作數(shù)字時(shí)鐘

花79美元讓一只LED亮起來似乎有些奢侈。你肯定更想用BASIC Stamp制作出更實(shí)用的東西。花上100多美元，你就可以制作一臺(tái)精致的數(shù)字時(shí)鐘！這好像也過于奢侈，但以后做其他各種裝置時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些元件都可以重復(fù)利用。

我們將使用BASIC Stamp的輸入輸出引腳來顯示數(shù)字。在數(shù)字時(shí)鐘部分，我們了解了如何連接7447芯片的7段顯示發(fā)光二極管。7447芯片可以和BASIC Stamp協(xié)同工作。將BASIC Stamp的四根輸入輸出引腳直接與7447相連，就可以很容易的顯示0到9的數(shù)字。BS-1版本的Stamp有8根輸入輸出引腳，這樣可以直接驅(qū)動(dòng)兩片7447芯片。

就一個(gè)時(shí)鐘而言，需要至少顯示4個(gè)數(shù)字。為了用8個(gè)輸入輸出引腳驅(qū)動(dòng)4片7447，我們需要更有創(chuàng)造性一些。下圖給出了一種解決辦法：

上圖中，8根輸入輸出引腳從左邊引入。該方法用4個(gè)輸入輸出引腳驅(qū)動(dòng)全部的4片7447。剩余的4個(gè)引腳，用來按順序激活4片7447（芯片上的“E”表示“Enable 使能”——7447芯片上的5號(hào)引腳）。要讓這個(gè)系統(tǒng)工作，Stamp的程序首先通過4根數(shù)據(jù)線發(fā)出第一個(gè)數(shù)字，并且把第一片7447的E引腳與第一根控制線置位，從而把7447激活。然后發(fā)出第二個(gè)數(shù)字，激活第二片7447，就這樣按順序不停的反復(fù)激活四片7447。 實(shí)際上，稍微改動(dòng)一下連線，一片7447就可以實(shí)現(xiàn)這些功能。使用74154多路轉(zhuǎn)換芯片以及一些驅(qū)動(dòng)，就可以用這種方法驅(qū)動(dòng)多達(dá)16個(gè)數(shù)字。

這就是實(shí)際中控制發(fā)光二極管顯示屏的標(biāo)準(zhǔn)方法。如果你有一個(gè)老式的發(fā)光二極管顯示的計(jì)算器，邊晃動(dòng)邊觀察顯示屏。你會(huì)發(fā)現(xiàn)同一時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)字被點(diǎn)亮。這種技術(shù)被稱為多路復(fù)用顯示。

這種技術(shù)在時(shí)鐘和計(jì)算器上有很好的應(yīng)用，但是存在兩個(gè)重要問題：

發(fā)光二極管耗電量大。

7 段顯示發(fā)光二極管只能顯示數(shù)字。

另一方法是使用液晶顯示屏。 液晶顯示屏應(yīng)用廣泛，而且與Stamp連接方便。 例如，下圖所示的兩行字母數(shù)字式的液晶顯示屏在Jameco公司（部件號(hào)150990）和Parallax公司（部件號(hào)27910）都可以買到。 此處展示的是一個(gè)典型的液晶顯示屏，將液晶顯示屏插在面包板上，便于和其他芯片連接：

這類液晶顯示屏的優(yōu)點(diǎn)：

一根引腳就可以驅(qū)動(dòng)顯示。 顯示屏包含允許Stamp以串行方式與自己通信的邏輯電路，因此只需一根引腳。 此外，BASIC Stamp中的SEROUT命令可以十分容易的實(shí)現(xiàn)串口通信，控制顯示屏十分簡(jiǎn)單。

