LED點陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計方案

1 陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計方案 第 1 章 緒論 課題背景 選題背景 示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬 到 幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的 素點。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色 開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。 示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點 1。 在短短的十來年中， 陣顯示 屏就以 亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點 迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展 。示屏的應(yīng)用涉及社會經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，主要包括證券交易、金融信息顯示 、機場航班動態(tài)信息顯示 、 港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示 、 體育場館信息顯示 、 道路交通信息顯示 、 調(diào)度指揮中心信息顯示 、 郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示 、 廣告媒體新產(chǎn)品等。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 （ 1）我國 業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 經(jīng)歷了多年的發(fā)展 ,我國 延片生產(chǎn)應(yīng)用產(chǎn)品，逐步發(fā)展到自主生產(chǎn)外延片和芯片的階段 ,并且已具備一定技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。初步形成從外延片生產(chǎn)、芯片制備到器件封裝、集成應(yīng)用等比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。我國上游產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，一是參與單位多，主要單位有中科院半導(dǎo)體所、中科院物理所、電子工業(yè)集團第十三電子研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、南昌大學(xué)和一些企業(yè)；但 2 是這些參與單位都想建立自己產(chǎn)能，起始階段產(chǎn)能都不大，整個產(chǎn)業(yè)看起來資源分散，沒有規(guī)模；而且科研院所 都想建立自己的產(chǎn)能，在技術(shù)輸出上排外，而實際上各科研單位某一時間突破的可能僅是產(chǎn)業(yè)技術(shù)鏈的某一環(huán)節(jié)，整體上產(chǎn)業(yè)化條件還不具備，這樣雖然每年看起來各個方面的技術(shù)都在突破，但產(chǎn)業(yè)化效率非常低。二是與國際先進水平比較 ,整體上一般芯片的亮度、發(fā)光效率、抗靜電能力、抗漏電能力以及品質(zhì)控制水平與國際廠家仍有差距。三是能滿足市場需要且規(guī)模化生產(chǎn)的企業(yè)少，封裝所需芯片尤其高檔芯片主要靠進口。 值得一提的是 ,經(jīng)過多年的發(fā)展 ,我國 然擁有 L 廠商的競爭，但國內(nèi) 內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)了一批如上海三思、北京利亞德、西安青松等優(yōu)秀企業(yè)，國內(nèi)顯示屏市場吸收了很大一部分芯片產(chǎn)能，對促進國內(nèi)上中游發(fā)展壯大起了重要作用。國內(nèi)生產(chǎn)的顯示屏、景觀照明燈具等 盟等國家和地區(qū)。 （ 2） 示屏的發(fā)展 前景 從 業(yè)全球分工來看，在 游外延片、芯片生產(chǎn)上，美國、日本、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，中國臺灣已經(jīng)成為全球重要的 產(chǎn)基地。目前全球形成了以日、美、德為產(chǎn)業(yè)龍頭，中國臺灣、韓國緊跟其后 ，中國大陸、馬來西亞等國家和地區(qū)積極跟進的梯隊分布。雖然中國在 延片、芯片的生產(chǎn)技術(shù)上距離國際先進水平還有一定的差距，但是國內(nèi)龐大的應(yīng)用需求給 游廠商帶來巨大的發(fā)展機會，這為我國 業(yè)的發(fā)展提供了良好的機遇。 現(xiàn)代信息社會中，作為人一機信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)是平板顯示的時代， 示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀(jì)平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍色及純綠色 品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低， 已具備成熟的商業(yè)化條件?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。使 彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。 品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色 更會成為主流產(chǎn)品。全彩色 示屏的廣泛應(yīng)用會是 示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 未來 示屏?xí)蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展 2。 （ 3） 選題意義 3 該設(shè)計課題使我們能夠掌握 示屏的基本顯示原理和設(shè)計方法，對 且對大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進行了實踐，使我們對所學(xué)過的理論知識有了新的認(rèn)識。并且通過該設(shè)計課題掌握了 51 單片機的的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關(guān)行業(yè)的工作積累了實際工作經(jīng)驗。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的 關(guān)的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應(yīng)該清楚的認(rèn)識到我國的 術(shù)雖然發(fā)展迅速但和 世界先進水平還有一定的差距。因此此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國 示技術(shù)的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實與積極的意義。 論文主要內(nèi)容 針對設(shè)計題目的特點，作者對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排： （ 1） 初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計思想和設(shè)計方法擬定幾套設(shè)計方案進行分析比較。最終選定了以單片機為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動電路的設(shè)計方案。 （ 2）方案實現(xiàn) 以設(shè)計方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇選定 片機為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器 74鎖存器 74譯碼電路器件，三極管 8550和 驅(qū)動電路器件。論文列出了詳細(xì)的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點和設(shè)計要求，軟件選用 C 語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫和調(diào)試，最后將獨立的模塊整合起來。 （ 4）結(jié)論 設(shè)計完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓(xùn)、以及自己的想法進行總結(jié)。 4 第 2 章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案 大多數(shù)的 示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護硬件電路設(shè)計時常常采用模塊化的設(shè)計方法。硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖 2示 ， 根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng) 三 部分組成。 單片 機通過通信部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式 3。 圖 2系統(tǒng)硬件組成框圖 顯示屏主控制器 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分， 其功能為發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令處理后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計方法有單片機、 術(shù)。幾種設(shè)計方法比較各有其特點 ： （ 1）單片機 單片機是集成了 I/ O 口的微型計算機。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制 ,因此又叫微控制器 (單片機品種齊全 ,型號多樣 8， 16， 32 到 64 位，多采用 術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機集成有 A/ D， “ 看門狗 ”， 示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選 擇自由。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， 藝單片機被 替，并開始向 渡。供電電壓由 5V 降到 3V， 2V 甚至到 1V，工作電流由 至 A ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地 4。 （ 2） 片 叫數(shù)字信號處理器。顧名思義， 要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非通信部分 控制部分 顯示部分 5 常適合高密度，重復(fù)運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以 及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。 別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法 ,逐條執(zhí)行指令，速度慢。而 靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令，如 列的 令等 5。 （ 3） 即電子設(shè)計自動化，它是以計算機為工具，在 件平臺上， 對用硬件描述語言 成的設(shè)計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真 ， 直至對于特定目標(biāo)芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計者只需用 言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 具就可得到設(shè)計結(jié)果 ,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實現(xiàn)。由于 以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設(shè)計方案，而且可以多個人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭 中搶占先機。而且 是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面， 件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 三種設(shè)計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有 。其中 應(yīng)用最廣泛的單片機首推 1 系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合 理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史 “ 悠久 ” ，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機學(xué)習(xí)的教材。 且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定 51 系列單片機作為控制部分的核心器件。 6 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設(shè)計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。計算機數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 （ 1）并行通信 并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并 行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠(yuǎn)距離通信。 （ 2）串行通信 串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計算機中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加 擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。通 用的 通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 完成這一功能的硬件電路。在單片機芯片中， 經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口 6。 綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的 經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 陣顯示屏 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅(qū)動 示屏，所以需要對單片機 進行擴展增加單片機并行輸出的能力。 