【正文】 緒論 1． 1 LED及 LED 顯示屏 LED 就是 Light Emitting Diode（ 發(fā)光二極管 ） 的縮寫。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(lái) ， 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。 發(fā)光二極管是由 p 型和 n 型半導(dǎo)體組成的二極管。在 LED 的 p n 結(jié)附近 ,n 型材料中多數(shù)載流子是電子 ,p 型材料中多數(shù)載流子是空穴。 p n 結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘 ,當(dāng)加正向偏壓時(shí) ,在外電場(chǎng)作用下 ,p 區(qū)的空穴和 n 區(qū)的電子 就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng) ,構(gòu)成少數(shù)載流子的注入 ,從而在 p n 結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合 ,同時(shí)釋放出相對(duì)應(yīng)的能量 hν(h 為普朗克常數(shù) ,ν 為光子頻率 )而發(fā)光。該能量相當(dāng)于半導(dǎo)體材料的帶隙能量 Eg(Ev) ,其與發(fā)光波長(zhǎng) λ(nm) 的關(guān)系為 λ= 1239. 6PEg 。 LED 顯示屏 是一種通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、行情、視頻、錄像信號(hào)等各種信息的顯示屏幕。 LED 顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由 LED 矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計(jì)算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形； 視頻顯示屏采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實(shí)時(shí)、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動(dòng)畫、錄像、電視、 VCD 節(jié)目以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況。 LED 顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強(qiáng)，靜如油畫，動(dòng)如電影，廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場(chǎng)、建筑市場(chǎng)、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場(chǎng)所。 它的優(yōu)點(diǎn)：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、耐沖擊、性能穩(wěn)定。 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 2 AVR 系列單片機(jī)的簡(jiǎn)介 AVR 系列單片機(jī)及其特點(diǎn) ① 可靠性高：因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC機(jī)。系統(tǒng)軟件 (如：程序指令，常數(shù)，表格 )固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。許多信號(hào)的通道均在一個(gè)芯片內(nèi)，故運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 ②便于擴(kuò)展：片內(nèi)具有計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的 (總線，并行和串行的輸入 /輸出 )管腳，很容易組成一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 ③控制功能強(qiáng)：具有豐富的控制指令：如：條件分支轉(zhuǎn)移指令， I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。 ④實(shí)用性好：體積小，功耗低，價(jià)格便宜，易于產(chǎn)品化。 AVR 單片機(jī) 的 發(fā)展歷史簡(jiǎn)介 AVR 單片機(jī) 是 1997 年由 ATMEL 公司 研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速 8 位單片機(jī)。 AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀 表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 1997 年，由 Atmel 公司 挪威 設(shè)計(jì)中心的 A先生和 V 先生，利用 Atmel 公司的 Flash 新技術(shù)，共同研發(fā)出 RISC精簡(jiǎn)指令集高速 8 位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 AVR。 高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴以生存的必要條件 。 AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取 8 位機(jī)與 16 位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆 (32 個(gè)寄存器文件 )和單體高速輸入 /輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯 )。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開銷，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故 AVR 單片機(jī)在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的單片機(jī)。 AVR 單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的 Flash 程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持 ISP和 IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的 EEProm可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的 RAM 不 僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)程序，并可像 MCS51 單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部 RAM。 單片機(jī)的發(fā)展歷史簡(jiǎn)介 單片機(jī)誕生于 20世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC三大階段。 即單片微型計(jì)算機(jī)（ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “創(chuàng)新模式 ”獲得成功，奠定了 SCM 與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒(méi)。 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來(lái)看， Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將 MCS51 從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時(shí) ，不要忘記 Intel 和 Philips 的歷史功績(jī)。 ，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了 SoC 化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計(jì)、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 4 第二章 硬件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)框圖及介紹 從理論上說(shuō)，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在的位置相對(duì)應(yīng)的 LED 器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示方式。 16ｘ 16 的點(diǎn)陣共有 256 個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒(méi)有這么多的端口，如果我采用鎖存器來(lái)擴(kuò)展端口，按 8 位的鎖存器來(lái)計(jì)算， 16ｘ 16 的點(diǎn)陣需要 256/8=32 個(gè)鎖存器。