【正文】 圖24 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)的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。 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]。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(hào){ }而不是子和特殊符號(hào)的語言。C可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)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(duì)單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對(duì)51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲(chǔ)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。 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(jī)開發(fā)中普遍都是使用KEIL C51來進(jìn)行編譯。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 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(dòng)電路和1616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(dòng)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]。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(duì)比最終的硬件原理圖如圖31所示。AT89S51電源74LS16474LS16474LS164ULN2803ULN280337374LS37374LS37374LS1648550三極管LED點(diǎn)陣模塊陽極4塊8*8點(diǎn)陣模塊構(gòu)成16*16LED點(diǎn)陣屏LED點(diǎn)陣模塊陰極MAX232圖31 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(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供LED顯示所需范圍內(nèi)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(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。（4）單片機(jī)要能夠控制LED顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)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。 控制單元設(shè)計(jì)控制單元是整個(gè)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)。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(duì)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，選擇美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。 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)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器既可在線編程（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。AT989S51具有以下特點(diǎn)：與MCS51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(chǔ)器1000次擦寫周期－全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz三級(jí)程序加密鎖1288字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)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(biāo)識(shí)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(chǔ)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(jí)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。 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(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32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(dòng)能力有限所以該端口外接了5K的上拉電阻來提高驅(qū)動(dòng)能力。具體接法為：，，向74LS164送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出；，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出；，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)；。，當(dāng)為高電平使允許輸出；。，EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H－FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器所以將EA置為高電平。圖32 控制部分電路圖AT89S51單片機(jī)的P1在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)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(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器不夠用時(shí)使用[12]。 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33所示 串并轉(zhuǎn)換器74LS164列譯碼采用的是芯片74LS164。如果不采用譯碼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(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。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)。參數(shù)最小值標(biāo)準(zhǔn)值最大值單位高電平輸入電壓2——V低電平輸入電壓——V高電平輸出電壓V低電平輸出電壓—V時(shí)鐘頻率0—25MHZ表31 74LS164工作參數(shù) 這就要求單片機(jī)的引腳輸出的高低電平要在芯片的識(shí)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74LS164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。 圖33 行譯碼電路圖 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(shí)，串行數(shù)據(jù)的第一位會(huì)從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會(huì)通過驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。參數(shù)最小值額定值最大值單位電源電壓5V輸入高電平電壓2——V輸入低電平電壓——V輸出高電平電壓——－mA輸出低電平電壓——24mA表32 74LS373工作參數(shù)表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(duì)譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 行驅(qū)動(dòng)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(shí)會(huì)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)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。8550為PNP型三極管，發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號(hào)輸出端，集電極接輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開關(guān)的作用。 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)列驅(qū)動(dòng)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)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)50V600mA[13]。ULN2803作為列驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)的輸輸出低電平。相對(duì)應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來吸收行驅(qū)動(dòng)流出進(jìn)過顯示屏后的電流。具體電路如圖34所示。圖34 列驅(qū)動(dòng)原理圖 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。單片機(jī)與計(jì)算機(jī)不能直接相連進(jìn)行通信必須將RS232C與TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換[14]。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RS232C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35所示：圖35 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中MAX2374LS1674LS37AT89S51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(duì)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36所示。圖36 電源原理圖如圖所示，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。 級(jí)連大屏幕LED顯示屏要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級(jí)連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級(jí)連的方法。譯碼器級(jí)連如圖37所示將第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(jí)連時(shí)就變?yōu)橐粋€(gè)串行輸入7N口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。這種級(jí)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(jí)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