基于51單片機(jī)的led點(diǎn)陣顯示屏-畢業(yè)論文

1、<p>　　基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　摘要：本文介紹了一款以單片機(jī)AT89S51為控制器的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)選用四塊8×8點(diǎn)陣模塊構(gòu)建一個(gè)16×16的LED點(diǎn)陣屏，可實(shí)現(xiàn)中英文字符的顯示及其動態(tài)特效顯示。選定AT89S51單片機(jī)為核心控制

2、器件，由串并轉(zhuǎn)換器和鎖存器為譯碼電路器件，三極管和驅(qū)動繼電器為驅(qū)動電路器件，通過級連的方式來擴(kuò)大顯示屏幕的尺寸以達(dá)到增加顯示內(nèi)容的目的。AT89S51單片機(jī)處理控制命令以及顯示代碼，將顯示內(nèi)容通過I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動電路模塊驅(qū)動LED點(diǎn)陣顯示屏的掃描顯示。整個(gè)設(shè)計(jì)采用AT89S51做核心控制器，74LS164和74LS373組成譯碼電路，三極管8550和ULN2803做行和列驅(qū)動。<

3、/p><p>　　關(guān)鍵字：AT89S51；LED點(diǎn)陣顯示屏；串并轉(zhuǎn)換器；鎖存器；驅(qū)動電路</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Abstract: This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU AT89S5

4、1. This system chooses four 8 x 8 bitmap module to construct a 16 x 16 of LED dot matrix screen.The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic s

5、how. Selected for the core control device AT89S51, the string and converter and latches to decode circuits, transistor and drive relays for driving circuit devices, through the ways to ex</p><p>　　Key words:

6、AT89S51；lattice LED’s panel display；String and converter；Latches</p><p>　　Driving circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>

7、;　　Abstract2</p><p><b>　　目 錄I</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.1 選題背景1</p><p>　　1.1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)

8、展趨勢1</p><p>　　1.2 論文主要內(nèi)容3</p><p>　　第2章 方案論證與選擇4</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件方案4</p><p>　　2.1.1 顯示屏主控制器4</p><p>　　2.1.2 通信系統(tǒng)6</p><p>　　2.1.3 L

9、ED點(diǎn)陣顯示屏6</p><p>　　2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案8</p><p>　　2.2 系統(tǒng)軟件方案8</p><p>　　2.2.1 單片機(jī)編程語言9</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹9</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)10</p><p>

10、;　　3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析10</p><p>　　3.2 控制單元設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.2.1 AT89S51簡介11</p><p>　　3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3 譯碼電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.3.1 串并轉(zhuǎn)換器74LS16

11、413</p><p>　　3.3.2 鎖存器74L37314</p><p>　　3.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4.1 行驅(qū)動電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.4.2 列驅(qū)動電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.5 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16</p><p&

12、gt;　　3.6 電源設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.7 級連大屏幕LED顯示屏18</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2 顯示程序的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.1 LED顯示屏的顯示方式20</p&

13、gt;<p>　　4.2.2 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式21</p><p>　　4.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.3 通信程序的設(shè)計(jì)24</p><p><b>　　結(jié) 論26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p

14、><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　　附錄 1： 硬件原理圖30</p><p>　　附錄 2： 原器件清單31</p><p>　　附錄 3： 系統(tǒng)PCB圖33</p><p>　　附錄 4： 程序清單34</p><p>　　附錄

15、 5： 外文參考資料翻譯44</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　1.1.1 選題背景</p><p>　　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，顯示屏由幾萬到幾十萬個(gè)半導(dǎo)體發(fā)

16、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、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[1]。</p><p>　　在短短的十來年中，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、耐沖擊和性能穩(wěn)定的

17、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)用涉及社會經(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)場航班動態(tài)信息顯示、港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示、體育場館信息顯示、道路交通信息顯示、調(diào)度指揮中心信息顯示、郵政、電信、商場購物中心等服務(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。

18、</p><p>　　1.1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　（1）我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　經(jīng)歷了多年的發(fā)展,我國LED產(chǎn)業(yè)已從購買芯片、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。我國上游產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，一是參與單位多，主

19、要單位有中科院半導(dǎo)體所、中科院物理所、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。二是與國際先進(jìn)水平比較,整體上一般芯片的亮度

