【文章內(nèi)容簡介】 速率的限制， LED 動態(tài)顯示的刷新率不可能做 得太高。對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力，在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統(tǒng) 8051 單片機的內(nèi)部資源貧乏，僅 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，幾 K 字節(jié)的程序存儲器，無 E2PROM， SPI。這就需要對單片機擴展外設，無疑增加了硬件成本。因此， 8051 控制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。 PIC 單片機為控制器的 LED 顯示屏。因 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，抗干擾能力優(yōu)秀，型號種類繁多。作為條屏的控2020屆 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 9 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)省外部電路設計難度，同時降低了硬件成本。因此，以 PIC 單片機為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。 FPGA（復雜可編程邏輯門陣列）為控制器的 LED 顯示屏。 FPGA 以高速、并行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為 LED 顯示屏的控制器，能夠高速的處理色階 PWM 信號、高速的完成動態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動算法。因此被運用于雙基色、三基色的顯示系統(tǒng)。但是其成本較高，開發(fā)難度較大。 ARM（ 32 位 RISC 架構(gòu)高性能微處理器）為控制器的 LED 顯示屏。 ARM 有著極高的指令效率，極高的時鐘頻率。因此其運算能力非常強大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡化了硬件設計的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運用中，能用 ARM 來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅(qū)動。 ARM 與 FPGA 的組合更是功能強大，除了海量存儲技術(shù)，無線更新技術(shù)外，還能實時地顯示視頻信號。因此，以 ARM 為控制器的顯示屏常為視頻全彩屏。 于騰達：基于單片機的 LED大屏幕顯示系統(tǒng) 10 第 3 章 總體方案設計與分析 顯示單元 顯示一個簡體漢字，至少需要 16*16 點陣來描述。本設計采用 4 個 8*8 點陣，像素直徑 的 LED 模塊拼接 成 16*16 點陣的 LED 陣列。本設計要求整個屏幕能同時顯示 2 個漢字，則至少需要用 8 個 8*8 的 LED 模塊拼接成 32*16 的矩陣 。 滾屏的實現(xiàn) 字符的位置在屏幕上實現(xiàn)移動，即術(shù)語 “滾屏 ”?？梢杂糜布崿F(xiàn)，但無疑增加了額外的硬件成本及設計難度。因此本設計采用軟件算法實現(xiàn)左滾屏、左 鋪幕 、 靜止 顯示等常見滾屏方式。用軟件來完成滾屏算法，其最大的優(yōu)點在于成本低廉，而且可維護性、可升級性大大增強。 主控芯片的考慮 因本設計采用軟件來實現(xiàn)滾屏，且傳輸方式為串行方式。所以對微控制器單元的處理速度要求較高，可供選 擇的有 ARM7 和高速 8 位單片機。 ARM 的處理速度極快，但對于條屏的應用， ARM 內(nèi)部的資源浪費嚴重，且成本較高。因此選擇高速 8 位單片機作為控制器， 由于考慮到價格等因素，所以選用接口比較豐富的 89C52 作為主控芯片。 關(guān)于現(xiàn)實內(nèi)容的更新 目前常用的下載方式有串口下載、 USB 下載、無線下載等?？紤]到本設計的上、下位機進行一次通信時的數(shù)據(jù)量不大，而且對通信的速度及可靠性要求并不嚴格。因此本設計采用 PC 機串口來作為下載接口， PC 機串口為 RS232C 標準，其特點是共模傳輸，因此通信電纜可以是成本低廉的普通雙絞 線，同軸屏蔽線等。 PC 機串口的驅(qū)動程序編寫較為簡單，不需要掌握復雜的通信協(xié)議。 總體電路結(jié)構(gòu)及工作原理 2020屆 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 11 硬件電路框圖 通過對上面對各種方案分析與比較，初步構(gòu)建硬件框圖如圖 圖 硬件電路框圖 工作原理 如圖 所示，要顯示一個完整的漢字需要一個 16*16 的 LED 點陣顯示屏，這就需要 4 塊 8*8 的 LED 點陣顯示屏進行級聯(lián)。一個漢字的每一列由高八位和低八位組成，這就要用單片機的兩個 I/O 口來傳送數(shù)據(jù)，由于 AT89C52 的 I/O 并不能提供 LED 點陣屏所需要的電流，所以在設計時加了對應的兩組行驅(qū)動電路。