LED點陣屏畢業(yè)論文

1、西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文本科畢業(yè)設計論文題 目 led點陣屏顯示 專業(yè)名稱 電子科學與技術(shù) 學生姓名 指導教師 畢業(yè)時間 2010.6 設計論文 畢業(yè) 任務書一、 題目led點陣屏顯示二、指導思想和目的要求自動控制技術(shù)在各個領域得到廣泛應用，本設計通過廣泛查閱文獻資料結(jié)合應用環(huán)境利用單片機技術(shù)研制開發(fā)led顯示電路，利用所學知識設計顯示實用電路。三、主要技術(shù)指標1熟悉單片機電路系統(tǒng)和。2掌握自動檢測自動控制原理和單片機的工作原理和系統(tǒng)電路并熟悉系統(tǒng)應用器件開發(fā)應用語言及環(huán)境。3設計具有廣泛用途的顯示電路并完成主要電路試驗檢測控制。四、進度和要求113周 課題調(diào)研 題目分析。247周

2、 廣泛調(diào)研 題目分析。3811周 完成系統(tǒng)電路設計和部分電路試驗調(diào)試并完成設計調(diào)試及資料整理。41214周 撰寫畢業(yè)論文。 515周 論文評閱及答辯準備。616周 畢業(yè)設計答辯。五、主要參考書及參考資料1 何立民.mcs-51系列單片機應用系統(tǒng)設計與接口技術(shù) .北京航空航天大學出版社，19902 任濤等.閃速存儲器數(shù)據(jù)及應用簡明速查手冊.電子工業(yè)出版社，19973 何立民.單片機應用技術(shù)選編.北京航空航天大學出版社，20004 張毅剛等.mcs-51單片機應用設計.哈爾濱工業(yè)電子出版社，19965 鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊.北京航空航天大學出版社，19986 張凱.led介紹完全手冊.北

3、京航空航天大學出版社，20007 張友德等.單片微型機原理應用與實驗，復旦大學出版社，1996學生 指導教師 系主任 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文目 錄摘 要1abstrct2第一章 前 言311 led電子顯示屏概述312 led電子顯示屏的分類313 led顯示屏的應用示例414 設計任務5第2章 顯示原理及控制方式分析621 led點陣模塊結(jié)構(gòu)622 led 動態(tài)顯示原理723 led常見的控制方式9第3章 總體方案設計與分析1131 顯示單元的考慮113. 2 滾屏的實現(xiàn)113. 3 關(guān)于可擴展性1134 微控制器的考慮1135 關(guān)于點陣數(shù)據(jù)的存儲方式1236 關(guān)于顯示內(nèi)容的更

4、新123. 7 總體電路結(jié)構(gòu)及工作原理12第4章 硬件電路設計1541 顯示單元電路設計15411 led點陣模塊的選擇15412 列驅(qū)動電路設計1542 單片機控制系統(tǒng)電路設計20421 單片機的選型20421 單片機的主要功能22422 單片機系統(tǒng)電路設計30423 單片機與pc間通信接口電路設計31第5章 單片機軟件設計325.1系統(tǒng)程序的設計325.2顯示驅(qū)動程序32第6章 pcb結(jié)構(gòu)設計366. 1 pcb設計平臺366. 2 元件布局及pcb整體結(jié)構(gòu)工藝366. 3 布線工藝與準則366. 3 pcb版手工制作過程38第7章 使用說明與測試結(jié)果4171 led漢字顯示屏使用說明41

5、711使用環(huán)境41712 安裝上位機軟件41713 更改顯示內(nèi)容41714 更換顯示模式427. 2設計任務完成情況43第8章 總結(jié)44參考文獻45致謝46附錄472摘 要本設計使用at89s52系列高速單片機作為主控制模塊，利用簡單的外圍電路來驅(qū)動9616的點陣led顯示屏。利用at89s52系列高速單片機本身強大的功能和內(nèi)部e2prom，可以很方便的實現(xiàn)單片機與pc機間的數(shù)據(jù)傳輸及存儲，并能利用軟件方便的進行顯示內(nèi)容的多樣變化，另一方面點陣顯示屏廣泛的應用于醫(yī)院、機場、銀行等公共場所，所以本設計具有很強的現(xiàn)實應用性。本led顯示屏能夠以動態(tài)掃描的方式同時顯示六個1616點陣漢字，并能通過上