20、、發(fā)光效率、抗靜電能力、抗漏電能力以及品質(zhì)控制水平與國際廠家仍有差距。三是能滿足市場需要且規(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。</p><p>　　值得一提的是,經(jīng)過多年的發(fā)展,我國LED顯示屏廠商已經(jīng)具有了很強(qiáng)的實(shí)力，雖然擁有DAK、L ighthouse、Darco等知名顯示屏廠商的競爭，但國內(nèi)LED顯示屏廠商還是占據(jù)了國內(nèi)市場的大部分份額，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)了一批如上海三思、北京利亞德、西安青

21、松等優(yōu)秀企業(yè)，國內(nèi)顯示屏市場吸收了很大一部分芯片產(chǎn)能，對促進(jìn)國內(nèi)上中游發(fā)展壯大起了重要作用。國內(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、歐盟等國家和地區(qū)。</p><p>　　LED顯示屏的發(fā)展前景</p><p>　　從LED產(chǎn)業(yè)全球分工來看，在LED上游外延片、芯片生產(chǎn)上，美國、日本、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，中國臺灣已經(jīng)成為全球重要的LED生產(chǎn)基地。目前全球形成了以

22、日、美、德為產(chǎn)業(yè)龍頭，中國臺灣、韓國緊跟其后，中國大陸、馬來西亞等國家和地區(qū)積極跟進(jìn)的梯隊(duì)分布。雖然中國在LED外延片、芯片的生產(chǎn)技術(shù)上距離國際先進(jìn)水平還有一定的差距，但是國內(nèi)龐大的應(yīng)用需求給LED下游廠商帶來巨大的發(fā)展機(jī)會，這為我國LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。</p><p>　　現(xiàn)代信息社會中，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

23、作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(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，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，預(yù)計(jì)在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示

24、屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應(yīng)用會是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長點(diǎn)。</p><p>　　未來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]。</p><p><b>　　選題意義</b></p><p>　

25、　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(gè)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(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識到我國的

26、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自己的就業(yè)還是對我國LED顯示技術(shù)的發(fā)展都有非常現(xiàn)實(shí)與積極的意義。</p><p>　　1.2 論文主要內(nèi)容</p><p>　　針對設(shè)計(jì)題目的特點(diǎn)，作者對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)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(guān)資料，

27、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。</p><p><b>　?。?）方案實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　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(shí)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7

28、4LS164和鎖存器74LS373為譯碼電路器件，三極管8550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。</p><p><b>　?。?）軟件編寫 </b></p><p>　　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(gè)功能上相對獨(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

29、后將獨(dú)立的模塊整合起來。</p><p><b>　?。?）結(jié)論</b></p><p>　　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)、以及自己的想法進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　第2章 方案論證與選擇</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件方案</p><p>　　大多數(shù)的LED顯示屏都在戶

30、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(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)三部分組成。單片機(jī)通過通信部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，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]。</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)硬件組成

31、框圖</p><p>　　2.1.1 顯示屏主控制器</p><p>　　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)：</p><p><b>　?。?）單片機(jī)</b></p><p>　　單片機(jī)是集

32、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

33、藝單片機(jī)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μA ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地[4]。</p><p><b>　?。?）DSP 芯片</b></p><p>　　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)算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信

34、、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處理指令，如TM320 系列的FIR

35、S ，LMS，MACD指令等[5]。</p><p><b>　?。?）EDA</b></p><p>　　EDA(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、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標(biāo)芯

36、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

37、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。</p><p>　　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。現(xiàn)在市場上常用的單片機(jī)主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中應(yīng)用最

38、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(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。</p><p>　　2.1.2 通信系統(tǒng)&

39、lt;/p><p>　　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)。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。</p><p><b>　?。?）并行通信</b></p><p>　　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。</p>&l

40、t;p><b>　?。?）串行通信</b></p><p>　　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(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

41、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[6]。</p><p>　　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UAR

42、T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。</p><p>　　2.1.3 LED點(diǎn)陣顯示屏</p><p>　　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。</p><p>　　LED顯示屏是由一

43、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，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)

44、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(gè)LED出現(xiàn)問題時(shí)同在一個(gè)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(gòu)成的方法來制作一個(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)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(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。</p&g

45、t;<p>　　圖 2-2 LED點(diǎn)陣圖</p><p>　　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)動所以必須要對單片機(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

