【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 示內(nèi)容和顯示方式 [4]。 A T 8 9 S 5 2單 片 機(jī)控 制 單 元上 位 機(jī)1 6 X 1 6 L E D 顯示 點(diǎn) 陣通 訊 接 口行驅(qū)動(dòng)列 驅(qū) 動(dòng) 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 設(shè)計(jì)論證 圖文顯示一般有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)顯示兩種方案，靜態(tài)方案雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但其使用的管腳太多，如本設(shè) 計(jì)中 16ｘ 16 的點(diǎn)陣共有 256 個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴(kuò)展端口，按 8 位的鎖存器來計(jì)算， 16ｘ 16 的點(diǎn)陣需要廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 256/8=32 個(gè)鎖存器。這個(gè)數(shù)字很龐大，因?yàn)槲覀儍H僅是 16ｘ 16 的點(diǎn)陣，在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個(gè)很龐大的數(shù)字。因此在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另外一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法 [5]。 動(dòng)態(tài)掃描的意思簡(jiǎn)單地說就是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行（比如 16 行）的同名列共用一套驅(qū)動(dòng)器。具體就 16ｘ 16 的 點(diǎn)陣來說，把所有同 1 行的發(fā)光管的陽(yáng)極連在一起，把所有同 1 列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽(yáng)極的接法），先送出對(duì)應(yīng)第一行發(fā)光管 使其 亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 1行使其燃亮一定時(shí)間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 2行使其亮相同的時(shí)間，然后熄滅；以此類推，第 16行之后，又重新燃亮第 1行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。 采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每一行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中 ，按 8位一個(gè)字節(jié)的形式順序排放。顯示時(shí)要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上去，這就存在一個(gè)顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時(shí)，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹? 采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過程較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能 并行地進(jìn)行顯示。這樣，對(duì)于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對(duì)于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致影響到 LED 的亮度。 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動(dòng)器電路應(yīng)具有的功能。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來說，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并處的移位功能；對(duì)于列數(shù)據(jù)顯示來說， 應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示 。 基于單片機(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 通信 接口部分 設(shè)計(jì) LED 點(diǎn)陣顯示時(shí)，就必然少不了單片機(jī)與電腦連接的連接交互。本次設(shè)計(jì)的通訊部分主要包括串口連接與程序下載。 LED 顯示系統(tǒng)的單片機(jī)線路板是通過串口線纜實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的交互，本次設(shè)計(jì)使用 USB 轉(zhuǎn)換串口適配器。應(yīng)用時(shí)只需將串口線的一端連接到線路板上，另一端連接到PC 的 USB 接口上，并安裝對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。此外，選用 MAX232 下載器和 ISP 下載線使單片機(jī) 能通過下載線將計(jì)算機(jī)上的程序下載到單片機(jī)中并運(yùn)行 [6]。圖 22 和圖 23，分別 一種 是 USB 轉(zhuǎn)換串口適配器和 ISP 下載線實(shí)物圖。 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 一種是 并行通信 ， 并行通信 的時(shí)候 數(shù)據(jù)的各個(gè) 數(shù)據(jù) 位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(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。 另一種是 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(zhǎng)，因此串行適用于長(zhǎng)距離而速度要求不高的場(chǎng)合。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外發(fā)送 數(shù)據(jù)時(shí)，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送 。 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(gè)串行口。 綜上所述，題目設(shè)計(jì)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。 單片機(jī)控制系統(tǒng) 控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、 DSP、及EDA 技術(shù)。三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻圖 23 USB 轉(zhuǎn)換串口適配器 圖 22 ISP 下載線 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 較低開發(fā)成本 也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用?，F(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中 應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推 Intel 的 51 系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史 “ 悠久 ” ，有先入為主的優(yōu)勢(shì)常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。 且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定 51 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 驅(qū)動(dòng)部分 一個(gè) 16 16 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(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)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）、 74HC164（ 8 位串并轉(zhuǎn)換器）、 74HC595 等。 