基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣屏顯示設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書正文

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 緒論在大型商場(chǎng)、車站、碼頭、地鐵站以及各類辦事窗口等越來(lái)越多的場(chǎng)所需要用LED點(diǎn)陣顯示圖形和漢字。LED行業(yè)已成為一個(gè)快速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)空間巨大，前景廣闊。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，LED顯示作為信息傳播的一種重要手段，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外需要進(jìn)行服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)宗旨宣傳的公眾場(chǎng)所，例如戶內(nèi)外公共場(chǎng)所廣告宣傳、機(jī)場(chǎng)車站旅客引導(dǎo)信息、公交車輛報(bào)站系統(tǒng)、證券與銀行信息顯示、餐館報(bào)價(jià)信息豆示、高速公路可變情報(bào)板、體育場(chǎng)館比賽轉(zhuǎn)播、樓宇燈飾、交通信號(hào)燈、景觀照明等。顯然，LED顯示已成為城市亮化、現(xiàn)代化和信息化社會(huì)的一個(gè)重要標(biāo)志。LED點(diǎn)陣設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于

2、顯示屏，它是利用發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。由于它具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對(duì)室內(nèi)室外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代后期開始，隨著LED制造技術(shù)的不斷完善，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)改革開放之后，特別是進(jìn)入90年代國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，對(duì)公眾場(chǎng)合發(fā)布信息的需求日益強(qiáng)烈，LED顯示屏的出現(xiàn)正好適應(yīng)了這一市場(chǎng)形勢(shì)，因而在LED顯示屏的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與應(yīng)用水平上都得到了迅速的提高。LED顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏的發(fā)展過(guò)程。 1.1 課題背景1.1.1 選題背景LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，

3、顯示屏由幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點(diǎn)。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍(lán)色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。LED顯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(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)1。在短短的十來(lái)年中，LED點(diǎn)陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)迅速成長(zhǎng)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。LED的發(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

4、發(fā)展。LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括證券交易、金融信息顯示、機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示、港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示、體育場(chǎng)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(chǎng)購(gòu)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。1.1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)（1）我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)歷了多年的發(fā)展,我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)已從購(gòu)買芯片、外延片生產(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(guó)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、

5、電子工業(yè)集團(tuán)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(gè)產(chǎn)業(yè)看起來(lái)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(shí)際上各科研單位某一時(shí)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(lái)各個(gè)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(guó)際先進(jìn)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(guó)際廠家仍有差距。三是能滿足市場(chǎng)需要且規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)少，封裝所需芯片尤其高檔芯片主要靠進(jìn)口。值得一提的是,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,我國(guó)LED顯示屏廠商已

6、經(jīng)具有了很強(qiáng)的實(shí)力，雖然擁有DAK、Lighthouse、Darco等知名顯示屏廠商的競(jìng)爭(zhēng)，但國(guó)內(nèi)LED顯示屏廠商還是占據(jù)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大部分份額，國(guó)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(guó)內(nèi)顯示屏市場(chǎng)吸收了很大一部分芯片產(chǎn)能，對(duì)促進(jìn)國(guó)內(nèi)上中游發(fā)展壯大起了重要作用。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的顯示屏、景觀照明燈具等LED應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)出口到美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)。（2）LED顯示屏的發(fā)展前景從LED產(chǎn)業(yè)全球分工來(lái)看，在LED上游外延片、芯片生產(chǎn)上，美國(guó)、日本、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)臺(tái)灣已經(jīng)成為全球重要的LED生產(chǎn)基地。目前全球形成了以日、美、德為產(chǎn)業(yè)龍頭，中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)緊跟其后，中國(guó)大