46、一定的驅(qū)動能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更小（電流實(shí)際上是由腳的上拉電流形成的），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]。</p><p>　　2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　最終方案如圖2-3所示，以單片機(jī)機(jī)作為核心控制器件存儲和處理顯示內(nèi)容，用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指

47、令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動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)。</p><p>　　圖2-3 硬件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.2 系統(tǒng)軟件方案</p><p>　　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

48、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。</p><p>　　圖2-4 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　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

49、或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。</p><p>　　2.2.1 單片機(jī)編程語言</p><p>　　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)。</p><p>　　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

50、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]。</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(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

51、了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(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

52、就可根據(jù)單片機(jī)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>　　2.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹</p><p>　　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MCS－51用C語言編程的編譯器主要有兩種：Franklin C51

53、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。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析</p><p>　　顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動電路和16×16的點(diǎn)陣屏五部分組成。具體工作流程為：單片機(jī)通過通信系統(tǒng)發(fā)送控制指令和

54、顯示代碼內(nèi)容，執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)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)而使顯示屏顯示內(nèi)容[11]。</p><p>　　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。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖3-1所示。</p><p>

55、　　圖3-1 硬件原理圖</p><p>　　該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（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。</p><p>　?。?）驅(qū)動電路要能提供LED顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。</p><p>　?。?）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

56、滿足單片機(jī)以及驅(qū)動電路的要求。</p><p>　　（4）單片機(jī)要能夠控制LED顯示屏的顯示，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。</p><p>　　（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。</p><p>　　3.2 控制單元設(shè)計(jì)</p><p>　　控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核

57、心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機(jī)為核心器件，用來發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容，并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。</p><p>　　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(shí)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，

58、選擇美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。</p><p>　　3.2.1 AT89S51簡介</p><p>　　AT89S51是美國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)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在

59、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)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　AT989S51具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　　·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flas

60、h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>　　·三級程序加密鎖</b></p><p>　　·12

61、8×8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　　·32個(gè)可編程I/O口線</p><p>　　·2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　·6個(gè)中斷源</b></p><p>　　·全雙工串行UART通道</p><p>　　·低功耗

62、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(shù)據(jù)指針</p><p>　　·掉電標(biāo)識和快速編程特性</p><p>　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）</p><p>　　AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k

63、字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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(shí)/計(jì)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(nèi)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(gè)硬件復(fù)位

64、。</p><p>　　3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　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I\O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3-2所示。</p><p

65、>　　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

66、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OE和LE端控制鎖存器的工作狀態(tài)。</p><p>　　端口3.0，EA/VPP：外部訪問允許。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）

67、。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲器所以將EA置為高電平。</p><p>　　圖3-2 控制部分電路圖</p><p>　　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(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口在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時(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)存儲器和程序存儲器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲器和程序存儲

68、器不夠用時(shí)使用[12]。</p><p>　　3.3 譯碼電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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</p><p>　　3.3.1 串并轉(zhuǎn)換器74LS164</p><p>　　列譯碼采用的是芯片74LS164。如果不

69、采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來控制16×16的LED點(diǎn)陣屏顯示，需要32個(gè)端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要7～9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)留下來了空間。</p><p>　　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（QA－QH）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

70、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)。</p><p>　　表3-1 74LS164工作參數(shù)</p><p>　　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74LS16

71、4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。 </p><p>　　圖3-3 行譯碼電路圖</p><p>　　3.3.2 鎖存器74L373</p><p>　　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

72、74LS164芯片的輸出會出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會通過驅(qū)動電路表現(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)動電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器74LS373來完成這一功能。</p><p>　　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)

73、形式當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0~O7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(shí)，O0~O7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。</p><p>　　表3-2 74LS373工作參數(shù)表</p><p>　　由表與表比較可以看出，74LS164

74、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。</p><p>　　3.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.4.1 行驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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)會把多余的能量以光的形式釋放出來，

75、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。</p><p>　　8550為PNP型三極管，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(shí)，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

76、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)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。</p><p>　　3.4.2 列驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　列驅(qū)動采用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)

77、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×600mA[13]。</p><p>　　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(shí)其對應(yīng)的輸輸出低

78、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)過顯示屏后的電流。具體電路如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 列驅(qū)動原理圖</p><p>　　3.5 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　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。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

79、轉(zhuǎn)換[14]。</p><p>　　在通用的電平轉(zhuǎn)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(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3-5所示：</p><p>　　圖3-5 串口通信系統(tǒng)電路圖</p><p><

