基于Arduino控制的OLED顯示模塊的電子實踐教學(xué)研究

王紅敏 王燕 劉軍強 寧生科

摘? 要：論述了一種基于開源平臺Arduino控制的OLED顯示模塊在實踐教學(xué)中的應(yīng)用，探討了電子實踐教學(xué)的實施過程，并提供了創(chuàng)新實踐教學(xué)案例，用于提高大學(xué)生電子電路綜合應(yīng)用能力的實踐。介紹了OLED液晶顯示模塊的工作原理、接口管腳的應(yīng)用，電子創(chuàng)新實踐教學(xué)的準備工作、基礎(chǔ)知識與技能訓(xùn)練、實踐項目的設(shè)計與開發(fā)、總結(jié)與評價等，研究結(jié)果表明了該實踐教學(xué)對學(xué)生的創(chuàng)新思維、綜合能力有較強的培養(yǎng)作用。

關(guān)鍵詞：Arduino;電子實踐;OLED顯示模塊;開源平臺;驅(qū)動芯片

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）03-0007-05

Abstract： This paper discusses the application of an OLED display module based on the open source platform Arduino control in practice teaching， discusses the concrete implementation process of electronic practice teaching， and gives an innovative practice teaching case to improve the comprehensive application ability of electronic circuit of college students. This paper introduces the working principle of OLED liquid crystal display module， the application of interface pin， the preparation of electronic innovation practice teaching， basic knowledge and skills training， the design and development of practice projects， summary and evaluation， etc. The research results show that this practice teaching has a strong cultivation effect on students' innovative thinking and comprehensive ability.

Keywords： the Arduino; electronic practice; OLED display module; open source platform; drive chip

Arduino開源平臺[1]的應(yīng)用為我校電子類專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了新的方向。其具有價格低廉、編程簡單、應(yīng)用方便、強擴展能力，且不需要過于深厚的理論知識作為開發(fā)基礎(chǔ)等諸多優(yōu)點，使得項目開發(fā)過程中的原型制作更加快捷簡單。因此，在實踐應(yīng)用中，學(xué)生可以自主挖掘日常生活或工業(yè)生產(chǎn)中的潛在需求，完全不會受到理論知識的限制，通過Arduino開源平臺快速制作原型來進行驗證，并在此基礎(chǔ)上進行方案的持續(xù)優(yōu)化。整個實踐[2]形成一個新鮮有趣的創(chuàng)新思維的迭代過程，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新工程實踐能力。

OLED被稱為有機發(fā)光顯示器（Organic lighting emitting device，OLED），其具有自發(fā)光、響應(yīng)時間短、低功耗、高亮度、工作溫度范圍寬、抗震性好以及輕薄等特點，已經(jīng)在中小尺寸顯示領(lǐng)域得到快速的發(fā)展。并且OLED與以CRT為代表的第一代顯示器和以LCD為代表的第二代顯示器相比，有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢，已逐漸取代傳統(tǒng)LCD顯示屏在電子實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的主流地位，并廣泛應(yīng)用于智能家電、通信、軍工、工業(yè)儀器儀表及大學(xué)生科技競賽等領(lǐng)域。針對OLED顯示屏的廣泛應(yīng)用及適用前沿技術(shù)的發(fā)展，我校對傳統(tǒng)電子工藝實習(xí)課程進行轉(zhuǎn)型優(yōu)化，對課程內(nèi)容、實驗設(shè)置等方面進行了調(diào)整。2018年開始應(yīng)用0.96寸OLED顯示模塊等實驗裝置，并開設(shè)出利用Arduino開源平臺控制OLED顯示屏的綜合性、設(shè)計性實踐項目[3]，為學(xué)生提供了多樣性選擇，提高了綜合性、設(shè)計性實驗內(nèi)容的比例，培養(yǎng)了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

一、OLED顯示模塊的工作原理

在基于Arduino的實驗教學(xué)中開發(fā)的液晶顯示主要采用支持眾多圖形顯示的OLED顯示模塊[4]，0.96寸OLED是目前最常見的圖形液晶顯示器，該模塊分辨率為128像素×64像素，也稱為12864OLED。將OLED顯示模塊用于Arduino等單片機的接口設(shè)計與應(yīng)用，其硬件構(gòu)成簡單，0.96寸OLED顯示模塊接口原理如圖1所示，具有良好的顯示界面，可以顯示字符、圖形、漢字甚至更高級的動畫，極大提高了系統(tǒng)的可操作性。軟件設(shè)計采取模塊化結(jié)構(gòu)，具有程序占用代碼空間少、功能易于擴展、編程效率高等優(yōu)點，特別有利于OLED顯示模塊用于電子類實踐教學(xué)綜合性、設(shè)計性實驗的設(shè)計與開發(fā)。

