【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（ CLOCK）脈沖上升沿作用下 Q0為低電平。當(dāng) A、 B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)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 時(shí)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(shí)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) 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 15 換時(shí)，串行數(shù)據(jù)的第一位會(huì)從 QA依次移位到 QH,第二位數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無(wú)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(dòng)電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器 74LS373 來(lái)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(shí)， O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng) OE為高電平時(shí)，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)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(shí)， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)， 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(duì)譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 行驅(qū)動(dòng)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)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，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(dòng)采用 PNP 三極管 8550 接法如圖 34 示： 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 16 1 K5 VL E D 點(diǎn) 陣 屏 陽(yáng) 極譯 碼 電 路 輸 出 圖 34 行驅(qū)動(dòng)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(hào)輸出端，集電極接輸出驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢(shì)差為 5V－ 0v 基極中帶負(fù)電的電子越過(guò) 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(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。故 8550 在驅(qū)動(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開關(guān)的作用。 P N P5 V譯 碼 器 輸 出 信 號(hào)輸 出 驅(qū) 動(dòng) 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(dòng) 電路設(shè)計(jì) 列驅(qū)動(dòng)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(gè) 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(dòng)執(zhí)行的是列選的工作，當(dāng)選通的列輸入高電平時(shí)其對(duì)應(yīng)的 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 17 輸輸出低電平。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。具體電路如圖 37 所示。 圖 37 列驅(qū)動(dòng)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(wèn)題就是信號(hào)電平問(wèn)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(shí)傳輸線上的電平在－ 3～－ 15V 之間；傳送數(shù)字 “0”時(shí)，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(shí)為＋ 5V 數(shù)字 “0”時(shí)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(gè)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) 18 C 1+1VDD2C 13C 2+4C 25V E E6T 2O U T7R 2I N8R 2O U T9T 2I N10T 1I N11R 1O U T12R 1I N13T 1O U T14GND15V C C165M A X 23 2A C P E12345678911101D C on ne c t or 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(guò)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(shí)需要對(duì)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(guò)一個(gè)橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過(guò) 5V 三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V 輸出。 級(jí)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(jí)連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級(jí)連的方法。 將第 1 個(gè) 74LS164 的 Q7 端接第 2 個(gè) 74LS164 的 A 端，將第 2 個(gè) 74LS164 的Q7 端接第 3 個(gè) 74LS164 的 A 端，如此炮制當(dāng) N 塊 74LS164 相級(jí)連時(shí)就變?yōu)橐粋€(gè)串行輸入 7N 口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。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。但是這種級(jí)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(jí)連過(guò)多會(huì)增加一次掃描的時(shí)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) 19 圖 310 74LSL64 級(jí)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(jí)連。如圖 311 所示，由獨(dú)立的 LED 顯示系統(tǒng)組成一個(gè)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(jí)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(shí)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(gè)的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)也會(huì)影響整個(gè)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(jí)連聯(lián)合使用的方法來(lái)構(gòu)建大屏幕LED 顯示屏幕。即增加單個(gè)顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時(shí)又將單個(gè)的顯示系統(tǒng)級(jí)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) 20 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(yǔ)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(dòng)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(guò)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 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) 21 程序開始時(shí)首先必須對(duì)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(jí)的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時(shí)通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各 IO 口功能的設(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(gè)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)陣顯示屏的控制方式是由按鍵控制還是上位機(jī)控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動(dòng)態(tài)顯示 。串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)。中斷產(chǎn)生后由預(yù)先初始化時(shí)設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設(shè)定了 LED 點(diǎn)陣顯示屏所要顯示的內(nèi)容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。 顯示程序的設(shè)計(jì) LED 顯示屏的顯示方式 LED 點(diǎn)陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。 對(duì)靜態(tài)顯示來(lái)說(shuō)，每一個(gè)發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動(dòng)電路，一幀畫面輸入以后便可一勞永逸地顯示，除非我們改變了顯示內(nèi)容，需要重新輸出新的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)．這種方式系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單 一些，但所需的譯碼驅(qū)動(dòng)裝量很多，引線多而繁雜，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也較低． 另一種動(dòng)態(tài)掃描顯示是把整個(gè) LED 屏幕分成若干部分，每一幅畫面的顯示是顯示完一部分后，又顯示第二部分 …… 直到顯示完最后一部分又重新開始顯示第一部分，重復(fù)循環(huán)進(jìn)行．在重復(fù)掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定的畫面．也就是說(shuō)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示需要不斷進(jìn)行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅(qū)動(dòng)電路可重復(fù)利用，引線也大大減少，從而使硬件成本降低，且屏幕上的發(fā)光二極管輪流發(fā)光，使用時(shí)的耗電量大大降低．大屏幕的制造、維護(hù)要容易 許多，可靠性也增加了． 兩種顯示方式的比較再結(jié)合 51單片機(jī) IO 口數(shù)量有限的原因決定采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。 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。在該顯示系統(tǒng)中掃描顯示的工作原理如圖 42 所示，先選通列然后再?gòu)男兴腿雽?duì)應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的 基于單片機(jī)點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì) 22 快利用人眼的延時(shí)特性就可以看見一幅