【正文】 M30pFC2S1Key_RST30pFC1PB0 (XCK/T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN0/INT2)42PB3 (AIN1/OC0)43PB4 (SS)44PB5 (MOSI)1PB6 (MISO)2PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9PD1 (TXD)10PD2 (INT0)11PD3 (INT1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PD6 (ICP)15PD7 (OC2)16XTAL27XTAL18GND6PC0 (SCL)19PC1 (SDA)20PC2 (TCK)21PC3 (TMS)22PC4 (TDO)23PC5 (TDI)24PC6 (TOSC1)25PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)37VCC5VCC17GND18VCC38GND39ATmega16GNDGND+5GNDR112345678910P1 ISPGNDVCC 圖 42 單片機最 小系統(tǒng)電路原理圖 ATmega16 共有五個復位源， 分別為 上電復位 、 外部復位 、 掉電檢測（ BOD）復位 、 看門狗復位 、 JTAG AVR 復位。 系統(tǒng) 需要 實現(xiàn)以下功能： A. 實現(xiàn) 19232（雙色）點陣的控制； B. 紅、綠、黃三種顏色靜態(tài)或動態(tài)顯示 8 16 1 32 32 的英文字符、中文漢字和簡單圖形； C. 通過串口和 PC 機相連，配合上位機軟件，實現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。 它包含了電 路 原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計（包含印刷電路板自動布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客戶 /服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如 ORCAD、 PSPICE、 EXCEL 等。 GCC 安裝以后可以集成在 AVR Studio 開發(fā)環(huán)境中，使用 GCC 來編寫、編譯 C 語言程序，而使用 AVR Studio 通過下載器或仿真器連接硬件電路來下載或仿真調(diào)試程序。 單片 機 集成開發(fā)環(huán)境的選擇 AVR 系列單片機 有多達十余種的開發(fā)環(huán)境，如 AVR Studio、 ICC AVR、 IAR AVR、 Code Vision AVR、 GCCAVR、 ATmanAVR、 FastAVR 等，大部分都支持匯編與 C 語言，每一種都有各自的優(yōu)點與不足之處。 A. 匯編 語言 匯編 語言 是一種通用編程語言。一般用于具有短信控制的功能的 LED 顯示屏控制器上。 綜合上述的方案比較以及特點分析，本課題結(jié)合并行數(shù)據(jù)輸出以及串行數(shù)據(jù)輸出的特點，采用了并串結(jié)合的控制思想。 雙 色 9 6 3 2 L E D顯 示 屏 單 元 板雙 色 9 6 3 2 L E D顯 示 屏 單 元 板單 片 機D 0D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7ABCDO ER C K S C KG 1R 1G 2R 2 圖 33 控制器并行數(shù)據(jù)輸出方式 這種方式數(shù)據(jù)輸出速度快，控制簡單，但不符合一般的數(shù)據(jù)組織方式，需對顯示 信息進行特殊的格式處理。以 SD卡作為外部存儲器，通過讀寫 SD 卡來實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的存放與讀取。 存儲方案選擇 在 LED 顯示屏控制系統(tǒng)中，顯示數(shù)據(jù)的存儲問題，是比較重要的設(shè)計內(nèi)容。雖然省去了電纜，不需要布線，但由于無線通訊范圍的限制，使用仍然不方便。因此不適合做遠距離通信 。本課題 在 制作控制 器實物的時候考慮到 盡量減小印制電路板的面積 ，最終采用了 44 腳 TQFP 封裝的ATmega16 單片機 。 ATmega16 引腳如圖基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 12 32 所示。除此之外， AVR單片機開發(fā)環(huán)境眾多，調(diào)試工具方便，網(wǎng)上資料齊全，十分適合初學者學習和掌握。作 為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果 ， 同時 PIC 單片機內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設(shè)計難度，同時降低了硬件成本。