【文章內(nèi)容簡介】 端必須保持低電平（接地）。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲器所以將 EA 置為高電平。 圖 32 控制部分電路圖 由于 P3 口是特殊功能口，在該系統(tǒng)中基本是采用其第二功能。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 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 15 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 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。所以 P1 和 P2 口留為外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲器和程序存儲器不夠用的情況時使用 [12]。 譯碼電路設(shè)計(jì) 譯碼電路的功能是為了解決單片機(jī) I/O 端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373。 串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 列譯碼采用的是芯片 74LS164。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來控制 1616 的 LED 點(diǎn)陣屏顯示，需要 32 個端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要 7～ 9 個端口便可實(shí)現(xiàn)控制顯示。大大減少了 I/O 口的占用數(shù)目，為單片機(jī)擴(kuò)展其他功能預(yù)留下來了空間。 74LS164 為一個 8 位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時，輸出端（ QA－ QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 B 任意一個為低電平，則禁止新數(shù)據(jù) 輸入，在時鐘端（ CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0為低電平。當(dāng) A、 B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。 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 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 16 時鐘頻率 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。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。 鎖存器 74L373 由于 74LS164 芯片不具有鎖存功能，所以在 74LS164 進(jìn)行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時，串行數(shù)據(jù)的第一位會從 QA 依次移位到 QH,第二位數(shù)據(jù)會從 QA 依次移位到QG，依次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前 74LS164 芯片的輸出會出現(xiàn)一段時間的亂序輸出，這一結(jié)果會通過驅(qū)動電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要 74LS164 的輸出口不與驅(qū)動電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器 74LS373 來完成這一功能。 74LS373 為八 D 鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 )。 373 為三態(tài)輸出的八 D透明鎖存器 ,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路結(jié)構(gòu)形式當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE為低電平時， O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，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。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時， O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 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)鎖存器對譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 行驅(qū)動電路設(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)基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 17 中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。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。 行驅(qū)動采用 PNP 三極管 8550 接法如圖 34 示： 1 K5 VL E D 點(diǎn) 陣 屏 陽 極譯 碼 電 路 輸 出 圖 34 行驅(qū)動器件 8550 的接法 8550 為 PNP 型三極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 35 示。發(fā)射極 e 接 5V電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動 LED 點(diǎn)陣屏。當(dāng)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(fù)電的電子越過 PN 結(jié)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產(chǎn)生和電子擴(kuò)散方向相反的電流，由于基極電子大量擴(kuò)散到發(fā)射極集電極電子擴(kuò)散到基極中形成了電流 cI 。當(dāng)譯碼器端口輸出高電平時發(fā)射極與基極之間的電勢差為 5V－ 0V － BV ，由于發(fā)射極與基極之間電勢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。故 8550 在驅(qū)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。 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(jì) 列驅(qū)動采用 ULN2803。 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 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。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 18 路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。集電極輸出功 率可達(dá) 50V600mA[13]。 ULN2803 作為列驅(qū)動執(zhí)行的是列選的工作，當(dāng)選通的列輸入高電平時其對應(yīng)的輸輸出低電平。相對應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來吸收行驅(qū)動流出進(jìn)過顯示屏后的電流。具體電路如圖 37 所示。 圖 37 列驅(qū)動原理圖 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) AT89S51單片機(jī)具有全雙工串行 UART通道，支持單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行傳輸。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電平問題。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)總線 TXD 和接收數(shù)據(jù)總線 RXD 采用 EIA 電平，即傳送數(shù)字 “1”時傳輸線上的電平在－ 3～－ 15V之間；傳送數(shù)字 “0”時，傳輸線上的電平在＋ 3～＋ 15 之間。但單片機(jī)串行口采用正邏輯 TTL 電平，即數(shù)字 “1”時為＋ 5V數(shù)字 “0”時為 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(jī)系統(tǒng)中的常用芯片。在該顯示系統(tǒng)中， MAX232 為通信系統(tǒng)中最重要的硬件組成 部分 [15]。電路如圖 38 所示： 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 19 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 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)開發(fā)過程中可以使用電腦 USB 供電。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。此時需要對民用的 220V進(jìn)行降壓整流為 5V直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖 39 所示。 如圖所示，用 220V轉(zhuǎn) 12V的變壓器進(jìn)行降壓后再通過一個橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過 5V三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V輸出。 級連大屏幕 LED 顯示屏 要實(shí)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(jī)系統(tǒng)級連的方法。 將第 1 個 74LS164 的 Q7 端接第 2 個 74LS164 的 A 端，將第 2 個 74LS164 的Q7 端接第 3 個 74LS164 的 A 端，如此炮制當(dāng) N 塊 74LS164 相級連時就變?yōu)橐粋€串行輸入 7N 口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。這種級連的優(yōu)點(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時控 制更多的 LED 點(diǎn)陣顯示屏，且 74LS164 的價格低廉整體成本得到了降低。但是這種級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 級連過多會增加一次掃描的時間從而導(dǎo)致顯示出現(xiàn)閃爍。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。 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 20 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。如圖 311 所示，由獨(dú)立的 LED 顯示系統(tǒng)組成一個大的 LED 顯示系統(tǒng)。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。使用這種級連的辦法可以避免 51 單片機(jī)晶振頻率低的弱點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點(diǎn)，一是各獨(dú)立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào)性要求更高了，如果要實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的實(shí)時性必須需要上位機(jī)不斷更新顯示內(nèi)容則增加了上位機(jī)的通信數(shù)據(jù)量，逐個的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)也會影響整個畫面的更新速度；二是成本提高了。 在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構(gòu)建大屏幕LED 顯示屏幕。即增加單個顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時又將單個的顯示系統(tǒng)級連。 詳細(xì)硬件 原理圖見附錄 1。 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 21 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)。首先分析程序所要實(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示三大功能。其功能結(jié)構(gòu)如圖24 所示。通信程序接收上位機(jī)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(jìn)行顯示。 主程序的工作流程如圖 41 所示： 圖 41 主程序流程圖 程序開始時首先必須對單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設(shè)定，中斷初始化， 串行通信時通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各 IO 口功系 統(tǒng) 初 始化 從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存器 讀取顯示控制命令選擇顯示方式 調(diào)用相應(yīng)顯示程序 RI=1? 起始位？ 接收顯示數(shù)據(jù)及控制命令 將顯示數(shù)據(jù)移入顯示數(shù)組將控制命令賦值給控制字符 N N Y Y 開 始 中斷開始 中 斷 返 回 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 22 能的設(shè)定等。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外部中斷源和串行中斷。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)