7、陸、馬來(lái)西亞等國(guó)家和地區(qū)積極跟進(jìn)的梯隊(duì)分布。雖然中國(guó)在LED外延片、芯片的生產(chǎn)技術(shù)上距離國(guó)際先進(jìn)水平還有一定的差距，但是國(guó)內(nèi)龐大的應(yīng)用需求給LED下游廠商帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)，這為我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇?，F(xiàn)代信息社會(huì)中，作為人一機(jī)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(jìn)入二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)是平板顯示的時(shí)代，LED顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無(wú)疑會(huì)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(lán)色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來(lái)，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LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。LED產(chǎn)品性能

8、的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達(dá)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(shí)，由于全彩色顯示屏價(jià)格性能比的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會(huì)越來(lái)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(chǎng)館的顯示方面全彩色LED屏更會(huì)成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應(yīng)用會(huì)是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。未來(lái)LED顯示屏?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）選題意義該設(shè)計(jì)課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計(jì)方法，對(duì)LED顯示屏這個(gè)行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識(shí)。并且對(duì)大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進(jìn)行了實(shí)踐

9、，使我們對(duì)所學(xué)過(guò)的理論知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。并且通過(guò)該設(shè)計(jì)課題掌握了51單片機(jī)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(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。目前我國(guó)的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的LED顯示屏的作用也越練越廣泛，相關(guān)的從業(yè)人員也會(huì)越來(lái)越緊缺。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我國(guó)的LED技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還有一定的差距。因此此課題不論是對(duì)自己的就業(yè)還是對(duì)我國(guó)LED顯示技術(shù)的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實(shí)與積極的意義。1.2 論文主要內(nèi)容針對(duì)設(shè)計(jì)題目的特點(diǎn)，作者對(duì)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(jì)思想和設(shè)計(jì)方法擬定幾套設(shè)計(jì)方案進(jìn)

10、行分析比較。最終選定了以單片機(jī)為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。（2）方案實(shí)現(xiàn)以設(shè)計(jì)方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一思想，選擇器件時(shí)要從功能和電氣特性兩方面來(lái)選擇和論證。經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇選定AT89S51單片機(jī)為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器74LS164和鎖存器74LS373為譯碼電路器件，三極管8550和ULN2803為驅(qū)動(dòng)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(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用C語(yǔ)言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、通信等幾個(gè)功能上相對(duì)獨(dú)立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個(gè)編寫和調(diào)試，最后將獨(dú)立的模塊整合起來(lái)。（4）結(jié)

11、論2 方案論證與選擇2.1 系統(tǒng)硬件方案大多數(shù)的LED顯示屏都在戶外，所以對(duì)硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)常常采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。硬件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個(gè)系統(tǒng)兼容。如圖2.1所示,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點(diǎn)確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機(jī)四部分組成。上位機(jī)通過(guò)通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(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。通信部分控制部分顯示部分圖2.1 系統(tǒng)硬件組成框圖2.1.1 顯示屏主控制器控制部分是整個(gè)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

12、顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、DSP、及EDA技術(shù)。幾種設(shè)計(jì)方法比較各有其特點(diǎn)：（1）單片機(jī)單片機(jī)是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制,因此又叫微控制器(MCU)。單片機(jī)品種齊全,型號(hào)多樣 CPU 從8，16，32到64位，多采用RISC 技術(shù)，片上I/O非常豐富，有的單片機(jī)集成有A/ D，“ 看門狗”，PWM，顯示驅(qū)動(dòng)，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價(jià)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(jī)還具有低電壓和低功耗的特點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS工藝單片機(jī)被CMOS代替，并開始向HMOS

13、 過(guò)渡。供電電壓由5V 降到3V，2V甚至到1V，工作電流由mA降至A ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地4。（2）DSP 芯片DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義，DSP主要用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，DSP具有修正的哈佛結(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(chǔ)器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。DSP區(qū)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(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令，速度

14、慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算，而且還具有專門的信號(hào)處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，它是以計(jì)算機(jī)為工具，在EDA 軟件平臺(tái)上，對(duì)用硬件描述語(yǔ)言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、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(duì)于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用HDL 語(yǔ)言完成系統(tǒng)功能的描述，借助EDA工具就可得到設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。由于FPGA/CPLD可以通過(guò)軟