6、位機軟件修改顯示內(nèi)容和顯示效果等等。采用iap在應用可編程技術(shù)，把字符內(nèi)碼存儲在空閑的單片機程序存儲器空間，使本led顯示系統(tǒng)能掉電存儲1024個字符。設計中采用了spi接口的gb2312標準字庫，支持所有的國標字符和ascii標準字符的顯示。因為采用串行傳輸方式，使本系統(tǒng)的可擴展性得到提升，便于多個顯示單元的級聯(lián)。本文從led的顯示原理入手，詳細闡述了led動態(tài)顯示的過程，以及硬件電路的設計、計算和軟件的算法。關(guān)鍵詞：動態(tài)顯示，單片機，串行傳輸，點陣字庫abstrctthis design uses at89s52 series mcu as a main controller, and d

7、epends on a simple external circuit to drive 9616 the lattice led display. by using its own powerful functions and capacity of internal e2prom, it is easy to accomplish the mcu and pc and e2prom for internal storage, data transmission equipment ,and it also can be used conveniently to show a variety

8、 of content changes. the other dot matrix display is widely used in hospitals, airports, banks and other public places. therefore, the design has a strong practical application. the led display dynamic scan can show the way at the same time six 16 16 dot matrix chinese characters, and pc software ca

9、n modify the content and effect shows, and so on. iap used in the application of programmable technology, the characters within the code stored in the scm free program memory space, so that the led display system can store 1,024 brown-out characters. spi used in the design of the interface standard

10、gb2312 character, to support all the gb2312 standard ascii characters and characters of the show. because serial transmission used, so that the system can be enhanced scalability, for a number of display units of the cascade. this article from the start led display principle, elaborated on the led d

11、isplay dynamic process, as well as hardware circuit design, computing and software algorithms.keywords ：ddynamic display, mcu, serial data transfer, llattice llibrary 44第一章 前 言1.1 led電子顯示屏概述led電子顯示屏（light emitting diode panel）是由幾百-幾十萬個半導體發(fā)光二極管構(gòu)成的像素點，按矩陣均勻排列組成。利用不同的半導體材料可以制造不同色彩的led像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、

12、黃色。而藍色和純綠色led的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。 led顯示屏是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的亮度的方式，來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。 led顯示屏分為圖文顯示屏和條幅顯示屏，均由led矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；而條幅顯示屏則適用于小容量的字符信息顯示。led顯示屏因為其像素單元是主動發(fā)光的，具有亮度高，視角廣、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因而被廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。 led顯示屏的發(fā)展前景極為廣闊，目

13、前正朝著更高亮度、更高氣候耐受性、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。 1.2 led電子顯示屏的分類1) 按顏色分類:單基色顯示屏:單一顏色（紅色或綠色）。 雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。 全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。 2) 按顯示器件分類led數(shù)碼顯示屏：顯示器件為7段碼數(shù)碼管，適于制作時鐘屏、利率屏等，顯示數(shù)字的電子顯示屏。 led點陣圖文顯示屏：顯示器件是由許多均勻排列的發(fā)光二極管組成的點陣顯示模塊，適于播放文字、圖像信息。 3) 按使用場合分類室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點較小，

14、一般3mm-8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。 室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。 4) 按發(fā)光點直徑分類室內(nèi)屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm 室外屏發(fā)光的基本單元為發(fā)光筒，發(fā)光筒的原理是將一組紅、綠、藍發(fā)光二極管封在一個塑料筒內(nèi)共同發(fā)光增強亮度。1.3 led顯示屏的應用示例led點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的led發(fā)光二極管封裝而成. led點陣顯示屏可以顯示數(shù)字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。文章給出了一種基于mcs-51

15、單片機的1616 點陣led顯示屏的設計方案。包括系統(tǒng)具體的硬件設計方案,軟件流程圖和部分匯編語言程序等方面。在負載范圍內(nèi), 只需通過簡單的級聯(lián)就可以對顯示屏進行擴展,是一種成本低廉的圖文顯示方案。 當今世界，電子技術(shù)迅猛發(fā)展，點陣式顯示器件作為現(xiàn)代信息顯示的重要媒體，在金融證券、體育、機場、交通、商業(yè)、廣告宣傳、郵電電信、指揮調(diào)度、國防軍事等許多領域中得到了廣泛應用。因此點陣式顯示器件的研制、生產(chǎn)也的到了迅速的發(fā)展，并逐步形成產(chǎn)業(yè)，成為光電子行業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)領域。目前，點陣式顯示器件具體包括led顯示模塊和lcd顯示模塊等?，F(xiàn)在發(fā)展的lcd比較先進，lcd的優(yōu)點較為明顯，他體積小，容易控制，功

