【文章內(nèi)容簡介】 本章小結(jié) 本章首先介紹了本課題的研究背景和意義，對相關(guān)領(lǐng)域的研究情況進(jìn)行了綜述，分析了國內(nèi)外 LED 點陣廣告牌發(fā)展現(xiàn)狀及展望，并對本文的主要內(nèi)容與論文結(jié)構(gòu)安排做了說明。2 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案02 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 為了對系統(tǒng)進(jìn)行硬件搭建及后期程序仿真和調(diào)試，本章就系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)、整體方案以及硬件模塊選型進(jìn)行了簡單的介紹。 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 本系統(tǒng)的設(shè)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(yīng)文字。 本系統(tǒng)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(shù)據(jù)，通過 LED 點陣顯示，按鍵模塊可以改變顯示狀態(tài)和進(jìn)行時間調(diào)整，同時也可以通過串口通信接收 PC 機的命名顯示相應(yīng)漢字。本系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)整。 （2）可以通過按鍵改變漢字滾動的方式。 （3）與上位機進(jìn)行通訊。本系統(tǒng)可以通過串口通訊實現(xiàn)與上位機進(jìn)行通訊，接收上位機發(fā)出的命令。并通過 LED 點陣顯示相應(yīng)文字。 系統(tǒng)方案 多功能廣告牌的系統(tǒng)是以 STC89C52 單片機為核心，它的功能包括萬年歷顯示、按鍵調(diào)整、廣告文字顯示、數(shù)據(jù)通訊等，其系統(tǒng)框圖設(shè)計如圖 所示。圖 多功能廣告牌的系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)采用 STC89C52 單片機為主控芯片，LED 點陣的行驅(qū)動電路由74HC138 控制，列驅(qū)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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）1可同時顯示 4 個漢字；時鐘芯片采用 DS1302，可以實現(xiàn)萬年歷顯示；按鍵模塊采用分時復(fù)用實現(xiàn)顯示狀態(tài)的改變和萬年歷時間的調(diào)整；通訊模塊采用USB 轉(zhuǎn)串口通訊模塊，實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)傳輸；電源模塊采用直流+5V 供給單片機、按鍵模塊、復(fù)位電路、時鐘模塊和行列驅(qū)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(chǎn)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(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，3 個 16 位定時器/計數(shù)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(shè)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(jìn)行調(diào)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(jìn)行計時，且具有閏年補償功能。采用三線串行數(shù)據(jù)接口與 CPU 進(jìn)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(jìn)行比較，本文選取 DS1302 作為系統(tǒng)時鐘芯片。它電路結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)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(shù)量較多時，I/0 口有可能出現(xiàn)不夠用，而且電路結(jié)構(gòu)會很復(fù)雜，因此獨立式很適用于按鍵數(shù)量較少的場合。 (2)矩陣式鍵盤在鍵盤中按鍵數(shù)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(gòu)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(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）2陣法來做鍵盤是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些。通過對以上兩種鍵盤形式進(jìn)行對比，結(jié)合本系統(tǒng)功能設(shè)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(diào)整萬年歷時間。其功能的實現(xiàn)主要是對按鍵的掃描，體現(xiàn)在軟件程序編寫方面，根據(jù)不同的按鍵值，執(zhí)行不同的操作，在具體場合應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(shù)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(shù)碼管顯示數(shù)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(gòu)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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）3圖 16*64 點陣效果圖LED 點陣顯示系統(tǒng)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(fù)雜，在實際應(yīng)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(qū)動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進(jìn)行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復(fù)循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。 本系統(tǒng) 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(shù)量，因此在 LED 顯示技術(shù)中被廣泛使用。 本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，分別對單片機、時鐘芯片、按鍵模塊及 LED 顯示屏進(jìn)行了選型，為硬件電路搭建提供了依據(jù)。3 多功能廣告牌系統(tǒng)的硬件設(shè)計43 多功能廣告牌系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本章節(jié)介紹了多功能廣告牌系統(tǒng)的單片機最小系統(tǒng)、按鍵模塊、LED 顯示模塊、時鐘模塊、USB 轉(zhuǎn)串口通訊模塊及電源模塊的硬件電路。 單片機最小系統(tǒng) STC89C52 單片機89C52 系列的各單片機的生產(chǎn)廠商和型號的不同，導(dǎo)致其 ROM、RAM、中斷系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)相同，均包括算術(shù)邏輯單元 ALU、片內(nèi) RAM、 I/0 端口、定時器、中斷系統(tǒng)等基本的功能單元。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)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(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，3 個 16 位定時器/計數(shù)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(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)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(xué)畢業(yè)設(shè)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(fù)位電路通過上電復(fù)位和手動復(fù)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(zhǔn)雙向口，作為輸出口的時候，要先向該口寫入 1，P0 口的內(nèi)部不包含內(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線； 控制信號引腳：RST、ALE、PSEN 和 EA。RST 是單片機的復(fù)位引腳，外接硬件電路可以實現(xiàn)單片機的復(fù)位操作。ALE 是地址鎖存允許信號引腳，高電平有效，當(dāng)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(yīng)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(yīng)用在訪問外部 ROM，在實際應(yīng)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(gòu)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(fù)位電路：單片機復(fù)位電路通常是上電復(fù)位電路和手動復(fù)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(shù)據(jù)接收端 TXD串行數(shù)據(jù)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(shù)器 0 T1定時器/計數(shù)器 1 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號WR 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號D 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)此單片機的引腳圖、復(fù)位電路和晶振模塊，組成單片機最小系統(tǒng)如圖 所示。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）6圖 單片機最小系統(tǒng) 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(nèi)容向左移動；（2）RIGHT_K 鍵：使 LED 顯示屏顯示的內(nèi)容向右移動；（3）UP_K 鍵：使 LED 顯示屏的內(nèi)容向上移動；（4）KEY4 鍵：在顯示狀態(tài)和調(diào)整時間兩種功能下進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)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?qū)妷菏?, LED 顯示屏基礎(chǔ)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(chǔ)模塊字符顯示正常同時導(dǎo)通的電壓為 5V 左右，其中 LED 模塊的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示。圖 8*8LED 結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)給某一列送高電平的時候，選中的是整列，而當(dāng)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(yīng)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(diào)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(qū)動電路設(shè)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(qū)動芯片是74HC 138 芯片 38 譯碼器。選用 74HC138 譯碼器需要兩片驅(qū)動一個 16 行的 LED屏，74HC138 譯碼器允許三個高有效的二進(jìn)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(shè)計就是利用它的使能端將兩個 74HC138擴展成 16 行驅(qū)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(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）8 (2)3 個二進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)采用的 74HC138 作為 LED 點陣的行驅(qū)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(qū)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(jù)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(xiàn)。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）9圖 行驅(qū)動電路原理圖 列驅(qū)動電路設(shè)計 本系統(tǒng)列驅(qū)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