15、件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)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(jì)方案，而且可以多個(gè)人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。而且MCU和DSP都是通過(guò)串行執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，在實(shí)時(shí)測(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)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(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有MCS-

16、51、AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推Intel的51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(shì)常作為單片機(jī)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(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各I/O口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，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(jī)作為控制部分的核心器件。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用5。2.1.2 通信系統(tǒng)通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快速、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)

17、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(shí)數(shù)據(jù)的各個(gè)位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)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(zhǎng)，因此串行適用于長(zhǎng)距離而速度要求不高的場(chǎng)合。在串行發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(jìn)行的，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)算機(jī)中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實(shí)現(xiàn)也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。單由軟件實(shí)現(xiàn)會(huì)增加CPU負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前

18、常采用硬件實(shí)現(xiàn)。通用的通用異步接收/發(fā)送器，簡(jiǎn)稱UART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機(jī)芯片中，UART已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個(gè)串行口7。綜上所述，題目設(shè)計(jì)已經(jīng)選定了單片機(jī)為開發(fā)方式而單片機(jī)的UART已經(jīng)集成在單片機(jī)內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。2.1.3 LED點(diǎn)陣顯示屏顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個(gè)漢字的顯示屏，以及驅(qū)動(dòng)該顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路。由于單片機(jī)的I/O口有限要不能直接用I/O口來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示屏，所以需要對(duì)單片機(jī)IO口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。LED顯示

19、屏是由一個(gè)一個(gè)的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個(gè)發(fā)光二極管。構(gòu)成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個(gè)的發(fā)光二極管逐點(diǎn)連接起來(lái)，如圖2.2所示；二是選用一些由單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的LED點(diǎn)陣模塊。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有8×8、16×16幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè)的發(fā)光二極管出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過(guò)當(dāng)一個(gè)LED出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有LED都必須被更換。這就加大

20、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(lái)制作一個(gè)LED點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來(lái)減小出現(xiàn)這一問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一個(gè)16×16的LED點(diǎn)陣屏選用四塊8×8點(diǎn)陣模塊。圖2.2 LED點(diǎn)陣圖一個(gè)16×16的LED顯示屏行和列各有16支引腳，不能單靠51單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有74LS154（4線-16線譯碼器）、74LS164（8位串并轉(zhuǎn)換器）、74HC595等。51系列單片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流可達(dá)20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力

21、；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十A甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示。在單片機(jī)和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動(dòng)電路8。2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案最終方案如圖2.3所示，以單片機(jī)作為核心控制器件存儲(chǔ)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(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)傳輸來(lái)的內(nèi)容和指令通過(guò)端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng)4塊8×8LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的16×16的LED點(diǎn)陣顯示屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì)。串行通信單片機(jī)譯碼電路顯示驅(qū)動(dòng)電路16×16LED顯示屏圖2.3 硬

22、件設(shè)計(jì)方案2.2 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計(jì)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(gè)主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。靜態(tài)顯示程序主程序控制程序特效顯示程序通信程序圖2.4 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(jī)中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語(yǔ)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(jī)的下載器或下載軟件來(lái)把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。 2.2.1 單片機(jī)編程語(yǔ)言現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

23、兩種語(yǔ)言相比較各有優(yōu)點(diǎn)。匯編語(yǔ)言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語(yǔ)言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語(yǔ)言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植。C語(yǔ)言是一種源于編寫UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是以括號(hào) 而不是子和特殊符號(hào)的語(yǔ)言。C可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語(yǔ)言。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對(duì)51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲(chǔ)器的尋址

24、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(shí)間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。C語(yǔ)言作為一種非常方便的語(yǔ)言而得到廣泛的支持，C語(yǔ)言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地移植過(guò)來(lái)9。基于以上理由決定采用C語(yǔ)言為該顯示系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。2.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹C語(yǔ)言編寫的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言。因

