【文章內容簡介】 壓——24mA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，理論上可以實現(xiàn)鎖存器對譯碼器的數(shù)據鎖存。 驅動電路設計 行驅動電路設計發(fā)光二極管，LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，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。 行驅動采用PNP三極管8550接法如圖34示：圖34 行驅動器件8550的接法8550為PNP型三極管，內部結構如圖35示。發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅動LED點陣屏。當譯碼器端口輸出為低電平時，發(fā)射極與基極電勢差為5V－基極中帶負電的電子越過PN結擴散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產生和電子擴散方向相反的電流，由于基極電子大量擴散到發(fā)射極集電極電子擴散到基極中形成了電流。當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－－，由于發(fā)射極與基極之間電勢差的減少基極電子向發(fā)射極擴散的電子數(shù)量減少故集電極電流也隨之減少。故8550在驅動電路中起到提供驅動電流和選通開關的作用。圖35 8550內部結構圖 列驅動電路設計列驅動采用ULN2803。ULN2803是一種高電壓大電流達林頓管陣列內部結構如圖，該陣列中的八個NPN達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，打印機錘和其他類似負載間的接口的理想器件。廣泛用于計算機，工業(yè)和消費類產品中。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50V600mA[13]。ULN2803作為列驅動執(zhí)行的是列選的工作，當選通的列輸入高電平時其對應的輸輸出低電平。相對應的輸出取反，并能提供較大的灌電流來吸收行驅動流出進過顯示屏后的電流。具體電路如圖37所示。圖37 列驅動原理圖 通信系統(tǒng)硬件設計AT89S51單片機具有全雙工串行UART通道，支持單片機進行數(shù)據的串行傳輸。除了單片機要與PC機制定通信協(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標準規(guī)定了PC機發(fā)送數(shù)據總線TXD和接收數(shù)據總線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，所以單片機與計算機不能直接相連進行通信必須將RS232C與TTL電平進行轉換[14]。在通用的電平轉換芯片中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電平之間的轉換而成為單片機系統(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：圖38 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設計在系統(tǒng)中MAX2374LS1674LS37AT89S51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。在實際的大屏幕LED顯示屏設計中，用電腦USB供電明顯不切實際。此時需要對民用的220V進行降壓整流為5V直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖39所示。圖39 電源原理圖如圖所示，用220V轉12V的變壓器進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 要實現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內部譯碼器級連和多個單片機系統(tǒng)級連的方法。譯碼器級連如圖310所示 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N塊74LS164相級連時就變?yōu)橐粋€串行輸入7N口輸出的串并轉換器。這種級連的優(yōu)點在于一塊單片機可以同時控制更多的LED點陣顯示屏，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，51系列的單片機的晶振頻率不高74LS164級連過多會增加一次掃描的時間從而導致顯示出現(xiàn)閃爍。從端口輸出的顯示數(shù)據的顯示也要作出相應的改變。圖310 74LSL64級連構建大屏幕LED顯示屏的另一種方法是將以較小的LED顯示系統(tǒng)做為模塊進行級連。如圖311所示，由獨立的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單片機晶振頻率低的弱點，更容易實現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點，一是各獨立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調性要求更高了，如果要實現(xiàn)顯示內容的實時性必須需要上位機不斷更新顯示內容則增加了上位機的通信數(shù)據量，逐個的單片機傳送數(shù)據也會影響整個畫面的更新速度；二是成本提高了。圖311 由子系統(tǒng)構建大屏幕LED顯示屏在實際應用中通常采用內部擴展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構建大屏幕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。詳細硬件原理圖見附錄1。第4章 系統(tǒng)軟件設計 程序設計系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，按照模塊化的設計思路設計。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示三大功能。其功能結構如圖24所示。通信程序接收上位機數(shù)據，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。 主程序的工作流程如圖41所示：系統(tǒng)初始化從顯示數(shù)組讀取數(shù)據到顯示寄存器讀取顯示控制命令選擇顯示方式調用相應顯示程序RI=1?起始位？接收顯示數(shù)據及控制命令將顯示數(shù)據移入顯示數(shù)組將控制命令賦值給控制字符NNYY開 始中斷開始中 斷 返 回圖41 主程序流程圖程序開始時首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：中斷優(yōu)先級的設定，中斷初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設定，各IO口功能的設定等。初始化完成后程序進入待機狀態(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點陣顯示屏的控制方式是由按鍵控制還是上位機控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動態(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)。