示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成 幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖 2示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的 前市場上普遍采用的點陣模塊有 88、 1616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當(dāng)單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較 低，缺點在于連接線路復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大 7 量的連線，不過當(dāng)一個 現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有 必須被更換。這就加大了維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個 陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險。所以構(gòu)建一個 1616 的 陣屏選用四塊 88 點陣模塊。 0L E 3L E 6L E 9L E 2L E 5L E 6L E 4L E 7L E 0L E 9L E 3L E 6L E 0L E 2L E 4L E 6L E 8L E 0L E 2L E 4L E 1L E 4L E 7L E 0L E 3L E 2L E 5L E 8L E 1L E 4L E 8L E 1L E 4L E 7L E 0L E 3L E 6L E 9L E 2L E 5L E 8L E 1L E 7L E 9L E 2L E 5L E 8L E 1L E 3L E 5L E 7L E 9L E 1L E 3L E D. 圖 2陣圖 一個 1616 的 示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 51 單片機的端口驅(qū)動所以必須要對單片機的端口個數(shù) 進行擴展。經(jīng)常采用的端口擴展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 744 線 譯碼器）、748 位串并轉(zhuǎn)換器）、 74。 51 系列單片機端口低電平時，吸入電流可達 20有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 A 甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機不能直接驅(qū)動 示屏顯示。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動電路 7。 8 硬件設(shè)計方案 最終方案如圖 2示，以 單片機 機作為 核心 控制器件 存儲和處理顯示內(nèi)容 ，用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)，單片機根據(jù)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動 4塊 88616的 目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計。 圖 2硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案 軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個主要部分組成。 具體結(jié)構(gòu) 如圖 2示。 圖 2軟件功能結(jié)構(gòu)框圖 軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。 串行通信 單片機 譯碼電路 顯示驅(qū)動電路 16 16靜態(tài)顯示程序 主程序 控制程序 特效顯示程序 通信程序 9 單片機編程語言 現(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點。 匯編語言 (面向機器的程序設(shè)計語言，是一種功能很強的程序設(shè)計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控 制硬件的語言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點，但在編寫復(fù)雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不能通用，也不能在不同機型之間移植 8。 C 語言是一種源于編寫 作系統(tǒng)的語言，它是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C 語言結(jié)構(gòu)是以括號 而不是子和特殊符號的語言。 C 可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51 的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的 函數(shù)。這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；編程及程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術(shù)。 C 語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持， C 語言程序本身并不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機的不同較快地移植過來。 基于以上理由決定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 C 語言編寫的程序并不能被單片機直接執(zhí)行還需要 編譯為單片機可執(zhí)行的機器語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編譯器必不可少。支持 51 用 C 語言編程的編譯器主要有兩種： 51 編譯器和 譯器。目前在單片機開發(fā)中普遍都是使用 51 來進行編譯。 10 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件整體設(shè)計概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計主要由通信系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動電路和 1616 的點陣屏 五 部分組成。具體工作流程為： 單片機 通過通信系統(tǒng)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過 I/O 口串行輸 出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動電路進行電壓和電流的處理以達到 示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內(nèi)容 11。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖 3示。 圖 3硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點： （ 1） 示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且 顯示要清晰。 （ 2）驅(qū)動電路要能提供 示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。 （ 3） 譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機以及驅(qū)動電路的要求。 （ 4）單片機要能夠控制 示屏的顯示，并且端口驅(qū)動能力要足以驅(qū)動譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。 源 744473 7444550 三極管 陣模塊陽極 4 塊 8*8 點陣模塊構(gòu)成 16*16陣屏 陣模塊陰極 11 （ 5）單片機由 載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。 