（一）OLED顯示模塊的接口定義

該實踐教學(xué)項目使用中景園電子科技的0.96寸OLED顯示模塊，該顯示屏是一塊小巧的圖形液晶顯示器，顯示尺寸為0.96寸，而模塊的尺寸僅為27mm*26mm大小。顯示模塊接口默認為七針的SPI/IIC兼容模塊，七個管腳分別為GND、VCC、D0、D1、RES、DC、CS，各引腳配置說明如表1所示。若想用IIC接口，需要將RES接高電平，可以與VCC對接，使OLED復(fù)位腳一直維持高電平，即不復(fù)位的狀態(tài);同時需要將DC、CS接電源地;此時IIC通信中只需要GND、VCC、D0（時鐘信號）、D1（數(shù)據(jù)信號）四根線了。但是這樣比較麻煩，建議可直接選用四針的IIC接口OLED顯示模塊。

（二） 驅(qū)動芯片SSD1306

該OLED顯示模塊所用的驅(qū)動芯片為SSD1306[5-6]，其具有內(nèi)部升壓功能，所以在設(shè)計的時候不需要再專門設(shè)計升壓電路。SSD1306為一個單片CMOS OLED/PLED驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動有機/聚合發(fā)光二極管點陣圖形顯示系統(tǒng)。該驅(qū)動芯片內(nèi)部嵌入了顯示RAM、晶振和對比度控制器，因此減少了外部器件和功耗。具有256級亮度控制，數(shù)據(jù)/命令的發(fā)送接口有三種可選擇：IIC接口，SPI接口或6800/8000串口。適用于多數(shù)簡單的應(yīng)用，如移動電話的屏顯，MP3播放器和計算器等。SSD1306的顯存總共為128*64bit大小，其將這些顯存分為8頁。每頁包含128個字節(jié)，共8頁，這樣正好是128*64的點陣大小。

二、電子創(chuàng)新實踐教學(xué)的設(shè)立與實施

基于Arduino開源平臺，OLED顯示模塊的電子實踐項目的開展，是整個實踐教學(xué)體系中的重要環(huán)節(jié)，優(yōu)化實踐內(nèi)容、更新實踐項目，加強實踐教學(xué)與工程實際的科學(xué)銜接，其實施流程可以分為以下階段。

（一）實踐準備——OLED顯示模塊與Arduino開源硬件的連接

該實踐教學(xué)項目使用的0.96寸OLED采用四線SPI接口方式，針對我校該學(xué)生特點和課程的教學(xué)資源，特總結(jié)以下操作步驟，大大減少了學(xué)生在入門階段的迷茫。第一，將類庫U8glib.zip解壓復(fù)制到Adruino IDE下的libraries文件夾內(nèi)。第二，打開U8glib＼examples目錄，打開目錄下＼U8glib＼examples＼U8gLogo為例。第三，找到本文0.96寸OLED 的驅(qū)動芯片，為 U8GLIB_SSD1306_

128x64，將前面的“//”刪除。Arduino C語句描寫為U8G

LIB_SSD1306_128X64 u8g（13，11，10，9）;//建立OLED對象。第四，選擇四線SPI通信方式將Arduino與OLED屏用杜邦線連接，引腳對應(yīng)關(guān)系如表1所示。第五，編譯下載，其硬件連接及OLED顯示內(nèi)容如圖2所示。

（二）基礎(chǔ)知識與技能

由于OLED的顯示需要調(diào)用庫函數(shù)U8glib，這是一個圖形液晶顯示類庫。在實踐項目進行之前，要求學(xué)生通過課程提供的云端資料及自己查找的資料，對U8glib類庫的使用、U8glib對象的建立、U8glib程序結(jié)構(gòu)及U8glib類庫繪制幾何圖形函數(shù)有一個初步了解;學(xué)習(xí)Arduino C語言和OLED液晶顯示模塊的顯示原理及編程規(guī)則;在教師指導(dǎo)下學(xué)習(xí)用Arduino硬件平臺控制OLED顯示器件的使用，并熟悉取模軟件PCtoLCD2002的應(yīng)用，進行顯示模塊的基礎(chǔ)應(yīng)用和漢字顯示訓(xùn)練，著重訓(xùn)練調(diào)用庫函數(shù)U8glib對OLED的編程能力和應(yīng)用Arduino C語言程序調(diào)試方法。

（三）綜合性、創(chuàng)新性實踐項目的設(shè)計與開發(fā)

實踐項目的設(shè)計與開發(fā)[7]主要基于教學(xué)已定命題和學(xué)生自擬命題兩部分，教學(xué)由淺入深、由“基礎(chǔ)-創(chuàng)新-綜合”，同時具有一定的新穎性，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，實踐項目一覽表如表2所示。