但具體選擇哪款單片機，還要具體分析，這關(guān)系到整個 LED 條屏控制系統(tǒng)的 性價比 。該控制 器 采 用 ATmega16+74HC165 的解決方案，配合 相應(yīng)的上位機軟件，可以滿足以下要求： A. 可以至少實現(xiàn) 192 32（雙色）點陣的控制，即 控制卡接上 雙色 19232 LED 顯示屏 后可以正常顯示文字和簡單圖形； B. 可以驅(qū)動顯示屏靜態(tài)顯示 8 16 1 32 32 的英文字符、中文漢字和簡單圖形， 16 16 大小漢字可以顯示兩排，每排 12 個； C. 可以驅(qū)動顯示屏動態(tài)顯示文字和簡單圖形，實現(xiàn)文字的水平移動、垂直移動、上下追逐、閃爍效果等； D. 可以驅(qū)動顯示屏用紅、黃、綠三種顏色顯示文字和簡單圖形； E. 可以通過串口和 PC 機相連，配 合上位機軟件，實現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。 顯 示 點 陣 （ 上 半 屏 ）9 6 1 6 點 陣顯 示 點 陣 （ 下 半 屏 ）9 6 1 6 點 陣行 驅(qū) 動（ 4 9 5 3 8 ）行 驅(qū) 動（ 4 9 5 3 8 ）譯 碼 電 路7 4 H C 1 3 8 A譯 碼 電 路7 4 H C 1 3 8 B信 號 驅(qū) 動 電 路7 4 H C 2 4 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 5G N DG N DG N DG N DR 1R 2G N DO EABR C KS C KG 1G 2CD0 8 接 口 （ i n ）G N DG N DG N DG N DR 1R 2G N DO EABR C KS C KG 1G 2CD0 8 接 口 （ o u t ）ABCDG 2R 2G 1R 1R C KS C KO EL 0L 1L 1 5L 0L 1L 1 5R C kS C KR 1G 1R C kS C KR 2G 2圖 26 雙色 96 32LED 顯示屏單元板結(jié)構(gòu)框圖 每塊單元板之間通過 08 接口用數(shù)據(jù)線連接起來，而數(shù)據(jù)和控制信號由控制卡從第一塊單元板的輸入接口送入。 G G2 為綠色 LED 列數(shù)據(jù)線。在應(yīng)用串行控制驅(qū)動系統(tǒng)時，盡管串行移位芯片具有級聯(lián)功能，但設(shè)計時還要考慮時鐘信號、鎖存信號、行控制 信號的級聯(lián)驅(qū)動問題。所以下 面具體介紹下串行控制驅(qū)動方式。當 N 為一時，就變成了靜態(tài)顯示方式。再如 Y0 為 1， X0 到 X7 均為 0，則最上面一行 8 個 LED 全點亮。動態(tài)顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量， 節(jié)省 了 驅(qū)動器，簡化 了 電路。 發(fā)光點直徑 一般為基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 4 10mm26mm，為保證亮度，常采用 1/4掃描或 1/8掃描方式控制。無論是組模屏還是直插屏，在實際生產(chǎn)中一般將其以 64 32點陣為單位做成單元板，并加上驅(qū)動電路 ，留出標準化接口（ 08接口或 12接口），方便連接控制卡以及級聯(lián)成更大的屏幕。 本課題針對的是192 32點陣大小的雙色 LED條幅顯示屏（下稱 LED條屏），可以顯示紅、綠、黃三種顏色的文字、圖形。 課題研究的內(nèi)容 本課題針對雙色 LED 點陣顯示屏的控 制系統(tǒng)進行了設(shè)計。不同的 LED 電子條屏控制 器 根據(jù)不同的需要，還可以通過電纜、無線、手機短信、 SD 卡等多種方式對顯示內(nèi)容進行修改和控制。目前市場上的 LED 電子屏大多采用現(xiàn)成的 LED 模塊，已經(jīng)采用了統(tǒng)一的接口定義。該系統(tǒng)可以和市面上標準 LED電子顯示屏接口（ 0 12接口 ） 連接，實現(xiàn)至少 19232（雙色）點陣大小的控制。 該控制系統(tǒng) 使用 高 性價比的ATmega16單片機作為主控芯片， 采用并串結(jié)合的數(shù)據(jù)輸出方式，成本低廉 但 卻 能驅(qū)動 較 大面積 的雙色 LED顯示屏。而正是由于 LED 電子顯示屏的迅速普及， LED 電子顯示屏產(chǎn)業(yè) 得到了 迅速 發(fā)展 ，顯示屏制造工藝正趨于成熟 ， LED 電子顯示 屏控制技術(shù)日趨完善 。對于長度較長的 LED 電子條屏往往采用多塊控制器進行分區(qū)控制。該控制 器 采用ATmega16+74HC165 的解決方案，至少可以實現(xiàn) 192 32（雙色）點陣的控制，基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計 2 可以直接驅(qū)動市面上長 寬 單紅 LED 電子條屏。 