控制單元設(shè)計 控制單元是整個顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用 51 系列單片機為核心器件，用來發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容 ， 并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制 示 屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。 在 51 系列單片機中選定一款合適的機型來作為控制單元的主控芯片。根據(jù)題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因為在軟件設(shè)計時方便的程序下載對程序的驗證和編寫非常有用。還有就是為了提高 示屏的掃描速度，單片機的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點要求，選擇美國 司生產(chǎn)的控制單元的主控芯片。 介 美國 司生產(chǎn)的低功耗，高性能 單片機，片內(nèi)含 4k 儲器 ,器件采用 易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 序存儲器既可在線編程（ 可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，價位 靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 有以下特點 ： 與 品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ 速存儲器 1000 次擦寫周期 工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 033三級程序加密鎖 1288 字節(jié)內(nèi)部 32 個可編程 I/O 口線 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 6 個中斷源 全雙工串行 道 12 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（ 雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ 節(jié)或頁寫模式） 供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) 速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 2 個 I/O 口線，看門狗（ 兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器 及時鐘電路。同時，降至 0靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 工作，但允許 時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 控制系統(tǒng)設(shè)計 控制電路設(shè)計中采用的是單片機系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個最小系統(tǒng)（指單片機的可以的最小配置系統(tǒng)）。 最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)功能選擇一定的單片機端口添加外圍的器件，具體電路如圖 3示。 在該系統(tǒng)中， 口主要用作 示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于端口的驅(qū)動能力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來提高驅(qū)動能力。其中 復(fù)用為 載功能口。具體接法為： 別接四塊 74 端，向 74入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； 別接列和行的 74 ，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出； ，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除 164 芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的數(shù)據(jù)；其中 復(fù)用為 載功能口。 164 芯片的使能控制端，當(dāng)為高電平使允許輸出； 鎖存器 74 控制鎖存器的工作狀態(tài)。 端口 部訪問允許。欲使 訪問外部程序存儲器（地址為 0000H 必須保持低電平（接地）。因為沒有擴展外部程序存儲器所以將 為高電平。 13 P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78R S . 010P 3 . 111P 3 . 212P 3 . 313P 3 . 414P 3 . 515P 3 . 616P 3 . 717X T A L 218X T A L 119G N . 021P 2 . 122P 2 . 223P 2 . 324P 2 . 425P 2 . 526P 2 . 627P 2 . 728- P S E . 732P 0 . 633P 0 . 534P 0 . 435P 0 . 336P 0 . 237P 0 . 138P 0 . 039V C 8 9 S 5 1V C K E Y 313K E Y 113K E Y 2 7 1 61 5 1 P P Y S T A C 圖 3控制部分電路圖 片機的 訪問外部數(shù)據(jù)存儲 器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， 送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。所以 留為外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴展用，以備內(nèi)部存儲器和程序存儲器不夠用時 使 用 12。 譯碼電路設(shè)計 譯碼電路的功能是為了解決單片機 I/O 端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器 74鎖存器 74體電路如圖 3示 串并轉(zhuǎn)換器 74譯碼采用的是芯片 74果不采用譯碼電 路完全依靠單片機的端口輸出來控制 1616 的 陣屏顯示，需要 32 個端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要 7 9 個端口便可實現(xiàn)控制顯示。大大減少了 I/O 口的占用數(shù)目，為單片機擴展其他功能預(yù)留下來了空間。 74一個 8 位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。當(dāng)清除端（ 低電平時，輸出端（ 為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（ 沖上升沿作用下 14 低電平。當(dāng) A、 B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 下決定 狀態(tài)。 參數(shù) 最小值 標(biāo)準(zhǔn)值 最大值 單位 高電平輸入電壓 2 V 低電平輸入電壓 高電平輸出電壓 - V 低電平輸出電壓 時鐘頻率 0 25 374作參數(shù) 這就要求單片機的引腳輸出的高低電平要在芯片的識別范圍內(nèi)，由于采用了列選通行傳送顯示代碼的方法所以行譯碼電路上也加上了 74存芯片。這就要求 74片的輸出要滿足鎖存芯片的高低電平區(qū)分范圍和頻率要求 。 