而列掃描則使用能提供32 列信號掃描的芯片。由于要控制顯示的內(nèi)容，所以要進行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機的信號電平為 TTL 電平，所以要進行數(shù)據(jù)傳輸就要進行電平轉(zhuǎn)換。由上位機傳送顯示數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換就可以將信號電平傳遞到單片機，然后完成顯示數(shù)據(jù)。 32*16LED 顯示屏 行驅(qū)動電路 列掃描電路 A T 8 9 C 5 2 電源 電平轉(zhuǎn)換 PC 控制 于騰達：基于單片機的 LED大屏幕顯示系統(tǒng) 12 第 4 章 硬件電路設計 LED 點陣模塊的選擇 本顯示屏采用列掃描、直接送行顯示碼的方式工作，分辨率為 32*16 的顯示屏由 8個共陽型 LED 點陣單元構(gòu)成。共陽型 LED 點陣單元的每個 LED 點陣 由行輸入高電平列為低 電平從而點亮該顯示單元。圖 是 8*8LED 顯示屏的參數(shù)。 圖 要顯示一個完整的漢字需要一個 16*16 的 LED 顯示屏，這就需要同時向每列傳送16 個數(shù)據(jù)，為此我設計的電路是通過單片機的 P0 口和 P2 口進行傳送數(shù)據(jù)的， PO 和P2 口剛好可以為本次設計提供 16 個 I/O 口，因為點亮一個 LED 需要通過列選通才能點亮，所以這 16 個 I/O 口可以提供總共 32 列的 LED 顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示，只要在選通該列的時候傳輸所需要的數(shù)據(jù)點亮該列即可，由于刷新速率較快，而人眼又具有視覺暫留，所以可以感覺到整屏點亮。而列選通則需要 32 個接口進行控制 。 所以 8 塊 8*8的 LED 顯示屏的連接是 P0 口的 0 口到 7 口同時連接 4 塊 LED 顯示屏的第一行到第八行， P2 口的 0 口到 7 口連接另外 4 塊 LED 顯示屏的第一行到第八行，這樣就可 以同時控制整個屏幕的第一行到第十六行，而 第一列到第三十二列的控制則由前兩塊 LED 顯2020屆 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 13 示屏的第一列相連直到第八列，以此類推 直到最后一列 ， 這樣 就可以組成 32*16 的 LED點陣顯示屏。圖 為 本次設計中 8 塊 8*8LED 點陣屏的級聯(lián)成 32*26 點陣屏的原理圖。 圖 LED 點陣級聯(lián)圖 行驅(qū)動電路 由于單片機等 CPU 的數(shù) 據(jù)／地址／控制總線端口都有一定的負載能力， 而本次設計中點亮 32*16 的 LED 顯示屏已經(jīng) 超過其負載能力， 所以為了得到較好的顯示效果， 應 該 加驅(qū)動器。 市面上有多種驅(qū)動電路，從價格、原理等多方面的考慮，決定行驅(qū)動電路使用兩片 74HC245，這是比較常用的驅(qū)動芯片，屬于 總線驅(qū)動器，典型的 TTL 型三態(tài)緩沖門電路。 下圖為 74HC245 的邏輯圖 (圖 )和引腳圖 (圖 )。 于騰達：基于單片機的 LED大屏幕顯示系統(tǒng) 14 圖 74HC245 邏輯圖 圖 74HC245 的引腳圖 下面說明各引腳的定義 及功能 1 腳 DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用 ， DIR=“1”高電平時信號由 “A”端輸入“B”端輸出， DIR=“0”低電平時信號由 “B”端輸入 “A”端輸出。 2~9 腳 “A”信號輸入輸出端， A1=B、 A8=B8， A1 與 B1 是一組，如果 DIR=“1”O(jiān)E=“0”則 A1 輸入 B1 輸出，其它類同。如果 DIR=“0”O(jiān)E=“0”則 B1 輸入 A1 輸出，其它類同。 11~18 腳 “B”信號輸入輸出端，功能與 “A”端一樣，不在描述。 19 腳 OE，使能端，若該腳為 “1”A/B 端的信號將不導通，只有為 “0”時A/B 端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作 用。 10 腳 GND，電源地。 20 腳 VCC，電源正極。 2020屆 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 15 74HC245 的真值表如下 表 74HC245 的真值表 Control Inputs 控制輸入 Operation 運行 G DIR L L B 數(shù)據(jù)到 A 總線 L H A 數(shù)據(jù)到 B 總線 H X 隔開 H=高電平， L=低電平， X=不定 在本設計中，當 DIR 接高電平時， A 端為輸入、 B 端為輸出。行驅(qū)動電路連接 100歐姆的限流電阻，如下圖所示。 圖 行驅(qū)動電路 列掃描電路 列掃描電路由于要向 32*16 的 LED 點陣傳 送信號，所以需要提供 32 個列信號，在這里則是利用了兩片 416 線譯碼器 74LS154，分別對應左、右屏。 A、 B、 C、 D 為輸入、 Y0~Y15 為輸出。此外，還有兩根線分別使能左、右屏譯碼器，也就是使能左、右屏。