液晶顯示屏可以顯示字母數(shù)字文本，包括： 字母和數(shù)字，甚至可以是自定義字符。

液晶顯示屏耗電量極低——只需3毫安的電流。

唯一美中不足就是，這樣的一個(gè)液晶顯示屏要花費(fèi)59美元。顯然，沒有人會(huì)在烤箱上裝這樣的顯示屏。 而設(shè)計(jì)烤箱時(shí)，一般會(huì)先用這樣的顯示屏作樣品試驗(yàn)，而后用自己設(shè)計(jì)的芯片和軟件驅(qū)動(dòng)便宜的顯示屏，用于最終的產(chǎn)品。

驅(qū)動(dòng)這樣的顯示屏，你只需提供5伏以上的電源和地線（Stamp的9伏電池滿足這兩個(gè)條件），然后把Stamp的一個(gè)輸入輸出引腳與顯示輸入線連接。 要將Stamp的輸入輸出引腳連接到像液晶顯示屏這樣的設(shè)備，我能找到的最輕松的方法，是使用Jameco公司生產(chǎn)的連線工具（部件號(hào)34577）和30-gauge規(guī)格的連接線（部件號(hào)22541）。這樣不需要焊接，并且連接結(jié)實(shí)、可靠。

下面的程序中，BASIC Stamp完成了一個(gè)時(shí)鐘的功能，通過液晶顯示屏輸出時(shí)間（假定液晶顯示屏接在Stamp輸入輸出0號(hào)引腳上）：

pause 1000 ‘等待液晶顯示屏啟動(dòng)serout 0， n2400， （254，1） ’清除顯示serout 0， n2400， （“time：”） 顯示屏上 顯示“time：” ‘在加載程序之前進(jìn)行預(yù)設(shè)b0 = 0 ’秒數(shù)b1 = 27 ‘分鐘數(shù)b2 = 6 ’小時(shí)數(shù) again： b0 = b0 + 1 ‘秒數(shù)加1if b0 《 60 then minutes b0 = 0 ’如果秒數(shù)等于60 b1 = b1 + 1 ‘則分鐘數(shù)加1minutes： if b1 《 60 then hours b1 = 0 ’如果分鐘數(shù)等于 60 b2 = b2 + 1 ‘則小時(shí)數(shù)加1hours： if b2 《 13 then show b2 = 1 ’如果小時(shí)數(shù)等于13，則重置為1 show： serout 0， n2400， （254， 135） ‘在顯示屏上定位光標(biāo)， ’然后顯示時(shí)間serout 0， n2400， （#b2， “：”， #b1， “：”， #b0， “ ”） pause 950 ‘暫停950毫秒goto again ’重復(fù)

這個(gè)程序中，通過SEROUT命令向液晶顯示屏發(fā)送數(shù)據(jù)。 序列 （254， 1） 用于清空液晶顯示屏，其中254是轉(zhuǎn)義字符，1是清空屏幕的指令。 序列（254， 135）用于定位光標(biāo)。其他兩個(gè)SEROUT指令只是將文本字符串發(fā)送到顯示屏。

這種方法將得到一個(gè)比較精確的時(shí)鐘。通過調(diào)整PAUSE語句，可以將每天的誤差控制在數(shù)秒之內(nèi)。顯然，真正的時(shí)鐘需要一到兩個(gè)按鈕來校正時(shí)間—— 在這個(gè)程序中，你需要在向 Stamp 載入程序前，預(yù)先設(shè)置時(shí)間。

此方法簡(jiǎn)單、有效，但并不十分準(zhǔn)確。如果你需要提高計(jì)時(shí)精度，在Stamp上連接實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是一種好的選擇。這樣，每過一秒左右就會(huì)從芯片讀取時(shí)間并顯示出來。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中使用石英晶體獲得極佳的精確度。 時(shí)鐘芯片通常還包含日期信息，并可以自動(dòng)進(jìn)行閏年修正。

要讓實(shí)時(shí)時(shí)鐘和Stamp實(shí)現(xiàn)對(duì)接，一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是使用稱為Pocket Watch B的元件。