7 4 L S 1 6 4 7 4 L S 3 7 3 C P 2 01 5 0 5 0V C 行譯碼電路圖 鎖存器 74于 74片不具有鎖存功能，所以在 74行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時，串行數(shù)據(jù)的第一位會從 次移位到 二位數(shù)據(jù)會從 次移位到次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前 74片的輸出會出現(xiàn)一段時間的亂序輸出，這一結(jié)果會通過驅(qū)動電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要 74輸出口不與驅(qū)動電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器 74完成這一功能。 74八 D 鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 )。 373 為三態(tài)輸出的八 D 15 透明鎖存器 ,共有 54/74 54/74種線路結(jié)構(gòu)形式當(dāng)三態(tài)允許控制端低電平時， 7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) 高電平時， 7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端 高電平時， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) 低電平時， O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 參數(shù) 最小值 額定值 最大值 單位 電源電壓 輸入高電平 電壓 2 V 輸入低電平 電壓 輸出高電平 電壓 2.6 出低電平 電壓 24 374作參數(shù)表 由表與表比較可以看出， 74輸出條件與 74輸入條件相匹配，理論上可以實現(xiàn)鎖存器對譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 驅(qū)動電路設(shè)計 行驅(qū)動電路設(shè)計 發(fā)光二極管， 即是在在某些半導(dǎo)體材料的 中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的 形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 8550 為 三極管，發(fā)射極 e 接 5V 電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動 陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時，發(fā)射極與基極電勢差為 5V0N 結(jié)擴散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產(chǎn)生和電子擴散方向相反的電流，由于基極電子大量擴散到發(fā)射極集電極電子擴散到基極中形成了電流譯碼器端口輸出高電平時發(fā)射極與基極之間的電勢差為 5V 0V 16 由于發(fā)射極與基極之間電勢差的減少基極電子向發(fā)射極擴散的電子數(shù)量減少故集電極電流也隨之減少。故 8550 在驅(qū)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。 列驅(qū)動電路設(shè)計 列驅(qū)動采用 一種高電壓大電流達林頓管陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個 林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如 大電流高電壓的燈，繼電器，打印機錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。集電極輸出功率可達50V6003。 為列驅(qū)動執(zhí)行的是列選的工作，當(dāng)選通的列輸入高電平時其對應(yīng)的輸輸出低電平。相對應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來吸收行驅(qū)動流出進過顯示屏后的電流。具體電路如圖 3示。 7 4L S 1 64 11I N 22I N 33I N 44I N 55I N 66I N 77I N 88G N T 118O U T 217O U T 316O U T 415O U T 514O U T 613O U T 712O U T 811C O M N 28 03 1L E 2L E 列驅(qū)動原理圖 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計 片機具有全雙工串行 道，支持單片機進行數(shù)據(jù)的串行傳輸。單片機與計算機不能直接相連進行通信必須將 平進行轉(zhuǎn)換14。 在通用的電平轉(zhuǎn)換芯片中 5需外接 5 個小電容即可完成 該顯示系統(tǒng)中， 通信系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分 17 15。電路如圖 3示： 1627384951D C o nn e c t 9V C +1C 1+4C 2I I O U O U O U O U I I M A X 23 2 A C P E 圖 3串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)計 在系統(tǒng)中 7474 需要 5V 的供電電壓，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以使用電腦 電。在實際的大屏幕 示屏設(shè)計中，用電腦 電明顯不切實際。此時需要對民用的 220V 進行降壓整流為 5V 直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖 3示。 1234T?T R A N S 1 7 80 5C p+0 347 0p ?H E A D E R 2V C C V C C+ 1 2 +5圖 3源原理圖 如圖所示，用 220V 轉(zhuǎn) 12V 的變壓器進行降壓后再通過一個橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過 5V 三端穩(wěn)壓模塊 出穩(wěn)定的 5V 輸出。 18 級連大屏幕 示屏 要實現(xiàn) 大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級連和多個單片機系統(tǒng)級連的方法。譯碼器級連如圖 3示 將第 1 個 74 接第 2 個 74 A 端，將第 2 個 74接第 3 個 74 A 端，如此炮制當(dāng) N 塊 74級連時就變?yōu)橐粋€串行輸入 7N 口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。這種級連的優(yōu)點在于一塊單片機可以同時控制更多的 陣顯示屏，且 74價格低廉整體成本得到了降低。但是這種級連方法也存在一定的缺點， 51 系列的單片機的晶振頻率不高 74連過多會增加一次掃描的時間從而導(dǎo)致顯示出現(xiàn)閃爍。從端口輸出的顯示數(shù)據(jù)的顯示也要作出相應(yīng)的改變。 V C C V C 4 L S 16 4 4 L S 16 4 4 L S 16 4 圖 374連 構(gòu)建大屏幕 獨立的 示系統(tǒng)組成一個大的 示系統(tǒng)。其中各子顯示系統(tǒng)之間在功能和控制上都是相互獨立的，將一幅大屏幕畫面拆分為幾塊小畫面再分別送入到各子系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)同步顯示便可以得到一幅大的畫面。使用這種級連的辦法可以避免 51單片機晶振頻率低的弱點，更容易實現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點，一是各獨立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào)性要求更高了，如果要實現(xiàn)顯示內(nèi)容的實時性必須需要不斷更新顯示內(nèi)容則增加了通信數(shù)據(jù)量， 逐個的單片機傳送數(shù)據(jù)也會影響整個畫面的更新速度；二是成本提高了。 