LED點陣畢業(yè)設計論文

1、 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論計（論 文）文） 設計設計(論文論文)題目：題目： led 顯示系統(tǒng)設計 學生姓名： 指導教師： 二級學院： 信息技術學院 專業(yè)： 通信工程 班級： 學號： 提交日期： 2012 年 4 月 20 日 答辯日期： 2012 年 5 月 12 日 目錄 i 目 錄 摘 要iii abstractiv 1 緒 論1 1.1 led 顯示屏的廣泛應用 1 1.2 最新的 led 顯示屏技術1 1.3 本課題的主要內容 1 第 2 章 系統(tǒng)硬件方案論證與選擇3 2.1 上位機部分方案選擇 3 2.2 通信部分方案選擇 3 2.3 控制部分方案選擇 4 2.4 顯示部分方案選擇

2、 4 2.5 最終確定硬件設計方案 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計7 3.1 硬件整體設計概述及功能分析 7 3.2 控制單元設計 7 3.3 行驅動模塊設計 9 3.4 列驅動模塊設計 11 3.5 單片機 isp 下載編程器13 3.6 usb 電源接口 14 3.7 max232 串口通信電路14 3.8 系統(tǒng)總電路圖 15 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計17 4.1 系統(tǒng)軟件方案選擇 17 4.2 系統(tǒng)軟件程序設計 17 第 5 章 系統(tǒng)調試21 5.1 系統(tǒng)硬件部分調試 21 目錄 ii 5.2 系統(tǒng)軟件調試 21 5.3 系統(tǒng)聯(lián)合調試及結果 22 5.4 調試結果分析 23 第 6 章 結

3、 論24 參考文獻25 附錄 1： 硬件原理圖26 附錄 2： 設計程序27 附錄 3： 系統(tǒng)仿真圖33 致 謝34 摘要 iii ledled 顯示系統(tǒng)設計顯示系統(tǒng)設計 摘 要 在大型商場、車站、碼頭、地鐵站以及各類辦事窗口等越來越多的場所需要用 led 點陣顯示圖形和漢字。led 行業(yè)已成為一個快速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，市場空間巨大，前景廣 闊。 本文介紹了一款以單片機 at89s51 為控制器的 led 點陣顯示屏系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng) 可實現(xiàn)漢字字符的顯示和動態(tài)特效顯示。系統(tǒng)采用 pc 機作為上位機，上位機向單片機發(fā) 送控制命令和上位機所存儲的顯示代碼，at89s51 單片機接收并處理 pc 機

4、的控制命令以 及顯示代碼，由顯示驅動模塊驅動一個 1616 分辨率的 led 點陣顯示屏的掃描顯示。pc 機與單片機之間的通信采用 isp 下載編程器來實現(xiàn)。除此之外，該系統(tǒng)只占用了單片機 少量的 i /o 口和內存，為系統(tǒng)留下了功能擴展的空間。 關鍵詞：at89s51；led 點陣顯示；isp abstract iv design of led display system abstract nowadays, more and more places need to use led dot matrix to display chinese characters and graphics,

5、 such as the large shopping malls, railway stations, docks, subway stations , various kinds of service window and so on . led industry has become a new and rapidly developing industry with a huge market space and foreground capacious. this paper introduces a design of the led lattice display system

6、base on mcu at89s51. the system can display in both chinese and english characters of the show and from top to bottom and move around the magic show. the pc sends control commands and displays code to microcontroller, at89s51 receives control commands from pc and shows the code. driver module drives

7、 a 1616-resolution led lattice leds panel display scan showed. communication between pc and the microcontroller using isp download programmer standards. in addition, the system will take up only a small amount of the mcu i/o and memory,so that the system has functional space for expansion. key words

8、: at89s51; lattice leds panel display; isp 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒 論 1.1 led 顯示屏的廣泛應用 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。 led 點陣顯示屏以亮度高、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，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。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、全色化方向發(fā)展。led 顯示屏的應用涉及