首先，學(xué)生通過實踐項目的前期準備、基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)及教學(xué)已定命題的實踐訓(xùn)練，具備一定的開發(fā)基礎(chǔ)。在興趣的驅(qū)動下激發(fā)創(chuàng)新思維，挖掘生產(chǎn)生活中的潛在需求，提出問題并形成實踐題目。然后，匯總所有實踐題目，由全體學(xué)生和教師共同評判、討論，優(yōu)選出有特色、有創(chuàng)新的若干自擬題目。在此過程中，若學(xué)生提出的題目被采納，則總評成績可獲得一定的加分，充分調(diào)動了學(xué)生的課題參與積極性。之后，學(xué)生根據(jù)這些自擬題目，自由組建實踐團隊并進行方案設(shè)計。為保障方案的完善性與可執(zhí)行性，需要開展若干次組內(nèi)討論及組間討論，同時教師也要給予相應(yīng)輔導(dǎo)，使方案不斷優(yōu)化。最后，學(xué)生在方案指導(dǎo)下不斷鞏固對電路硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)的理解，形成綜合創(chuàng)新實踐項目，通過邊學(xué)邊討論邊做出原型的方式快速完成項目開發(fā)。

（四）實踐項目的考核評價[8]

該OLED顯示模塊的實踐教學(xué)總結(jié)評價由過程考評、相互考評和成果考評三部分構(gòu)成。過程考評：即將學(xué)習(xí)過程納入評價指標，改變了傳統(tǒng)單一的考試評價模式。從項目的選定、實施及完善，學(xué)生全程參與。項目完成后，各組均匯報并演示其實踐成果，并由全體師生共同對各組的實踐成果進行考核評價，并在此過程中培養(yǎng)創(chuàng)新思維，提升解決復(fù)雜工程實踐問題的能力。相互考評：即課程中增加“互學(xué)互助”模塊，學(xué)生也參與課程評價。通過采取組間相互提問和相互打分的方式，實現(xiàn)學(xué)生間的互評互學(xué)，提問的問題涉及具體的電路硬件結(jié)構(gòu)、程序流程和功能原理等，完善了學(xué)習(xí)評價機制。成果考評：即實踐課程采取成果導(dǎo)向的考核體系，綜合評判學(xué)生創(chuàng)作的項目成果，重在考核學(xué)生的運用能力、知識遷移以及創(chuàng)新、綜合、創(chuàng)造力。最終，教師根據(jù)學(xué)生在實踐過程、相互評價及成果匯報環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)進行評分，并匯總之前在自擬題目實踐中的得分，形成學(xué)生的實踐總評成績。

三、實踐教學(xué)案例與成效

OLED顯示模塊在Arduino硬件平臺的應(yīng)用實踐[9-10]，按照“一課一主題、一題一結(jié)果”的模式實施。每個主題結(jié)束時，教師對授課內(nèi)容進行總結(jié)分析，包括尋求幫助、總結(jié)反思、分享交流、拓展提高。讓學(xué)生在互“玩”的氛圍中分享彼此學(xué)習(xí)成果，從而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)習(xí)主動性。

學(xué)生以自建小組為單位，通過動手實踐、協(xié)作學(xué)習(xí)解決身邊的一些實際問題。如自己制作音樂播放器、溫度實時監(jiān)測儀、將垃圾桶變成可視化自動啟閉的、小型動畫播放器等等。圖3所示為學(xué)生制作的一款“測手速”小游戲，圖4為其主程序流程圖，屏幕數(shù)字循環(huán)由0.0實時變化到9.9，當在3.3準時按下開關(guān)則游戲成功，反之失敗需再次進行。每一個教學(xué)項目倡導(dǎo)通過行動和實踐去發(fā)現(xiàn)問題、并竭力找到解決方案的精神，全面培養(yǎng)學(xué)生的工程師素養(yǎng)和團隊協(xié)同能力。

圖5所示為綜合創(chuàng)新實踐項目，由于授課時間恰逢2019年十一國慶前夕，祖國七十周年大慶，華夏兒女熱血愛國情，課程主題便定為“祖國我想對你說”。該實踐項目融入了愛國主義元素，在大學(xué)生中踐行了強國志、報國行，充分響應(yīng)了“立德樹人”的課程思政要求。在整個項目實施過程中，學(xué)生集思廣益，互教互學(xué)互評，不僅培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和實踐能力，同時也使學(xué)生對各類生產(chǎn)生活中涉及到的OLED顯示電路的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了深化的討論和學(xué)習(xí)，獲得了較好的實踐教學(xué)成效。

四、結(jié)束語

通過OLED顯示模塊用于Arduino開源平臺綜合性、設(shè)計性的實踐項目的開發(fā)與設(shè)計，提高了學(xué)生對顯示新技術(shù)在單片機、電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，掌握電子前沿技術(shù)，加強理論與實踐的綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新精神培養(yǎng)都具有重要意義。同時在學(xué)生自擬題目環(huán)節(jié)，通過多樣化實踐選題，出現(xiàn)的問題也許是老師從未思考過的，促使教師積極思考、挑戰(zhàn)自我，并不斷優(yōu)化與調(diào)整完善實踐項目。學(xué)生可以根據(jù)個人興趣、能力差異，由淺入深選擇實踐項目完成各項任務(wù)，使各層次學(xué)生都能順利完成實驗項目，增加學(xué)生興趣與信心，全面提高學(xué)生綜合實踐能力、創(chuàng)新能力和項目設(shè)計開發(fā)能力。

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