25、此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。支持MCS51用C語(yǔ)言編程的編譯器主要有兩種：Franklin C51編譯器和Keil C51編譯器。目前在單片機(jī)開發(fā)中普遍都是使用Keil C51來(lái)進(jìn)行編譯。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動(dòng)電路和16×16的點(diǎn)陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位PC機(jī)通過(guò)通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過(guò)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(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到LED顯示屏

26、的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示內(nèi)容10。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(shí)現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。通過(guò)查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖3.1所示。圖3.1 硬件原理圖該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)：（1）LED顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供LED顯示所需范圍內(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(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。（4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制LED顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描

27、顯示的最低要求。（5）單片機(jī)由ISP下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。（6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示要求。3.2 控制單元設(shè)計(jì)控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機(jī)為核心器件，用來(lái)和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過(guò)譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。在51系列單片機(jī)中選定一款合適的機(jī)型來(lái)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?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)時(shí)方便的程序下載對(duì)程序的驗(yàn)證和編寫非常有用。還有就是為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可

28、能的快。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。3.2.1 AT89S51芯片的介紹AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。在智能化電子設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中經(jīng)常用到AT89S

29、51芯片。其主要參數(shù)及引腳圖及其功能如下：主要性能參數(shù)：1）與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2）4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器3）1000次擦寫周期4）全靜態(tài)操作：0Hz24MHz5）三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器6）128*8字節(jié)內(nèi)部RAM7）32個(gè)可編程I /O口線8）低功耗空閑和掉電模式9）6個(gè)中斷源圖3.2 AT89S51引腳圖AT89S51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位

30、中央處理器和Flash 存儲(chǔ)器單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案11。AT89S51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。管腳說(shuō)明：VCC:供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用

31、于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在Flash編程時(shí),P0口作為原碼輸入口,當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口:P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接出4個(gè)TTL門電流.P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口管腳被

32、外部拉底，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能P3

33、.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2 /INT0 (外部中斷0 )P3.3 /INT1 （外部中斷1）P3.4 T0 （記時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1 （記時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在Flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率

34、為振蕩器頻率的1/6。因此它可用做對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用做外部存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。/PSEN:外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，

35、/EA將內(nèi)部鎖定為RESET：當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在Flash編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1： 反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2： 來(lái)自反向振蕩器的輸出。3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個(gè)最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)）。AT89S51的最小系統(tǒng)包括了外界時(shí)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(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖3.3所示。在該系統(tǒng)中，P1各口主要用作LED顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于

36、端口的驅(qū)動(dòng)能力有限所以該端口外接了5K的上拉電阻來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。其中P1.5P1.6P1.7還復(fù)用為ISP下載功能口。具體接法為：P1.0，P1.1，P1.4，P1.5分別接四塊74LS164的A端，向74LS164送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)換后并行輸出；P1.2和P1.6分別接列和行的74LS164的CLOCK端，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出；P1.3和P1.7接列和行的CLEAR端，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P1.5P1.6P1.7還復(fù)用為ISP下載功能口。P2.0接164芯片的使能控制端，當(dāng)為高電平使允許輸出；P2.2和P2.3接鎖存器74LS373的O

37、E和LE端控制鎖存器的工作狀態(tài)。端口3.0，EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器所以將EA置為高電平。圖3.3 控制部分電路圖由于P3口是特殊功能口，在該系統(tǒng)中基本是采用其第二功能。其第二功能和實(shí)際運(yùn)用如表3.1所示：表3.1 AT89S51P3口第二功能的應(yīng)用端口第二功能實(shí)際作用P3.0RXD（串行輸入口）與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入口P3.1TXD(串行輸出口)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出口P3.2外部中斷0做按鍵中斷，控制顯示狀態(tài)P3.3外部中斷1做按鍵中斷，控制運(yùn)行模式AT89S51單片機(jī)