9、社會經(jīng)濟的許多領域，主要包 括：（1）證券交易、金融信息顯示。 （2）機場航班動態(tài)信息顯示。 （3）港口、車站旅客 引導信息顯示。 （4）體育場館信息顯示。 （5）道路交通信息顯示。 （6）調度指揮中心信 息顯示。 （7）郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示。 （8）廣告 媒體新產(chǎn)品等。 1.2 最新的 led 顯示屏技術 隨著液晶（lcd）產(chǎn)品價格的下降，lcd 顯示器也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢：尺寸越 來越大，寬屏逐漸成為消費熱點，個性化產(chǎn)品層出不窮，多媒體應用需求已經(jīng)顯現(xiàn)，黑 插入技術取得進展，計算機應用向多媒體應用靠攏，平板顯示器與若干視聽設備相連的 技術需求增加，如高

10、分辨多媒體接口 hdmi 等數(shù)字傳輸技術，已開始應用在 lcd 顯示器上。 高分辨多媒體接口 hdmi（全稱是 high-definition multimedia interface）是 2006 初年日立、松下、飛利浦、索尼、湯姆遜、東芝和 silicon image 等 7 家公司聯(lián)合發(fā)布 的接口規(guī)范，包括高清晰支持、高速傳輸以及與電腦的更簡易的連接方法。hdmi 只需一 條線就可以傳輸數(shù)字音頻和視頻數(shù)據(jù)，使消費者能夠方便地體驗到高品質的家庭影院效 果。hdmi 接口技術引起了計算機行業(yè)的關注，因為 hdmi 定位于標準數(shù)字多媒體接口。在 應用方面，hdmi 與低電壓交流電計算機的畫面控

11、制終端的連接更加簡單和方便，有利于 計算機與消費電子類產(chǎn)品實現(xiàn)真正意義上的融合。目前許多高清數(shù)字電視生產(chǎn)商都在產(chǎn) 品中采用了 hdmi 接口，hdmi 也已經(jīng)被運用到計算機媒體播放器、dvd 播放器、dvd 錄音 設備、有線電視機頂盒、衛(wèi)星電視機頂盒以及 a/v 接收器中，也被應用在游戲機和便攜 式攝像機中。 1.3 本課題的主要內容 針對本課題的特點，對論文的內容和結構將做如下安排： （1）初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關資料，并參照目前通用的設計思想和設計方法擬定幾套設計方案進 第 1 章 緒論 2 行分析比較。最終選定了以 pc 機為上位機，單片機為核心控制器件，外加譯碼電路和驅 動

12、電路的設計方案。 （2）方案實現(xiàn) 以設計方案為指導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 at89s51 單片機為核心控制器件，由串 并轉換器 74hc138 和鎖存器 74hc573 為譯碼電路器件，74hc595 為驅動電路器件。論文列 出了詳細的器件參數(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試，最 后將獨立的模塊整合起來。 （4）驗證與測試 調試分為硬件調試、軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)

13、合調試幾步來進行。在硬件調試中發(fā)現(xiàn)有單 片機端口驅動能力不足、驅動電路工作不穩(wěn)定等問題。在軟件調試中出現(xiàn)程序整合工作 不協(xié)調等問題。通過分析，查找找出了問題原因并設法將其解決。 （5）結論 設計完成后對設計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓、以及自己的想法進行總結。 第 2 章 方案論證與選擇 3 第 2 章 系統(tǒng)硬件方案論證與選擇 大多數(shù)的 led 顯示屏都在戶外，所以對硬件的質量要求非常的高。為方便檢修和維 護硬件電路設計時常常采用模塊化的設計方法。硬件的設計采用模塊化設計，既要滿足 模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖 2-1 所示,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，

14、通信系統(tǒng)及上位機四部分組成。上位機通過通信部分 向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內容代碼，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容和顯示方式3。 上位機 上位機 通信部分 通信部分 控制部分 控制部分 顯示部分 顯示部分 圖 2-1 系統(tǒng)硬件組成框圖 2.1 上位機部分方案選擇 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 pc 機作為上位機，這樣對該顯示系統(tǒng)的硬件要求 便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。上位機的作用是存儲并處理顯示內容，然后通過通信 系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅動顯示。 led 顯示上位機的內容一般有實時顯示和存儲顯示兩種方法。實時顯示及上位機屏幕 上的內容同時顯示在 led 顯示屏

