【文章內容簡介】 本章小結 本章首先介紹了本課題的研究背景和意義，對相關領域的研究情況進行了綜述，分析了國內外 LED 點陣廣告牌發(fā)展現狀及展望，并對本文的主要內容與論文結構安排做了說明。2 系統的總體設計方案02 系統的總體設計方案 為了對系統進行硬件搭建及后期程序仿真和調試，本章就系統設計目標、整體方案以及硬件模塊選型進行了簡單的介紹。 系統設計目標 本系統的設計方案利用 STC89C52 單片機為主控芯片，來控制 LED 點陣顯示屏，使得該廣告牌具備萬年歷顯示功能，同時能夠接收 PC 機命令并滾動顯示相應文字。 本系統以 PC 機作為上位機，以 STC89C521 單片機作為下位機，下位機讀取時鐘模塊寄存器里數據，通過 LED 點陣顯示，按鍵模塊可以改變顯示狀態(tài)和進行時間調整，同時也可以通過串口通信接收 PC 機的命名顯示相應漢字。本系統需要具有以下功能： （1）實時顯示萬年歷，并且可以通過按鍵對時間進行調整。 （2）可以通過按鍵改變漢字滾動的方式。 （3）與上位機進行通訊。本系統可以通過串口通訊實現與上位機進行通訊，接收上位機發(fā)出的命令。并通過 LED 點陣顯示相應文字。 系統方案 多功能廣告牌的系統是以 STC89C52 單片機為核心，它的功能包括萬年歷顯示、按鍵調整、廣告文字顯示、數據通訊等，其系統框圖設計如圖 所示。圖 多功能廣告牌的系統框圖本系統采用 STC89C52 單片機為主控芯片，LED 點陣的行驅動電路由74HC138 控制，列驅動電路由 74HC595 控制，LED 顯示屏的分辨率為 16*64，西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）1可同時顯示 4 個漢字；時鐘芯片采用 DS1302，可以實現萬年歷顯示；按鍵模塊采用分時復用實現顯示狀態(tài)的改變和萬年歷時間的調整；通訊模塊采用USB 轉串口通訊模塊，實現上位機與下位機的數據傳輸；電源模塊采用直流+5V 供給單片機、按鍵模塊、復位電路、時鐘模塊和行列驅動器電路使用。 單片機的選型 STC89C52 單片機是 MCS51 系列單片機的派生產品。它的主要特性有：5V 工作電壓，8K 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM，MAX810 復位電路，3 個 16 位定時器/計數器，4 個外部中斷，全雙工串行口。最高運作頻率 35MHz，6T/12T 可選。它完全能夠滿足設計要求和需要，并且市場貨源充足、價格便宜，便于以后本廣告牌成品的推廣。 時鐘芯片的選型目前市場上常用的時鐘芯片有 X1203 和 DS1302 兩種。（1）X1203 是一個帶時鐘/日歷和兩個鬧鈴的實時時鐘芯片。該芯片以秒、分、時、星期、日、月和年為單位跟蹤時間。具有閏年校正功能，并能對小于 31 的月份自動進行調整；（2）DS1302 是一種高性能，低功耗，帶 RAM 的實時時鐘芯片，它可以對年、月、星期、日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能。采用三線串行數據接口與 CPU 進行同步通信，具有主電源/后備電源雙電源引腳。通過對以上兩種時鐘芯片進行比較，本文選取 DS1302 作為系統時鐘芯片。它電路結構簡單，易實現軟件編程。 按鍵模塊按鍵模塊按照鍵盤與 CPU 的連接形式可分為獨立式按鍵和矩陣式按鍵，其各自特點如下： (1)獨立式鍵盤 獨立式鍵盤是各按鍵相互獨立，每個按鍵占用一個 I/O 口，各個 I/O 口上的按鍵工作狀態(tài)互不影響。獨立式鍵盤電路比較簡單，在按鍵數量較多時，I/0 口有可能出現不夠用，而且電路結構會很復雜，因此獨立式很適用于按鍵數量較少的場合。 (2)矩陣式鍵盤在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少 I/0 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口就可以構成 4*4=16 個按鍵，比直接用端口線連接鍵盤多出了一倍，而且線數越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構成 20 鍵的鍵盤。由此可見，在需要的鍵數比較多時，采用矩西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）2陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結構的鍵盤顯然比直接法要復雜一些，識別也要復雜一些。通過對以上兩種鍵盤形式進行對比，結合本系統功能設計的需求，本文選用四個獨立式鍵盤，分別用于控制切換各種狀態(tài)、調整萬年歷時間。