16、能強，價格適宜，能夠適應顯示器的發(fā)展方向，因而在通信、家電、大屏幕投影等領域得到了越來越廣泛的應用；隨著社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)逐漸實現(xiàn)了自動化，其中，設備的工作狀態(tài)和生產(chǎn)過程狀態(tài)的顯示與監(jiān)控起到了非常重要的作用，對于那些需要顯示的信息量不是很大，分辨率不是很高，又需要制造成本相對比較低的場合，使用大、小屏幕led點陣顯示器是比較經(jīng)濟適用的，他可以顯示字符、數(shù)字、漢字和簡單圖形，可以根據(jù)需要使用不同字號、字型，顯示亮度較高，并且對環(huán)境條件要求比較低。led顯示又可以分為單色顯示和雙色顯示，可以按照需要的大小、形狀和顏色進行組合，并用單片機控制實現(xiàn)各種文字或圖形的變化，達到宣傳和提示的目的。

17、據(jù)不完全統(tǒng)計，1991年，全國led顯示屏的產(chǎn)值還不到億元人民幣，而在1993年，僅藍通公司一家企業(yè)的顯示屏產(chǎn)值即達1億多人民幣。由于led電子顯示屏具有所顯內(nèi)容信息量大,外形美觀大方,操作使用方便靈活.適用于火車,汽車站,碼頭,金融證券市場,文化中心,信息中心體育設施等公共場所.該項目廣泛涉及了計算機及電子技術(shù)中的電源技術(shù),單片機技術(shù),數(shù)據(jù)通訊技術(shù),顯示技術(shù),存儲技術(shù),系統(tǒng)軟件技術(shù),接口及驅(qū)動等技術(shù).我國經(jīng)濟發(fā)展迅猛,對信息傳播有越來越高的要求.可以相信,led電子顯示屏以其色彩鮮亮奪目,大的顯示信息量,壽命長,耗電量小,重量輕,空間尺寸小,穩(wěn)定性高,易于操作,安裝和維護等特點,將在社會經(jīng)濟

18、發(fā)展中扮演越來越重要的角色 led顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。在實際應用中的顯示屏由于成本和可靠性的因素常采用一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。本文設計的是一個室內(nèi)用2416的點陣led圖文顯示屏，圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。1.4 設計任務本設計的任務就是完成一個可以隨意擴展顯示單元數(shù)目的單色動態(tài)條幅屏。任務要求：（1） 能同時顯示幾個簡體漢字（2） 能實現(xiàn)漢字在屏幕上的移動第2章 顯示原理及控制方式分析2.1 led點陣模塊結(jié)構(gòu)八十年代以來出現(xiàn)了組合

19、型led點陣顯示器模塊，以發(fā)光二極管為像素，它用高亮度發(fā)光二極管芯陣列組合后，環(huán)氧樹脂和塑模封裝而成。這種一體化封裝的點陣led模塊，具有高亮度、引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等特點。led點陣規(guī)模常見的有44、48、57、58、88、1616等等。根據(jù)像素顏色的數(shù)目可分為單色、雙基色、三基色等。像素顏色不同，所顯示的文字、圖象等內(nèi)容的顏色也不同。單色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單色，雙基色和三基色點陣顯示內(nèi)容的顏色由像素內(nèi)不同顏色發(fā)光二極管點亮組合方式?jīng)Q定，如紅綠都亮時可顯示黃色，如果按照脈沖方式控制二極管的點亮時間，則可實現(xiàn)256或更高級灰度顯示，即可實現(xiàn)真彩色顯示。圖

20、2.1示出最常見的88單色led點陣顯示器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外型規(guī)格，其它型號點陣的結(jié)構(gòu)與引腳可試驗獲得。 圖2.1 88單色led模塊內(nèi)部電路led點陣顯示器單塊使用時，既可代替數(shù)碼管顯示數(shù)字，也可顯示各種中西文字及符號如5x7點陣顯示器用于顯示西文字母58點陣顯示器用于顯示中西文，8x8點陣可以用于顯示簡單的中文文字，也可用于簡單圖形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構(gòu)成大屏幕顯示器，但這類實用裝置常通過pc機或單片機控制驅(qū)動。圖2.2 作品選用的88單色led模塊內(nèi)部電路2.2 led 動態(tài)顯示原理 led點陣顯示系統(tǒng)中各模塊的顯示方式： 有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示原理簡單、控制方便，但硬

