基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì)論文

1、 學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定表題目 基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 姓名 王曉南 學(xué)號 25 系 部 電子信息工程系 專業(yè) 電子與信息工程技術(shù) 指導(dǎo)教師 高豐 職稱 副教授 2014年11月18日師學(xué)院教務(wù)處制48 / 49基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要： 在這個信息化社會中，人們對信息的傳達(dá)需求激增，點(diǎn)陣式LED顯示屏成為重要的傳播媒體。金融證券、體育場所、交通運(yùn)輸、商業(yè)廣告、郵電電信與學(xué)校教育等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。因此，點(diǎn)陣式LED顯示屏的研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)獲得迅速的發(fā)展，并且成為了產(chǎn)業(yè)。點(diǎn)陣式LED顯示屏的顯示效果、功率環(huán)保也不斷優(yōu)化。點(diǎn)陣式LED屏具有較大的

2、信息顯示量、壽命長、功耗小、重量輕、空間尺寸小與造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)通過使用單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一款點(diǎn)陣式LED屏。同時，使用電腦VB編寫的上位機(jī)通過串口通信對點(diǎn)陣顯示屏的信息更新、顯示速度控制等。關(guān)鍵詞：AT89S51LED點(diǎn)陣 單片機(jī) 串口通信Led dot matrix display based on single chip designTan Jin-biao2007 Computer Science and Technology Major,Department of Mathematics and Computer Science, Sanming UniversityAbst

3、ract：In this information society, people surge in demand for information communication, dot matrix LED display has become an important media. Financial securities, sports venues, transportation, advertising, post and telecommunications fields of telecommunications and school education have been wide

4、ly used. Therefore, the dot matrix LED display R & D, design, production for the rapid development and become the industry. LED dot matrix display screen, green power has also been optimized. LED dot matrix display screen with a large amount of information, long life, low power consumption, light we

5、ight, small size and cost of space is low. The design of the control by using the MCU core, design a dot matrix LED display. Meanwhile, the use of computer PC VB, dot-matrix display through the serial port communication on the information updated to reflect the speed control.Key words：AT89S51 LED do

6、t matrix SCM Serial communication目錄第1章 緒 論11.1 課題背景11.1.1 選題背景11.1.2 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢11.2 論文主要容3第2章 方案論證與選擇42.1 系統(tǒng)硬件方案42.1.1 顯示屏主控制器42.1.2 通信系統(tǒng)62.1.3 LED點(diǎn)陣顯示屏62.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案72.2 系統(tǒng)軟件方案82.2.1 單片機(jī)編程語言82.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹92.2.3 上位機(jī)控制傳輸軟件9第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)113.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述與功能分析113.2 控制單元設(shè)計(jì)123.2.1 AT89S51簡介123.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)133.3

7、譯碼電路設(shè)計(jì)153.3.1 串并轉(zhuǎn)換器74LS164153.3.2 鎖存器74L373163.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)173.4.1 行驅(qū)動電路設(shè)計(jì)173.4.2 列驅(qū)動電路設(shè)計(jì)183.5 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)183.6 電源設(shè)計(jì)193.7 級連大屏幕LED顯示屏20第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.1 程序設(shè)計(jì)224.2 顯示程序的設(shè)計(jì)234.2.1 LED顯示屏的顯示方式234.2.2 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式244.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì)254.3 通信程序的設(shè)計(jì)27第5章 系統(tǒng)調(diào)試295.1 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法295.1.1 短路與虛焊檢測305.1.2 上電測試305.1.3 串口調(diào)試305.2 系統(tǒng)軟件調(diào)

8、試方法315.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試與結(jié)果325.4 調(diào)試結(jié)果分析32結(jié)論34致35參考文獻(xiàn)36附錄1 系統(tǒng)硬件原理圖37附錄2 設(shè)計(jì)程序38附錄3 系統(tǒng)PCB圖46第1章 緒 論1.1 選題背景LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬幾十萬個半導(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(diǎn)1。在短短的十來年中，LED點(diǎn)陣顯

9、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(diǎn)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。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(yīng)用涉與社會經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括：（1）證券交易、金融信息顯示。（2）機(jī)場航班動態(tài)信息顯示。（3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。（4）體育場館信息顯示。（5）道路交通信息顯示。（6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（7）郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳與信息顯示。（8）廣告媒體新產(chǎn)品等。1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢（1）我國LED

10、產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀我國的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至1998年底，年度銷售總額在1000萬元以上的企業(yè)有20多家，其銷售總額達(dá)6億元左右，占行業(yè)市場總額的85%以上。全國從事LED顯示屏的各類企業(yè)有100余家，從業(yè)人員近6000人，行業(yè)年度銷售總額近8億元人民幣，1996年、1997年的增長速度均保持40%左右，1998年略有回落。在國市場上，國產(chǎn)LED顯示屏的市場占有率近100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場體育中心、京九鐵路、西客站、首都機(jī)場、浦東機(jī)場等，均由國代表企業(yè)中標(biāo)。技術(shù)水平相對領(lǐng)先,我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)