15、上，上位機上內容變化 led 顯示屏也跟著變化。存儲顯 示是將顯示內容處理過后存儲在上位機中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示9。兩種顯示 方法相比較：實時顯示屏幕能及時反應上位機內容的變化，顯示的效果和內容的實時性 好多用于新聞播報、實況轉播用，但實時顯示硬件開銷大，對通信系統(tǒng)要求高，工藝復 雜，成本高；存儲顯示雖實時性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設計題目對顯示的 實時性要求較低且所設計的顯示屏尺寸不大同時顯示的內容不多，所以實時顯示就沒有 必要。所以上位機選擇存儲顯示的方法，控制 led 顯示屏的顯示內容。 2.2 通信部分方案選擇 通信部分要滿足的設計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。因為通

16、常情況下顯示屏 和上位機的距離不會很遠，所以通信距離的要求不是很高。 isp（in-system programming）在系統(tǒng)編程，通過下載電纜直接對安裝在用戶目標 板上的器件編程，給電子產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)帶來許多革命性的變化。目前，比較成熟的 isp 下載器大多是基于串口或者并口通信的，但是也存在著以下問題：（1）用戶 pc 機的 主頻、硬件和操作系統(tǒng)不同，可能會造成控制信號錯誤；（2）不同的廠商提供不同的 isp 下載器，互不兼容，給嵌入式開發(fā)帶來不便；（3）限于串、并口的通信協(xié)議，isp 數(shù)據(jù)傳輸速率較低，影響嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。而 usb isp 完美地解決了這些問題，它具 第 2 章

17、方案論證與選擇 4 有較強的易用性，可靠性和兼容性，數(shù)據(jù)傳輸速率也較快。 基于以上原因，本設計選擇了一種將單片機和 usb 總線相結合，進行 isp 下載的方法。 2.3 控制部分方案選擇 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機通信接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和 控制指令處理過后控制顯示部分顯示內容。 （1）單片機 單片機是集成了 cpu，rom，ram 和 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(mcu)。單片機品種齊全,型號多樣 cpu 從 8，16，32 到 64 位，多采用 risc 技術，片上 i/o 非常豐富，有的單片機集成有 a/ d

18、， “ 看門狗” ，pwm，顯示驅動，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，nmos 工藝單片機被 cmos 代替，并開始向 hmos 過渡。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)字信號處理器。顧名思義，dsp 主要用于數(shù)字信號處理領域，非常適合高 密度，重復運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于通信、便攜式計算機和 便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)

19、療設備等領域，dsp 具有修正的哈佛結構， 多總線技術以及流水線結構。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，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 dsp 依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 tm320 系列的 firs ，lms，macd 指令等5。 兩種設計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠實現(xiàn)控制功能，但單片機的技術門檻較低開 發(fā)成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有 mcs-51

20、、avr、arm、pic 等。其中應用最廣泛的單片機首推 intel 的 51 系列，由于產(chǎn)品 硬件結構合理，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 學習的教材。且 51 系列的 i/o 腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須 將該腳設置為高電平（復位時，各 i/o 口均置高電平） 。當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。 2.4 顯示部分方案選擇 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅動該顯示屏的驅動電 第 2 章 方案論證與選擇 5 路。由于單片機的

21、i/o 口有限要不能直接用 i/o 口來驅動 led 顯示屏，所以需要對單片 機 io 口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。 led 顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構成的，要構成大屏幕的 led 顯示屏就需 要多個發(fā)光二極管。構成 led 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起 來，如圖 2-2 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構成的 led 點陣子模塊構成大的 led 點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 88、1616 幾種；這兩種屏幕構成方法 各有有缺點，單個發(fā)光二極管構成顯示屏優(yōu)點在于當單個的發(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

22、接線路復雜；而點陣模塊構成的方 法卻正好與之相反，模塊構成省約了大量的連線，不過當一個 led 出現(xiàn)問題時同在一個 模塊的所有 led 都必須被更換。這就加大了維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構成的方法來制作一個 led 點陣顯示屏。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)這一問題的風險。所以構建一個 1616 的 led 點陣屏選用四塊 88 點陣模塊。 圖 2-2 led 點陣圖 一個 1616 的 led 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 51 單片機的端口驅動所 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換芯片進 行譯碼。常用的串

23、并轉換芯片有 74ls154（4 線-16 線譯碼器） 、74hc138（8 位串并轉換 器） 、74hc595 等。51 系列單片機端口低電平時，吸入電流可達，具有一定的驅 動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流 形成的） ，基本上沒有驅動能力，所以單片機不能直接驅動 led 顯示屏顯示。在單片機和 第 2 章 方案論證與選擇 6 顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅動電路7。 2.5 最終確定硬件設計方案 最終方案如圖 2-3 所示，以 pc 機作為上位機存儲和處理顯示內容用串行通信的方式 將顯示內容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)，單片機根據(jù)上位機傳輸來

