led點陣畢業(yè)設計論文

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p>　　設計(論文)題目： LED顯示系統(tǒng)設計 </p><p>　　學生姓名： 指導教師： </p><p>　　二級學院： 信息技術學院 專　　業(yè)： 通信工程 </p>

2、;<p>　　班　　級： 學　　號： </p><p>　　提交日期： 2012年4月20日 答辯日期： 2012年 5月12日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要III</b>

3、;</p><p>　　AbstractIV</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 LED顯示屏的廣泛應用1</p><p>　　1.2 最新的LED顯示屏技術1</p><p>　　1.3 本課題的主要內容1</p><p&g

4、t;　　第2章 系統(tǒng)硬件方案論證與選擇3</p><p>　　2.1 上位機部分方案選擇3</p><p>　　2.2 通信部分方案選擇3</p><p>　　2.3 控制部分方案選擇4</p><p>　　2.4 顯示部分方案選擇4</p><p>　　2.5 最終確定硬件設計方案6</p>

5、<p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設計7</p><p>　　3.1 硬件整體設計概述及功能分析7</p><p>　　3.2 控制單元設計7</p><p>　　3.3 行驅動模塊設計9</p><p>　　3.4 列驅動模塊設計11</p><p>　　3.5 單片機ISP下載編程器13</

6、p><p>　　3.6 USB電源接口14</p><p>　　3.7 MAX232串口通信電路14</p><p>　　3.8 系統(tǒng)總電路圖15</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設計17</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件方案選擇17</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件程序設計

7、17</p><p>　　第5章 系統(tǒng)調試21</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件部分調試21</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調試21</p><p>　　5.3 系統(tǒng)聯(lián)合調試及結果22</p><p>　　5.4 調試結果分析23</p><p>　　第6章 結 論24&l

8、t;/p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　附錄 1： 硬件原理圖26</p><p>　　附錄 2： 設計程序27</p><p>　　附錄 3： 系統(tǒng)仿真圖33</p><p><b>　　致 謝34</b></p><

9、;p><b>　　LED顯示系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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)展的新興產業(yè)，市場空間巨大，前景廣闊。</p><p>　　本文介紹了一款以單片機AT8

10、9S51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機的控制命令以及顯示代碼，由顯示驅動模塊驅動一個16×16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。&

11、lt;/p><p>　　關鍵詞：AT89S51；LED點陣顯示；ISP</p><p>　　Design of LED display system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Nowadays, more and more places need to use LED dot

12、matrix to display Chinese characters and graphics, 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 develo

13、ping industry with a huge market space and foreground capacious.</p><p>　　This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU AT89S51. The system can display in both Chinese and Engl

14、ish 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 m

15、odule drives a 16×16-resolution LED lattice LED’s panel display scan showed. Communication between PC and the microcontroller using ISP download pr</p><p>　　Key words: AT89S51; lattice LED’s panel disp

16、lay; ISP</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 LED顯示屏的廣泛應用</p><p>　　LED顯示屏可以顯示變化的數字、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。</p><p>　　LED點陣顯示屏以亮度高

17、、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顯示屏的應用涉及社會經濟的許多領域，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

18、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）廣告媒體新產品等。</p><p>　　1.2 最新的LED顯示屏技術</p><p>　　隨著液晶（LCD）產品價格的下降，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，個性化產品層出不窮，多媒體應用需求已經顯現(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

19、若干視聽設備相連的技術需求增加，如高分辨多媒體接口HDMI等數字傳輸技術，已開始應用在LCD顯示器上。</p><p>　　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

20、以傳輸數字音頻和視頻數據，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品實現(xiàn)真正意義上的融合。目前許多高清數字電視生產商都在產品中采用了HDMI接口，HDMI也已經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/

21、V接收器中，也被應用在游戲機和便攜式攝像機中。</p><p>　　1.3 本課題的主要內容</p><p>　　針對本課題的特點，對論文的內容和結構將做如下安排：</p><p>　?。?）初步方案的論證和選擇</p><p>　　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行分析比較。最終選定了以PC機為上位機

22、，單片機為核心控制器件，外加譯碼電路和驅動電路的設計方案。</p><p><b>　　（2）方案實現(xiàn)</b></p><p>　　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

23、器件。論文列出了詳細的器件參數和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 </p><p><b>　?。?）軟件編寫 </b></p><p>　　根據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