21、件接線復雜，在實際應用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅(qū)動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。點陣式led漢字廣告屏絕大部分是采用動態(tài)掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，因此在led顯示技術(shù)中被廣泛使用。以88點陣模塊為例，說明一下其

22、使用方法及控制過程。圖2.1中，紅色水平線y0、y1y7叫做行線，接內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極，每一行8個led的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行線間絕緣。同樣，藍色豎直線x0、x1x7叫做列線，接內(nèi)部每列8個led的陰極，相鄰兩列線間絕緣。在這種形式的led點陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用“1”表示），在某列線上施加低電平（用“0”表示）。則行線和列線的交叉點處的led就會有電流流過而發(fā)光。比如，y7為1，x0為0,則右下角的led點亮。再如y0為1，x0到x7均為0，則最上面一行8個led全點亮?，F(xiàn)描述一下用動態(tài)掃描顯示的方式，顯示字符“b”的過程。其過程如圖2.3圖2.3 用動態(tài)掃描顯示

23、字符“b”的過程假設x,y為兩個8位寬的字節(jié)型數(shù)據(jù)，x的每位對應led模塊的8根列線x7-x0，同樣y的每位對應led模塊的8根行線y7-y0。在這個示例中，y叫行掃描線，行掃描線在每個時刻只有一根線為“1”即有效行選通電平，x叫列數(shù)據(jù)線，其內(nèi)容就是點陣化的字模數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。下面用偽代碼描述動態(tài)顯示的過程。（1）y=0x01,x=0xff，如圖 2.2第一幀；（2）y=0x02,x=0x87，如圖 2.2第二幀；（3）y=0x04,x=0xbb，如圖 2.2第三幀；（4）y=0x08,x=0xbb，如圖 2.2第四幀；（5）y=0x10,x=0x87，如圖 2.2第五幀；（6）y=0x20,x=

24、0xbb，如圖 2.2第六幀；（7）y=0x40,x=0xbb，如圖 2.2第七幀；（8）y=0x80,x=0x87，如圖 2.2第八幀；（9）跳到第（1）步循環(huán)。如果高速地進行（1）到（9）的循環(huán)，且兩個步驟間的間隔時間小于1/24秒，由于視覺暫留。led顯示屏上將呈現(xiàn)出一個完整的“b”字符。這就是動態(tài)掃描的原理。只不過實際運用的時候，列線和行線通常不止8位，還要根據(jù)列線和行線的數(shù)量來決定是用行線或列線來做掃描線。例如0601條屏（每行6個漢字，共1行），行線有16根，列線有96根。如果用列線來做掃描線，則每列l(wèi)ed在每96次循環(huán)掃描中只可能亮一次，則其發(fā)光視覺平均亮度為直流亮度的1/96。

25、如果用行線來做掃描線，則每16次循環(huán)，每行l(wèi)ed就能亮一次，其發(fā)光視覺平均亮度為直流情況下的1/16。可見，用行線做掃描線，因為其發(fā)光周期的占空比較大，其視覺亮度是用列線做掃描線的6倍。因而發(fā)光效率比前者高。在實際運用的時候，還要在每兩幀之間加上合適的延時，以使人眼能清晰的看見發(fā)光。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。比如先將掃描線全部設置為無效電平，送下一行的列數(shù)據(jù)后再選通掃描線，避免出現(xiàn)尾影。2.3 led常見的控制方式目前常見的是并行傳輸方式（見附錄1.1），通過8位鎖存器將8位總線上的列數(shù)據(jù)進行鎖存顯示，各8位鎖存器的片選信號由譯碼器提供。此種方式的優(yōu)點是傳輸速度快，對微控制器（mcu

26、）的通信速度要求較低。但是這種方案最大的缺點是不便于隨意擴展顯示單元的數(shù)目。每增加一個1616點陣的全角漢字顯示單元，就需要在之前的電路上多增加兩根地址線，這就要求在pcb布線的時候要留有充足的地址線冗余量。再一個缺點是，每個單元的pcb隨著安放位置的不同，布線結(jié)構(gòu)也不相同，不利于廠家批量生產(chǎn)。并行傳輸需要的芯片較多，因此市場上已經(jīng)出現(xiàn)用fpga,cpld等高密度可編程邏輯器件（pld）來取代傳統(tǒng)鎖存器ic的方案。成本有所下降，但可擴展性仍舊較差。因此，并行傳輸方式適用于顯示單元數(shù)目確定的條屏。隨著廣告屏顯示內(nèi)容的多媒體化，對控制器傳輸速度，運算能力的要求越來越高。因此控制器的種類也在不斷發(fā)展