其功能的實現主要是對按鍵的掃描，體現在軟件程序編寫方面，根據不同的按鍵值，執(zhí)行不同的操作，在具體場合應用中可以將按鍵的功能重新定義，只要在程序中重新編寫就可以，比較方便。 LED 顯示屏鑒于本系統應用在停車場、車間等小型場所，因此 LED 顯示屏選用分辨率為 16*64 的點陣，可同時顯示 4 個漢字。 市場上的 LED 點陣種類繁多。按點陣數可以分為 4*8*8 和 16*16 等規(guī)格的顯示屏模塊，最常用的是 8*8 的點陣模塊。8*8LED 點陣單塊使用時，既可代替數碼管顯示數字，也可顯示各種中西文字及符號．如圖 所示。圖 8*8 點陣示意圖其中一個 LED 燈的直徑為 ，點陣外圍邊長為 38mm。采用 8*8 的基本模塊構成 16*64 的點陣，需要 16 塊這樣的點陣，形成如圖 所示的效果圖?？偝叽绱笮?79mm*304mm。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）3圖 16*64 點陣效果圖LED 點陣顯示系統中各模塊的顯示方式：有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示原理簡單、控制方便，但硬件接線復雜，在實際應用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數據信號，反復循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。 本系統 LED 顯示屏采用動態(tài)掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24 幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數量，因此在 LED 顯示技術中被廣泛使用。 本章小結本章主要介紹了系統總體設計方案，分別對單片機、時鐘芯片、按鍵模塊及 LED 顯示屏進行了選型，為硬件電路搭建提供了依據。3 多功能廣告牌系統的硬件設計43 多功能廣告牌系統的硬件設計 本章節(jié)介紹了多功能廣告牌系統的單片機最小系統、按鍵模塊、LED 顯示模塊、時鐘模塊、USB 轉串口通訊模塊及電源模塊的硬件電路。 單片機最小系統 STC89C52 單片機89C52 系列的各單片機的生產廠商和型號的不同，導致其 ROM、RAM、中斷系統、外圍功能模塊以及處理器速度等方面有一定的不同，但是其基本結構相同，均包括算術邏輯單元 ALU、片內 RAM、 I/0 端口、定時器、中斷系統等基本的功能單元。 STC89C52 是 STC 公司生產的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，8K 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器，內置 4KB EEPROM，MAX810 復位電路，3 個 16 位定時器/計數器，4 個外部中斷，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T可選。STC89C52 單片機的引腳圖如圖 所示。圖 STC89C52 引腳圖 它有 40 個引腳，包括 8 位的 I/O 口四個：P0、PP2 和 P3，共 32 個引西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）5腳；電源引腳 VCC 和 GND，外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2，控制信號引腳：RST、ALE、PSEN 和 EA。復位電路通過上電復位和手動復位兩種形式。外接晶振選擇 24MHz 的晶振； 輸入/輸出端口：P0、Pl、P2 和 P3，每個 P 口都有八位，其中 P0 口是準雙向口，作為輸出口的時候，要先向該口寫入 1，P0 口的內部不包含內部上拉電阻，因此在對 P0 口操作的時候要在其外部電路加入上拉電阻。P3 口具有第二功能，具體功能詳見表 。P2 口可以用在訪問外部程序存儲器和 16位地址的外部數據存儲器時，P2 口送出的是高 8 位地址，P0 口提供低 8 位地址，P0 口可分時提供 8 位數據總線； 控制信號引腳：RST、ALE、PSEN 和 EA。RST 是單片機的復位引腳，外接硬件電路可以實現單片機的復位操作。ALE 是地址鎖存允許信號引腳，高電平有效，當單片機訪問外部存儲器時，ALE 輸出信號作為鎖存低 8 位地址的控制信號。