這個(gè)數(shù)字很龐大，因?yàn)槲覀儍H僅是 16ｘ 16的點(diǎn)陣，在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個(gè)很龐大的數(shù)字。因此在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另外一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法。 動(dòng)態(tài)掃描的意思簡(jiǎn)單地說(shuō)就是逐 行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行（比如 16 行）的同名列共用一套驅(qū)動(dòng)器。具體就 16ｘ 16的點(diǎn)陣來(lái)說(shuō)，把所有同 1 行的發(fā)光管的陽(yáng)極連在一起，把所有同 1 列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽(yáng)極的接法），先送出對(duì)應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 1 行使其燃亮一定時(shí)間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 2行使其燃亮相同的時(shí)間，然后熄滅；以此類推，第 16 行之后，又重新燃亮第 1 行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。 采用掃描方式 進(jìn)行顯示時(shí)，每一行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，按 8 位一個(gè)字節(jié)的形式順序排放。顯示時(shí)要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上去，這就存在一個(gè)顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 時(shí)，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹? 采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無(wú)疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過(guò)程 較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢螅@一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對(duì)于一行的顯示過(guò)程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對(duì)于串行傳輸方式來(lái)說(shuō)，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致影響到 LED 的亮度。 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過(guò)上述分析，就可以歸納出 列驅(qū)動(dòng)器電路應(yīng)具有的功能。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來(lái)說(shuō)，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并處的移位功能；對(duì)于列數(shù)據(jù)顯示來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示。圖 21 為顯示屏電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。 圖 21 顯示屏電路結(jié)構(gòu)框圖 AVR 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) （圖 22） 單片機(jī) 列驅(qū)動(dòng)電路 LED 顯示點(diǎn)陣 行驅(qū)動(dòng)電路 電源 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 6 圖 22 AVR 單片機(jī) Atmega16 的最小 系統(tǒng) 注 : 該最小系統(tǒng)由按鍵復(fù)位電路 、 晶體振蕩電路﹑ AD 轉(zhuǎn)換濾波線路﹑ ISP 下載接口﹑ JTAG 仿真接口﹑電源以及串口電路組成。 復(fù)位的實(shí)現(xiàn)通常用 2 種方式 : 開機(jī)上電復(fù)位和外部手動(dòng)復(fù)位，本設(shè)計(jì)用的是外部手動(dòng)復(fù)位。 電路圖 23 如下 ： 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 23 單片機(jī)復(fù)位圖 單片機(jī) Atmega16 的 工作電壓 VCC=5V,其 EA 引腳需接高電平 ,5V電源 電路如 圖 24 所 示。 T1AC1V+ 2AC3V4D6C41 0 0 u /1 6 VC61 0 0 u /1 6 vV C CV in1GND3+ 5 V 2U27 8 0 5C51 0 4C71 0 4 圖 24 單片機(jī)電源原理圖 注 : 該電源電路主要模塊為 IC7805,它能輸出穩(wěn)定的 5V電源 ,圖中整流橋是將市電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,電容起到慮波作用由 7805 的 OUT 引腳輸出5V電壓。 LED 點(diǎn)陣介紹 8 8 單色 點(diǎn)陣共需要 64 個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)二極管是放置在行線與列線的叉點(diǎn)上。本設(shè)計(jì)是一種實(shí)用的漢字顯示屏的制作，制作的是雙色點(diǎn)陣?？紤]到元器件的易購(gòu)性，沒(méi)有使用 8 8 的點(diǎn)陣發(fā)光二極管模塊，而是直接使用了 256 個(gè)高亮度發(fā)光管，組成了 16 行 16 列的發(fā)光點(diǎn)陣。實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)這個(gè)原理自行擴(kuò)充顯示的字?jǐn)?shù)。 對(duì)比下面的 8 8 單色點(diǎn)陣和 8 8 雙色點(diǎn)陣可以看出，其實(shí) 8 8 雙基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 8 色點(diǎn)陣就是兩塊 8 8 單色點(diǎn)陣組合在一起的。要實(shí)現(xiàn)用兩種顏色顯示，只要在電路的設(shè)計(jì)中 適當(dāng)?shù)倪B線就可以了。 圖 25 8 8點(diǎn)陣外觀及引腳圖 8 8 單色和雙色 點(diǎn)陣 LED 結(jié)構(gòu) 分別 如 下 圖 26 和 27 所示 。 圖 26 8 8單色點(diǎn)陣內(nèi)部圖 圖 27 8 8雙色點(diǎn)陣內(nèi)部圖 LED 顯示方式 漢字顯示屏用于顯示漢字 、 字符及 圖像 信息，在公共汽車 、 銀行 、醫(yī)院及戶外廣告等地方都有廣泛的應(yīng)用。下面是簡(jiǎn)單的漢字顯示屏的制作，由單片機(jī)控制漢字的顯示內(nèi)容。為了降低成本，使用了四塊 8 8 的LED 點(diǎn)陣發(fā)光管的模塊，組成了一個(gè) 16 16 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏， 如圖28 所示。在這里 僅做 了 四個(gè)漢字的顯示，在實(shí)際的使用中可以根據(jù)這個(gè)原理自行的擴(kuò)展顯示的漢字， 下面是介紹漢字顯示的原理。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 28 四塊 8 8 的 LED 點(diǎn)陣組成 16 16 的 LED 點(diǎn)陣 LED 驅(qū)動(dòng)顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方法，動(dòng)態(tài)掃描方式是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行的同名列共用一套列驅(qū)動(dòng)器。以 1616 點(diǎn)陣為例，把所有同一行的發(fā)光管的陽(yáng)極連在一起，把 所有同一列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽(yáng)的接法），先送出對(duì)應(yīng)第 1 行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 1 行使其燃亮一定的時(shí)間，然后熄滅；再送出第 2 行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 2行使其燃亮相同的時(shí)間，然后熄滅； … .第 16 行之后，又重新燃亮第 1 行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形。該方法能驅(qū)動(dòng)較多的 LED，控制方式較靈活，而且節(jié)省單 片 機(jī)的資源。 顯示數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無(wú)疑 是十分經(jīng)濟(jì)的。但串行傳