【正文】 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(wú)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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至 1998 年底， 年度銷售總額在 1000 萬(wàn)元以上的企業(yè)有 20多家，其銷售總額達(dá) 6 億元左右，占行業(yè)市場(chǎng)總額的 85%以上。（ 6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（ 2）機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示。 LED 顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) [1]。 關(guān)鍵字 ： AT89S51； LED 點(diǎn)陣顯示；串行通信 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 2 第 1 章 緒 論 課題背景 選題背景 LED 顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬(wàn) …… 幾十萬(wàn)個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。系統(tǒng)采用 PC 機(jī)作為上位機(jī)，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送控制命令和上位機(jī)所存儲(chǔ)的顯示代碼， AT89S51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。 課程設(shè)計(jì) 題 目 ： 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì)（顯示 貴州大學(xué)人民武裝學(xué)院信息工程系） 學(xué) 院 ：貴州大學(xué)人民武裝學(xué)院 專 業(yè) ：電子信息工程與技術(shù) 學(xué) 號(hào)： PZ102024114 班 級(jí) ： 10 級(jí) 姓 名 ：李志 指導(dǎo)老師 ：王代強(qiáng) 本科生畢業(yè)論 文 II 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 1 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 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)。 PC 機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用 RS—232C 通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用不 同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素點(diǎn)。 在短短的十來(lái)年中， LED 點(diǎn)陣顯示屏就以 亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn) 迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（ 3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。（ 7）郵政、電信、商場(chǎng)購(gòu)物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。全國(guó)從事 LED 顯示屏的各類企業(yè)有 100 余家，從業(yè)人員近 6000 人，行業(yè)年度銷售總額近 8 億元人民幣， 1996 年、 1997 年的增長(zhǎng)速度均保持 40%左右， 1998 年略有回落。 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%?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。 未來(lái) 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]。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(lái)越緊缺。最終選定了以 PC 機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用 匯編 語(yǔ)言編寫。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力不足、驅(qū)動(dòng)電路工作不穩(wěn)定等問題。 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 5 第 2 章 方案論證與選擇 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。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 [3]。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)。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，并開始向 HMOS 過(guò)渡。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。 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)。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。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。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]。 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。 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。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。 硬件設(shè)計(jì)方案 最終方案如圖 23 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(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)根據(jù)上位機(jī)傳輸來(lái)的內(nèi)容和指令通過(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。 具體結(jié)構(gòu) 如圖 24 所示。 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。 上位機(jī)控制傳輸軟件 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)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。存儲(chǔ)顯示是將顯示內(nèi)容處理過(guò)后存儲(chǔ)在上位機(jī)中通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示 [9]。 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)主要由上位機(jī)，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)陣屏六部分組成。并且顯示要清晰。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過(guò)譯碼電路控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 為控制單元的主控芯片。與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 全靜態(tài)工作模式： 0Hz－ 33MHz 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 12 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。 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 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。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）。所以 P1 和 P2 口留為外部數(shù)據(jù) 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 14 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)器不夠用的情況時(shí)使用 [12]。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來(lái) 控制 1616 的 LED 點(diǎn)陣屏顯示，需要 32 個(gè)端口。當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。 表 31 74LS164 工作參數(shù) 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 — 25 MHZ 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。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。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。 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(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。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。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。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。具體電路如圖 37 所示。但單片機(jī)串行口采用正邏輯 TTL 電平， 即數(shù)字 “1”時(shí)為＋ 5V 數(shù)字 “0”時(shí)為 5V，所以單片機(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。最后通過(guò) 5V 三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V 輸出。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 74LS164 級(jí)連過(guò)多會(huì)增加一次掃描的時(shí)間從而導(dǎo)致顯示出現(xiàn)閃爍。其中各子顯示系統(tǒng)之間在功能和控制上都是相互獨(dú)立的，將一幅大屏幕畫面拆分為幾塊小畫面再分別送入到各子系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)同步顯示便可以得到一幅大的畫面。即增加單個(gè)顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時(shí)又將單個(gè)的顯示系統(tǒng)級(jí)連。其功能結(jié)構(gòu)如圖24 所示。外部中斷源由按鍵的電平變化觸發(fā)，外部中斷主要功能是選擇 LED 點(diǎn)陣顯示屏的控制方式是由按鍵控制還是上位機(jī)控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動(dòng)態(tài)顯示 。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。在該顯示系統(tǒng)中掃描顯示的工作原理如圖 42 所示，先選通列然后再?gòu)男兴腿雽?duì)應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 22 快利用人眼的延時(shí)特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為 32 字節(jié)。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖 44 所示： 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 23 圖 44 靜態(tài)顯示程序流程圖 顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數(shù)據(jù)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系第i 列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i 和第 i+16 個(gè)元素。顯示數(shù)據(jù)與列的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：第 i列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中 i和第 2i個(gè)數(shù)據(jù)。同理第 17 至 32 個(gè)元素的第 8 至第 1 位 LED 顯示屏中的第 9 至第 16 行。 MCS51 單片機(jī)設(shè)置了 4 個(gè)專用寄存器用于 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 25 中斷控制，分別為定時(shí)器控制寄存器（ TCON），串行口中斷控制器（ SCON）， 中斷允許控制寄存器（ IE），中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器（ IP）。EA 為中斷允許總控制位， EA=1 時(shí) CPU 開發(fā)中斷； EA＝ 1 時(shí)。 表 41 中斷允許寄存器格式 所以初始化時(shí)設(shè)定中斷允許寄存器初值為 0XFF，指令為 IE=0XFF。通信協(xié)議如表 42 所示： 表 42 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第 1 個(gè)字節(jié) 第 2 至第 33 個(gè)字節(jié) 第 34 個(gè)字節(jié) 內(nèi)容 起始標(biāo)志位 ?S? 顯示數(shù)據(jù) 控制 指令 作用 判斷是否開始接收數(shù)據(jù) LED 的顯示內(nèi)容 控制 LED 顯示方式 具體串口中斷程序流程圖如圖 46 所示，在主程序中先進(jìn)行了串行中斷的初始化，初始化內(nèi)容包括了串行工作方式選擇，波特率的設(shè)定，計(jì)數(shù)初值的設(shè)定。 圖 46 通信程序流程圖 所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)