【文章內(nèi)容簡介】 有 MCS5AVR、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)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平） 。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，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。 顯示模塊四個 88 的點(diǎn)陣構(gòu)成一個 1616 的點(diǎn)陣。行和列的交叉處有一個 LED，共由 256個 LED 構(gòu)成，如果 LED 的陽極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給該 LED 對應(yīng)的行以高電平，列以低電平，那么對應(yīng)的 LED 就發(fā)光。圖 22 畫出了室內(nèi)直插式 88 點(diǎn)陣 LED 模塊實(shí)物圖。這種模塊由 64 個發(fā)光 LED芯片以 88 的形式構(gòu)成一個正方形模塊，然后用 2 列 8 針引腳將內(nèi)部電路接口引出，供驅(qū)動電路使用。圖 22 LED 點(diǎn)陣顯示原理行對應(yīng)的給 LED 的陽極，先給第一行以高電平，如果送給 16 列的代碼為 EFFF，則第一行的第 4 個 LED 被點(diǎn)亮，再給第二行以高電平，如果送給 16 列的代碼為EF07，則第二行的第 1113 個被點(diǎn)亮，接著給第三行以高電平，同時江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 7 頁 共 55 頁給列以驅(qū)動代碼，這樣不斷地進(jìn)行行行的掃描，只要速度夠快，由于人的視覺暫留作用，就不會感覺到明顯的閃爍感 [6]。點(diǎn)陣上會看到一個清晰的“機(jī)”字。點(diǎn)陣顯示有 2 種方案：(1) 靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示方式，即從單片機(jī)輸出行、列控制信號同時控制 256 個 LED 燈亮和滅，來顯示一幅完整的畫面，顯示效果好、穩(wěn)定性好、亮度損失較小。(2) 動態(tài)顯示方式動態(tài)顯示方式：動態(tài)顯示是將一幅完整的畫面有序分割成 16 分，然后控制單片機(jī)以極快的速度依次刷新顯示屏，利用人眼的視覺暫留是的看起來就像所有點(diǎn)同時顯示一樣，動態(tài)顯示設(shè)計(jì)成本低，顯示效果差，亮度損失較大。本次設(shè)計(jì)將采用方案 2：動態(tài)顯示方式。采用動態(tài)顯示方式進(jìn)行顯示時，每一行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個驅(qū)動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機(jī)的存儲器中，按 8 位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)采用串行右移的方式移入 74HC595，然后并行顯示在點(diǎn)陣顯示屏上。 存儲模塊為了實(shí)現(xiàn)串口通信后的數(shù)據(jù)掉電保護(hù)功能，需要將數(shù)據(jù)寫入可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM） ?？梢岳脝纹瑱C(jī)的 P0 I/O 口擴(kuò)展 1 片存儲容量為 1K 的 93C46 芯片。這種方法可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求，但是比較繁瑣，而且需要外擴(kuò)芯片，增加了設(shè)計(jì)成本。本次設(shè)計(jì)利用單片機(jī)內(nèi)置的 EEPROM，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 8 頁 共 55 頁第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件功能要求(1) 采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣顯示屏上的顯示控制。(2) 顯示屏要求不低于 1616 點(diǎn)。(3) 能通過按鍵控制顯示的內(nèi)容。任務(wù)要求采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣顯示屏上的顯示控制，所以硬件電路需要單片機(jī)及其最小系統(tǒng)(即震蕩電路和復(fù)位電路)。任務(wù)要求顯示屏不低于 1616 點(diǎn)，所以硬件電路需要點(diǎn)陣顯示電路。還需要單片機(jī)與顯示模塊之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸 (即行、列驅(qū)動電路)。任務(wù)要求能通過按鍵控制顯示的內(nèi)容，所以還需要按鍵電路。最后還需要PC 機(jī)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，所以還需要一個電平轉(zhuǎn)換電路。 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路單片機(jī)采用 STC89C52 芯片，采用 12MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機(jī)的串口與列驅(qū)動器相連，用來顯示數(shù)據(jù)。P1 口低 4 位連接按鍵模塊；～ 口則用來發(fā)送控制信號。P0 口空著，在有必要的時候可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。MSC51 單片機(jī)管腳說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 9 頁 共 55 頁P(yáng)2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號 [7]。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP） 。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 10 頁 共 55 頁 列驅(qū)動電路列驅(qū)動電路由集成電路 74HC595 構(gòu)成。它具有一個 8 位串入并出的移位寄存器和一個 8 位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，既達(dá)到重疊處理的目的。