【正文】 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。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。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。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)。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]。 圖 21 系統(tǒng)硬件方案圖 顯示屏主控制器 控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過(guò)后控制顯示部分顯示內(nèi)容。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)等問(wèn)題。 （ 2）方案實(shí)現(xiàn) 以設(shè)計(jì)方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一思想，選擇器件時(shí)要從功能和電氣特性兩方面來(lái)選擇和論證。 （ 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)。這一時(shí)期的 LED 顯示屏在國(guó)外應(yīng)用較廣，國(guó)內(nèi)很少，產(chǎn)品以紅、綠雙基色為主，控制方式為通訊控制，灰度等級(jí)為單點(diǎn) 4 級(jí)調(diào)灰，產(chǎn)品的成本比較高。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。（ 3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素點(diǎn)。 40 參考文獻(xiàn) 34 串口調(diào)試 33 短路與虛焊檢測(cè) 33 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法 29 通信程序的設(shè)計(jì) 26 程序設(shè)計(jì) 21 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 譯碼電路設(shè)計(jì) 13 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 硬件設(shè)計(jì)方案 點(diǎn)陣式 LED 顯示屏的顯示效果、功率環(huán)保也不斷優(yōu)化。點(diǎn)陣式 LED 屏具有較大的信息顯示量、壽命長(zhǎng)、功耗小、重量輕、空間尺寸小及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。8 顯示屏主控制器 15 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 16 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 鎖存器 74L373 23 級(jí)連大屏幕 LED 顯示屏 30 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試 目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。（ 4）體育場(chǎng)館信息顯示。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，國(guó)產(chǎn) LED 顯示屏的市場(chǎng)占有率近 100%，國(guó)外同類產(chǎn)品基本沒(méi)有市場(chǎng)，四十三屆世乒賽主會(huì)場(chǎng)天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)等，均由國(guó)內(nèi)代表企業(yè)中標(biāo)。 年，這一階段是 LED 顯示屏迅速發(fā)展的時(shí)期。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(guò)的理論知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇選定 AT89S51 單片機(jī)為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373 為譯碼電路器件，三極管8550 和 ULN2803 為驅(qū)動(dòng)電路器件。通過(guò)分析，查找找出了問(wèn)題原因并設(shè)法將其解決。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、 DSP、及 EDA 技術(shù)。 （ 2） DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。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(xiě)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)。 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)。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。 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。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。具體結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。 C 語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě) 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。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。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]。 7 4 L S 3 7 3P C 機(jī)7 4 L S 1 6 4A T 8 9 S 5 1U L N 2 8 0 3M A X 2 3 27 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 4 U L N 2 8 0 37 4 L S 3 7 34 塊 8 8 點(diǎn) 陣 模 塊 構(gòu) 成 的1 6 1 6 L E D 點(diǎn) 陣 屏L E D 點(diǎn) 陣 模 塊 陽(yáng) 極L E D 點(diǎn) 陣 模 塊 陰 極8 5 5 0 三 極 管電 源 圖 31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)： （ 1） LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。 控制單元設(shè)計(jì) 控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用 51 系列單片機(jī)為核心器件，用來(lái)和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。 AT989S51 具有以下特點(diǎn)： 32 個(gè)可編程 I/O 口線 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁(yè)寫(xiě)模式） AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k字節(jié) Flash閃速存儲(chǔ)器， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。由于端口的驅(qū)動(dòng)能力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力。