24、塊整合起來。</p><p><b>　?。?）驗證與測試</b></p><p>　　調試分為硬件調試、軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)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。</p><p><b>　?。?）結論&

25、lt;/b></p><p>　　設計完成后對設計中所遇到的問題、經驗教訓、以及自己的想法進行總結。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)硬件方案論證與選擇</p><p>　　大多數的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

26、圖2-1所示,根據顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，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]。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)硬件組成框圖</p><p>　　2.1 上位機部分方案選擇</p><p>　　其中系統(tǒng)采用現(xiàn)

27、在已經非常普遍的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。</p><p>　　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)傳輸到顯示屏顯示[9]。兩

28、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。</p><p>　　2.2 通信部分方案

29、選擇</p><p>　　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。</p><p>　　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，給電子產品的設計和生產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

30、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數據傳輸速率較低，影響嵌入式產品的開發(fā)。而USB ISP完美地解決了這些問題，它具有較強的易用性，可靠性和兼容性，數據傳輸速率也較快。</p><p>　　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

31、下載的方法。</p><p>　　2.3 控制部分方案選擇</p><p>　　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)送的數據和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內容。</p><p><b>　　（1）單片機</b></p><p>　　單片機是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型計算機

32、。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，“ 看門狗”，PWM，顯示驅動，函數發(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

33、電電壓由5V 降到3V，2V甚至到1V，工作電流由mA降至μA ，這在便攜式產品中大有用武之地[4]。</p><p><b>　　（2）DSP 芯片</b></p><p>　　DSP又叫數字信號處理器。顧名思義，DSP主要用于數字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數據容量的信號處理?，F(xiàn)在已經廣泛應用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電

34、器、醫(yī)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。將程序與數據存儲器分開，使用多總線，取指令和取數據同時進行，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]。</p>

35、;<p>　　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、AVR、ARM、PIC等。其中應用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產品硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產歷史“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

36、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。</p><p>　　2.4 顯示部分方案選擇</p><p>　　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路。由于單片機的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

37、增加單片機并行輸出的能力。</p><p>　　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8×8、16×16幾種；這兩種屏幕構成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管

38、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。</p><p>　　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，選擇點陣數較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風險。所以構

39、建一個16×16的LED點陣屏選用四塊8×8點陣模塊。</p><p>　　圖 2-2 LED點陣圖</p><p>　　一個16×16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進行擴展。經常采用的端口擴展方法是用串并轉換芯片進行譯碼。常用的串并轉換芯片有74LS154（4線-16線譯碼器）、74HC138（8

40、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２０ｍＡ，具有一定的驅動能力；而為高電平時，輸出電流僅數十μＡ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。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅動電路[7]。</p><p>　　2.5 最終確定硬件設計方案</p><p>　　最終方案如圖2

41、-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到單片機系統(tǒng)，單片機根據上位機傳輸來的內容和指令通過端口譯碼擴展后驅動4塊8×8LED點陣模塊構成的16×16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。</p><p>　　圖2-3 硬件設計方案</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設計</p>

42、<p>　　3.1 硬件整體設計概述及功能分析</p><p>　　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16×16的點陣屏組成。具體工作流程為：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LE

43、D顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內容[11]。</p><p>　　根據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：</p><p>　　圖3-1 硬件原理框圖</p><p>　　該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點：</p><p>

44、;　?。?）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。</p><p>　　（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。</p><p>　　（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。</p><p>　　（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

45、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。</p><p>　?。?）單片機由ISP下載線下載程序和供電，可不設立專用供電電源。</p><p>　　（6）由USB接口完成與上位機的通信速度和數據傳 的可靠性要達到顯示要求。</p><p>　　3.2 控制單元設計</p><p>　　3.2.1 控制系統(tǒng)設

46、計</p><p>　　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，選定一定數量的IO口作為控制口控制外部的各種器件和數據的輸出。根據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。</p><p>　　在該系統(tǒng)中，P0各口主要用作LED顯示數據的行控制輸出。具體接

47、法為：P0.4，P0.5,P0.6分別接74HC138的A端，B端,C端向74HC138送入串行數據經過其轉換后并行輸出；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0000H－FFFFH），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,

48、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：</p><p>　　圖3-2 控制部分電路圖</p><p>　　3.2.2 AT89S51簡介</p><p>　　AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，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

49、、非易失性存儲技術生產，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。</p><p>　　AT989S51具有以下特點：</p><p>　　·與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容<