片選為低電平使能。下圖為 74LS154 的邏輯圖 (圖 )和引腳圖 (圖 )。 圖 74LS154 的邏輯圖 于騰達：基于單片機的 LED大屏幕顯示系統(tǒng) 16 圖 74LS154 的引腳圖 下面介紹各引腳定義 。 111， 1317 ：輸出端。 (outputs (active LOW)) 12： GND 電源地 (ground (0 V)) 1819： 使能輸入端 (enable inputs (active LOW)) 2023 地址輸入端 (address inputs) 24： VCC 電源正 (positive supply voltage) 74LS154 的真值表如下圖所示。 圖 74LS154 的真值表 在本次設計中， 74ls154 的輸出接了 32 只 PNP 型三極管，在這里起到開關(guān)的作用 。通過控制輸出來使得在任何時刻只有唯一的列導通以點亮該列，當列切換的速度足夠快時，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看上去整個屏都是亮的，下圖為 本次設計 的 列掃描電路 圖 。 2020屆 電子信息工程 專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 17 圖 列掃描電路 串口通訊 在工業(yè)自動控制，智能產(chǎn)品中，單片機應用越來越廣泛，同時也需要對數(shù)據(jù)進行較復雜的處理，由于單片機的運算能力較差，在處理復雜數(shù)據(jù)時速度較慢，所以需要借助計算機進行運算。因此，單片機與 PC 間的通信便顯得非常重要。 大多數(shù)的計算機都具有 RS232C 接口，盡管它的性能指標并非很好。在廣泛的市場支持下依然長盛不衰。就是用而言， RS232 也確實有其優(yōu)勢：僅需 3 根線便可在兩個數(shù)字設備之間全雙工傳送數(shù)據(jù)。不過， RS232 的控制要比使用并行通信的打印機接口難于控制。 RS232C 使用了遠比并行口更多的寄存器。這些寄存器用來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及 RS232C 設備之間的握手與流量控制。 RS232 總線標準 串行通信接口標準以 RS232C 為主。 RS232C 標準是美國 EIA 與 BELL 等公司一起開發(fā)的，它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在 0~20200bit/s 范圍內(nèi)的通信。 RS232C 還對電器特性，邏輯電平和各種信號線功能都做了規(guī)定。 RS232C 使用 3V~ 25V 表示數(shù)字 “1”，使用3~25V 表示數(shù)字 “0”， RS232C 在空閑時處于邏輯 “1”狀態(tài)。在開始傳送時，首先產(chǎn)生一個起始 位，起始位為一個寬度的邏輯 “0”，緊隨其后的為要傳送的數(shù)據(jù)，所要傳送的數(shù)據(jù)由最低位開始送出，最后以一個結(jié)束位標志表示該字節(jié)傳送完畢，結(jié)束位為一個寬度的邏輯 “1”。 RS232C 接口電路 由于 RS232C 信號與 MSC51 單片機信號電平不一致 (前者為 RS232 電平，后者為于騰達：基于單片機的 LED大屏幕顯示系統(tǒng) 18 TTL 電平 )，因此，采用 RS232C 與單片機通信時必須要進行信號電平轉(zhuǎn)換。目前， RS23C與 TTL 電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片有 MAX232,MC1488 等，本設計采用 MAX232 進行電平轉(zhuǎn)換。 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標準串口設計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。下圖為 MAX232 的外部引腳 (圖 )和內(nèi)部電路 (圖 )。 圖 MAX232 的外部引腳 圖 MAX232 的內(nèi)部電路 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生 +12v 和 12v 兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由 1 1 1 14 腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中 13 腳（ R1IN）、 12 腳（ R1OUT）、 11 腳（ T1IN）、 14 腳（ T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)從 T1IN、 T2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 RS232 數(shù)據(jù)從 T1OUT、 T2OUT 送到電腦 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232 數(shù)據(jù)從 R1IN、 R2IN 輸入轉(zhuǎn)換成 TTL/CMOS 數(shù)據(jù)后從 R1OUT、