基于Arduino的一種電子顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計剖析

1、學(xué)術(shù)論文寫作課程論文基于Arduino的一種電子顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計姓名：學(xué)院（系）:專業(yè)：自動化班級：學(xué)號：基于arduino的一種簡易電子顯示屏設(shè)計摘要：LED顯示屏因其工作穩(wěn)定可靠、壽命長、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，在許多場合中應(yīng)用廣泛。加強(qiáng)顯示屏控制系統(tǒng)的可靠性研究意義重大?；贏rduino單片機(jī)，研究設(shè)計了一種新的電子顯示屏控制系統(tǒng)。以PC機(jī)為上位機(jī)，向單片機(jī)發(fā)送顯示代碼和控制命令，單片機(jī)控制顯示驅(qū)動模塊驅(qū)動LED點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行掃描顯示。PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用ISP下載編程器來實(shí)現(xiàn)。利用按鍵模塊通過單片機(jī)對顯示屏的顯示內(nèi)容進(jìn)行翻頁和更新控制。關(guān)鍵詞：顯示屏；可靠性；Arduino；控制Th

2、eDesignofElectronicDisplayControlSystembasedonArduinoAbstract:LEDdisplaysiswidelyusedinmanyoccasionsbecauseofitsadvantagessuchasstable,reliableandlonglife.Itisofgreatsignificancetostrengthentheresearchofthereliabilityofelectronicdisplaycontrolsystem.Hereintroducesanewkindofelectronicdisplaycontrolsy

3、stembasedonArduinomicrocontroller.SystemusesPCasuppercomputer.PCsendcontrolcommandsanddisplaycodeithasstoredtotheArduinomicrocontroller.AndarduinomicrocontrollerreceivesanddealswithcontrolcommandanddisplaycodewhicharefromPC.Thendrivesscandisplayofthedisplayscreen.CommunicationbetweenPCandthemicrocom

4、putercanbeimplementedbyusingISPdownloadprogrammer.Atlast,pageandupdatethecontentwhichisdisplayedofthebillboardbyusingthekeymoduleandallisbasedonthesinglechipmicrocomputer.Keywords:electronicdisplay;reliability;Arduinomicrocontroller1.系統(tǒng)整體設(shè)計本系統(tǒng)硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)計，既能滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容，如圖1.1所示。系統(tǒng)硬件由Arduino控制

5、系統(tǒng)，顯示掃描電路，顯示屏，鍵盤掃描電路及數(shù)據(jù)傳輸部分以及上位機(jī)六部分組成。上位機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸部分向MCU系統(tǒng)發(fā)送顯示代碼和控制命令，MCU系統(tǒng)執(zhí)行顯示命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。而按鍵也可以通過鍵盤掃描電路對顯示進(jìn)行控制。具有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境。ArduinoUNO是系列的一個版本。UNO的處理器核心是ATmega328，具有14路數(shù)字IO口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSPheader和一個復(fù)位按鈕。選定一定數(shù)量的IO口作為控制口，控制外

6、部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出【2】。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖2.1所示。在該系統(tǒng)中，數(shù)字接口主要用作LED顯示數(shù)據(jù)的行控制輸出以及矩陣鍵盤的控制。具體接法為：矩陣鍵盤的x1、x2、x3、x4、y1、y2、y3、y4分別接10、11、12、A0、A1、A2、A3、A4接口，點(diǎn)陣模塊的連接如圖2.2所示。M8RXDR9M8TXDR10OQOOOOOO000000-00GNL1+svOOOOOOOQOoooooooon25M8RXD24M8TXDCLKOLATOooooooo3LCMcosZDR41AVCCVCCIO3V3OUTTXDRXDRTSCTSUSBDMDTRUS

7、BDPDSRDCDRSTOUTRIRESETTXDENXTINXTOUTTXLEDEECSRXLEDEESKEEDATAPWRCTLTESTPWRENAGNDSLEEPFT232BMRESET(SCK)PB5(MISO)PB4(MOSI)PB3XTAL2(SS)PB2(OC1)PB1XTAL1(ICP)PBOAREF(ADC5)PC5AVCC(ADC4)PC4AGND(ADC3)PC3(ADC2)PC2VCC(ADC1)PC1GND(ADCO)PCO)(AIN1)PD7(AIN0)PD6(T1)PD5(T0)PD4(INT1)PD3(INT0)PD2(TXD)PD1(RXD)PDOATMEGA

