【正文】 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(gè)小電容即可完成 RS232C 與 TTL 電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機(jī)本科生畢業(yè)論文 19 系統(tǒng)中的常用芯片。集電極輸出功率可達(dá) 50V600mA[13]。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢差為 5V－ 0v 基極中帶負(fù)電的電子越過 PN 結(jié)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。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。而采用了譯碼電路后僅僅需要 7～ 9 個(gè)端口便可實(shí)現(xiàn)控制顯示。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器所以將 EA 置為高電平。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 所示。看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 三級程序加密鎖 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(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。 （ 5）單片機(jī)由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實(shí)現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)顯示兩種方法。 基于以上理由決定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。 匯編語言 (Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，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言。 本科生畢業(yè)論文 8 單片機(jī)譯碼電路1 6 1 6 L E D顯 示 屏顯示驅(qū)動(dòng)電路串行通信P C 機(jī) 圖 23 硬件設(shè)計(jì)方案 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。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。 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。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。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平或低電平均可。 （ 3） EDA 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，對用硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、邏輯化簡、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。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 過渡。上位機(jī)通過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]。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。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。 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]。 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 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%。（ 7）郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。 在短短的十來年中， 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、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn) 迅速成長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。 4 通信系統(tǒng) 所選用的 AT89S51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉程序?qū)懭敕奖愕奶攸c(diǎn)使得整個(gè)系統(tǒng)方便維護(hù)和檢修。并且可以通過級連的方式來擴(kuò)大顯示屏幕的尺寸以達(dá)到增加顯示內(nèi)容的目的。 5 LED 點(diǎn)陣顯示屏 12 AT89S51 簡介 34 致謝 36 附錄 1 系統(tǒng)硬件原理圖 目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。（ 4）體育場館信息顯示。在國內(nèi)市場上，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(huì)場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機(jī)場、浦東機(jī)場等，均由國內(nèi)代表企業(yè)中標(biāo)。使 LED 全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我國的 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。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動(dòng)態(tài)顯示、通信等幾個(gè)功能上相對獨(dú)立的模塊。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。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。將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，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?，F(xiàn)在市場上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。 （ 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。通用的 通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 UART（ Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。這就加大了維修的成本。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 [7]。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把編寫的程序下載到單片機(jī)中執(zhí)行。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲(chǔ)器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)。 因此軟件設(shè)計(jì)最終方案為采用 C 語言為程序語言， KELC 為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來編寫程序。所以上位機(jī)選擇存儲(chǔ)顯示的方法，控制LED 顯示屏的顯示內(nèi)容 [10]。 （ 3） 譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入 輸出頻率必須滿足單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。根據(jù)題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)時(shí)方便的程序下載對程序的驗(yàn)證和編寫非常有用。1000 次擦寫周期 全雙工串行 UART 通道 掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 接 164 芯片的使能控制端，當(dāng)為高電平使允許輸出； 和 接鎖存器 74LS373 的 OE 和 LE 端控制鎖存器的工作狀態(tài)。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373。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為低電平。 74LS373 為八 D 鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 )。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。 ULN2803 是一種高電壓大電流達(dá)林頓管陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個(gè) NPN 達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS 或 PMOS）和大電流高電壓的燈，繼電器，打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。除了單片機(jī)要與 PC 機(jī)制定通信協(xié)議，確定發(fā)送速率外還需要解決的問題就是信號(hào)電平問題。電路圖如圖 39 所示。 圖 310 74LSL64 級連 構(gòu)建大屏幕 LED 顯示屏的另一種方法是將以較小的 LED 顯示系統(tǒng)做為模塊進(jìn)行級連。 本科生畢業(yè)論文 22 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，按照模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)。中斷產(chǎn)生后由預(yù)先初始化時(shí)設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序。 8 個(gè)像素對應(yīng)一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的位順本科生畢業(yè)論文 25 序是上高下低，比如從上到下 8 個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)是 “**”(*為黑點(diǎn)， 為白點(diǎn) )，則轉(zhuǎn)換的字模數(shù)據(jù)是 0x82(B1000_0010)。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面 [17]。 通信程序的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用串行中斷的方式進(jìn)行通信。ES、 ET、 EX ET0、 EX0 為對應(yīng)的串行口中斷、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 中斷、外部中斷1 中斷、定時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器 0 中斷、外部中斷 0 中斷的中斷允許位。首先判 斷數(shù)據(jù)是否設(shè)定的起始標(biāo)志位 ?S?如果是則開始接收起始位后的 33 個(gè)字節(jié) ，不是則中斷返回繼續(xù)等待。軟件硬件完成后開始進(jìn)行調(diào)試。 上電測試 由于系統(tǒng)測試時(shí)是采用 USB 電源為系統(tǒng)電源，所以電源輸入都為 5V。功能上表示將單片機(jī)的輸出口與輸入口直接相連，單片機(jī)收到數(shù)據(jù)的同時(shí)就將數(shù)據(jù)發(fā)送回 PC 機(jī)。 上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。 圖 51 實(shí)物圖 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法 硬件調(diào)試主要是調(diào)試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設(shè)計(jì)要求，最后測試各硬件部分能否完成設(shè)計(jì)功能。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EA — — ES ET1 EX1 ET0 EX0 本科生畢業(yè)論文 28 圖 46 通信程序流程圖 所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)過編譯才能被單片機(jī)識(shí)別使用。 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。 MCS51 單片機(jī)設(shè)置了 4 個(gè)專用寄存器用于本科生畢業(yè)論文 27 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)先級控制寄存器（ IP）。顯示數(shù)據(jù)與列的對應(yīng)關(guān)系為：第 i列對應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中 i 和第 2i 個(gè) 數(shù)據(jù)。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為 32 字節(jié) 。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。其功能結(jié)構(gòu)如圖24 所示。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。最后通過 5V 三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V 輸出。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]。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。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。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。