本文以一個(gè)全自動(dòng)血壓計(jì)為例,，介紹將LCD顯示器讀數(shù)讀入單片機(jī)的接口電路,。該血壓計(jì)顯示器為6 1/2位段式LCD顯示器，3位顯示收縮壓,，3位顯示舒張壓,。1/2位在兩組數(shù)碼中間，顯示4個(gè)指示符號(hào),。
1 LCD的電極連接結(jié)構(gòu)和工作波形
1.1 LCD的電極連接結(jié)構(gòu)
圖1為血壓計(jì)LCD的電極連接結(jié)構(gòu)及等效電路,。其中，圖1（a)為公共電極連接排列,，圖1（b)為段電極連接排列,。它共有4個(gè)公共電極COM0~COM3，每位數(shù)碼各有2個(gè)段電極Sx-0,、Sx-1,，其等效電路為一個(gè)4行×2列的矩陣，如圖1（c)所示,。
圖1 LCD電極連接結(jié)構(gòu)及等效電路
1.2 LCD的工作波形
用雙蹤示波器觀察血壓計(jì)LCD的工作波形,，如圖2所示。它采用時(shí)分割驅(qū)動(dòng)法驅(qū)動(dòng),，偏比1/3,占空比1/4,，B型[3]。公共電極COM0~COM3的信號(hào)波形始終保持不變,，段電極Sx-0,、Sx-1信號(hào)波形隨顯示數(shù)字的變化而變化。圖2中的Sx-0,、Sx-1波形為顯示數(shù)字“0”時(shí)的工作波形,。由圖2可知，不考慮信號(hào)的直流分量,，所有波形的前半周期t1~t4與后半周期t5~t8大小相等,，極性相反。COM0~COM3信號(hào)電壓依次在t1~t4四個(gè)時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值,。時(shí)間t1為第1行上f,、a兩段的掃描時(shí)間，公共電極COM0，Sx-0為f段的段電極,，Sx-1為a段的段電極,。在t1時(shí)間內(nèi)， f段上的電壓COM0－Sx-0=V0,，a段上的電壓COM0－Sx-1=V0,，f、a兩段均處于選擇狀態(tài),，顯示,。其余各段在其掃描時(shí)間內(nèi)的電壓和顯示狀態(tài)如表1所列。7段中只有g(shù)段上的電壓為V0/3,，處于非選擇狀態(tài),，不顯示。其余6段均處于選擇狀態(tài),，顯示,。因此，顯示數(shù)字“0”,。
圖2 LCD工作波形
表1 顯示“0”時(shí)各段的顯示狀態(tài)
由此可見(jiàn),，只要依次檢查在t1~t4四個(gè)時(shí)間內(nèi)f、a,、g,、b、e,、c,、d各段上的電壓COMx－Sx-y(x=0,1,…,6;y=0,1)是V0還是V0/3即可獲得LCD各位數(shù)碼的字形碼，然后再將字形碼轉(zhuǎn)換為測(cè)量結(jié)果,。
2 單片機(jī)讀數(shù)接口電路
圖3為根據(jù)上述工作原理設(shè)計(jì)的8051單片機(jī)讀數(shù)接口電路。圖中,，LCD為血壓計(jì)的液晶顯示器,，6位數(shù)碼從右到左依次編號(hào)0~5，中間半位的編號(hào)為6,。它有13個(gè)段電極,、4個(gè)COM電極，GND為血壓計(jì)的接地端,。8051的 PC口為8051的擴(kuò)展并行口,。
圖3 讀數(shù)接口電路
2.1 顯示狀態(tài)讀取電路
由CD4067、CD4051,、LM324(UA,、UB)組成顯示狀態(tài)讀取電路，讀取LCD數(shù)碼各段的顯示狀態(tài)。CD4067多路模擬開(kāi)關(guān)從LCD的13個(gè)段電極信號(hào)中選擇一路Sx-x輸出到LM324(UA)的反相輸入端2腳,。CD4051多路模擬開(kāi)關(guān)從LCD的4個(gè)COM信號(hào)中選擇一路COMx輸出到LM324(UA)的同相輸入端3腳,。LM324(UA)接成模擬減法器，由1腳輸出信號(hào)COMx－Sx-x,。UB作電壓比較器,，參考電壓VR大小由電位器W1調(diào)節(jié)于V0/3～V0之間，將段電壓COMx－Sx-x與VR比較,。比較結(jié)果為該段的顯示狀態(tài),，高電平說(shuō)明該段顯示，低電平不顯示,。顯示狀態(tài)送入8051的P1.6腳,。R1、C1組成RC濾波器,，濾除高頻干擾,。
比如，要讀取0號(hào)數(shù)碼的a段顯示狀態(tài),，由圖1知,，0號(hào)數(shù)碼a段的段電極是S0-1，公共電極是COM0,。由程序控制在t1時(shí)間內(nèi)令PC1PC0=00,，使CD4051選擇COM0，令PC5~PC2=0001,，使CD4067選擇S01,，COM0和S01兩信號(hào)電壓經(jīng)UA減法器相減，然后再經(jīng)UB電壓比較后得到a段的顯示狀態(tài),，8051從P1.6腳讀取此顯示狀態(tài),。
2.2 INT0中斷信號(hào)產(chǎn)生電路
UC和UD組成INT0中斷信號(hào)產(chǎn)生電路。UC 接成電壓跟隨器,，減小電路對(duì)COM0信號(hào)的影響,。R2、C2組成RC濾波器,，濾除高頻干擾,。UD作電壓比較器，參考電壓VR加在同相輸入端,，VR大小由電位器W2調(diào)節(jié)于2V0/3～V0,。電壓比較器將COM0信號(hào)轉(zhuǎn)換為INT0負(fù)脈沖信號(hào)，工作波形如圖4所示,。負(fù)脈沖的下降沿為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期T的起始時(shí)刻,。此負(fù)脈沖接至8051的INT0腳,，在負(fù)脈沖的下降沿產(chǎn)生外部中斷0。
