【正文】 個系統(tǒng)方便維護和檢修。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。 LED 的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā) 光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展 。（ 4）體育場館信息顯示。（ 8）廣告媒體新產(chǎn)品等。在國內(nèi)市 基于單片機點陣電子顯示屏設(shè)計 3 場上，國產(chǎn) LED 顯示屏的市場占有率近 100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機場、浦東機場等， 均由國內(nèi)代表企業(yè)中標。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是 平板顯示領(lǐng)域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。使 LED 全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。 （ 3）選題意義 該設(shè)計課題使我們能夠掌握 LED 顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計方法，對 LED顯示屏這個行業(yè)有了較為 深刻的了解和認識。但同時應(yīng)該清楚的認識到我國的 LED 技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進水平還有一定的差距。 （ 2）方案實現(xiàn) 以設(shè)計方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。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。在軟件調(diào)試中出現(xiàn) 程序整合工作不協(xié)調(diào)等問題。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。 通 信 部 分 控 制 部 分 顯 示 部 分上 位 機 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 顯示屏主控制器 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。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]。 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）。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。 （ 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，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。 綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的 UART 已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。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。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。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。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體 的硬件電路設(shè)計。 基于單片機點陣電子顯示屏設(shè)計 9 通 信 程 序控 制 程 序主 程 序靜 態(tài) 顯 示 程 序特 效 顯 示 程 序 圖 24 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中執(zhí)行。兩種語言相比較各有優(yōu)點。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。兩種顯示方法相比較：實 基于單片機點陣電子顯示屏設(shè)計 10 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。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]。 （ 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。 （ 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。 在 51 系列單片機中選定一款合適的機型來作為控制單元的主控芯片。 AT89S51 簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4k bytes的可系統(tǒng)編程的 Flash只讀程序存儲器 ,器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash閃速存儲器 三級程序加密鎖 6 個中斷源 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 空閑方式停止CPU 的工作，但允許 RAM，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。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。具體接法為： ， ， ， 分別接四塊 74LS164的 A 端，向 74LS164 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； 和 分 別接列和行的 74LS164 的 CLOCK 端，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出； 和 接列和行的 CLEAR 端，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除 164 芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的數(shù)據(jù)；其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。因為沒有擴展外 部程序存儲器所以將 EA 置為高電平。 譯碼電路設(shè)計 譯碼電路的功能是為了解決單片機 I/O 端口不足。而采用了譯碼電路后僅僅需要 7～ 9 個端口便可實現(xiàn)控制顯示。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。這就要求 74LS164 芯片的輸出要滿足鎖存芯片的高低電平區(qū)分范圍和頻率要求。所以選擇鎖存器 74LS373 來完成這一功能。當鎖存允許端 LE 為高電平時， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。 PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入 ，故不發(fā)光。當譯碼器端口輸出為低電平時，發(fā)射極與基極電勢差為 5V－ 0v 基極中帶負電的電子越過 PN 結(jié)擴散到發(fā)射區(qū)。 P N P5 V譯 碼 器 輸 出 信 號輸 出 驅(qū) 動 L E D 屏eI0v 0v空 穴 空 穴電 子 圖 35 8550 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 列驅(qū)動 電路設(shè)計 列驅(qū)動采用 ULN2803。集電極輸出功率可達 50V600mA[13]。 圖 37 列驅(qū)動原理圖 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計 AT89S51單片機具有全雙工串行 UART通道，支持單片機進行數(shù)據(jù)的串行傳輸。 在通用的電平轉(zhuǎn)換芯片中 MAX232 系列的芯片以集成度高，單＋ 5V 電源工作，只需外接 5 個小電容即可完成 RS232C 與 TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機系統(tǒng)中的常用芯片。