Pocket Watch B模塊

Pocket Watch B在Jameco公司（部件號(hào)145630）和Parallax公司（部件號(hào) 27962）都可以買到。該元件只有一枚硬幣大小，包括時(shí)鐘芯片、石英晶體和與輸入輸出引腳通信用的串行接口。它的價(jià)格在30美元左右，也不適用于烤箱，但卻非常適合在搭建樣品模型時(shí)使用。

制作數(shù)字溫度計(jì)

現(xiàn)在您對(duì)Stamp和液晶顯示屏有了初步的了解，我們?cè)偌右粋€(gè)元件就可以制作一支數(shù)字溫度計(jì)。 制作數(shù)字溫度計(jì)需要用到芯片DS1620。 該芯片包含：

一個(gè)溫度傳感器

一個(gè)用于溫度感應(yīng)設(shè)備的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

一個(gè)用于從模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)的移位寄存器

一個(gè)用于保存設(shè)置的小型電可擦除只讀存儲(chǔ)器

DS1620有兩種工作模式： 一種作為獨(dú)立的恒溫芯片；另一種則是與計(jì)算機(jī)相連作溫度計(jì)使用。 電可擦除只讀存儲(chǔ)器用來保存當(dāng)前的工作模式和恒溫模式設(shè)定值。

DS1620與Stamp的連接十分簡(jiǎn)單。 該芯片有8根引腳。從Stamp引出的5伏以上電源接入DS1620的8號(hào)引腳； 電源地線接DS1620的4號(hào)引腳。3根Stamp輸入輸出引腳驅(qū)動(dòng)DS1620的以下三根引腳：

1 號(hào)引腳為數(shù)據(jù)線。 通過該引腳讀寫數(shù)據(jù)。

2 號(hào)引腳為時(shí)鐘引腳。 為移位寄存器移入移出數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。

3 號(hào)引腳為復(fù)位、片選信號(hào)。 該引腳置高電平，選通芯片。

例程代碼中，假設(shè)：

數(shù)據(jù)線連接Stamp的2號(hào)輸入輸出引腳。

時(shí)鐘引腳連接Stamp的1號(hào)輸入輸出引腳。

復(fù)位、片選信號(hào)由Stamp的0號(hào)輸入輸出引腳提供。

完整連線如下圖所示：

DS1620可以從Jameco公司（部件號(hào)146456）或Parallax公司（部件號(hào)27917）的“應(yīng)用工具包”中獲得，這一工具包包括芯片、電容器、一些有用的文檔和示例代碼。 或者，你也可以從Jameco公司單獨(dú)購買該芯片（部件號(hào)114382）。如果你是第一次使用此芯片，還是建議你購買“應(yīng)用工具包”，里面的文檔會(huì)非常有用。

你可以將DS1620芯片安裝在Stamp的母板的實(shí)驗(yàn)建模區(qū)，也可以裝在單獨(dú)的面包板上。安裝完畢，將液晶顯示屏與Stamp的3號(hào)輸入輸出引腳相連，載入并運(yùn)行下面的程序：