11、展的同時，產(chǎn)品技術(shù)推出新，一直保持比較先進(jìn)的水平。90年代初即具備了成熟的16級灰度256色視頻控制技術(shù)與無線遙控等國際先進(jìn)水平技術(shù)，近年在全彩色LED顯示屏、256級灰度視頻控制技術(shù)、集群無經(jīng)線控制、多級群控技術(shù)等方面均有國先進(jìn)、達(dá)到國際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)；LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批LED顯示屏科技隊(duì)伍，在全國LED顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù)6000人中，科技人員有2800多人，將近50%。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。（2）LED顯示屏的發(fā)展趨勢 LED

12、顯示屏發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1.1990年以前LED顯示屏的成長形成時期。一方面，受LED材料器件的限制，LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域沒有廣泛展開，另一方面，顯示屏控制技術(shù)基本上是通訊控制方式，客觀上影響了顯示效果。這一時期的LED顯示屏在國外應(yīng)用較廣，國很少，產(chǎn)品以紅、綠雙基色為主，控制方式為通訊控制，灰度等級為單點(diǎn)4級調(diào)灰，產(chǎn)品的成本比較高。2.1990-1995年，這一階段是LED顯示屏迅速發(fā)展的時期。進(jìn)入九十年代，全球信息產(chǎn)業(yè)高速增長，信息技術(shù)各個領(lǐng)域不斷突破，LED顯示屏在LED材料和控制技術(shù)方面也不斷出現(xiàn)新的成果。藍(lán)色LED晶片研制成功，全彩色LED顯示屏進(jìn)入市場；電子計(jì)算機(jī)與微電子領(lǐng)域的

13、技術(shù)發(fā)展，在顯示屏控制技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)了視頻控制技術(shù)，顯示屏灰度等級實(shí)現(xiàn)16級灰度和64級灰度調(diào)灰，顯示屏的動態(tài)顯示效果大大提高。這一階段，LED顯示屏在我國發(fā)展速度非常迅速，從初期的幾空企業(yè)、年產(chǎn)值幾千萬元發(fā)展到幾十家企業(yè)、年產(chǎn)值幾億元，特別是1993年證券股票業(yè)的發(fā)展更引發(fā)了LED顯示屏市場的大幅增長。LED顯示在平板顯示領(lǐng)域的主流產(chǎn)品局面基本形成，LED顯示屏產(chǎn)業(yè)成為新興的高科技產(chǎn)業(yè)。3.1995年以來，LED顯示屏的發(fā)展進(jìn)入一個總體穩(wěn)步提高產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整完善的時期。1995年以來，LED顯示屏產(chǎn)業(yè)部競爭加劇，形成了許多中小企業(yè)，產(chǎn)品價(jià)格大幅回落，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，產(chǎn)品在質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化等方面出現(xiàn)

14、了一系列新的問題，有關(guān)部門對LED顯示屏的發(fā)展予以重視并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)囊?guī)和引導(dǎo)，目前這方面的工作正在逐步深化。（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LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識。并且對大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進(jìn)行了實(shí)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(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)人員也會越來越緊缺。但同時應(yīng)該清楚的認(rèn)識到我國的LED技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還

15、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 論文主要容針對設(shè)計(jì)題目的特點(diǎn)，作者對論文的容和結(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)行分析比較。最終選定了以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動電路的設(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實(shí)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(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8

16、550和ULN2803為驅(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(diǎn)和設(shè)計(jì)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(dú)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(dú)立的模塊整合起來。（4）驗(yàn)證與測試調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進(jìn)行。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定等問題。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)等問題。通過分析，查找找出了問題原因并設(shè)法將其解決。（5）結(jié)論設(shè)計(jì)完成后對設(shè)計(jì)中所遇到的問題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、以與自己的想法進(jìn)行總結(jié)。第2章 方案論證與選擇2.1

17、 系統(tǒng)硬件方案大多數(shù)的LED顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)時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)與上位機(jī)四部分組成。上位機(jī)通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示容代碼，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容和顯示方式3。顯示屏部分控制部分上位機(jī)通信系統(tǒng)圖2-1系統(tǒng)硬件方案圖2.1.1 顯示屏主控制器控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過后控制

18、顯示部分顯示容。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、DSP、與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，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 過渡

19、。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(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運(yùn)算與大數(shù)據(jù)容量的信號處理。現(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)以與流水線結(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(jìn)行，以與流水線技術(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)志是硬件乘法器以與特殊指令，一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令，速度慢。而DS