50、/p><p>　　·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器</p><p>　　·1000次擦寫周期</p><p>　　·4.0－5.5V的工作電壓范圍</p><p>　　·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz</p><p><b>　　·三級程序加

51、密鎖</b></p><p>　　·128×8字節(jié)內部RAM</p><p>　　·32個可編程I/O口線</p><p>　　·2個16位定時/計數器</p><p><b>　　·6個中斷源</b></p><p>　　·

52、全雙工串行UART通道</p><p>　　·低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)</p><p>　　·看門狗（WDT）及雙數據指針</p><p>　　·掉電標識和快速編程特性</p><p>　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模

53、式）</p><p>　　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），兩個數據指針，兩個16位定時/計數器，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。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作

54、。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。</p><p>　　3.3 行驅動模塊設計</p><p>　　3.3.1 行驅動系統(tǒng)設計</p><p>　　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接顯示屏H1-H8解決

55、了顯示屏供電不足的問題。具體電路如圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 行驅動電路圖</p><p>　　3.3.2 串并轉換器74HC138</p><p>　　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16×16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7～9個端口便可實現(xiàn)控制顯示。大

56、大減少了I/O口的占用數目，為單片機擴展其他功能預留下來了空間。</p><p>　　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）。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效（E1和E2）和一個高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。</p><p>　　表3-1 74

57、HC138集成譯碼器功能表</p><p>　　3.4 列驅動模塊設計</p><p>　　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)在顯示本行各列數據的同時，傳送下一行的列數據，達到重疊處理的目的。數據在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。如果兩個時鐘連在一起

58、，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），存儲寄存器的數據輸出到總線。</p><p>　　工作順序：單片機先送1個8位數據到第一個595的內部移位寄存器->然后數據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

59、低電平時，數據在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：</p><p>　　圖3-4 列驅動原理圖</p><p>　　3.5 點陣顯示模塊設計</p><p>　　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

60、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)光管亮滅的數據并鎖存，然后選通第一行使其點亮一定的時間，然后熄滅；再送出第二行的數據并鎖存，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。該方法能驅動較多的LED，控制方式較靈活，而且節(jié)省單片機的資源。&l

61、t;/p><p>　　圖3-5點陣顯示電路</p><p>　　3.5 單片機ISP下載編程器</p><p>　　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

62、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)場調試的時間，簡化生產流程，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。</p><p>　　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

63、機器碼能即時下載到AT89S51單片機片內Flash中，并可在線修改。</p><p>　　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USB總線相結合，進行ISP下載。</p>&

64、lt;p>　　本設計中ISP電路如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 ISP下載電路</p><p>　　3.6 USB電源接口</p><p>　　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。</p><p>　　具體電路如圖3-7所示：</p>

65、<p>　　圖3-7 USB電源接口電路</p><p>　　3.7 MAX232串口通信電路</p><p>　　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。</p><p>　　具體電路如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 232串口通信電路</p

66、><p>　　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。</p><p>　　內部結構基本可分三個部分：</p><p>　　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。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。</p><p>　　第二部分是

67、數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數據從R1IN、R2IN輸入轉換成T

68、TL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。</p><p>　　第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。</p><p>　　3.8 系統(tǒng)總電路圖</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件方案選擇</p><p>　　軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易

69、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。</p><p>　　4.1.1 單片機編程語言選擇</p><p>　　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。&l

70、t;/p><p>　　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]。</p><p>　　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

71、語言，可產生壓縮代碼。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控制而不用匯編語言。與匯編相比，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據類型等細節(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。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

72、許多標準子程序，具有較強的數據處理能力；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單片機的不同較快地移植過來。</p><p>　　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。</p><p>　　4.1.2 系統(tǒng)軟件編譯工具選擇</p><

73、;p>　　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MCS－51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。</p><p>　　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

74、。</p><p>　　4.2 系統(tǒng)軟件程序設計</p><p>　　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。</p><p>　　4.2.1 主程序設計</p><p>　　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

75、機數據，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。</p><p>　　主程序的工作流程如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　程序開始時首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：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

76、，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。</p><p&

77、gt;　　4.2.2 顯示程序的設計</p><p>　　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。</p><p>　　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據．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

78、的制造，成本高，其可靠性也較低．</p><p>　　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