圖4 比較器UD工作波形
3 程序設(shè)計(jì)
啟用外部中斷0和定時(shí)器T0,，以中斷方式讀取LCD各位數(shù)碼的字形碼,。主程序以查詢方式讀取該字形碼，然后經(jīng)過(guò)讀數(shù)校驗(yàn),、字形碼到BCD碼的譯碼,、讀數(shù)識(shí)別等，將字形碼轉(zhuǎn)換為讀數(shù),。
3.1 讀取字形碼
通過(guò)外部中斷0和定時(shí)器T0以中斷方式讀取LCD某一編號(hào)數(shù)碼的字形碼,。如圖5所示，INT0負(fù)脈沖在周期T的起始時(shí)刻引起外部中斷0,，由INT0中斷服務(wù)程序啟動(dòng)T0定時(shí)器,，依次在t1～t4半個(gè)周期內(nèi)的f、a,、g,、b、e,、c,、d各時(shí)刻產(chǎn)生T0中斷，讀取各段的顯示狀態(tài),，獲得字形碼,。T0定時(shí)器設(shè)為工作方式2，自動(dòng)再裝入定時(shí)時(shí)間為T(mén)/16,，初始定時(shí)時(shí)間為T(mén)/32,。INT0和T0中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。
圖5 T0中斷的各個(gè)時(shí)刻
圖6 INT0和T0中斷服務(wù)程序流程
其中,，PC口數(shù)據(jù)格式：PC5~PC3為要讀取的那位LCD數(shù)碼編號(hào),，PC2為段電極編號(hào)，PC1PC0為COM電極編號(hào),。
3.2 字形碼轉(zhuǎn)換
主程序以查詢方式分別讀取由中斷服務(wù)程序采集的各位數(shù)碼的字形碼,，查表將字形碼轉(zhuǎn)換為BCD碼，再將幾位數(shù)碼的BCD碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值,。
3.3 讀數(shù)校驗(yàn)
讀取一位數(shù)碼的字形碼需要1個(gè)周期T(實(shí)際只用前半個(gè)周期),，經(jīng)測(cè)量,，T=16.318 ms,。讀取全部612位數(shù)碼至少需要用7個(gè)周期，約114 ms,?？紤]到在單片機(jī)讀數(shù)的過(guò)程中,，LCD的讀數(shù)有可能發(fā)生變化而導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤，程序中采用連續(xù)兩次讀數(shù)的方法來(lái)校驗(yàn)讀數(shù)的正確性,。如果連續(xù)兩次讀數(shù)相同,，則說(shuō)明讀數(shù)是正確的；如果連續(xù)兩次讀數(shù)不同,，則說(shuō)明讀數(shù)可能是錯(cuò)誤的,，應(yīng)重新讀數(shù)。
3.4 讀數(shù)識(shí)別
血壓計(jì)顯示的內(nèi)容除了收縮壓,、舒張壓和心率以外還有充氣,、放氣時(shí)的瞬時(shí)壓強(qiáng)以及一些狀態(tài)信息。LCD中間的半位（6號(hào)）用于顯示待機(jī)（Reay to measure）,、充氣（CUFF Inflating）,、放氣（CUFF Deflating）以及更換電池（Replace Batteries）四個(gè)符號(hào)。另外,，4號(hào)數(shù)碼顯示“E”時(shí)表示測(cè)量出錯(cuò),，顯示“P”時(shí)，右邊3位(0~2號(hào))數(shù)碼顯示的數(shù)字為心率,。左右兩邊顯示內(nèi)容均是數(shù)字時(shí),，左邊3位（3~5號(hào)）是收縮壓，右邊3位是舒張壓,，血壓與心率交替顯示,。主程序通過(guò)這些信息來(lái)識(shí)別LCD所顯示的內(nèi)容。
4 結(jié)論
使用此接口電路采集數(shù)據(jù),，不必考慮與拾取信號(hào)的測(cè)量相關(guān)的細(xì)節(jié)問(wèn)題和技術(shù)規(guī)范,。這樣，當(dāng)拾取信號(hào)的測(cè)量比較復(fù)雜時(shí),，可以有效地縮短開(kāi)發(fā)周期,。同時(shí)，它也不存在二次A/D轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換方法所存在的單片機(jī)采集數(shù)據(jù)與儀表讀數(shù)不完全一致的問(wèn)題,。
程序設(shè)計(jì)用1個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期讀取1位數(shù)碼,，這樣的讀取速度對(duì)于讀數(shù)變化不是很快的血壓計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。如果測(cè)量?jī)x表LCD讀數(shù)變化很快,，可以修改編程,，在1個(gè)周期內(nèi)同時(shí)讀取幾位數(shù)碼，甚至修改電路設(shè)計(jì),，將后半周期也用于進(jìn)行讀數(shù),，實(shí)現(xiàn)在1個(gè)信號(hào)周期內(nèi)讀取所有數(shù)碼。