20、P 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處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等5。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動化，它是以計(jì)算機(jī)為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合與優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯片進(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可以通過軟件編程對

21、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(jī)。而且MCU和DSP都是通過串行執(zhí)行指令來實(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)時測控和高速應(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)在市場上常用的單片機(jī)主要有MCS-51、A

22、VR、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)，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機(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(jī)作為控制部分的核心器件。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、簡單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下顯示屏和上位機(jī)的距離不會很遠(yuǎn)，所以通信距離的要求不是很高。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。（1

23、）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(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，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(jìn)行的，而計(jì)算機(jī)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，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)會增加CPU負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實(shí)現(xiàn)。通用的通用異步接收/發(fā)送器，簡稱U

24、ART（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)成一個串行口6。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)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。如圖串口通信單片機(jī)最小系統(tǒng)LED點(diǎn)陣 圖2-2 硬件電路聯(lián)系圖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漢字的顯示屏，以與驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機(jī)的I/O口有限要不能直接用I/O口來驅(qū)動LED顯示屏，所以需要對單片機(jī)IO口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。

25、LED顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點(diǎn)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(gòu)成的LED點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的LED點(diǎn)陣模塊。目前市場上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有88、1616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)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(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，不過當(dāng)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。

26、兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個LED點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一個1616的LED點(diǎn)陣屏選用四塊88點(diǎn)陣模塊。圖 2-3 LED點(diǎn)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(jī)的端口驅(qū)動所以必須要對單片機(jī)的端口個數(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，吸入電流可達(dá)，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳

27、的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動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)動電路7。2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案最終方案如圖2-3所示，以PC機(jī)作為上位機(jī)存儲和處理顯示容用串行通信的方式將顯示容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來的容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動4塊88LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的1616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)。圖2-4硬件設(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

28、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2-4所示。圖2-5 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言以與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)編程語言現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)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(diǎn)。匯編語言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，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言。其具有執(zhí)行速度快，占存空間少等

29、優(yōu)點(diǎn)，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(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)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(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(jìn)行許多機(jī)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(diǎn)：對單片機(jī)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、不同存儲器的尋址與數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)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；編程與程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許

30、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(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。2.2.2 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(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語言。因此在系統(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(jī)開發(fā)中普遍都是使用KEIL C51來進(jìn)行編譯。因此軟件設(shè)計(jì)最終

31、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。2.2.3 上位機(jī)控制傳輸軟件其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的PC機(jī)作為上位機(jī)，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(jī)的作用是存儲并處理顯示容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動顯示。LED顯示上位機(jī)的容一般有實(shí)時顯示和存儲顯示兩種方法。實(shí)時顯示與上位機(jī)屏幕上的容同時顯示在LED顯示屏上，上位機(jī)上容變化LED顯示屏也跟著變化。存儲顯示是將顯示容處理過后存儲在上位機(jī)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(shí)時顯示屏幕能與時反應(yīng)上位機(jī)容的變化，顯示的效果和容的實(shí)時性好多用于新

32、聞播報(bào)、實(shí)況轉(zhuǎn)播用，但實(shí)時顯示硬件開銷大，對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實(shí)時性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設(shè)計(jì)題目對顯示的實(shí)時性要求較低且所設(shè)計(jì)的顯示屏尺寸不時顯示的容不多，所以實(shí)時顯示就沒有必要。所以上位機(jī)選擇存儲顯示的方法，控制LED顯示屏的顯示容10。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述與功能分析顯示系統(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)動電路和1616的點(diǎn)陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位PC機(jī)通過通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示容通過I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換

33、并行輸出，最后由顯示驅(qū)動電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到LED顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示容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(shí)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3-1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漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動電路要能提供LED顯示所需圍的電壓和電流要求。（3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以與譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機(jī)以與驅(qū)動電路的要求。（4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示容且能夠處理后控制LED顯示屏的顯示

34、，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(dá)到掃描顯示的最低要求。（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，用來和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制LED顯示屏的顯示容和顯示狀態(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)時方便的程序下載對程序的驗(yàn)證和編寫非常有用。還有就是

35、為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。3.2.1 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(jī)，片含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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)與引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程與通用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)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

36、AT989S51具有以下特點(diǎn)：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器1000次擦寫周期4.05.5V的工作電壓圍全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz三級程序加密鎖1288字節(jié)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計(jì)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）與雙數(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（ISP字節(jié)或頁寫模式） AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計(jì)數(shù)器，一個5向量兩

37、級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片振蕩器與時鐘電路。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(jì)數(shù)器，串行通信口與中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，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。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