中斷產生后由預先初始化時設定跳轉執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設定了LED點陣顯示屏所要顯示的內容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設定的方式和內容顯示出所需要的內容。 顯示程序的設計 LED顯示屏的顯示方式 LED點陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。 對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅動電路，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容，需要重新輸出新的點陣數(shù)據．這種方式系統(tǒng)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅動裝量很多，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．另一種動態(tài)掃描顯示是把整個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，重復循環(huán)進行．在重復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．也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅動電路可重復利用，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，使用時的耗電量大大降低．大屏幕的制造、維護要容易許多，可靠性也增加了．兩種顯示方式的比較再結合51單片機IO口數(shù)量有限的原因決定采用動態(tài)掃描的方式進行顯示。動態(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，先選通列然后再從行送入對應列的數(shù)據，這樣從第1列到第16列循環(huán)往復，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。圖42 掃描顯示程序原理圖 點陣數(shù)據表達方式該顯示系統(tǒng)的顯示數(shù)據采取縱向取模方向正向的數(shù)據存儲方式如圖43， 圖43 點陣數(shù)據原理圖 即數(shù)據是縱向的，一個像素對應一個位。8個像素對應一個字節(jié)，字節(jié)的位順序是上高下低，比如從上到下8個點的狀態(tài)是“**”(*為黑點，為白點)，則轉換的字模數(shù)據是0x82(B1000_0010)。如圖(43)所示，一幅1616的點陣畫面點陣數(shù)據按照B1B2B3……B31B32存儲。所以一幅畫面的數(shù)據量為32字節(jié)。畫面顯示時選通的第i列對應的數(shù)組元素為第i和i+16個元素[16]。 顯示程序的設計開 始 顯示程序分為靜態(tài)顯示程序、左移顯示、右移顯示、上移顯示、下移顯示五種種顯示方式。其中上下左右移動程序都調用了靜態(tài)顯示程序為子程序。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖44所示： 初 始 化讀取顯示數(shù)據依次選通列，行74LS164的CLOCK端置低，鎖存器禁止輸出對應行數(shù)組元素與0X01相與，相與結果寫入單片機端口輸出數(shù)組元素右移一位，對應74LS164 CLOCK端置高N右移次數(shù)是否為8？Y鎖存器允許輸出圖44 靜態(tài)顯示程序流程圖顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數(shù)據元素的對應關系第i列對應的行數(shù)據為數(shù)組中的第i和第i+16個元素。將對應元素的由低至高位依次從端口輸出具體做法為將元素向右邏輯移位后再與0X01相與，所得結果通過單片機端口輸出到串并轉換器的A端，鎖存在鎖存器里完成一列數(shù)據移位后再將其輸出。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面[17]。圖45 左右移/上下移程序流程圖 動態(tài)顯示程序流程如圖45所示，根據顯示數(shù)據的存儲原理通過改變實際LED列與數(shù)據邏輯列的方法來實現(xiàn)程序的左右移動。顯示數(shù)據與列的對應關系為：第i列對應的數(shù)據為數(shù)組中i和第2i個數(shù)據。所以當ULN2803選通時，而送入后一列的數(shù)據則相當于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據相當于右移一位。如此循環(huán)則產生一幅穩(wěn)定運動的畫面。 顯示數(shù)組中，第1至16個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第1至第8行。同理第17至32個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第9至第16行。所以將元素數(shù)據進行邏輯位移便能產生上下移動的效果[18]。 通信程序的設計系統(tǒng)采用串行中斷的方式進行通信。MCS51單片機的五個中斷源兩種類型：一類是外部中斷源；另一類是內部中斷源，包括兩個定時器/計數(shù)器（T0和T1）的溢出中斷和串行口的接收和發(fā)送中斷。MCS51單片機設置了4個專用寄存器用于中斷控制，分別為定時器控制寄存器（TCON），串行口中斷控制器（SCON），中斷允許控制寄存器（IE），中斷優(yōu)先級控制寄存器（IP）。編程時通過設置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。在編輯中斷程序時首先是將中斷控制寄存器（IE）初始化。其控制位分布如表。EA為中斷允許總控制位，EA=1時CPU開發(fā)中斷；EA＝1時。CPU屏蔽所有中斷。ES、ET、EXET0、EX0為對應的串行口中斷、定時器/計數(shù)器1中斷、外部中斷1中斷、定時器/計數(shù)器0中斷、外部中斷0中斷的中斷允許位。對應位為1時允許其中斷，對應位為0時，禁止其中斷。表41 中斷允許寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0EA——ESET1EX1ET0EX0 所以初始化時設定中斷允許寄存器初值為0XFF，指令為 IE=0XFF。程序設計時還要考慮到中斷優(yōu)先級的問題。因為不同的中斷同時產生而CPU響應的順序取決于內部查詢順序。設置串口工作方式1，波特率9600，計算可得計數(shù)器初值的十六進制表示為0XFD。通信協(xié)議如表42所示：表42 串口通信數(shù)據結構數(shù)據結構第1個字節(jié)第2至第33個字節(jié)第34個字節(jié)內容起始標志位‘S’顯示數(shù)據控制指令作用判斷是否開始接收數(shù)據LED的顯示內容控制LED顯示方式具體串口中斷程序流程圖如圖46所示，在主程序中先進行了串行中斷的初始化，初始化內容包括了串行工作方式選擇，波特率的設定，計數(shù)初值的設定。程序開始進入中斷等待，當PC機向單片機發(fā)送數(shù)據時產生中斷接收允許位RI置1，將SBUF（緩沖寄存器）中的值輸入到暫存