80、;b>　　3.6 電源設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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(shí)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3-6所示。</p><p>　　圖3-6 電

81、源原理圖</p><p>　　如圖所示，用220V轉(zhuǎn)12V的變壓器進(jìn)行降壓后再通過一個(gè)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。</p><p>　　3.7 級連大屏幕LED顯示屏</p><p>　　要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級連的方法。譯碼器級連如圖3-7所示</p>

82、;<p>　　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。但是這種級連方法也存在一定的缺點(diǎn)，51系列的單片機(jī)的晶振頻率不高74LS164級連過多會增加

83、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。</p><p>　　圖3-7 74LSL64級連</p><p>　　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。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

84、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)也會影響整個(gè)畫面的更新速度；二是成本提高了。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)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

85、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)級連。詳細(xì)硬件原理圖見附錄1。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　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)

86、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控制程序選擇不同的顯示程序進(jìn)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(shí)首先必須對單片機(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

87、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。</p><p>　　4.2

88、顯示程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 LED顯示屏的顯示方式</p><p>　　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。</p><p>　　對靜態(tài)顯示來說，每一個(gè)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)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅(qū)動裝量很多，引線

89、多而繁雜，不便于大屏幕的制造，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(gè)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

90、，且屏幕上的發(fā)光二極管輪流發(fā)光，使用時(shí)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．</p><p>　　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。</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(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(yīng)列的數(shù)據(jù)，

91、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。</p><p>　　圖4-2 掃描顯示程序原理圖</p><p>　　4.2.2 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式</p><p>　　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， </p><p>　　圖4-3 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)原理圖&l

92、t;/p><p>　　即數(shù)據(jù)是縱向的，一個(gè)像素對應(yīng)一個(gè)位。8個(gè)像素對應(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)。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B1B2B3……B31B32存儲。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列對應(yīng)的數(shù)組元素為第i和i+16個(gè)元素[1

93、6]。</p><p>　　4.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　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： </p><p>　　圖4-4 靜態(tài)顯示程序流程圖</p><p>　　顯示采用的是列掃描的顯示方

94、式，選通一列后按照列與數(shù)據(jù)元素的對應(yīng)關(guān)系第i列對應(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)選通各列來顯示所需畫面[17]。</p><p>　　圖4-5 左右移/上下移程序流程圖</p><p>　　動

95、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(shí)際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來實(shí)現(xiàn)程序的左右移動。顯示數(shù)據(jù)與列的對應(yīng)關(guān)系為：第i列對應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中i和第2×i個(gè)數(shù)據(jù)。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)動的畫面。</p><p>　　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

96、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)生上下移動的效果[18]。</p><p>　　4.3 通信程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　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-5

97、1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（IE），中斷優(yōu)先級控制寄存器（IP）。編程時(shí)通過設(shè)置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。</p><p>　　在編輯中斷程序時(shí)首先是將中斷控制寄存器（IE）初始化。其控制位分布如表。EA為中斷允許總控制位，EA=1時(shí)CPU開發(fā)中斷；EA＝1時(shí)。CPU屏蔽所有中斷。ES、ET、EX1、ET0、EX0為對

98、應(yīng)的串行口中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1中斷、外部中斷1中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0中斷、外部中斷0中斷的中斷允許位。對應(yīng)位為1時(shí)允許其中斷，對應(yīng)位為0時(shí)，禁止其中斷。</p><p>　　表4-1 中斷允許寄存器格式</p><p>　　所以初始化時(shí)設(shè)定中斷允許寄存器初值為0XFF，指令為 IE=0XFF。程序設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到中斷優(yōu)先級的問題。因?yàn)椴煌闹袛嗤瑫r(shí)產(chǎn)生而CPU響應(yīng)的順序取決于內(nèi)部查詢順

99、序。</p><p>　　設(shè)置串口工作方式1，波特率9600，計(jì)算可得計(jì)數(shù)器初值的十六進(jìn)制表示為0XFD。通信協(xié)議如表4-2所示：</p><p>　　表4-2 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)</p><p>　　具體串口中斷程序流程圖如圖4-6所示，在主程序中先進(jìn)行了串行中斷的初始化，初始化內(nèi)容包括了串行工作方式選擇，波特率的設(shè)定，計(jì)數(shù)初值的設(shè)定。程序開始進(jìn)入中斷等待，當(dāng)向單