27、以適應要求，從最初的8051單片機，到pic單片機，又到fpga，直到現(xiàn)在的arm處理器。不同功能檔次的廣告屏對應著不同的處理器。一以傳統(tǒng)8051單片機為控制器的led顯示屏。因受到單片機運算速度及通信速率的限制，led動態(tài)顯示的刷新率不可能做得太高。對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力，在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統(tǒng)8051單片機的內(nèi)部資源貧乏，僅128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，幾k字節(jié)的程序存儲器，無e2prom，spi。這就需要對單片機擴展外設，無疑增加了硬件成本。因此，8051控制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。二以pic單片機為控制器的led

28、顯示屏。因pic單片機是risc架構(gòu)的工業(yè)專用單片機，處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優(yōu)秀，型號種類繁多。作為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果，同時pic單片機內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設計難度，同時降低了硬件成本。因此，以pic單片機為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。三以fpga（復雜可編程邏輯門陣列）為控制器的led顯示屏。fpga以高速、并行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為led顯示屏的控制器，能夠高速的處理色階pwm信號、高速的完成動態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動算法。因此被運用于雙基色、三基色的顯示系統(tǒng)。但是其成本較高，開發(fā)難度較大。四以arm（32位

29、risc架構(gòu)高性能微處理器）為控制器的led顯示屏。arm有著極高的指令效率，極高的時鐘頻率。因此其運算能力非常強大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡化了硬件設計的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運用中，能用arm來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅(qū)動。arm與fpga的組合更是功能強大，除了海量存儲技術(shù)，無線更新技術(shù)外，還能實時地顯示視頻信號。因此，以arm為控制器的顯示屏常為視頻全彩屏。第三章 總體方案設計與分析3.1 顯示單元的考慮顯示一個簡體漢字，至少需要1616點陣來描述。為了在較遠距離處獲得清晰的視覺效果，本設計采用4個88點陣，像素直徑5mm的led模塊拼接成1616

30、點陣的led陣列。這樣每個1616漢字能夠獲得1212cm的顯示尺寸，因此在50米處仍能清晰閱讀。本設計要求整個屏幕能同時顯示六個漢字，則至少需要用24個88的led模塊拼接成9616的矩陣。3.2 滾屏的實現(xiàn)字符的位置在屏幕上實現(xiàn)移動，即術(shù)語“滾屏”?？梢杂糜布崿F(xiàn)，但無疑增加了額外的硬件成本及設計難度。因此本設計采用軟件算法實現(xiàn)左滾屏、左暫停、定格顯示等常見滾屏方式。用軟件來完成滾屏算法，其最大的優(yōu)點在于成本低廉，而且可維護性、可升級性大大增強。3.3 關(guān)于可擴展性除了基本要求外，本設計還要實現(xiàn)顯示單元數(shù)目的隨意擴展。在傳統(tǒng)的并行傳輸方式中，因受到列數(shù)據(jù)鎖存器地址線數(shù)目的制約，不能隨意的增

31、添顯示單元，且每個顯示單元的電路結(jié)構(gòu)不同,pcb結(jié)構(gòu)也不同，完全不符合模塊化設計的要求。因此摒棄了傳統(tǒng)的并行傳輸方式，而采用獨特的串行鎖存技術(shù)，通過控制五根總線就能實現(xiàn)各顯示單元之間的列數(shù)據(jù)鎖存。不僅板間連接簡單，更是降低了pcb布局及布線的難度。每個顯示單元的pcb都是完全一樣的，便于量產(chǎn)。3.4 微控制器的考慮因本設計采用軟件來實現(xiàn)滾屏，且傳輸方式為串行方式。所以對微控制器單元的處理速度要求較高，可供選擇的有arm7和高速8位單片機。arm的處理速度極快，但對于條屏的應用，arm內(nèi)部的資源浪費嚴重，且成本較高。因此選擇高速8位單片機作為控制器，常見的高速8位單片機有avr系列單片機，c80