38、的P1在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，P2口在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。所以P1和P2口留為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器不夠用的情況時(shí)使用12。3.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì)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74LS164和鎖存器74LS373。具體電路如圖3.4所示：圖3.4 列譯碼電路圖1)串并轉(zhuǎn)換器74LS164列譯碼采用的是芯片74LS164。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來(lái)控制16×16的LED點(diǎn)陣

39、屏顯示，需要32個(gè)端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要79個(gè)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(lái)了空間。74LS164為一個(gè)8位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QAQH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng)A、B任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)A、B有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。表3.2 74LS164工作參數(shù)參數(shù)最小值標(biāo)準(zhǔn)值最大值單位高電平輸入電壓2V低電平輸入電壓0.8V高電平輸出電壓2.43.2-V

40、低電平輸出電壓0.20.4V時(shí)鐘頻率025MHZ這就要求單片機(jī)的引腳輸出的高低電平要在芯片的識(shí)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74L373鎖存芯片。這就要求74LS164芯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。2)鎖存器74L373由于74LS164芯片不具有鎖存功能，所以在74LS164進(jìn)行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時(shí)，串行數(shù)據(jù)的第一位會(huì)從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會(huì)從QA依次移位到QG，依次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前74LS164芯片的輸出會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無(wú)序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需

41、內(nèi)容。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要74LS164的輸出口不與驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器74LS373來(lái)完成這一功能13。74LS373為八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透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)形式當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)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LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。表3.3 74LS373工作參數(shù)參數(shù)最小值額定值最大值單位

42、電源電壓4.7555.25V輸入高電平電壓2V輸入低電平電壓0.8V輸出高電平電壓2.6mA輸出低電平電壓24mA由表與表比較可以看出，74LS164的輸出條件與74LS373的輸入條件相匹配，理論上可以實(shí)現(xiàn)鎖存器對(duì)譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。3.2.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)1)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)發(fā)光二極管，LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)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LED。 行驅(qū)動(dòng)采用PNP

43、三極管8550接法如圖3.5示：圖3.5 行驅(qū)動(dòng)器件8550的接法8550為PNP型三極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.5示。發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號(hào)輸出端，集電極接輸出驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢(shì)差為5V基極中帶負(fù)電的電子越過(guò)PN結(jié)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產(chǎn)生和電子擴(kuò)散方向相反的電流，由于基極電子大量擴(kuò)散到發(fā)射極集電極電子擴(kuò)散到基極中形成了電流。當(dāng)譯碼器端口輸出高電平時(shí)發(fā)射極與基極之間的電勢(shì)差為5V，由于發(fā)射極與基極之間電勢(shì)差的減少基極電子向發(fā)射極擴(kuò)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(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開關(guān)的作用14。圖3.6 855

44、0內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2)列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)列驅(qū)動(dòng)采用ULN2803。ULN2803是一種高電壓大電流達(dá)林頓管陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個(gè)NPN達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS或PMOS）和大電流高電壓的燈，繼電器，打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)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(dá)50V×600mA15。ULN2803作為列驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的是列選的工作，當(dāng)選通的列輸入高電平時(shí)其對(duì)應(yīng)的輸輸出低電平。相對(duì)應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來(lái)吸收行驅(qū)動(dòng)流出進(jìn)過(guò)顯示屏后的電流。具體電路如圖3.7所示