100、片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷接收允許位RI置1，將SBUF（緩沖寄存器）中的值輸入到暫存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先判斷數(shù)據(jù)是否設(shè)定的起始標(biāo)志位‘S’如果是則開始接收起始位后的33個(gè)字節(jié)，不是則中斷返回繼續(xù)等待。接收到第34個(gè)字節(jié)后便將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較。</p><p>　　圖4-6 通信程序流程圖</p><p>　　所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)過編譯才能被單片機(jī)識別使用。為了減小軟件的修改和

101、優(yōu)化難度，先把各子程序?qū)憺橐粋€(gè)可單獨(dú)執(zhí)行的完整程序。各子程序編譯沒有錯(cuò)誤后再輸入單片機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，這兩項(xiàng)都通過后再將所有的程序整合到一起形成一個(gè)完整的程序再進(jìn)行編譯和驗(yàn)證。詳細(xì)程序見附錄2。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　經(jīng)過一段時(shí)間的工作，終于完成了基于51單片機(jī)的LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目所要求的功能全部達(dá)到。通過這次設(shè)計(jì)收獲

102、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(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(wǎng)上對LED進(jìn)行了詳細(xì)的資料收集，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的兩方面對LED進(jìn)行了了解。通過了解我認(rèn)識到LED是一門當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)每年都會有巨大的產(chǎn)值而且技術(shù)還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新[20]。</p><p>　　從設(shè)計(jì)之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)際情況設(shè)計(jì)

103、一款小屏幕的LED點(diǎn)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(shè)計(jì)方案。整個(gè)設(shè)計(jì)采用AT89S51做核心控制器，74LS164和74LS373組成譯碼電路，三極管8550和ULN2803做行和列驅(qū)動。在實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和深刻教訓(xùn)。這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)是：</p><p>　　（1）設(shè)計(jì)之前應(yīng)該進(jìn)行大量的資料收集和分析，確定一個(gè)清晰的設(shè)計(jì)思路；</p>

104、<p>　?。?）器件選擇時(shí)要詳細(xì)閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實(shí)現(xiàn)還要考慮器件在整個(gè)系統(tǒng)中的兼容性；</p><p>　?。?）硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實(shí)物建立之前最好進(jìn)行仿真這樣才能為軟件提供一個(gè)可靠的試驗(yàn)平臺；</p><p>　?。?）軟件的編寫不但要實(shí)現(xiàn)功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。</p><p>　　隨著課題的進(jìn)行，對LED

105、的了解也越來越深入。認(rèn)為LED技術(shù)也會進(jìn)一步發(fā)展，LED應(yīng)用將會更加廣泛?？梢栽O(shè)想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術(shù)相結(jié)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(nèi)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><p>　　設(shè)計(jì)結(jié)束了，但學(xué)習(xí)還在繼續(xù)。我相信通過此次設(shè)計(jì)所得到的知識、心得、經(jīng)驗(yàn)?zāi)酥粮惺芏紩屛以谝院蟮娜兆永锸芤娣藴\。<

106、;/p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次能夠圓滿完成畢業(yè)設(shè)計(jì)我首先要感謝我的指導(dǎo)老師**老師，感謝他在百忙之中對我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)、勉勵、和督導(dǎo)，使我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中避免了不少彎路。同時(shí)我要感謝大學(xué)四年里教過我課程的老師們，感謝他們對我知識增長所付出的辛勤勞動。</p><p>　　我還要感謝全班同學(xué)，感謝他們大學(xué)四年所

107、做的所有令人感動的、幽默的、滑稽的、荒誕的事情。我所在的實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，我也要感謝你們。雖然大家來自不同專業(yè)相處時(shí)間也不長，但大家共同的愛好相同的目標(biāo)使得大家互相扶持共同努力。</p><p>　　有了大家的幫助，使我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)！謝謝大家！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 關(guān)積珍.LED.顯示屏發(fā)

108、展?fàn)顩r及趨勢[J].世界電子元器件，2000, (02)：277-301.</p><p>　　[2] 關(guān)積珍,陸家和.我國LED顯示屏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展及展望.現(xiàn)代顯示，2004，(02)：34-37.</p><p>　　[3] Jeyamkondan S，Jayas D S，Holly R A.16x16 dot matrix LED has 4mm profile. Electro