【正文】 3 為譯碼電路器件，74HC595 為驅(qū)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(shè)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(diào)試，最后將獨立的模塊整合起來。（4）驗證與測試調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進行。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有單片機端口驅(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)計完成后對設(shè)計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓、以及自己的想法進行總結(jié)。第 2 章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案選擇 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。為方便檢修和維護硬件電路設(shè)計時常常采用模塊化的設(shè)計方法。硬件的設(shè)計采用模塊化設(shè)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 21 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，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(nèi)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(nèi)容和顯示方式 [3]。205。168。208。197。178。191。214。191。216。214。198。178。191。214。207。212。202。190。178。191。214。201。207。206。187。圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 上位機部分選擇其中系統(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(nèi)容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動顯示。LED 顯示上位機的內(nèi)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(nèi)容同時顯示在 LED 顯示屏上，上位機上內(nèi)容變化 LED 顯示屏也跟著變化。存儲顯示是將顯示內(nèi)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(yīng)上位機內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實時性好多用于新聞播報、實況轉(zhuǎn)播用，但實時顯示硬件開銷大，對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實時性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設(shè)計題目對顯示的實時性要求較低且所設(shè)計的顯示屏尺寸不大同時顯示的內(nèi)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(nèi)容。 通信部分方案選擇 通信部分要滿足的設(shè)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。ISP（InSystem 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(shè)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)。基于以上原因，本設(shè)計選擇了一種將單片機和 USB 總線相結(jié)合，進行 ISP 下載的方法。 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(nèi)容。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(shù)，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(qū)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 μA ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地 [4]。單片機的技術(shù)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 MCS5AVR、ARM、PIC 等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機首推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)勢常作為單片機學習的教材。且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當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。 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(qū)動該顯示屏的驅(qū)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(qū)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(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)光二極管逐點連接起來，如圖 22 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED 點陣子模塊構(gòu)成大的 LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 81616 幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)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(fù)雜；而點陣模塊構(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(gòu)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(gòu)建一個 1616的 LED 點陣屏選用四塊 88 點陣模塊。 圖 22 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(qū)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(zhuǎn)換芯片進行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（4 線16 線譯碼器） 、74HC138（8 位串并轉(zhuǎn)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(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 μＡ甚至更小（電流實際上是由腳的上拉電流形成的） ，基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機不能直接驅(qū)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(qū)動電路 [7]。 最終確定硬件設(shè)計方案最終方案如圖 23 所示，以 PC 機作為上位機存儲和處理顯示內(nèi)容用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)，單片機根據(jù)上位機傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動 4 塊 88LED 點陣模塊構(gòu)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(shè)計。181。165。198。172。187。210。235。194。181。231。 16161。193。LED207。212。202。190。198。207。212。202。190。199。253。182。175。181。231。194。180。174。208。205。168。197。PC187。圖 23 硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案選擇軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)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。 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(shè)計語言，是一種功能很強的程序設(shè)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(nèi)存空間少等優(yōu)點，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(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 可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：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(jié)構(gòu)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(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(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?；谝陨侠碛蓻Q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(shè)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。因此軟件設(shè)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。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件整體設(shè)計概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)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(qū)動電路和 1616 的點陣屏六部分組成。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(nèi)容，單片機接收后執(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(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 31 所示。 復(fù)位電路時鐘電路AT89S51單片機行驅(qū)動列驅(qū)動16*16LED點陣屏 圖 31 硬件原理圖 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(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。（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(qū)動電路的要求。（4）單片機要能接收上位機的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 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)行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。（5）單片機由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。（6）由串口完成單片機與上位機的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_到顯示要求。 控制單元設(shè)計 控制系統(tǒng)設(shè)計控制電路設(shè)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(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端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 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：