在實際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構(gòu)建大屏幕示屏幕。即增加單個顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時又將單個的顯示系統(tǒng)級連。 詳細(xì)硬件原理圖見附錄 1。 19 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 程序設(shè)計 系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，按照模塊化的設(shè)計思路設(shè)計。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示三大功能。其功能結(jié)構(gòu)如圖 2示。通信程序接收數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。 主程序 的工作流程如圖 4示： 圖 4主程序流程圖 程序開始時首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各 功能的設(shè)定等。初始化完成后部中斷源由按鍵的電平變化觸發(fā)，外部中斷主要功能是選擇 陣顯示屏的控制程序進入待機狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主開始 系統(tǒng)初始 從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存 讀取顯示控制命令選擇顯示 調(diào)用相應(yīng)顯示程序 中斷開始 ? 起始位？ 接收顯示數(shù)據(jù)及控制命令 將顯示數(shù)據(jù)移入顯示數(shù)組將控制命令賦值給控制字符 中斷返回 20 要用到了兩個外部中斷源和串行中斷。外方式 。 串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)。中斷產(chǎn)生后由預(yù)先初始化時設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序 。中斷程序設(shè)定了 陣顯示屏所要顯示的內(nèi)容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。 顯示程序的設(shè)計 示屏的顯示方式 陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。 對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動電路，一幀畫面輸入以后便可一勞永逸地顯示，除非我們改變了顯示內(nèi)容，需要重新輸出新的點陣數(shù)據(jù)這種方式系統(tǒng)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅(qū)動裝量很多，引線多而繁雜，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也較低 另一種動態(tài)掃描顯示是把整個 幕分成若干部分，每一幅畫面的顯示是顯示完一部分后，又顯示第二部分 直到顯示完最后一部分又重新開始顯示第一部分，重復(fù)循環(huán)進行在重復(fù)掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定的畫面也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新在這種方式下其顯示驅(qū)動電路可重復(fù)利用，引線也大大減少，從而使硬件成本降低，且屏幕上的發(fā)光二極管輪流發(fā)光，使用時的耗電量大大降低大屏幕的制造、維護要容易許多，可靠性也增加了 兩種顯示方式的比較再結(jié)合 51 單片機 數(shù)量有限的原因決定采用動態(tài) 掃描的方式進行顯示。 動態(tài)掃描分為行掃描和列掃描兩種方式區(qū)別在于選通端和數(shù)據(jù)輸入端分別是行還是列。在該顯示系統(tǒng)中掃描顯示的工作原理如圖 4示，先選通列然后再從行送入對應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。 21 圖 4掃描顯示程序原理圖 點陣數(shù)據(jù)表達方式 該顯示系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)采取縱向取模方向正向的數(shù)據(jù)存儲方式如圖 4 從數(shù)據(jù)中讀取第 1 列對應(yīng)的行數(shù)據(jù) 從數(shù)據(jù)中讀取第 16列對應(yīng)的行數(shù)據(jù) 從數(shù)據(jù)中讀取第 2 列對應(yīng)的行數(shù)據(jù) 選通第 1 列 選通第 2 列 選通第 16列 16*166*166*16通 列 選通 2 列 選通 16列 按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行 按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行 按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行 讀取所需要顯示的數(shù)據(jù)至顯示寄存器 22 圖 4點陣數(shù)據(jù)原理圖 即數(shù)據(jù)是縱向的，一個像素對應(yīng)一個 位。 8 個像素對應(yīng)一個字節(jié)，字節(jié)的位順序是上高下低，比如從上到下 8 個點的狀態(tài)是 “*”(*為黑點， ，則轉(zhuǎn)換的字模數(shù)據(jù)是 01000_0010)。如圖 (4示，一幅 1616 的點陣畫面點陣數(shù)據(jù)按照 儲。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為 32 字節(jié)。畫面顯示時選通的第 i 列對應(yīng)的數(shù)組元素為第 i 和 i+16 個元素 16。 顯示程序的設(shè)計 顯示程序分為靜態(tài)顯示程序、左移顯示、右移顯示、上移顯示、下移顯示五種種顯示方式。其中上下左右移動程序都調(diào)用了靜態(tài)顯示程 序為子程序。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖 4示： 圖 4靜態(tài)顯示程序流程圖 Y 開始 初始化 讀取顯示數(shù) 依次選通列，行 74置低，鎖存器禁止輸出 對應(yīng)行數(shù)組元素與 0與，相與結(jié)果寫入單片機端口輸出 右移次數(shù)是否為 8？ 鎖存器允許輸出 23 顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數(shù)據(jù)元素的對應(yīng)關(guān)系第i 列對應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i 和第 i+16 個元素。將對應(yīng)元素的由低至高位依次從端口輸出具體做法為將元素向右邏輯移位后再與 0與，所得結(jié)果通過單片機端口輸出到串并轉(zhuǎn)換器的 A 端，鎖存在鎖存器里完成一列數(shù)據(jù)移位后再將其輸出。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面 17。 圖 4左右移 /上下移程序流程圖 動態(tài)顯示程序流程如圖 4示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲原理通過改變實際 示數(shù)據(jù)與列的對應(yīng)關(guān)系為：第 i 和第 2i 個數(shù)據(jù)。所以當(dāng) 通時，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當(dāng)于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當(dāng)于右移一位。如此循環(huán)則產(chǎn)生一幅穩(wěn)定運動的畫面