79、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．</p><p>　　兩種顯示方式的比較再結合51單片機IO口數量有限的原因決定采用動態(tài)掃描的方式進行顯示。</p><p>　　動態(tài)掃描分為行掃描和列掃描兩種方式區(qū)別在于選通端和數據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據，這樣從第1列到第16列

80、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)定的畫面。</p><p>　　圖4-2 掃描顯示程序原理圖</p><p>　　顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數據元素的對應關系第i列對應的行數據為數組中的第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

81、端，鎖存在鎖存器里完成一列數據移位后再將其輸出。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面[17]。</p><p>　　圖4-5 左移程序流程圖</p><p>　　動態(tài)顯示程序流程如圖4-5所示，根據顯示數據的存儲原理通過改變實際LED列與數據邏輯列的方法來實現(xiàn)程序的左移。顯示數據與列的對應關系為：第i列對應的數據為數組中i和第2×i個數據。顯示數組中，第1至16個元素的第8至第1位

82、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。所以將元素數據進行邏輯位移便能產生左移動的效果[18]。</p><p><b>　　第5章 系統(tǒng)調試</b></p><p>　　軟件硬件完成后開始進行調試。調試可分為硬件調試，軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)合調試。</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件部分調

83、試</p><p>　　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：</p><p>　　（1）測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在；</p><p>　?。?）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；</p><p&

84、gt;　?。?）測試ISP下載線的功能是否能夠實現(xiàn)；</p><p>　?。?）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠實現(xiàn)。</p><p>　　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。</p><p>　　5.1.1 短路與虛焊檢測</p><p>　　檢測工具為萬用

85、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。</p><p>　　5.1.2 上電測試</p><p>　　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，

86、驅動電路的電源電壓均要求為5V所以可同時直接接入。</p><p>　　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4.3V～4.8V之間滿足器件的電源電壓要求，單片機端口在未接負載時端口電壓為4.5V。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調試</p>

87、<p>　　由于已經進行了硬件調試，所以軟件調試主要是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現(xiàn)性。在進行功能調試前必須用KEIL C對所有程序進行編譯，編譯成功生產可執(zhí)行的.hex后將程序燒入芯片中。如圖5-1,5-2所示</p><p>　　圖5-1生成.hex</p><p>　　圖5-2將程序燒入芯片</p><p>　　5.3 系統(tǒng)聯(lián)合

88、調試及結果</p><p>　　經過硬件調試和軟件調試，排除了硬件的連接問題和驗證了程序的可實現(xiàn)性。其余功能的軟件便可以在此基礎上調試驗證其功能的正確性。聯(lián)合調試的具體方法如下：</p><p>　　（1）編寫一個逐點掃描的顯示程序，再結合硬件電路運行。這樣做的目的在于檢測各器件是否能夠正常運行和顯示屏的各個LED燈是否有損壞。結果顯示顯示屏中只有邊角出有一個LED燈被燒壞，其他器件邏輯功

89、能運行正常。</p><p>　　（2）將靜態(tài)顯示子程序與動態(tài)顯示程序結合硬件電路進行調試。顯示存在兩個問題。一是發(fā)光點的下方會出現(xiàn)一個很微弱的亮點，影響了整體的顯示效果。二是同一列的LED燈被點亮的數量與其亮度出反比，即如果同一列的燈都被點亮則亮度比只點亮幾個時要暗一點。</p><p>　?。?）將USB通信，顯示，硬件聯(lián)合調試。按照設定的通信協(xié)議，先由PC機向單片機發(fā)送起始控制字，接

90、著再發(fā)送顯示數據，最后發(fā)送控制顯示方式的顯示控制字。再發(fā)送不同的顯示數據和顯示控制字，觀察各種顯示方式的運行情況和各種顯示方式之間的切換情況。結果是顯示屏執(zhí)行顯示控制指令，顯示所發(fā)送的內容。</p><p>　　5.4 調試結果分析</p><p>　　對調試中出現(xiàn)的問題進行了分析，得出以下原因和修改辦法。</p><p>　?。?）硬件的工作表現(xiàn)出不穩(wěn)定，主要是表

91、現(xiàn)在LED顯示屏的驅動電路部分和單片機系統(tǒng)部分。具體表現(xiàn)為單片機接負載后電壓被拉低值1.7V左右，無法滿足譯碼電路的輸入要求。顯示時會有一些行驅動的輸出不夠設計指標 ，導致所驅動的那一行在顯示屏上表現(xiàn)為選定的點不能夠很好區(qū)分，圖像出現(xiàn)模糊。分析造成這一現(xiàn)象的原因為，焊接時三極管遭到了高溫損壞以致工作不穩(wěn)定和焊接的電路不夠牢靠，還有就是胡級管的e端所接電壓過高。修改辦法為將單片機輸出端口外接5K的上拉電阻，替換損壞三極管。</p&g