32、51f系列單片機，at89s52系列單片機。這幾種單片機的處理速度均能達到1mips/mhz（在時鐘頻率為1mhz時處理能力為每秒100萬條指令），但avr系列單片機的極限時鐘頻率只能到16mhz，而c8051f系列soc類似于arm7,時鐘速度可到100mhz,但會浪費其內(nèi)部豐富的資源，而且價格昂貴，用在單色條屏的控制中頗感浪費。于是最佳選擇為at89s52系列單片機，其最高時鐘能到48mhz，且有較豐富的接口及存儲器資源，價格極其低廉，零售價僅為9元/片。大幅降低了產(chǎn)品成本。3.5 關(guān)于點陣數(shù)據(jù)的存儲方式目前使用最廣泛的技術(shù)是，通過上位機軟件將待顯示的字符串轉(zhuǎn)換為對應的點陣字模數(shù)據(jù)，通過燒

33、寫的方式將這些字模數(shù)據(jù)按一定的順序編址后存儲在e2prom中。在條屏顯示的過程中按規(guī)定的方式取出e2prom中的字模數(shù)據(jù)進行處理。對于一個1616點陣的漢字字模數(shù)據(jù)，需要連續(xù)32字節(jié)的e2prom空間來存儲。照此計算，若有256個需要顯示的字符，則至少需要32b256=8192字節(jié)（8kb）的e2prom存儲空間。通常的單片機內(nèi)部沒有集成這么大容量的e2prom。因此這種方案，需要在單片機外部擴展大容量的e2prom，增加硬件成本。上位機程序設計由于涉及到漢字取模，取模算法的難度較大。在多字下載的時候傳輸時間也較長。諸多弊端使本設計放棄了傳統(tǒng)方案。而本設計創(chuàng)新使用了專用的點陣字庫芯片，成本僅為

34、8元，內(nèi)含各種點陣規(guī)格的gb2312、ascii等標準字庫。專用字庫芯片采用微型so-8封裝，使用高速同步串行spi接口進行讀寫操作，節(jié)省了控制器的i/o。在本設計中，單片機內(nèi)部的小容量e2prom，用于存儲待顯示漢字的gb2312標準機內(nèi)碼，每個全角字符的內(nèi)碼占2字節(jié)，則在同樣需要顯示256個漢字的情況下，這種方案僅占用512字節(jié)的e2prom空間。3.6 關(guān)于顯示內(nèi)容的更新目前常用的下載方式有串口下載、usb下載、無線下載等?？紤]到本設計的上、下位機進行一次通信時的數(shù)據(jù)量不大，而且對通信的速度及可靠性要求并不嚴格。因此本設計采用usb下載，驅(qū)動程序編寫較為簡單，不需要掌握復雜的通信協(xié)議。漢

35、字點陣數(shù)據(jù)采用現(xiàn)成的字庫軟件，需要通過輸入漢字來取出相應漢字的點陣字模數(shù)據(jù)。因此上位機軟件的任務就是：將待顯示的字符轉(zhuǎn)換成對應的標準機內(nèi)碼，并把操作者對下位機顯示方式、速度等進行設置的常數(shù)，通過總線按一定的通信協(xié)議一起發(fā)送到下位機。3.7 總體電路結(jié)構(gòu)及工作原理從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所在的位置相對應的led器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時控制各個發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。2416的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，2416的點陣需要256/8=32

36、個鎖存器。這個數(shù)字很龐大，因為我們僅僅是2416的點陣，在實際應用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數(shù)字。因此在實際應用中的顯示屏幾乎都不采用這種設計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行（比如16行）的同名列共用一套驅(qū)動器。具體就2416的點陣來說，把所有同1行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陰極的接法），先送出對應第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以此類推

37、，第16行之后，又重新燃亮第1行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。采用掃描方式進行顯示時，每一行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個驅(qū)動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應的硬件數(shù)目多。當列數(shù)很多時，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹２捎么袀鬏數(shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位

38、一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到led的亮度。解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應具有的功能。

39、對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。圖3.1 led點陣驅(qū)動原理圖 第四章 硬件電路設計4.1 顯示單元電路設計為了提高點陣led的視覺亮度，本設計用行線做掃描線，列線做數(shù)據(jù)線。每行的顯示占空比為直流情況下的1/16。為了再進一步的提高視覺亮度，選用了紅色led點陣模塊arksz421588，每個點陣內(nèi)部為紅色發(fā)光體。發(fā)光管用8根行線，列線獨立。本設計顯示單元以及行列驅(qū)動電路如圖4.1圖4.1 2416led點陣 顯示單元以及行