38、3-2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

39、，當(dāng)為高電平使允許輸出；P2.2和P2.3接鎖存器74LS373的OE和LE端控制鎖存器的工作狀態(tài)。端口30，EA/VPP：外部訪問允許。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?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲器所以將EA置為高電平。圖3-2 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

40、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)的P1在訪問外部數(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，P2口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，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)存儲器和程序存儲器的擴(kuò)展用，以備部存儲器和程序存儲器不夠用的情況時使用12。3.3 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3-3所示圖3-3 行譯碼電路圖3.3.1 串并轉(zhuǎn)換器74LS164列譯碼采用的是芯片74LS164。如果不采用譯碼

41、電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來控制1616的LED點(diǎn)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(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。74LS164為一個8位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時，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任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0為低電平。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CLOCK上升沿作用下決定Q0的狀態(tài)。表3-1 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2

42、V低電平輸入電壓0.8V高電平輸出電壓2.43.2-V低電平輸出電壓0.20.4V時鐘頻率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別圍，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)分圍和頻率要求。3.3.2 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，串行數(shù)據(jù)的第一位會從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會從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

43、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)動電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器74LS373來完成這一功能。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，O0O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時，O0O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。表3-2

44、74LS373工作參數(shù)表參數(shù)最小值額定值最大值單位電源電壓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)鎖存器對譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。3.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)3.4.1 行驅(qū)動電路設(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。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

45、作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。行驅(qū)動采用PNP三極管8550接法如圖3-4示：圖3-4 行驅(qū)動器件8550的接法8550為PNP型三極管，部結(jié)構(gòu)如圖3-5示。發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動LED點(diǎn)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5V基極中帶負(fù)電的電子越過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發(fā)射極與基極之間的電勢差為5V，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(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)動電路中起到

46、提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。圖3-5 8550部結(jié)構(gòu)圖3.4.2 列驅(qū)動電路設(shè)計(jì)列驅(qū)動采用ULN2803。ULN2803是一種高電壓大電流達(dá)林頓管陣列部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個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)50V600mA13。ULN2803作為列驅(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(jìn)過

47、顯示屏后的電流。具體電路如圖3-7所示。圖3-7 列驅(qū)動原理圖3.5 通信系統(tǒng)硬件設(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題就是信號電平問題。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”時傳輸線上的電平在315V之間；傳送數(shù)字“0”時，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”時為5V數(shù)字“0”時為-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14。在通用的電平轉(zhuǎn)

48、換芯片中MAX232系列的芯片以集成度高，單5V電源工作，只需外接5個小電容即可完成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3.6 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。此時需要對民用的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220

49、V轉(zhuǎn)12V的變壓器進(jìn)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LM7805得出穩(wěn)定的5V輸出。3.7 級連大屏幕LED顯示屏要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用部譯碼器級連和多個單片機(jī)系統(tǒng)級連的方法。譯碼器級連如圖3-10所示將第1個74LS164的Q7端接第2個74LS164的A端，將第2個74LS164的Q7端接第3個74LS164的A端，如此炮制當(dāng)N塊74LS164相級連時就變?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(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時控制更多的LED點(diǎn)陣顯示屏，且74LS164的價(jià)格低廉整體成本得到了降低。但是這種級連方法也存在一定的缺點(diǎn)，5

50、1系列的單片機(jī)的晶振頻率不高74LS164級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。圖3-10 74LSL64級連構(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)行級連。如圖3-11所示，由獨(dú)立的LED顯示系統(tǒng)組成一個大的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

51、高了，如果要實(shí)現(xiàn)顯示容的實(shí)時性必須需要上位機(jī)不斷更新顯示容則增加了上位機(jī)的通信數(shù)據(jù)量，逐個的單片機(jī)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。圖3-11 由子系統(tǒng)構(gòu)建大屏幕LED顯示屏在實(shí)際應(yīng)用常采用部擴(kuò)展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構(gòu)建大屏幕LED顯示屏幕。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。第4章 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

52、顯示程序進(jìn)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(diào)用相應(yīng)顯示程序RI=1?起始位？接收顯示數(shù)據(jù)與控制命令將顯示數(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首先必須對單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的容包括：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IO口功能的設(shè)定等。初始化完成后程序進(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(diǎn)陣顯示屏的控制方式是由

53、按鍵控制還是上位機(jī)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(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LED點(diǎn)陣顯示屏所要顯示的容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設(shè)定的方式和容顯示出所需要的容。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

54、，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(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)定的畫面也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進(jìn)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(hù)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(jī)IO口數(shù)量有限的原因決定采用動態(tài)掃描的方式進(jìn)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

55、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(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。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)存儲方式如圖4-3，圖4-3 點(diǎn)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(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)。如圖(4-3)所示，一幅1616的點(diǎn)陣畫面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)按照B1B2B3B31B32存儲。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。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