45、。圖3.7 列驅(qū)動(dòng)原理圖3.2.5 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT89S51單片機(jī)具有全雙工串行UART通道，支持單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行傳輸。除了單片機(jī)要與PC機(jī)制定通信協(xié)議，確定發(fā)送速率外還需要解決的問(wèn)題就是信號(hào)電平問(wèn)題。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)總線TXD和接收數(shù)據(jù)總線RXD采用EIA電平，即傳送數(shù)字“1”時(shí)傳輸線上的電平在315V之間；傳送數(shù)字“0”時(shí)，傳輸線上的電平在315之間。但單片機(jī)串行口采用正邏輯TTL電平，即數(shù)字“1”時(shí)為5V數(shù)字“0”時(shí)為-5V，所以單片機(jī)與計(jì)算機(jī)不能直接相連進(jìn)行通信必須將RS-232C與TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換16。在通用的電平轉(zhuǎn)換芯片中MAX232系列的芯片以集成度

46、高，單5V電源工作，只需外接5個(gè)小電容即可完成RS-232C與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機(jī)系統(tǒng)中的常用芯片。在該顯示系統(tǒng)中，MAX232為通信系統(tǒng)中最重要的硬件組成部分15。電路如圖3.8所示：圖3.8 串口通信系統(tǒng)電路圖3.2.6 電源設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中MAX232、74LS164、74LS373、AT89S51都需要5V的供電電壓，在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中可以使用電腦USB供電。在實(shí)際的大屏幕LED顯示屏設(shè)計(jì)中，用電腦USB供電明顯不切實(shí)際。此時(shí)需要對(duì)民用的220V進(jìn)行降壓整流為5V直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖3.9所示。圖3.9 電源原理圖如圖所示，用220V轉(zhuǎn)12V的變壓器進(jìn)行降壓后再通過(guò)

47、一個(gè)橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過(guò)5V三端穩(wěn)壓模塊LM7805得出穩(wěn)定的5V輸出。3.2.7 級(jí)連大屏幕LED顯示屏要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級(jí)連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級(jí)連的方法。譯碼器級(jí)連如圖3.10所示。將第1個(gè)74LS164的Q7端接第2個(gè)74LS164的A端，將第2個(gè)74LS164的Q7端接第3個(gè)74LS164的A端，如此炮制當(dāng)N塊74LS164相級(jí)連時(shí)就變?yōu)橐粋€(gè)串行輸入7×N口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。這種級(jí)連的優(yōu)點(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時(shí)控制更多的LED點(diǎn)陣顯示屏，且74LS164的價(jià)格低廉整體成本得到了降低。但是這種級(jí)連方法也存在一定的缺點(diǎn)，51系列的單片機(jī)

48、的晶振頻率不高74LS164級(jí)連過(guò)多會(huì)增加一次掃描的時(shí)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17。構(gòu)建大屏幕LED顯示屏的另一種方法是將以較小的LED顯示系統(tǒng)做為模塊進(jìn)行級(jí)連。由獨(dú)立的LED顯示系統(tǒng)組成一個(gè)大的LED顯示系統(tǒng)。其中各子顯示系統(tǒng)之間在功能和控制上都是相互獨(dú)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(jí)連的辦法可以避免51單片機(jī)晶振頻率低的弱點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點(diǎn)，一是各獨(dú)立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào)性要求更高了，如果要實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的實(shí)時(shí)性必須需要不斷更新顯示內(nèi)容則

49、增加了通信數(shù)據(jù)量，逐個(gè)的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)也會(huì)影響整個(gè)畫面的更新速度；二是成本提高了。圖3.10 74LSL64級(jí)連圖3.11 由子系統(tǒng)構(gòu)建大屏幕LED顯示屏在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級(jí)連聯(lián)合使用的方法來(lái)構(gòu)建大屏幕LED顯示屏幕。即增加單個(gè)顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時(shí)又將單個(gè)的顯示系統(tǒng)級(jí)連。詳細(xì)硬件原理圖見附錄A。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，按照模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)。首先分析程序所要實(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示三大功能。其功能結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。通信程序接收數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過(guò)控制程序選擇不同的顯示程序進(jìn)行顯示18。主程序的工作流程如圖