其第二功能和實(shí)際運(yùn)用如表 31 所示： 表 31 AT89S51P3 口第二功能的應(yīng)用 端口 第二功能 實(shí)際作用 RXD（串行輸入口） 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入口 TXD(串行輸出口 ) 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出口 外部中斷 0 做按鍵中斷，控制顯示狀態(tài) 外部中斷 1 做按鍵中斷，控制運(yùn)行模式 AT89S51 單片機(jī)的 P1 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， P2 口在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。 74LS164 為一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。結(jié)果就是顯示屏無(wú)序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。 表 32 74LS373 工作參數(shù)表 參數(shù) 最小值 額定值 最大值 單位 電源電壓 5 V 輸入高電平電壓 2 — — V 輸入低電平電壓 — — V 輸出高電平電壓 — — － mA 輸出低電平電壓 — — 24 mA 由表與表比較可以看出， 74LS164 的輸出條件與 74LS373 的輸入條件相匹配，理論上可以實(shí)現(xiàn)鎖存器對(duì)譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)譯碼器端口輸出高電平時(shí)發(fā)射極與基極之間的電勢(shì)差為 5V－ 0V － BV ，由于發(fā)射極與基極之間電勢(shì)差的減少基極電子向發(fā)射極擴(kuò)散的電子數(shù)量減少故集電極電流也隨之減少。相對(duì)應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來(lái)吸收行驅(qū)動(dòng)流出進(jìn)過(guò)顯示屏后的電流。電路如圖 38 所示： 圖 38 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中 MAX23 74LS16 74LS37 AT89S51 都需要 5V的供電電壓，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以使用電腦 USB供電。這種級(jí)連的優(yōu)點(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時(shí)控制更多的 LED 點(diǎn)陣顯示屏，且 74LS164 的價(jià)格低廉整體成本得到了降低。 L E D 點(diǎn) 陣 模 塊 L E D 點(diǎn) 陣 模 塊L E D 點(diǎn) 陣 模 塊驅(qū) 動(dòng) 電 路譯 碼 電 路單 片 機(jī) 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 電 路譯 碼 電 路單 片 機(jī) 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 電 路譯 碼 電 路單 片 機(jī) 系 統(tǒng)電 源上 位 機(jī) 圖 311 由子系統(tǒng)構(gòu)建大屏幕 LED 顯示屏 在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級(jí)連聯(lián)合使用的方法來(lái)構(gòu)建大屏幕LED 顯示屏幕。初始化完成后程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個(gè)外部中斷源和串行中斷。 動(dòng)態(tài)掃描分為行掃描和列掃描兩種方式區(qū)別在于選通端和數(shù)據(jù)輸入端分別是行還是列。其中上下左右移動(dòng)程序都調(diào)用了靜態(tài)顯示程序?yàn)樽映绦颉? 顯示數(shù)組中，第 1 至 16 個(gè)元素的第 8 至第 1 位 LED 顯示屏中的第 1 至第 8行。其控制位分布如表。 設(shè)置串口工作方式 1，波特率 9600，計(jì)算可得計(jì)數(shù)器初值的十六進(jìn)制表示為0XFD。詳細(xì)程序見(jiàn)附錄 2。 短路與虛焊檢測(cè) 檢測(cè)工具為萬(wàn)用表，使用萬(wàn)用表的短路報(bào)警功能，逐個(gè)測(cè)試相臨的兩個(gè)焊點(diǎn) 檢測(cè)是否短路。測(cè)試的結(jié)果為：各器件電源端在 ～ 之間滿足器件的電源電壓要求，單片機(jī)端口在未接負(fù)載時(shí)端口電壓為 。 其中測(cè)試串口程序的功能是否完善不但要連接單片機(jī)系統(tǒng)還要借助串口調(diào)試工具。測(cè)試表明串口程序和串口電路實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。結(jié)果顯示顯示屏中只有邊角出有一個(gè) LED 燈被燒壞，其他器件邏輯功能運(yùn)行正常。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)顯示如圖 51 所示，顯示圖像比較清晰，各動(dòng)態(tài)顯示效果也能夠?qū)崿F(xiàn)。 圖 53 串口調(diào)試圖 串口程序測(cè)試成功后為顯示程序提供了準(zhǔn)確的顯示內(nèi)容。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)。具體電路圖如圖 52 所示，將 MAX232 的第 10 端和第 9 端直接短接。檢測(cè)和修改完成后為下一步通電檢測(cè)排除了短路的危險(xiǎn)和由于虛焊引起檢測(cè)結(jié)果不真實(shí)的麻煩。實(shí)物完成后必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，檢查設(shè)計(jì)功能是否實(shí)現(xiàn)了。程序開(kāi)始進(jìn)入中斷等待，當(dāng) PC 機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 CPU 屏蔽所有中斷。所以將元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動(dòng)的效果 [18]。將對(duì)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)果通開(kāi) 始 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(duì)應(yīng)行數(shù)組元素與 0X01 相與，相與結(jié)果寫(xiě)入單片機(jī)端口輸出 數(shù)組元素右移一位，對(duì)應(yīng)74LS164 CLOCK 端置高 右移次數(shù)是否為鎖存器允許輸出 初 始 化 N Y 過(guò)單片機(jī)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。 從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 列 對(duì) 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(duì) 應(yīng) 的行 數(shù) 據(jù)從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 6 列 對(duì) 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(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式 該顯示系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)采取縱向取模方向正向的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式如圖 43， 圖 43 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)原理圖 即數(shù)據(jù)是縱向的，一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一 個(gè)位。串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)