24、的內容和指令通過 端口譯碼擴展后驅動 4 塊 88led 點陣模塊構成的 1616 的 led 點陣顯示屏。題目將以 此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計。 pc機 pc機 usb 通 信 usb 通 信 單 片 機 單 片 機 譯 碼 電 路 譯 碼 電 路 顯 示 驅 動 電 路 顯 示 驅 動 電 路 16*16led 顯示屏 16*16led 顯示屏 圖 2-3 硬件設計方案 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 3.1 硬件整體設計概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設計主要由上位機、通信系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、譯碼電路、顯示驅動電 路和 1616 的點陣屏組成。具體工作流程為

25、：上位 pc 機通過通信系統(tǒng)向單片機發(fā)送控 制指令和顯示代碼內容，單片機接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內容通過 i/o 口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉換并行輸出，最后由顯示驅動電路進行電壓和 電流的處理以達到 led 顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內容11。 根據(jù)硬件的功能結構圖選取合適器件，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框圖如圖 3-1 所示： 電源電路 電源電路 at89s51 單片機 at89s51 單片機 74hc138 控制行驅 動 74hc138 控制行驅 動 74hc595 控制列驅 動 74hc

26、595 控制列驅 動 16*16led 點陣屏 16*16led 點陣屏 isp接口電 路 isp接口電 路 圖 3-1 硬件原理框圖 該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點： （1）led 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標準。并且顯示要清晰。 （2）驅動電路要能提供 led 顯示所需范圍內的電壓和電流要求。 （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 驅動電路的要求。 （4）單片機要能接收上位機的指令和顯示內容且能夠處理后控制 led 顯示屏的顯示， 并且端口驅動能力要足以驅動譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。 （5）單片機由 isp 下載線

27、下載程序和供電，可不設立專用供電電源。 （6）由 usb 接口完成與上位機的通信速度和數(shù)據(jù)傳 的可靠性要達到顯示要求。 3.2 控制單元設計 3.2.1 控制系統(tǒng)設計 控制電路設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)） 。at89s51 的最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復位電路，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 3-2 所示。 在該系統(tǒng)中，p0 各口主要用作 led 顯示數(shù)據(jù)的行控制輸出。具體接法為： p0.4，p0.5,p0.6 分別接 74hc138

28、 的 a 端，b 端,c 端向 74hc138 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉換 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 8 后并行輸出；p0.3,p0.7 接 138 芯片的使能控制端，當為低電平使允許輸出； p0.0,p0.1,p0.2 接 595 的 sh_cp 端,st_cp 端,ds 端控件系統(tǒng)的列輸入，欲使 cpu 僅訪問 外部程序存儲器（地址為 0000hffffh） ，ea 端必須保持低電平（接地） 。因為沒有擴展 外部程序存儲器所以將 ea 置為高電平。p1.5,p1.6,p1.7 分別接 isp 的 1，7，5 引腳，用 于向芯片燒寫程序。具體電路如圖 3-2 所示： 圖 3-2 控制部分電路圖

29、3.2.2 at89s51 簡介 at89s51 是美國 atmel 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 cmos8 位單片機，片內含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 flash 只讀程序存儲器,器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性 存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 flash 程序存儲器既可在線編程 （isp）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，atmel 公司的功能 強大，低價位 at89s51 單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制 領域。 at989s51 具有以下特點： 與 mcs-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在

30、系統(tǒng)編程（isp）flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 9 4.05.5v 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0hz33mhz 三級程序加密鎖 1288 字節(jié)內部 ram 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 uart 通道 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（wdt）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（isp 字節(jié)或頁寫模式） at89s51 提供以下標準功能：4k 字節(jié) flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內部 ram，32 個 i/o 口線，看門狗（wdt） ，兩個數(shù)據(jù)指

31、針，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷 結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，at89s51 可降至 0hz 的靜 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 cpu 的工作，但允許 ram，定時/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 ram 中的內容，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位。 3.3 行驅動模塊設計 3.3.1 行驅動系統(tǒng)設計 行驅動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換器 74hc138。兩個 138 級聯(lián)成 4 線-16 線譯碼器，三級管 q1-q16 接顯