40、列驅(qū)動電路411 led點陣模塊的選擇本設計采用六個88點陣紅色的led模塊拼接成一個1616的單色模塊使用。這樣能獲得較大的顯示單元尺寸和發(fā)光亮度。412 列驅(qū)動電路設計如圖4.1下面虛線框內(nèi)，本設計中，每個1616點陣的列驅(qū)動電路由兩個串聯(lián)的8位移位鎖存器74hc595構(gòu)成。74hc595，是為motorola的spi總線開發(fā)的一款串并轉(zhuǎn)換芯片。由于74hc595的輸入輸出電平兼容lsttl,nmos,cmos電平，且具有較強的輸出負載能力，而被廣泛地運用于mcu（微控制器）、mpu（微處理器）的i/o口擴展。74hc595在5v供電的時候能夠達到30mhz的時鐘速度，每個并行輸出端口均能

41、承受20ma的灌電流和拉電流。這個特點保證了不用增加額外的擴流電路即可輕松的驅(qū)動led。它輸入端允許500ns的上升（下降）時間，對嚴重畸形的時鐘脈沖仍能檢測。這樣就可以容納較大的傳輸線對地電容，使本設計的抗干擾能力增強。74hc595并行輸出端與led模塊列線之間通過20的電阻連接，這里電阻起到分壓，去除紅色led的并聯(lián)嵌位作用。使紅綠兩組led均能正常發(fā)光。由于led顯示屏的工作電流時刻在變化，造成了系統(tǒng)電壓的波動。這種電壓波動有高頻成分，也有低頻成分。輕則對周圍無線電環(huán)境造成電磁污染，重則使系統(tǒng)時鐘紊亂，邏輯錯誤。為避免此，在每個74hc595的電源vcc和gnd旁邊都并聯(lián)了兩個電容，用

42、于濾波和退耦。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，旁路掉電源中的高頻脈動成份。消除自激，減小對外雜散電磁輻射，提高emi電磁兼容性。74hc595的引腳及邏輯功能如圖4.2 圖4.2 74hc595管腳圖 圖4.3 74hc595邏輯圖 74hc595的管腳功能描述：管腳號管腳名稱管腳功能描述1qb鎖存器輸出，三態(tài)2qc鎖存器輸出，三態(tài)3qd鎖存器輸出，三態(tài)4qe鎖存器輸出，三態(tài)5qf鎖存器輸出，三態(tài)6qg鎖存器輸出，三態(tài)7qh鎖存器輸出，三態(tài)8gnd電源地9sqh串行輸出，用于級聯(lián)。無三態(tài)輸出功能10reset低電平有效，當此管腳上出現(xiàn)低電平時，將復位內(nèi)部的移位寄存器，但不影響8位鎖存器的值11shift clk

43、移位寄存器時鐘輸入，上升沿將把a腳上的數(shù)據(jù)移入內(nèi)部寄存器12latch clk鎖存時鐘輸入，上升沿將把內(nèi)部移位寄存器的值鎖存起來13output enable低電平有效，將鎖存器的輸出映射到輸出并行口（qa-qh）上。當輸入高電平時，高阻態(tài)，同時本芯片的串行輸出無效14a串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)從這個管腳移進內(nèi)部的8位串行移位寄存器15qa鎖存器輸出，三態(tài)16vcc電源正，2-6v dctpic6b595該tpic6b595是單片，高電壓， 中電流功率8位的移位寄存器 設計為在需要使用比較 高負荷能力。該器件包含一個內(nèi)置的 電壓鉗關(guān)于輸出電感 瞬態(tài)保護。功率驅(qū)動器應用 包括繼電器，螺線管和其他med

44、iumcurrent 或高壓負荷。 該器件包含一個8位串行，并行輸出 移位寄存器，飼料8位d型存儲 注冊。同時通過移動和數(shù)據(jù)傳輸 對上升沿存儲寄存器 移位寄存器時鐘（srck）和寄存器時鐘 （rck），分別。該存儲寄存器 數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵鼍彌_區(qū)時shiftregister 清除（srclr）高。當srclr是 低，輸入移位寄存器被清除。當輸出 啟用（g）是高舉，在輸出的所有數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)舉行低，所有漏輸出關(guān)閉。當g是持低，數(shù)據(jù)存儲寄存器 是透明的輸出緩沖區(qū)。當數(shù)據(jù) 輸出緩沖器低，的dmos晶體管輸出關(guān)閉。當數(shù)據(jù)高，dmostransistor 輸出具有吸收電流能力。串行輸出（輸出誤碼率）允許級聯(lián)從