此時需要對民用的 220V 進行降壓整流為 5V 直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。 級連大屏幕 LED 顯示屏 要實現(xiàn) LED 的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級連和多個單片機系統(tǒng)級連的方法。從端口輸出的顯示數(shù)據(jù)的顯示也要作出相應(yīng)的改變。使用這種級連的辦法可以避免 51 單片機晶振頻率低的弱點，更容易實現(xiàn)大屏幕的顯示。 詳細硬件原理圖見附錄 1。通信程序接收上位機數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進 行顯示。串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)。 顯示程序的設(shè)計 LED 顯示屏的顯示方式 LED 點陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。 從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 列 對 應(yīng) 的行 數(shù) 據(jù)選 通 第 2 列讀 取 所 需 要 顯示 的 數(shù) 據(jù) 至 顯示 寄 存 器選 通 第 1 列 選 通 第 1 6 列從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 2 列 對 應(yīng) 的行 數(shù) 據(jù)從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 6 列 對 應(yīng) 的行 數(shù) 據(jù)1 6 1 6 L E D 1 6 1 6 L E D 1 6 1 6 L E D選 通 L E D 第1 6 列選 通 L E D 第1 列選 通 L E D 第2 列按 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 通相 應(yīng) 行按 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 通相 應(yīng) 行按 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 通相 應(yīng) 行 圖 42 掃描顯示程序原理圖 點陣數(shù)據(jù)表達方式 數(shù)據(jù)是縱向的，一個像素對應(yīng) 一個位。畫面顯示時選通的第 i列對應(yīng)的數(shù)組元素為第 i和 i+16 個元素 [16]。將對應(yīng)元素的由低至高位依次從端口輸出具體做法為將元素向右邏輯移位后再與 0X01 相與，所得結(jié)果通過單片讀取顯示數(shù)據(jù) 依次選通 列，行 74LS164 的CLOCK 端置低，鎖存器禁止輸出 對應(yīng)行數(shù)組元素 與 0X01 相與，相與結(jié)果寫入單片機端口輸出 數(shù)組元素右移一位，對應(yīng)74LS164 CLOCK 端置高 右移次數(shù)是否為 8？ 鎖存器允許輸出 初 始 化 N Y 開 始 基于單片機點陣電子顯示屏設(shè)計 24 機端口輸出到串并轉(zhuǎn)換器的 A 端，鎖存在鎖存器里完成一 列數(shù)據(jù)移位后再將其輸出。所以當 ULN2803 選通時，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當于右移一位。所以將元素數(shù)據(jù)進行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動的效果 [18]。編程時通過設(shè)置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。 CPU 屏蔽所有中斷。程序設(shè)計時還要考慮到中斷優(yōu)先級的問題。程序開始進入中斷等待，當 PC 機向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生中斷接收允許位 RI 置 1，將SBUF（緩沖寄存器）中的值輸入到暫存器中進行數(shù)據(jù)處理。為了減小軟件的修改和優(yōu)化難度，先把各子程序?qū)憺橐粋€可單獨執(zhí)行的完整程序。實物完成后必須對其進行調(diào)試，檢查設(shè)計功能是否實現(xiàn)了。因此把硬件調(diào)試按照以下四部分分步來進行： （ 1）測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在； （ 2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設(shè)計要求的范圍內(nèi)； （ 3）測試 ISP 下栽線的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)； （ 4）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。檢測和修改完成后為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起檢測結(jié)果不真實的麻煩。經(jīng)過觀察，沒有這些現(xiàn)象出現(xiàn)。具體電路圖如圖 52 所示，將 MAX232 的第 10 端和第 9 端直接短接。 C 1 +1VDD2C 1 3C 2 +4C 2 5V E E6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 I N10T 1 I N11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14GND15V C C165M A X 2 3 2 A C P E12345678911101D C o n n e c t o r 9C1104C2104C3104C4104V C CP 3 .1 T XP 3 .0 R XV C C 圖 52 串口硬件調(diào)試 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法 由于已經(jīng)進行了硬件調(diào)試，所以軟件調(diào)試主要是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現(xiàn)性。并且能把發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在狀態(tài)欄內(nèi)。 PC 機向單片機 發(fā)送的內(nèi)容為 aa 11223344556677889900aabbccddeeff11223344556677889900aabbccddeeff。 串口程序測試成功后為顯示程序提供了準確的顯示內(nèi) 容。聯(lián)合調(diào)試的具體方法如下： （ 1）編寫一個逐點掃描的顯示程序，再結(jié)合硬件電路運行。系統(tǒng)運行時顯示如圖 51 所示，顯示圖像比較清晰，各動態(tài)顯示效果也能夠?qū)崿F(xiàn)。 （ 3）將串口通信，顯示，硬件聯(lián)合調(diào)試。 調(diào)試結(jié)果分析 對調(diào)試中出現(xiàn)的問題進行了分析，得出以下原因和修改辦法。分析造成這一現(xiàn)象的原因為，焊接時三極管 8550 遭到了高溫損壞以致工作不穩(wěn)定和焊接的電路不 夠牢靠，還有就是 8550 的 e 端所接電壓過高。 經(jīng)過調(diào)試和修改，系統(tǒng)實現(xiàn)了題目所要求的中英文顯示，動態(tài)顯示及上位機通信與控制的要求。通過了解我認識到 LED 是一門當今應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，整個產(chǎn)業(yè)每年都會有巨大的產(chǎn)值而且技術(shù)還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新 [20]。在實現(xiàn)這一設(shè)計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗和深刻教訓?？梢栽O(shè)想利用 LED 的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術(shù)相結(jié)合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內(nèi)容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指