【文章內(nèi)容簡介】 進(jìn)行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。（2）串行通信串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(jìn)行的，而計算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計算機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加 CPU 負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。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。在單片機(jī)芯片中，UART 已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口 [6]。 綜上所述，題目設(shè)計已經(jīng)選定了單片機(jī)為開發(fā)方式而單片機(jī)的 UART 已經(jīng)集成在單片機(jī)內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 LED 點陣顯示屏顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機(jī)的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅(qū)動 LED 顯示屏，所以需要對單片機(jī) IO 口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。LED 顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 LED 顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖 22 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED 點陣子模塊構(gòu)成大的 LED 點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有 81616 幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當(dāng)單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當(dāng)一個 LED 出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有 LED 都必須被更換。這就加大了維修的成本。本科生畢業(yè)論文 7兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個 LED 點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險。所以構(gòu)建一個 1616 的 LED 點陣屏選用四塊 88 點陣模塊。圖 22 LED 點陣圖一個 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 51 單片機(jī)的端口驅(qū)動所以必須要對單片機(jī)的端口個數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。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。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（4 線16 線譯碼器） 、74LS164（8 位串并轉(zhuǎn)換器） 、74HC595 等。51 系列單片機(jī)端口低電平時，吸入電流可達(dá)２０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 μＡ甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的） ，基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動 LED 顯示屏顯示。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)動電路 [7]。 硬件設(shè)計方案最終方案如圖 23 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)存儲和處理顯示內(nèi)容用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動 4 塊 88LED 點陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED 點陣顯示屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計。本科生畢業(yè)論文 8181。165。198。172。187。210。235。194。181。231。 16161。193。LED207。212。202。190。198。207。212。202。190。199。253。182。175。181。231。194。180。174。208。205。168。197。PC187。圖 23 硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計除了滿足設(shè)計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。205。168。208。197。179。204。208。242。 191。216。214。198。179。204。208。242。214。247。179。204。208。242。190。178。204。172。207。212。202。190。179。204。208。242。 204。216。208。167。207。212。202。190。179。204。208。242。圖 24 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機(jī)中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。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。 單片機(jī)編程語言現(xiàn)在主要運用的單片機(jī)編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點。匯編語言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計語言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計語言，也是利用計算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點，但在編寫復(fù)雜程序時具有明顯的局限性，匯編語本科生畢業(yè)論文 9言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植 [8]。C 語言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。C 語言結(jié)構(gòu)是以括號{ }而不是子和特殊符號的語言。C 可以進(jìn)行許多機(jī)器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51 的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(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)。這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；編程及程序調(diào)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術(shù)。C 語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持，C 語言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地移植過來?；谝陨侠碛蓻Q定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹C 語言編寫的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編譯器必不可少。支持 MCS－51 用 C 語言編程的編譯器主要有兩種：Franklin C51 編譯器和 KEILC51 編譯器。目前在單片機(jī)開發(fā)中普遍都是使用 KEIL C51 來進(jìn)行編譯。因此軟件設(shè)計最終方案為采用 C 語言為程序語言，KELC 為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。 上位機(jī)控制傳輸軟件其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。上位機(jī)的作用是存儲并處理顯示內(nèi)容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動顯示。LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實時顯示和存儲顯示兩種方法。實時顯示及上位機(jī)屏幕上的內(nèi)容同時顯示在 LED 顯示屏上，上位機(jī)上內(nèi)容變化 LED 顯示屏也跟著變化。存儲顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示 [9]。兩種顯示方法相比較：實時顯示屏幕能及時反應(yīng)上位機(jī)內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實時性好多用于新聞播報、實況轉(zhuǎn)播用，但實時顯示硬件開銷大，本科生畢業(yè)論文 10對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實時性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設(shè)計題目對顯示的實時性要求較低且所設(shè)計的顯示屏尺寸不大同時顯示的內(nèi)容不多，所以實時顯示就沒有必要。所以上位機(jī)選擇存儲顯示的方法，控制LED 顯示屏的顯示內(nèi)容 [10]。本科生畢業(yè)論文 11第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件整體設(shè)計概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動電路和 1616 的點陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位 PC 機(jī)通過通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過 I/O 口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到 LED 顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示內(nèi)容 [11]。根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖 31 所示。 74LS37PC187。74LS164AT89S51 ULN2803MAX23 74LS16474LS16474LS164ULN280374LS374191。233。8161。193。181。227。213。243。196。163。191。233。185。179。201。181。196。16161。LED181。227。213。243。198。193。LED181。227。213。243。196。163。191。233。209。244。188。171。LED181。227。213。243。196。163。191。233。210。245。188。171。850200。253。188。171。185。220。181。231。212。180。圖 31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點：（1）LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動電路要能提供 LED 顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。（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)動電路的要求。（4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯本科生畢業(yè)論文 12示，并且端口驅(qū)動能力要足以驅(qū)動譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。（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。（6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示要求。 控制單元設(shè)計控制單元是整個顯示系統(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。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。在 51 系列單片機(jī)中選定一款合適的機(jī)型來作為控制單元的主控芯片。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，因為在軟件設(shè)計時方便的程序下載對程序的驗證和編寫非常有用。還有就是為了提高 LED 顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點要求，選擇美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 為控制單元的主控芯片。 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 只讀程序存儲器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價位 AT89S51 單片機(jī)可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT989S51 具有以下特點：與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器1000 次擦寫周期－ 的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0Hz －33MHz三級程序加密鎖1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM本科生畢業(yè)論文 1332 個可編程 I/O 口線2 個 16 位定時/計數(shù)器6 個中斷源全雙工串行 UART 通道低功耗空閑和掉電模式中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標(biāo)識和快速編程特性靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式） AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個 I/O 口線，看門狗（WDT） ，兩個數(shù)據(jù)指針，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。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硬件復(fù)位。 控制系統(tǒng)設(shè)計控制電路設(shè)計中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)） 。AT89S51 的最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。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。在該系統(tǒng)中，P1 各口主要用作 LED 顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于端口的驅(qū)動能力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來提高驅(qū)動能力。其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。具體接法為： ， ， 分別接四塊 74LS164的 A 端，向 74LS164 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； 和 分別接列和行的 7