8、86p5qI4q3qI2q1QII.I-IPOOOOOOC-OOOOOOOOooooooobooooooooooooooocOOOOOOOODooooooooOOOOOOOODDOOOOOOOOoooooooooOOOOOOOOD3.驅(qū)動單元3.1行驅(qū)動單元譯碼電路的功能是為了解決單片機(jī)I/O端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器74HC138和鎖存器74HC573。四個138級聯(lián)成8線-32線譯碼器，三級管Q1-Q16接顯示屏H1-H8解決了顯示屏供電不足的問題。鎖存器573的Q3,Q7分別接138的G2B,G2A使能端，實(shí)現(xiàn)對138的使能控制，達(dá)到鎖存功能，Q4,Q5,Q6分別接138的A,

9、B,C端，A,B,C為138譯碼器的三個地址輸入。具體電路如圖3.1所示實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出選擇sulmCTjDJJMHSBLE19urewISCLF：I-?IdQISA14312C12D旦121rlEwn-口：lT巳IOK74HC573鎖存器圖3.1行驅(qū)動單元電路行譯碼采用的是芯片74HC138。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來控制LED顯示屏顯示，需要很多個端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要少量端口便可實(shí)現(xiàn)控制顯示。大大減少了I/O口的占用數(shù)目，為單片機(jī)擴(kuò)展其他功能預(yù)留下來了空間。74HC138譯碼器可接受3位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（AO,A1和A2）,并當(dāng)使能時，提供8個互斥的低有效輸出

10、（Y0至Y7）。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效（E1和E2）和一個高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。表174HC138集成譯碼器功能表E芥蘭丁El為輸入使能端A養(yǎng)AAo為二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入端Y0-Y7為8個輸出倍號字母上面的燈一”號說明該輸入或輸出是低電平有效3.2列驅(qū)動單元列驅(qū)動電路由74HC595構(gòu)成，它具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，達(dá)到重疊處理的目的【5】。各管腳說明見表3-2。數(shù)據(jù)在SH_CP的上升沿輸入

11、，在ST_CP的上升沿進(jìn)入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，貝憾位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖【6】。移位寄存器有一個串行移位輸入（DS）,和一個串行輸出（Q7）,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線1。表3.274HC595管腳說明管腳編號管腳名說明1、2、3、4、5、6、7、15QA-AH三態(tài)輸出管腳8GND電源地9SQH串行數(shù)據(jù)輸出管腳10SCLR移位寄存器清零端11SCK數(shù)據(jù)輸入時鐘線12RCK輸出存儲器鎖存時鐘線1引用自ATmega128通用實(shí)驗(yàn)板手冊13OE輸出使能14SI數(shù)據(jù)線15V

12、CC電源端工作順序：單片機(jī)先送1個8位數(shù)據(jù)到第一個595的內(nèi)部移位寄存器-然后數(shù)據(jù)會送到內(nèi)部的輸出寄存器-輸出，當(dāng)MR（10引腳）為高電平，0E（13引腳）為低電平時，數(shù)據(jù)在SHCP上升沿進(jìn)入移位寄存器，在STCP上升沿輸出到并行端口。具體電路如圖3.2所示圖3.2列驅(qū)動單元電路3.3按鍵模塊矩陣鍵盤用4條I/O線作為行線，4條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點(diǎn)上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是4X4個，它能夠有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率。矩陣鍵盤的編程方法：（1）先讀取鍵盤的狀態(tài)，得到按鍵的特征編碼。先從P1口的高四位輸出低電平，低四位輸出高電平，從P1口