32、示屏 h1-h8 解決了顯示 屏供電不足的問題。具體電路如圖 3-3 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 10 圖 3-3 行驅動電路圖 3.3.2 串并轉換器 74hc138 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的端口輸出來控 制 1616 的 led 點陣屏顯示，需要 32 個端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要 79 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留下來 了空間。 74hc138 譯碼器可接受 3 位二進制加權地址輸入（a0,a1 和 a2） ，并當使能時，提供 8 個互斥的低有效輸出（y0 至 y7） 。74

33、hc138 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。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 11 表 3-1 74hc138 集成譯碼器功能表 3.4 列驅動模塊設計 列驅動電路由 74hc595 構成，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立的，可以實現(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)，達到重疊處理的目的。數(shù)據(jù)在 sh_cp 的上升沿輸 入，在 st_cp 的上升沿進入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在

34、一起，則移位寄存器 總是比存儲寄存器早一個脈沖。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， 當使能 oe 時（為低電平） ，存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。 工作順序：單片機先送 1 個 8 位數(shù)據(jù)到第一個 595 的內部移位寄存器-然后數(shù)據(jù)會 送到內部的輸出寄存器-輸出,當 mr（10 引腳）為高電平，oe（13 引腳）為低電平時， 數(shù)據(jù)在 shcp 上升沿進入移位寄存器，在 stcp 上升沿輸出到并行端口。具體電路如圖 3- 4 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 12 圖 3-4 列驅動原理圖

35、3.5 點陣顯示模塊設計 如圖 3-5 所示，本設計采用了 4 個 8*8 的點陣發(fā)光二級管模塊，組成了 16*16 的 led 點陣顯示屏。led 驅動顯示采用的動態(tài)驅動掃描方法，動態(tài)掃描方式是逐行輪流點亮，把 所有同一行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同一列的發(fā)光管的陰極連在一起，先送出 對應第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其點亮一定的時間，然后熄滅； 再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行使其點亮相同的時間，然后熄滅；第十 六行之后，又重新點亮第一行，反復輪回。當這樣的輪回速度足夠快（每秒 24 次以上） ， 由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形。該方法能驅動

36、較多的 led，控 制方式較靈活，而且節(jié)省單片機的資源。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 13 圖 3-5 點陣顯示電路 3.5 單片機 isp 下載編程器 單片機系統(tǒng)傳統(tǒng)的編程方式是將單片機先從電路板上取下，放入專用的編程器進行 編程，再放人電路板進行調試。其缺點是頻繁的拔插器件容易損壞器件的引腳；如果頻 繁的調試程序，必須重復拔插，大大降低了開發(fā)效率。isp 技術是未來發(fā)展的方向，其優(yōu) 勢是無需編程器就可進行單片機的實驗和開發(fā)，單片機器件可直接焊接到電路板上，調 試結束即為成品，免去調試時由于頻繁插入取出對器件和電路板造成的損壞和帶來的不 便。 isp 可降低研發(fā)成本；縮短從設計、制造到現(xiàn)場調試

37、的時間，簡化生產(chǎn)流程，大大 提高工作效率；在試驗新品或學生試驗等常需用不同的程序調試器件的場合中，在線編 程技術尤為重要。 設計 at89s51 單片機開發(fā)板，采用 isp 下載線實現(xiàn)在 keil c 軟件開發(fā)環(huán)境下調試的 匯編語言程序機器碼能即時下載到 at89s51 單片機片內 flash 中，并可在線修改。 在系統(tǒng)可編程 isp(in-system programmable)，指電路板上的空白器件可編程寫入最 終用戶代碼，而無需從電路板取下器件，已編程的器件也可用 isp 方式擦除或再編程。 isp 的提出改變了傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)開發(fā)的流程，大大方便了開發(fā)者，加快了開發(fā)速度，將單 片機和 us

38、b 總線相結合，進行 isp 下載。 本設計中 isp 電路如圖 3-6 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 14 圖 3-6 isp 下載電路 3.6 usb 電源接口 本設計除了可以用 isp 接口供電，還可以采用 usb 電源接口供電，開關 s1 連接了一 個發(fā)光二級管，用于指示電源的通斷。 具體電路如圖 3-7 所示： 圖 3-7 usb 電源接口電路 3.7 max232 串口通信電路 本課題中還設計了另一種通信方式，當所采用控制芯片不為 at 系列，而是 stc 系列 時，采用 max232 串口通信。 具體電路如圖 3-8 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 15 圖 3-8 232

