【正文】 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 1 畢 業(yè) 論 文 論文題目 ： LED顯示屏 專 業(yè)： 電子信息工程技術(shù) 班 級(jí)： 10 電子信息工程技術(shù) 學(xué) 號(hào)： 0202100101 02021001063 學(xué)生姓名： 黃忠強(qiáng) 鄭曉雄 指導(dǎo)教師： 褚麗麗 老師 機(jī)電工程學(xué)院 2021 年 月 日 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 2 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)可實(shí)現(xiàn)中英文字符的顯示和動(dòng)態(tài)特效 顯示。并且可以通過(guò)級(jí)連的方式來(lái)擴(kuò)大顯示屏幕的尺寸以達(dá)到增加顯示內(nèi)容的目的。 采用程序燒錄器，把編輯的程序燒錄到單片機(jī) AT89S51 中，然后利用最小系統(tǒng)控制 LED 顯示屏的字符顯示，單片機(jī)接收并處理 PC 機(jī)的控制命令以及顯示代碼，由顯示驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)一個(gè)1616 分辨率的 LED 點(diǎn)陣顯示屏的掃描顯示。 關(guān)鍵詞：電子信息工程技術(shù)、單片機(jī)、串行通信、 LED顯示屏 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 3 論文 目錄 摘要 功能 設(shè)計(jì)方案 硬件設(shè)計(jì)方案 軟 件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 控制部分 列 驅(qū)動(dòng) 行 驅(qū)動(dòng) 顯示屏 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 總計(jì) 參 考文獻(xiàn) 致謝 附錄 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 4 1. 設(shè)計(jì)方案 . 系統(tǒng)硬件方案 大多數(shù)的 LED 顯示屏都在戶外，所以對(duì)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 21 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)及上位機(jī)四部分組成。上位機(jī)通過(guò)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。 . 顯示屏主控制器 （ 1）單片機(jī) 單片 機(jī)是集成了 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(hào)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(dòng)，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(kāi)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 工藝單片機(jī)被 CMOS 代替，并開(kāi)始向 HMOS 過(guò)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]。 （ 2） DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義， DSP 主要用于數(shù)字信號(hào)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(hào)處理?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、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(chǔ)器分開(kāi)，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(hào)處理指令，如 TM320 系列的FIRS ， LMS， MACD 指令等 [5]。 （ 3） EDA 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 5 EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，它是以計(jì)算機(jī)為工具，在 EDA 軟件平臺(tái)上，對(duì)用硬件描述語(yǔ)言 HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、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(duì)于特定目標(biāo)芯片進(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(yǔ)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(guò)軟件編程對(duì)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(kāi)發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。而且 MCU和 DSP 都是通過(guò)串行執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能，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(cè)控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景 廣闊；另一方面， FPGA/CPLP 器件在功能開(kāi)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。 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(kāi)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?，F(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有 MCS5AVR、 ARM、 PIC 等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(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(shì)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(jiǎn)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。 . 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快速、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下顯示屏和上位機(jī)的距離不會(huì)很遠(yuǎn)，所以通信距離的要求不是很高。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。 （ 1）并行通信 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。 （ 2）串行通信 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，串行傳送的速度清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 6 低，但傳送的距離長(zhǎng)，因此串行適用于長(zhǎng)距離而速度要求不高的場(chǎng)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(huì)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(jiǎn)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]。 綜上所述，題目設(shè)計(jì)已經(jīng)選定了單片機(jī)為開(kāi)發(fā)方式而單片機(jī)的 UART 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。 . LED 點(diǎn)陣顯示屏 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(dòng)該顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路。由于單片機(jī)的 I/O口有限要不能直接用 I/O 口來(lái)驅(qū)動(dòng) LED顯示屏，所以需要對(duì)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。 LED 顯示屏是由一個(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(lái)，如圖 22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(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有 88 、1616 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(wèn)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)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(guò)當(dāng)一個(gè) LED出現(xiàn) 問(wèn)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。 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來(lái)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(lái)減小出現(xiàn)這一問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一個(gè) 1616 的 LED點(diǎn)陣屏選用四塊 88 點(diǎn)陣模塊。 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 7 圖 22 LED 點(diǎn)陣圖 一個(gè) 1616 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(dòng)所以必須要對(duì)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，具有一定的驅(qū)動(dòng)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(méi)有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng) 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(dòng)電路。 . 硬件設(shè)計(jì)方案 最終方案，以 51單片 機(jī)存儲(chǔ)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(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)指令通過(guò)端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng) 4塊88LED 點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開(kāi)具體的硬件電路設(shè)計(jì)。 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 8 . 系統(tǒng)軟件方案 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 24所示。 通 信 程 序控 制 程 序主 程 序靜 態(tài) 顯 示 程 序特 效 顯 示 程 序 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(yǔ)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(lái)把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。 . 單片機(jī)編程語(yǔ)言 現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和 C語(yǔ)言。兩種語(yǔ)言相比較各有優(yōu)點(diǎn)。 匯編語(yǔ)言 (Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種功能很清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 9 強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)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(yǔ)言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)。 C語(yǔ)言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C語(yǔ)言結(jié)構(gòu)是以括號(hào) { }而不 是子和特殊符號(hào)的語(yǔ)言。 對(duì)于目前普遍使用的 RISC 架構(gòu)的 8bit MCU 來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部 ROM、 RAM、 STACK 等資源都有限，如果使用 C語(yǔ)言編寫，一條 C語(yǔ)言指令編譯后，會(huì)變成很多條機(jī)器碼，很容易出現(xiàn) ROM 空間不夠、堆棧溢出等問(wèn)題。而且一些 單片機(jī) 廠家也不一定能提供 C編譯器。而匯編語(yǔ)言，一條指令就對(duì)應(yīng)一個(gè)機(jī)器碼，每一步執(zhí)行動(dòng)作都很清楚，并且程序大小和堆棧調(diào)用情況都容易控制，調(diào)試起來(lái)也比較方便。 基于以上理由決定采用 匯 編語(yǔ)言 為該顯示系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。 . 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 匯編語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(kāi)發(fā)中普遍都是使用 KEIL C51 來(lái)進(jìn)行編譯。 因此軟件設(shè)計(jì)最終方案為采用 匯編 語(yǔ)言為程序語(yǔ)言， KELC為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來(lái)編寫程序。 2. 系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 控制部分 . AT89S51 簡(jiǎn)介 AT89S51 是美國(guó) 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(chǎng)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 清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)論文 10 1000 次擦寫周期 － 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模