PSEN 是程序存儲允許輸出信號端，主要應用在對片外存儲器的操作方面。EA 是外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端，主要應用在訪問外部 ROM，在實際應用時，保持該引腳是高電平即可； 晶振連接引腳：XTAL1 和 XTAL2，通過這兩個引腳在芯片外接晶振和兩個電容，就構成了振蕩電路； 電源引腳：VCC 為電源端，接+5V 電壓源，GND 是接地端，接電源地；復位電路：單片機復位電路通常是上電復位電路和手動復位電路組合在一起使用。表 P3 口特殊功能表I/O/口引腳 說明 RXD串行數據接收端 TXD串行數據發(fā)送端 外部中斷 0 請求端INT 外部中斷 1 請求端 T0定時器/計數器 0 T1定時器/計數器 1 外部數據存儲器寫選通信號WR 外部數據存儲器讀選通信號D 單片機最小系統設計 根據此單片機的引腳圖、復位電路和晶振模塊，組成單片機最小系統如圖 所示。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）6圖 單片機最小系統 按鍵模塊按鍵采用獨立式按鍵，分別控制切換各種狀態(tài)、時間。按鍵接口 接四個按鍵，各個按鍵功能依次如下：（1）LEFT_K 鍵：使 LED 顯示屏中的內容向左移動；（2）RIGHT_K 鍵：使 LED 顯示屏顯示的內容向右移動；（3）UP_K 鍵：使 LED 顯示屏的內容向上移動；（4）KEY4 鍵：在顯示狀態(tài)和調整時間兩種功能下進行切換。若沒有按鍵按下，繼續(xù)循環(huán)檢測按鍵是否按下。按鍵模塊電路圖如圖 4 所示。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）7圖 按鍵模塊 LED 顯示模塊 8*8*LED 基本模塊 LED 顯示屏是由一個一個發(fā)光二極管組成的陣列，在物理連接上分共陰極連接和共陽極連接。單一發(fā)光二極管的正向導通電壓是 , LED 顯示屏基礎模塊的每一行的陰極連接在一起，每一列的陽極共同連接在一起。對于 8*8 的LED 模塊，保證基礎模塊字符顯示正常同時導通的電壓為 5V 左右，其中 LED 模塊的結構原理圖如圖 所示。圖 8*8LED 結構圖 當給某一列送高電平的時候，選中的是整列，而當給某一行送低電平的時候，改行即被選中，因此如果讓某一點亮就需要行列交叉點是要被點亮的點就可以。在購買一塊 8X8 規(guī)格的點陣模塊時，為了檢驗引腳控制的行列問題，還有引腳應該接高電平還是低電平的問題，就可以將萬用表量程的旋鈕調到二極管測量的檔，然后將紅表筆接任意一個引腳，將黑表筆依次接到其他引腳，并觀察模塊中是否有極管點亮和第幾行第幾列點亮，檢查時做好記錄，如此就可以檢驗一個模塊引腳的控制電平，和行列排列問題。 行驅動電路設計 由于單片機的接口有限，所以需要譯碼器擴展。其中最常用的行驅動芯片是74HC 138 芯片 38 譯碼器。選用 74HC138 譯碼器需要兩片驅動一個 16 行的 LED屏，74HC138 譯碼器允許三個高有效的二進制地址輸入，輸出互相排斥的 8 個低有效位，兩個使能輸入端，可以控制 74HC138 的選通與截止，防止輸出錯誤的編碼，也可以用來擴展譯碼器，本設計就是利用它的使能端將兩個 74HC138擴展成 16 行驅動。 74HC 138 有如下的特點: (1)8 行多路輸出功能。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）8 (2)3 個二進制代碼輸入，譯碼成 8 路多路輸出。 (3)2 個使能輸入端，用來控制芯片工作或停止工作，或者用來擴展輸出。 (4)標準輸出，中規(guī)模集成電路。74HC 138 是具有 16 引腳的集成芯片，它的封裝方式有貼片式和直插式，其引腳圖如圖 所示。圖 74HC138 引腳圖本系統采用的 74HC138 作為 LED 點陣的行驅動擴展口，LED 顯示屏的大小是 16X64，因此要用到兩片 74HC138，通過該芯片的使能端控制芯片輸出 16 位，行驅動電路原理圖如圖 所示。單片機的 口連接 74HC138 譯碼器的 LALD 輸入端，根據譯碼器的工作原理輸出端依次選中顯示屏的第一行至第十六行。單片機的 口同時接至 74HC138（1）和 74HC138（2）的使能端，保證了行掃描的掃描方法的實現。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）9圖 行驅動電路原理圖 列驅動電路設計 本系統列驅動電路選用 74HC595 芯片。74HC595 是 8 位串行輸入并行/串行輸出移位寄存器，它包含一個存儲寄存器，串行移位寄存器，并且高電平、低