圖文顯示屏 一般由雙基色或三基色 LED矩陣塊組成 ，通常連接同步控制卡， 可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形 ， 而條幅顯示屏則適用于小容量的字符信息顯示 ，通常由單紅 LED矩陣塊組成 ，其控制系統(tǒng)屬于異步控制 。由于其生產(chǎn)便捷，成本低廉，顯示亮度高，點陣間距可靈活調(diào)整等優(yōu)點，近幾年得到了快速的發(fā)展，尤其是在單紅 LED條屏，以及偽彩色 LED顯示屏中的到了大量的應(yīng)用。戶外屏 面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能 。將連續(xù)的 行 畫面高速的循環(huán)顯示，只要行掃 描 高于 55Hz(約 18ms)，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。比如，Y7 為 1， X0 為 0,則右下角的 LED 點亮。 N 越小，掃描的速度越快，顯示越亮，閃爍越不明顯。由于成本問題， 現(xiàn)在市面上的 LED 顯示屏多以串行驅(qū)動方式為主，本項目使用的 LED 顯示屏就是采用的串行控制方式。對于 1/16 掃描方式的 LED 顯示屏，一般采用兩片74HC138 構(gòu)成四 十六譯碼器的方式或直接使用 74HC154 芯片。 R R2 為紅色 LED 列數(shù)據(jù)線。其電路結(jié)構(gòu)圖如 圖 26 所示。本課題就是在這種背景下提出的，針對 LED 條屏異步控制系統(tǒng)，通過使用性價比極高的 AVR單片機作為主控芯片，設(shè)計出了一種高性價比且能支持更多字數(shù)顯示的 LED 條屏控制 器 。而對于 LED 條屏， ARM+FPGA 作為控制器 則是 大材小用，所以一般采用單片機作為 LED 條屏控制 器 的控制 芯片 。 PIC 單片機是 RISC 架構(gòu)的工業(yè)專用單片機，處理指令的速度有所增 加，抗干擾 性能優(yōu)異 ，型 號種 類 較 多。這些特點和性能完全符合課題的要求。再綜合內(nèi)部資源、晶振頻率以及性價比等因素最終選擇 ATmega16 芯片作為 主控芯片。 此外， ATmega16 單片機 共有 32 個可編程的 I/O 口（腳） ， 芯片封裝形式有40 引腳的 PDIP、 44 引腳的 TQFP 和 44 引腳的 MLF 封裝。在不使用調(diào)制解調(diào)器 （ MODEM） 時， RS232C 能夠可靠進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸ㄐ啪嚯x為 15 米。 方案三： 無線 通訊 要實現(xiàn) 無線通訊意味著要在控制卡中添加無線模塊，以及要制作一個連接在PC 機上的無線收發(fā)終端，成本以及設(shè)計難度就必然增加。 故 本 課題采用 RS232 串行通訊作為數(shù)據(jù)通 訊的解決方案，通信電纜 使用 低廉的普通雙絞線 即可。 最后在比較了擴展外部 FLASH 存儲器，以及外部 E2PROM 等方案的基礎(chǔ)上，本課題 選擇了更為靈活的 SD 卡存儲方案。其數(shù)據(jù)輸出示意圖如 圖 33 所示。對 I/O 口資源也沒有浪費，需要幾條數(shù)據(jù)線就用幾個 I/O 口，但由于是普通 I/O 口串行輸出，而且需運用大量移位指令，所以數(shù)據(jù)輸出速度慢，達不到課題的要求，也不采用。有字模芯片的控制方案，修改顯示數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)量較小，對上位機軟件依賴少，使用靈活。 單片機軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選擇 單片 機軟件開發(fā)語言的選擇 在單片機系統(tǒng)開發(fā)常用的開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言兩大類。 通過上述比較， 本課題選用 C 語言進行系統(tǒng)軟件編程 。所以 ， 本課題最終采用 AVR Studio+GCC 的開發(fā)環(huán)境，使用 C 語言來 進行系統(tǒng)軟件開發(fā)。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 17 硬件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境選擇 Protel99SE 依 然是目前使用最廣的 電路設(shè)計及仿真的軟件 ?？刂频膶ο笫请p色19232LED 點陣大小的顯示屏。 故本系統(tǒng)的單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 42所示。 本課題在設(shè)計過程中主要采用了 采用串行 ISP