13、的低四位讀取鍵盤狀態(tài)。再從P1口的低四位輸出低電平，高四位輸出高電平，從P1口的高四位讀取鍵盤狀態(tài)。將兩次讀取結(jié)果組合起來就可以得到當(dāng)前按鍵的特征編碼。使用上述方法我們得到16個鍵的特征編碼。（2）根據(jù)按鍵的特征編碼，查表得到按鍵的順序編碼。將16個按鍵的特征編碼按照按鍵排列的順序排成一張?zhí)卣骶幋a與順序編碼的對應(yīng)關(guān)系表，然后用當(dāng)前讀得的特征編碼來查表，當(dāng)表中有該特征編碼時，它所在的位置就是對應(yīng)的順序編碼。矩陣鍵盤電路如圖3.30Sir)IisjFFpr所示。圖3.3矩陣鍵盤電路4.程序設(shè)計設(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，通信程序，靜態(tài)顯示子程序，各種特效顯示子程序，鍵盤

14、控制程序等五個主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1軟件功能結(jié)構(gòu)框圖4.1主程序系統(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(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示，按鍵控制三大功能。其通信程序接收上位機(jī)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(jìn)行顯示。主程序的工作流程如圖4.2所示。圖4.2主程序流程圖4.2左移顯示程序顯示程序分為靜態(tài)顯示程序、左移顯示2種種顯示方式。其中左移程序調(diào)用了靜態(tài)顯示程序?yàn)樽映绦?。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

15、從端口輸出具體做法為將元素向右邏輯移位后再與0X01相與，所得結(jié)果通過單片機(jī)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。動態(tài)顯示程序流程如圖4.3所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲原理通過改變實(shí)際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來實(shí)現(xiàn)程序的左右移動。顯示數(shù)據(jù)與列的對應(yīng)關(guān)系為：第i列對應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中i和第2Xi個數(shù)據(jù)。顯示數(shù)組中，第1至16個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第1至第8行。同理第17至32個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第9至第16行。所以將元素數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生左移動的效果。左移程序流程圖圖4.34.3矩陣按鍵程序的設(shè)

16、計4*4矩陣鍵盤有8個引腳，4個一組，分別對應(yīng)行和列，通過按鍵掃描的方法，對不同行（列）分別輸入高低電平，然后讀取不同列（行）上的電平，從而知道鍵盤上的某一按鍵按下。例如，當(dāng)?shù)?行輸出低電平，其他行輸出高電平，分別讀取依次列上的狀態(tài)，如果第1列為低，結(jié)果為（1,1），按鍵為1，如果第2列為低，則結(jié)果為（1,2）按鍵為2。5系統(tǒng)調(diào)試對矩陣鍵盤進(jìn)行調(diào)試，利用簡單的控制程序測試矩陣按鍵是否能控制13號數(shù)字接口上的LED等的亮滅。發(fā)現(xiàn)有時控制不了，說明焊接存在虛焊情況，然后及時補(bǔ)救，將覺得可能虛焊的點(diǎn)又重新焊了一次，再次測試，沒有問題了。然后矩陣按鍵與單片機(jī)的連接進(jìn)行了檢查，方法是接入電源試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)

17、有時運(yùn)行不穩(wěn)定，說明接線有時會存在接觸不良現(xiàn)象，于是換用了插口比較緊的接線，也解決了這一問題。在軟件調(diào)試過程中，配合對應(yīng)硬件電路單獨(dú)運(yùn)行某程序功能塊，檢查是否正確，發(fā)現(xiàn)有些模塊執(zhí)行結(jié)果和預(yù)想的不一致，于是通過單步運(yùn)行以及設(shè)置斷點(diǎn)等方法，找到原因并加以改正，最終得到正確的運(yùn)行結(jié)果。6.結(jié)語為了在傳統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上增強(qiáng)電子廣告屏系統(tǒng)的可靠性，基于Arduin。為核心，以串并轉(zhuǎn)換器74HC138和鎖存器74HC573為行驅(qū)動器，串并轉(zhuǎn)換器74HC138和鎖存器74HC573為列驅(qū)動器，以4X4矩陣鍵盤為控制鍵盤重新設(shè)計一個電子顯示屏控制系統(tǒng)，通過上位機(jī)軟件將控制代碼和顯示代碼發(fā)送到Arduino單片機(jī)中，然后由Arduino單片機(jī)和矩陣鍵盤控制電子顯示屏的顯示。通過實(shí)踐，本控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時性及易操作性能夠滿足電子顯示屏的顯示要求。引用文獻(xiàn)：1 張校珩單片機(jī)C語言編程100例M.北京：中國電力出版社，2014.01