【正文】 度 256色視頻控制技術(shù)及無線遙控等國(guó)際先進(jìn)水平技術(shù)，近年在全彩 色 LED 顯示屏、 256 級(jí)灰度視頻控制技術(shù)、集群無經(jīng)線控制、多級(jí)群控技術(shù)等方面均有國(guó)內(nèi)先進(jìn)、達(dá)到國(guó)際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)； LED 顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國(guó)內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批 LED 顯示屏科技隊(duì)伍，在全國(guó) LED 顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù) 6000 人中，科技人員有 2800 多人，將近 50%。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國(guó)內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代信息社會(huì)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)將是平板顯示的時(shí)代， LED 顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會(huì)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(shì)，預(yù)計(jì)在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 LED顯示屏在戶外廣告媒體中會(huì)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(chǎng)館的顯示方面全彩色 LED 屏更會(huì)成為主流產(chǎn)品。全彩色 LED 顯示屏的廣泛應(yīng)用會(huì)是 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 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]。 （ 3）選題意義 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(duì) LED顯示屏這個(gè)行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識(shí)。并且對(duì)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(duì)所學(xué)過的理論知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。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(guó)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(huì)越來越緊缺。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我國(guó)的 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(duì)自己的就業(yè)還是對(duì)我國(guó) LED 顯示技術(shù)的發(fā)展都有非常現(xiàn)實(shí)與積極的意義 設(shè)計(jì)目標(biāo)及采取的方案 本設(shè)計(jì)的目標(biāo) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生完成本專業(yè)教學(xué)計(jì)劃達(dá)到培養(yǎng)目標(biāo)的重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是教學(xué)計(jì)劃中綜合性最強(qiáng)的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)于 培養(yǎng)學(xué)生正確的思想和工作作風(fēng)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題的能力，達(dá)到工程技術(shù)人員所必須具備的基本素質(zhì)等方面具有重要的意義。 本設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)是單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)，模擬和數(shù)子電路。比如 AT89C51 芯片的一些工作原理是在 MCS— 51 的基礎(chǔ)上通過改進(jìn)完成的。三極管和 74LS164 74HC595 的工作原理也分別在模擬和數(shù)子電路里介紹過。 通過本設(shè)計(jì)不僅把以前學(xué)過的知識(shí)重新溫習(xí)，而且在查閱課外資料時(shí)還有好多芯片都是以學(xué)過的芯片為基礎(chǔ)，并且在其基礎(chǔ)上改進(jìn)和完善的。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我在學(xué)校學(xué)習(xí)的理論知識(shí) 和實(shí)際應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合起來，同時(shí)也能培養(yǎng)我獨(dú)立思考、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度和鉆研精神，為我將要踏上工作崗位做一次提前的鍛煉。 本設(shè)計(jì)采取的方案 1） 利用單片機(jī)控制技術(shù)控制 LED 的顯示，再結(jié)合單片機(jī)的程序作線路布置，即硬件設(shè)計(jì)。 2） 行列電路設(shè)計(jì)，分析電路圖確定整個(gè)系統(tǒng)大概的規(guī)模。 3） 進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過系統(tǒng)分析，確定該系統(tǒng)該具有那些功能，有那些模塊，各個(gè)模塊之間是怎樣聯(lián)系的，以及怎樣組合的。 4） 確定所需的元器件，然后通過電路圖進(jìn)行連接。 5） 集合程序調(diào)試，調(diào)試整個(gè)的系統(tǒng)模塊的功 能，看各個(gè)功能是否能正常運(yùn)行，并找出程序中的錯(cuò)誤，改正這些錯(cuò)誤。 6） 最終能在 LED 電路板上顯示所要的圖形或漢字。 2 方案的實(shí)現(xiàn) 總體設(shè)計(jì) 從理論上說，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)沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴(kuò)展端口，按 8 位的鎖存器來計(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)陣來說，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)膯栴}。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)很多時(shí)，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹? 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，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過程較長(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?，這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)于串行傳輸方式來說，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)備來說，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)顯示來說，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 1 為顯示屏電路實(shí)現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)框圖。 圖 1 顯示屏電路框圖 單 片 機(jī) 列驅(qū)動(dòng)器 LED 顯示點(diǎn)陣 電源 行驅(qū)動(dòng)器 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) AT89C51 芯片的介紹 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖片見下圖 。 圖 2 89C51 管腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫 時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程 序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 列驅(qū)動(dòng)電路 列驅(qū)動(dòng)電路由集成電路 74HC595 構(gòu)成，它具有一個(gè) 8 位 串行輸入 /輸出或者并行輸出 的移位寄存器和一個(gè) 8位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示 本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。 74HC595 的管腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式如圖 3 所示。它的輸入側(cè)有 8 個(gè)串行移位寄存器，每個(gè)移位寄存器的輸出都連接一個(gè)輸出鎖存器。引腳 SER 是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳 SRCLK 輸入移位寄存器的移位時(shí)鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將SER 的下一個(gè)數(shù)據(jù)打入最低位。移位后的各位信號(hào)出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。 RCLK 是輸出鎖存器的打入信號(hào)，其上升沿將移位寄存器的輸出打入到輸出鎖存器。引腳 OE 是輸 出三態(tài)門的開放信號(hào)，只有當(dāng)其為低時(shí)鎖存器的輸出才開放，否則為高阻態(tài)。 SRCLR 信號(hào)是移位寄存器的清零輸入端，當(dāng)其為低時(shí)移位寄存器的輸出全部為 0，由于 SRCLK 和 RCLK 兩個(gè)信號(hào)是互相獨(dú)立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為 QA～ QH，最高位 QH可作為多片 74HC595 級(jí)連應(yīng)用時(shí)，向上一級(jí)的級(jí)連輸出。但因 QH 受輸出鎖存器打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出了 QH′，作為與移位寄存器完全同步的級(jí)連輸出。移位寄存和輸出鎖存的時(shí)序波形如圖 4 所示： 圖 3 74HC595 管腳圖和內(nèi)部邏輯圖 行驅(qū)動(dòng)電路 72LS164 為 8 位移位寄存器 ,其主要電特性的典型值如下： 54/74164 185mW 54/74LS164 80mW 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