symbol RST = 0 ‘ 定義復(fù)位、選通1620芯片引腳編號(hào)symbol CLK = 1 ’ 定義連接1620芯片移位寄存器的時(shí)鐘引腳編號(hào)symbol DQ = 2 ‘ 定義連接1620芯片數(shù)據(jù)線的引腳編號(hào)symbol DQ_PIN = pin2 ’ 定義2號(hào)引腳為數(shù)據(jù)線symbol LCD = 3 ‘ 定義液晶顯示屏數(shù)據(jù)線引腳編號(hào) begin： low RST ’ 不用時(shí)，不選通1620芯片high CLK ‘ 1620芯片時(shí)鐘引腳默認(rèn)為高電平pause 1000 ’ 等待溫度計(jì)與顯示屏的引導(dǎo)啟動(dòng) setup： high RST ‘ 選通1620芯片b0 = $0C ’ $0c 是1620的命令字節(jié) ‘ 意思是“寫入設(shè)定”gosub shift_out ’ 發(fā)送至1620芯片b0 = %10 ‘ %10 是1620的命令字節(jié) ’ 設(shè)定溫度計(jì)工作模式gosub shift_out ‘ 發(fā)送至1620芯片low RST ’ 不選通1620芯片pause 50 ‘ 延時(shí)50毫秒，等待電可擦除只讀存儲(chǔ)器 start_convert： b0 = $EE ’ $EE 是1620的命令字節(jié) ‘ 啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換high RST ’ 選通1620芯片gosub shift_out ‘ 發(fā)送至1620芯片low RST ’ 不選通1620芯片 ‘ 以下為主循環(huán)程序’ -- 每秒讀取并顯示溫度main_loop： high RST ‘ 選通1620芯片 b0 = $AA ’ $AA 為1620命令字節(jié) ‘ 溫度信號(hào)采樣 gosub shift_out ’ 發(fā)送至1620芯片 gosub shift_in ‘ 從1620讀取 ’ 溫度數(shù)值 low RST ‘ 不選通DS1620。 gosub display ’ 用攝氏度單位顯示溫度 pause 1000 ‘ 等待一秒goto main_loop ’ shift_out 子程序?qū)0字節(jié)中的內(nèi)容‘ 發(fā)送至 1620 芯片shift_out： output DQ ’ 設(shè)置數(shù)據(jù)線為 ‘ 輸出模式for b2 = 1 to 8 low CLK ’ 準(zhǔn)備1620發(fā)送數(shù)據(jù)所需的時(shí)鐘 DQ_PIN = bit0 ‘ 發(fā)送數(shù)據(jù)位 high CLK ’ 數(shù)據(jù)位送至1620 b0 = b0/2 ‘ 將所有位 ’ 朝bit0右移next return ‘ shift_in 子例程從 1620 中’ 得到 9 位的溫度讀數(shù)shift_in： input DQ ‘ 設(shè)置數(shù)據(jù)線設(shè)置為 ’ 輸入模式w0 = 0 ‘ 變量w0清零for b5 = 1 to 9 w0 = w0/2 ’ 輸入數(shù)據(jù)右移。 low CLK ‘ 向1620請(qǐng)求下一位 bit8 = DQ_PIN ’ 讀取位 high CLK ‘ 時(shí)鐘信號(hào)引腳切換為高電平next return ’ 以攝氏度單位顯示溫度display： if bit8 = 0 then pos ‘ 如果bit8=1 ’ 溫度為負(fù)值 b0 = b0 and/ b0 ‘ 通過對(duì)自身的與非操作 ’ 對(duì)b0取反 b0 = b0 + 1 pos： serout LCD， n2400， （254， 1） ‘ 清除液晶顯示屏serout LCD， n2400， （“Temp = ”） ’ 在顯示屏上 ‘ 顯示“Temp=”bit9 = bit0 ’ 保存0.5度b0 = b0 / 2 ‘ 換算成度數(shù)if bit8 = 1 then neg ’ 判斷溫度是否為負(fù)值 serout LCD， n2400， （#b0） ‘ 顯示正溫度 goto half neg： serout LCD， n2400， （“-”， #b0）’ 顯示負(fù)溫度half： if bit9 = 0 then even serout LCD， n2400， （“.5 C”） ‘ 顯示 .5度 goto done even： serout LCD， n2400， （“.0 C”） ’ 顯示 .0度done： return

運(yùn)行這個(gè)程序，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這一溫度計(jì)是以0.5度的精度，以攝氏度為單位顯示溫度。

DS1620芯片測(cè)量溫度的精度為0.5攝氏度。這個(gè)芯片用9位2-補(bǔ)碼二進(jìn)制數(shù)表示華氏-110至250度（攝氏-55至125度）范圍內(nèi)的溫度。把接收到的數(shù)值除以2就是實(shí)際溫度的數(shù)值。2-補(bǔ)碼是一種表示負(fù)值的便捷方法。下面列出了4位2-補(bǔ)碼四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)所代表的數(shù)值：