39、 串口通信電路 max232 芯片是美信公司專門為電腦的 rs-232 標準串口設計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。 內部結構基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由 1、2、3、4、5、6 腳和 4 只電容構成。功能是產(chǎn)生 +12v 和-12v 兩個電源，提供給 rs-232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉 換通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 腳構成兩個數(shù)據(jù) 通道。其中 13 腳（r1in）、12 腳（r1out）、11 腳（t1in）、14 腳（t1out）為第 一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（r2in）、9 腳（r2out）、10 腳（t2in）、7 腳（t2ou

40、t）為第二 數(shù)據(jù)通道。ttl/cmos 數(shù)據(jù)從 t1in、t2in 輸入轉換成 rs-232 數(shù)據(jù)從 t1out、t2out 送到電腦 db9 插頭；db9 插頭的 rs-232 數(shù)據(jù)從 r1in、r2in 輸入轉換成 ttl/cmos 數(shù) 據(jù)后從 r1out、r2out 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 gnd、16 腳 vcc（+5v）。 3.8 系統(tǒng)總電路圖 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 16 a 1 b 2 c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 vcc 16 gnd 8 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u1 a 1 b 2

41、c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 vcc 16 gnd 8 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u2 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled1 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5

42、 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled2 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled3 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l

43、6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled4 q0 15 q1 1 q2 2 q3 3 q4 4 q5 5 q6 6 q7 7 mr 10 vcc 16 ds 14 sh_cp 11 st_cp 12 qt 9 gnd 8 oe 13 u4 q0 15 q1 1 q2 2 q3 3 q4 4 q5 5 q6 6 q7 7 mr 10 vcc 16 ds 14 sh_cp 11 st_cp 12 qt 9 gnd 8 oe 13 u5 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h1

44、0 h11 h12 h13 h14 h15 h16 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 vccvcc data clk latch clk latch 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp3 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12

45、 11 10 9 rp4 330 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp1 10k a b c d g vcc vcc vcc vcc a b c d g 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp2 10k q1 9012 q2 9012 q3 9012 q4 9012 q5 9012 q6 9012 q7 pnp1 h1 h2 q8 9012 h3 h4 h5 h6 h7 h8 vcc q9 901

46、2 q10 9012 q11 9012 q12 9012 q13 9012 q14 9012 q15 9012 q16 9012 h9 h10 h11 h12 h13 h14 vcc h15 h16 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0/a8 21

47、p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30 ea 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u6 at89s51 y1 12mhz c4 30p c330p +5 r3 10k +5 +5 s1 r2 1k c5 10uf latch clk data a c d g b 74

48、hc138 74hc138 74hc595 74hc595 74hc138 16*16 vcc 1 d- 2 s 5 d+ 3 s 6 gnd 4 j1 usb-b +5 d1 led r4 1k + c2 usb c1 0.1uf s1 c1+ 1 v+ 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 v- 6 t2out 7 r2in 8 r2out 9 t2in 10 t1in 11 r1out 12 r1in 13 r1out 14 gnd 15 vcc 16 u5 max232 c11 474 c12 474 c13 474 c9 474 c10 474 p30 p31 1 6 2 7 3

49、8 4 9 5 j0 db9 t2out t2out r2in r2in 232 vcc 12 34 56 78 910 jp9 isp p1.5 p1.7 p1.6 rst rst p1.5 p1.6 p1.7 vcc 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 4.1 系統(tǒng)軟件方案選擇 軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。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。 4

50、.1.1 單片機編程語言選擇 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(assembly language)是面向機器的程序設計語言，是一種功能很強的程序 設計語言，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， 占內存空間少等優(yōu)點，但在編寫復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 unix 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結構化語言，可產(chǎn)生壓縮代 碼。c 語言結構是以括號 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

51、，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 的存儲器結構有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細節(jié)可 由編譯器管理；程序有規(guī)范的結構，可分為不同的函數(shù)。這種方式可使程序結構化；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；編程及程序調試時間 顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標準子程序，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。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