50、4.1所示：系統(tǒng)初始化從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存器讀取顯示控制命令選擇顯示方式調(diào)用相應(yīng)顯示程序RI=1?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NNYY開 始中斷開始中 斷 返 回圖4.1 主程序流程圖程序開始時(shí)首先必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時(shí)通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各IO口功能的設(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LED點(diǎn)陣顯示屏的控制程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個(gè)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

51、件觸發(fā)。中斷產(chǎn)生后由預(yù)先初始化時(shí)設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設(shè)定了LED點(diǎn)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。4.2 顯示程序的設(shè)計(jì)4.2.1 LED顯示屏的顯示方式LED點(diǎn)陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。對(duì)靜態(tài)顯示來(lái)說(shuō)，每一個(gè)發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動(dòng)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)。這種方式系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但所需的譯碼驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)掃描顯示是把整個(gè)LED屏幕分成若干部分，每一幅畫

52、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(jìn)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(shuō)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示需要不斷進(jìn)行畫面的刷新。兩種顯示方式的比較再結(jié)合51單片機(jī)IO口數(shù)量有限的原因決定采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。動(dòng)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4.2所示，先選通列然后再?gòu)男兴腿雽?duì)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(shí)特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面19。從數(shù)據(jù)中讀取第1列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第16

53、列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第2列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)選通第1列選通第2列選通第16列16*16LED16*16LED16*16LED選通LED第1列選通LED第2列選通LED第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)至顯示寄存器圖4.2 掃描顯示程序原理圖4.2.2 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)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(chǔ)方式如圖4.3所示。圖4.3 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)原理圖即數(shù)據(jù)是縱向的，一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)位。8個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的位順序是上高下低，比如從上到下8個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)是“*-*-”(*為黑點(diǎn)，-為白點(diǎn))，則轉(zhuǎn)換的字模數(shù)據(jù)是0x82(B1000_0010)。

54、如圖4.3所示，一幅16×16的點(diǎn)陣畫面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)按照B1B2B3B31B32存儲(chǔ)。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為32字節(jié)。畫面顯示時(shí)選通的第i列對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為第i和i+16個(gè)元素20。4.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì)開 始顯示程序分為靜態(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(dòng)程序都調(diào)用了靜態(tài)顯示程序?yàn)樽映绦?。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖4.4所示：初 始 化讀取顯示數(shù)據(jù)依次選通列，行74LS164的CLOCK端置低，鎖存器禁止輸出對(duì)應(yīng)行數(shù)組元素與0X01相與，相與結(jié)果寫入單片機(jī)端口輸出數(shù)組元素右移一位，對(duì)應(yīng)74LS164 CLOCK端置高Y右移次數(shù)是否為8？N

55、鎖存器允許輸出圖4.4 靜態(tài)顯示程序流程圖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(duì)應(yīng)關(guān)系第i列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第i和第i+16個(gè)元素。將對(duì)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0X01相與，所得結(jié)果通過(guò)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(lái)顯示所需畫面21。圖4.5 左右移/上下移程序流程圖動(dòng)態(tài)顯示程序流程如圖4.5所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)原理通過(guò)改變實(shí)際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的左右移動(dòng)。顯示數(shù)據(jù)與列的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：第i列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中i和第2×i個(gè)數(shù)據(jù)

56、。所以當(dāng)ULN2803選通時(shí)，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(yùn)動(dòng)的畫面。顯示數(shù)組中，第1至16個(gè)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(gè)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?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動(dòng)的效果。4.3 通信程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用串行中斷的方式進(jìn)行通信。MCS-51單片機(jī)的五個(gè)中斷源兩種類型：一類是外部中斷源；另一類是內(nèi)部中斷源，包括兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0和T1）的溢出中斷和串行口的接收和發(fā)送中斷。MCS-51單片機(jī)設(shè)置了4個(gè)專用寄存器用于中斷控制，分別為定時(shí)器控制寄存器（TCON），串行口中斷控制器（SCON），中斷允許控制寄存器（I