0111 ： 7 0110 ： 6 0101 ： 5 0100 ： 4 0011 ： 3 0010 ： 2 0001 ： 1 0000 ： 0 1111 ： -1 1110 ： -2 1101 ： -3 1100 ： -4 1011 ： -5 1010 ： -6 1001 ： -7 1000 ： -8

通常用四位二進(jìn)制數(shù)表示0到15的數(shù)值，而四位2-補(bǔ)碼二進(jìn)制數(shù)表示-8到7。最左邊一位決定了數(shù)值的正負(fù)。如果數(shù)值為負(fù)，我們可以通過把其他各位取反加1的方法，得到其絕對(duì)值。

以下是上述數(shù)字溫度計(jì)程序執(zhí)行的操作：

使用symbol關(guān)鍵字設(shè)置若干常量，使程序更易于閱讀（也更容易把芯片與其他不同的輸入輸出引腳相連）。

設(shè)定DS1620芯片的時(shí)鐘和復(fù)位引腳信號(hào)為預(yù)期值。

通過向DS1620的電可擦除只讀存儲(chǔ)器寫入命令字節(jié)，使其工作在“溫度計(jì)模式”。你只需要進(jìn)行一次這樣的操作，嚴(yán)格地說你在運(yùn)行過一次程序之后，就可以把這段代碼刪掉了（出于節(jié)省程序存儲(chǔ)空間考慮），因?yàn)檫@種工作模式已經(jīng)保存在電可擦除只讀存儲(chǔ)器中。

程序發(fā)送指令$EE（“$”表示十六進(jìn)制數(shù)，$EE轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制為238），啟動(dòng)溫度計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

之后，程序進(jìn)入循環(huán)。 每秒向DS1620芯片發(fā)出指令獲取目前溫度信號(hào)，讀取 DS1620返回的9位的數(shù)據(jù)，將其保存在變量w0中。Stamp通過切換時(shí)鐘信號(hào)一次發(fā)送或接收一位數(shù)據(jù)信號(hào)，與DS1620通信。變量w0（16位）與b0/b1（8位）與 bit0/bit1/。。./bit15（1位）占有相同的存儲(chǔ)空間，當(dāng)我們從bit8開始插入從DS1620 獲取的位數(shù)據(jù)，并將w0變量除以2時(shí)，實(shí)際上我們就是在將數(shù)據(jù)右移，以便把從 DS1620獲取的9位溫度信號(hào)保存在變量w0中。 溫度保存在w0中之后，display子例程判斷讀數(shù)的正負(fù)，然后以攝氏度為單位，在液晶顯示屏上正確顯示讀數(shù)。 攝氏度到華氏度的單位換算如下：

dF=dC*9/5+32

這樣，我們就完成了一個(gè)非常昂貴的溫度計(jì)的制作。 它有些什么用途呢？ 這有一個(gè)好主意。 例如你在一家制藥公司工作，需要在全國(guó)范圍內(nèi)運(yùn)輸藥品，藥品運(yùn)輸全程溫度要保持恒定，否則藥品會(huì)失效。 你可以用 Stamp 制作一臺(tái)溫度數(shù)據(jù)記錄儀。 Jameco公司（部件號(hào)143811）和Parallax公司（部件號(hào)27960）都出售稱為“RAM 封裝模塊”的元件。 它包含具備串行接口的低功耗8千字節(jié)（也可以選擇32千字節(jié)）RAM芯片。 可以給你的Stamp配上該元件（或相似產(chǎn)品），編寫代碼，每分鐘將讀取的溫度數(shù)值保存在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中。 然后，你可以將 Stamp隨藥品一起打包，在運(yùn)輸過程結(jié)束時(shí)取回Stamp。 RAM模塊會(huì)包含整個(gè)運(yùn)輸過程的溫度歷史記錄，通過記錄你可以知道藥品是否解凍過。

掌握微控制器的工作原理之后，你可以借助Stamp制作出大量類似這樣的小巧實(shí)用的設(shè)備。