52、語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。 4.1.2 系統(tǒng)軟件編譯工具選擇 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)軟件設計中，編譯器必不可少。支持 mcs51 用 c 語言編程的編譯器主要有 兩種：franklin c51 編譯器和 keilc51 編譯器。目前在單片機開發(fā)中普遍都是使用 keil c51 來進行編譯。 因此軟件設計最終方案為采用 c 語言為程序語言，kelc 為編譯工具按照控制、通信、 顯示等幾個功能模塊來編寫程序。 4.2 系統(tǒng)軟件程序設計 設計目標和硬件總體結構確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示程序兩大部分。 第 4 章 系統(tǒng)軟件

53、設計 18 4.2.1 主程序設計 系統(tǒng)軟件采用 c 語言編寫，按照模塊化的設計思路設計。首先分析程序所要實現(xiàn)的 功能，程序要實現(xiàn)靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示兩大功能。其通信程序接收上位機數(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 4-1 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 調用相應顯示程序 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 n n y y 開 始 中斷開始 中 斷 返 回 圖 4-1 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

54、化的內容包括：中斷優(yōu)先級的 設定，中斷初始化，通信方式的選擇和波特率的設定，各 io 口功能的設定等。初始化完 成后程序進入待機狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個外部中斷源和串行中 斷。外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 點陣顯示屏的控 制方式是由按鍵控制還是上位機控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動態(tài)顯示。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)生后由預先初始化時設定跳轉執(zhí)行中斷 子程序。中斷程序設定了 led 點陣顯示屏所要顯示的內容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是 各種顯示程序。按照設定的方式和內容顯示出所需要的內容。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 19

55、 4.2.2 顯示程序的設計 顯示程序分為靜態(tài)顯示程序、左移顯示 2 種種顯示方式。其中左移動程序調用了靜 態(tài)顯示程序為子程序。 對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅動電路，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 led 屏幕分成若干部分，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 循環(huán)進行在重復掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定

56、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動電路可重復利 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合 51 單片機 io 口數(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 4-2 所示，先選通列然后再從行送入對應 列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復，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

57、面。 1 2 1 16 2 16 16 16led16 16led16 16led led 16 led 1 led 2 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 20 圖 4-2 掃描顯示程序原理圖 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)元素的對應關系第 i 列 對應的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i 和第 i+16 個元素。將對應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，所得結果通過單片機端口輸出到串 并轉換器的 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。 開始 讀入顯示數(shù)組 顯示 顯示數(shù)組元素邏輯左移一位

58、移位次 數(shù)是否 為 16 n y 圖 4-5 左移程序流程圖 動態(tài)顯示程序流程如圖 4-5 所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲原理通過改變實際 led 列與 數(shù)據(jù)邏輯列的方法來實現(xiàn)程序的左移。顯示數(shù)據(jù)與列的對應關系為：第 i 列對應的數(shù)據(jù) 為數(shù)組中 i 和第 2i 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)進行邏輯位移便能產(chǎn)生左移動的效果18。 第 5 章 系統(tǒng)調試 21 第 5 章 系統(tǒng)調試 軟件硬件完成后開始進行調試。調試可

59、分為硬件調試，軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)合調試。 5.1 系統(tǒng)硬件部分調試 硬件調試主要是調試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設計 要求，最后測試各硬件部分能否完成設計功能。因此把硬件調試按照以下四部分分步來 進行： （1）測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在； （2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設計要求的范圍內； （3）測試 isp 下載線的功能是否能夠實現(xiàn)； （4）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠實現(xiàn)。 由于最重要的顯示系統(tǒng)功能的測試需要軟件配合所以在硬件調試部分只測試單片機 復位電平，功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調試部分來完成。 5.1.1 短路與虛焊檢測 檢測工具為萬用

60、表，使用萬用表的短路報警功能，逐個測試相臨的兩個焊點檢測是 否短路。按照電路圖檢測需要連接的兩點是否短路來檢測是否已經(jīng)連接上，以此來檢測 虛焊的情況。檢測和修改完成后為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起檢 測結果不真實的麻煩。 5.1.2 上電測試 由于系統(tǒng)測試時是采用 usb 電源為系統(tǒng)電源，所以電源輸入都為 5v。顯示系統(tǒng)中單 片機、譯碼器，鎖存器，驅動電路的電源電壓均要求為 5v 所以可同時直接接入。 上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過觀察，沒有這些現(xiàn) 象出現(xiàn)。然后測試各器件的電源，接地及一些電平應該固定的端口的電壓。測試的結果 為：各器件電源端在 4.3