45、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其他寄存器設備。 低輸出端，漏極開路的dmos晶體管與50 v和150 ma連續(xù)sinkcurrent輸出評級 能力。每個輸出提供了訓練班500 ma的典型電流限制= 25目前限制跌幅 作為附加的設備保護結(jié)溫增加。該tpic6b595的特點是工作在-40 c的工作溫度范圍案件至125 c圖4.4 tpic6b595圖4.5邏輯電路圖4.6輸入輸出示意圖4.2 單片機控制系統(tǒng)電路設計421 單片機的選型根據(jù)方案論證的結(jié)果，本設計采用at89s52作為主控芯片。at89c52是一個低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 b

46、ytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大的at89c52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。 主要性能：與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容，8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器，1000次擦寫周期，全靜態(tài)操作：0hz33hz，三級加密程序存儲器，32個可編程i/o口線，三個16位定時器/計數(shù)器，八個中斷源，全雙工uart串行通道，低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒，看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標識符。功能特性描述at89s52是一種低功耗、高性能cm

47、os8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89s52具有以下標準功能：8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram，32 位i/o 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串串、行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏

48、輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu停止工作，允許ram、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。圖4.7引腳結(jié)構(gòu)圖4.8原理方框圖421 單片機的主要功能p0 口：p0口是一個8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash編程時，p0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部

49、上拉電阻。p1 口：p1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。此外，p1.0和p1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號 第二功能p1.0 t2（定時器/計數(shù)器t2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出p1.1 t2ex（定時器/計數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方

50、向控制）p1.5 mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6 miso（在系統(tǒng)編程用）p1.7 sck（在系統(tǒng)編程用）p2 口：p2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr）時，p2 口送出高八位地址。在這種應用中，p2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如movx ri）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的

51、內(nèi)容。在flash編程和校驗時，p2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。p3 口：p3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個ttl 邏輯電平。對p3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（iil）。p3口亦作為at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。引腳號第二功能p3.0 rxd（串行輸入）p3.1 txd（串行輸出）p3.2 int0(外部中斷0)p3.3 int0(外部中斷0)p3.4 t0（定時

52、器0外部輸入）p3.5 t1（定時器1外部輸入）p3.6 wr(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)p3.7 rd(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)rst: 復位輸入。晶振工作時，rst腳持續(xù)2 個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，rst 腳輸出96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器auxr(地址8eh)上的disrto位可以使此功能無效。disrto默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ale/prog：地址鎖存控制信號（ale）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ale 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器

53、或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ale脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8eh的sfr的第0位置“1”，ale操作將無效。這一位置“1”，ale 僅在執(zhí)行movx 或movc指令時有效。否則，ale 將被微弱拉高。這個ale 使能標志位（地址為8eh的sfr的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。psen:外部程序存儲器選通信號（psen）是外部程序存儲器選通信號。當 at89s52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，psen在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，psen將不被激活。ea/vpp:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000h 到f

54、fffh的外部程序存儲器讀取指令，ea必須接gnd。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，ea應該接vcc。在flash編程期間，ea也接收12伏vpp電壓。xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。xtal2:振蕩器反相放大器的輸出端。at89s52 特殊寄存器映象及復位值圖4.9特殊功能寄存器特殊功能寄存器(sfr)的地址空間映象如表1所示。并不是所有的地址都被定義了。片上沒有定義的地址是不能用的。讀這些地址，一般將得到一個隨機數(shù)據(jù)；寫入的數(shù)據(jù)將會無效。用戶不應該給這些未定義的地址寫入數(shù)據(jù)“1”。由于這些寄存器在將來可能被賦予新的功能，復位后，這些位都為“0”。定時器 2 寄存器：寄存器t2

55、con 和t2mod 包含定時器2 的控制位和狀態(tài)位（如表2和表3所示），寄存器對rcap2h和rcap2l是定時器2的捕捉/自動重載寄存器。中斷寄存器：各中斷允許位在ie寄存器中，六個中斷源的兩個優(yōu)先級也可在ie中設置。t2con：定時器/計數(shù)器2控制寄存器t2con 地址為0c8h位可尋址 復位值：0000 0000btf2exf2rlclktclkexen2tr2c/t2cp/rl276543210符號功能tf2定時器2 溢出標志位。必須軟件清“0”。rclk=1 或tclk=1 時，tf2不用置位。exf2定時器2 外部標志位。exen2=1 時，t2ex 上的負跳變而出現(xiàn)捕捉或重載時