92、t;<p>　?。?）虛點的產生與軟件和三極管電壓有關。修改辦法是將軟件中的延時時間調至恰當值。</p><p>　　經過調試和修改，系統(tǒng)實現(xiàn)了題目所要求的漢字顯示，左移顯示及上位機通信與控制的要求。最終實物圖如圖5-3所示</p><p><b>　　圖5-3實物圖</b></p><p><b>　　第6章 結 論&

93、lt;/b></p><p>　　經過一段時間的工作，終于完成了基于51單片機的LED顯示系統(tǒng)的設計，設計所要求的功能全部達到。通過這次設計收獲頗多，不僅是所作題目涉及到的軟硬件知識還有更為重要的實際經驗和過程中所發(fā)現(xiàn)的問題。</p><p>　　接手題目之后從互聯(lián)網上對LED進行了詳細的資料收集，從技術和產業(yè)的兩方面對LED進行了了解。通過了解我認識到LED是一門當今應用非常廣泛的

94、技術，整個產業(yè)每年都會有巨大的產值而且技術還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新[20]。</p><p>　　從設計之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實現(xiàn)方法和實際情況設計一款小屏幕的LED點陣顯示屏。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了題目的設計方案。整個設計采用AT89S51做核心控制器，74HC138做成譯碼電路，74HC595做成列驅動。在實現(xiàn)這一設計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經驗和深刻教訓。這些經驗和教訓是

95、：</p><p>　　（1）設計之前應該進行大量的資料收集和分析，確定一個清晰的設計思路；</p><p>　?。?）器件選擇時要詳細閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實現(xiàn)還要考慮器件在整個系統(tǒng)中的兼容性；</p><p>　　（3）硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實物建立之前最好進行仿真這樣才能為軟件提供一個可靠的試驗平臺；</p><p

96、>　　（4）軟件的編寫不但要實現(xiàn)功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。</p><p>　　隨著課題的進行，對LED的了解也越來越深入。認為LED技術也會進一步發(fā)展，LED應用將會更加廣泛?？梢栽O想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術相結合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。</p>

97、<p>　　設計結束了，但學習還在繼續(xù)。我相信通過此次設計所得到的知識、心得、經驗乃至感受都會讓我在以后的日子里受益匪淺。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 關積珍.LED.顯示屏發(fā)展狀況及趨勢[J].世界電子元器件，2000, (02)：277-301.</p><p>　　[2] 關積珍,

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105、(AN 9206290756).</p><p>　　[20] Regenold, Stephen. LEDs Are Still Popular (and Improving) after All These Years[Z].Sep2004, Vol. 18 Issue 9, 44-44, 1/7p,1c; (AN 14525210).</p><p>　　附錄 1： 系統(tǒng)仿真圖<

106、;/p><p>　　附錄 2： 設計程序</p><p>　　//主程序主要為各功能子程序提供運行平臺，子程序分為顯示程序，特效顯示程序，//按鍵輸入中斷子程序</p><p>　　//#include<reg51.h></p><p>　　//#include <absacc.h></p><p>

107、;　　//#include <intrins.h></p><p>　　#include<AT89x52.h></p><p>　　//#include<regx52.h></p><p>　　#define COUNT 34</p><p>　　#define W 0X01</p><

108、p>　　unsigned char buffer[COUNT];</p><p>　　unsigned char point;</p><p>　　sbit A1=P1^0; //定義第一列對應端口</p><p>　　sbit A2=P1^1; // 第二列 </p>

109、<p>　　sbit A3=P1^4; // 第一行</p><p>　　sbit A4=P1^5; // 第二行</p><p>　　sbit CLK_L=P1^2; //列移位時鐘 上升沿觸發(fā)</p><p>　　sbit CLEAR_L

110、=P1^3; //列清除控制位 低電平有效</p><p>　　sbit CLK_H=P1^6; //行移位時鐘</p><p>　　sbit CLEAR_H=P1^7; // 行清除控制位 低電平有效</p><p>　　sbit EN=P2^0;</p><p>