51系列單片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流可達(dá) 20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十 μ Ａ甚至更小（電流實(shí)際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng) 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(dòng)電路 [7]。 LED 點(diǎn)陣顯示屏 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個(gè)漢字的顯示屏，以及驅(qū)動(dòng)該顯示屏的驅(qū)動(dòng)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(dòng) LED 顯示屏，所以需要對(duì)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(gè)一個(gè)的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 LED 顯示屏就需要多個(gè)發(fā)光二極管。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個(gè)的發(fā)光二極管逐點(diǎn)連接起來 ；二是選用一些由單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED 點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的 LED 點(diǎn)陣模塊 ，如圖 24。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有 8 16 16 幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè)的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)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(gè) LED 出現(xiàn)問題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有 LED 都必須被更換。這就加大了維修的成本 [8]。 兩種方法相比較，決定采取 LED 點(diǎn)陣 模塊構(gòu) 成的方法來制作一個(gè) LED 點(diǎn)陣顯示屏?；趩纹瑱C(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu) 建一個(gè) 16 16 的 LED 點(diǎn)陣屏選用四塊 8 8 點(diǎn)陣模塊。 圖 24 LED 點(diǎn)陣圖 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電路總體設(shè)計(jì) 由總 體硬件原理 圖 31看到 ， 其外圍電路包括 晶振 及 復(fù)位部分 、串口通訊電路 、 電源電路 、 行列 驅(qū)動(dòng)電路 、 LED 點(diǎn)陣 顯示電路 組成，根據(jù)實(shí)際情況 LED 點(diǎn)陣 顯示部分模塊選擇 4 個(gè) 8 8 組合 16 16的點(diǎn)陣屏 ， 如下圖 31所示 。 本系統(tǒng)以 AT89S52 為中央處理器，系統(tǒng)上電工作后， 電路各部分初始化 。 具體工作流程為： 在沒有控制指令時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行指定代碼。 上位 PC 機(jī) （個(gè)人電腦） 可以 通過 串口調(diào)試助手 向 單片機(jī)發(fā)送控制指令 （控制右移或者上移） ，單片機(jī)接收控制指令 后 進(jìn)行中斷 處理， 然后 把 將 要 顯示內(nèi)容通過 I/O 口串行輸出 ，由 行 驅(qū)動(dòng)電路 和列 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理 ， 以達(dá)到 LED點(diǎn)陣 顯示屏的顯示 時(shí)所需要 電壓和 電流， 進(jìn)而 使顯示屏顯示內(nèi)容 相關(guān)文字 及圖案 [11]。 A T 8 9 S 5 2單 片 機(jī)控 制 單 元M A X 2 3 2上 位 P C 機(jī)電 源1 6 X 1 6 L E D 顯示 點(diǎn) 陣行 驅(qū) 動(dòng) 電 路列 驅(qū) 動(dòng) 電 路晶 振 及 復(fù) 位 電 路 圖31 硬件原理圖 晶振及復(fù)位單元 AT89S52引腳 XTAL1和 XTAL2與晶體振蕩器及電容 C C1按圖 32所示。晶振、電容 CC2及片內(nèi)與非門（作為反饋、放大元件）構(gòu)成了電 容三點(diǎn)式振蕩器，振蕩信號(hào)頻率與晶振頻率及電容 C C2的容量有關(guān)，但主要由晶振頻率決定，范圍在 0～ 33MHz之間，電容C C2取值范圍在 5～ 30pF之間。根據(jù)實(shí)際情況 ，本設(shè)計(jì)中采用 12MHZ作為系統(tǒng)的外部的晶振， 電容取值為 30pF[9]。 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。該電路在最簡(jiǎn)單的復(fù)位電路下增加了手動(dòng)復(fù)位按鍵，在接通電源瞬間，電容 C8上的電壓很小，復(fù)位下拉電阻上的電壓接近電源電壓，即 RST為高電平，在電容基于單片機(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 充電的過程中 RST端電壓逐漸下降，當(dāng) RST端的電壓小于某一數(shù)值后， CPU脫離復(fù)位狀態(tài)，由于電容 C8足夠大，可以保證 RST高電平有效時(shí)間大于 24個(gè)振蕩周期， CPU能夠可靠復(fù)位。增加手動(dòng)復(fù)位按鍵是為了避免死機(jī)時(shí)無法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后電容 C4通過 R6放電。 R6的作用在于限制按鍵按下瞬間電容 C8的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)按鍵觸電。其電路如圖 32所示。 圖 32 晶振及復(fù)位 單元 通訊電路單元 由于電腦串口輸出電壓為 +12V,而單片機(jī)的出入電壓為 5+，直接與單片機(jī)連接會(huì)燒壞芯片，因此選用 MAX232 芯片來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換 [10]。 圖 33是串口芯片 MAX232EEPE 與單片機(jī)連接圖： 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 33 串口芯片與單片機(jī)連接電路 圖 34 MAX232EEPE 實(shí)際引腳圖 其中， MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口芯片 ,使用 +5V 單電源供電 。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)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(gè)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(gè)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 DP9 插頭； DP9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、 R2OUT 輸出。 第三部分是供電。 15 腳 DNG、 16 腳 VCC（ +5V）。 本次設(shè)計(jì)中使用 MAX232 作為串口芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦之間的有效連接，防止因電腦輸出電壓（ +12V）過大，而將單片機(jī)燒壞。并且實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)之間的通信：基于單片機(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)