圖 31 74HC595 芯片引腳 圖74HC595 的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。它的輸入側(cè)有 8 個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器。引腳 SI 是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳SCK 是移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將 SI 的下一個數(shù)據(jù)打入最低位 [8]。表 31 74HC595 引腳 說明符號 引腳 描述Qo~Q7 1~7 并行數(shù)據(jù)輸出GND 8 地Q7’ 9 串行數(shù)據(jù)輸出MR 10 主復(fù)位（低電平）SHCP 11 移位寄存時鐘輸入STCP 12 存儲寄存時鐘輸入OE 13 輸出有效（低電平）DS 14 串行數(shù)據(jù)輸入VCC 16 電源移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。RCK 是輸出鎖存器的打入信號，其上升沿將移位寄存器的輸出打入輸出鎖存器。引腳G 是輸出三態(tài)門的開放信號，只有當(dāng)其為低時鎖存器的輸出才開放，否則為高組態(tài)。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 11 頁 共 55 頁SCLR 信號是移位寄存器清零輸入端，當(dāng)其為低時移位寄存器的輸出全部為零。由于SCK 和 RCK 兩個信號是互相獨(dú)立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為 QA～QH，最高位 QH 可作為多片 74HC595 級聯(lián)應(yīng)用時，向上一級的級聯(lián)輸出。但因?yàn)?QH 受輸出鎖存器的打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出 QH，作為與移位寄存器完全同步的級聯(lián)輸出。將 2 片 74HC595 進(jìn)行級連，可共用一個移位時鐘 SCK 及數(shù)據(jù)鎖存信號 RCK。這樣，當(dāng)?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經(jīng)過 82=16 個 SCK 時鐘后便可將其全 部移入 74HC595 中，此時還將產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鎖存信號 RCK 將數(shù)據(jù)鎖存在 74HC595 中，并在使能信號 G 的作用下，使串入數(shù)據(jù)并行輸出，從而使與各輸 出位對應(yīng)的場驅(qū)動管處于放大或截止?fàn)顟B(tài)；同時由行掃描控制電路產(chǎn)生信號使第一行掃描管導(dǎo)通，相當(dāng)于第一行 LED 的正端都接高，顯然，第一行 LED 管的亮滅 就取決于 74HC595 中的鎖存信號；此外，在第一行LED 管點(diǎn)亮的同時，再在 74HC595 中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，同時由行掃描控 制電路將第一行掃描管關(guān)閉而接通第二行，使第二行 LED 管點(diǎn)亮，以此類推，當(dāng)?shù)谑袙呙柽^后再回到第一行，這樣，只要掃描速度足夠高，就可形成一幅完整的文字或圖像。 行驅(qū)動電路行驅(qū)動電路由集成電路 74HC164 構(gòu)成。它是 8 位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（DSA 或 DSB）之一串行輸入；任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空 [9]。圖 32 74HC164 芯片引腳 圖江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 12 頁 共 55 頁表 32 74HC164 引腳 說明符號 引腳 描述A 1 數(shù)據(jù)輸入B 2 數(shù)據(jù)輸入QA~QH 3~6 10~13 并行數(shù)據(jù)輸出GND 7 主復(fù)位（低電平）CLK 8 時鐘輸入CLR 9 中央復(fù)位輸入VCC 14 電源如果一行 16 點(diǎn)全部點(diǎn)亮，則通過 74HC164 的電流將達(dá) 320 mA，而實(shí)際上，74HC164 提供不了足夠的吸收電流來同時驅(qū)動 16 個 LED 同時點(diǎn)亮，因此，應(yīng)在74HC154 每一路輸出端與 16x16 點(diǎn)陣顯示器對應(yīng)的每一行之間用一個三極管來將電流信號放大，本文選用的是三極管 8550。如圖 33 所示：1K5V LED181。227。213。243。198。193。209。244。188。171。210。235。194。181。231。194。202。228。179。246。圖 33 行驅(qū)動器件 8550 的接法對于驅(qū)動部分將采用共射極放大電路，8550 為 PNP 型三極管。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(qū)動 LED 點(diǎn)陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時，發(fā)射極與基極電勢差為 5V－V 0基極中帶負(fù)電的電子越過 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 Ic。當(dāng)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－V 0－Vb，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(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)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。 按鍵電路江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第 13 頁 共 55 頁按鍵電路共有 4 個按鍵，采用微動開關(guān)，分別接在 ~ 口。在正常情況下，P1 口為高電平，當(dāng)有鍵按下時，對應(yīng)端口接收到一個低電平脈沖。單片機(jī)根據(jù)該電平脈沖做出相應(yīng)的動作。當(dāng)鍵按下時，電源和地接在一起，造成短路，所以在電源和按鍵之間需要加上電阻 R。電阻阻值如果太小，則電路消耗功率大；如果阻值太大，則在不按鍵的情況下，單片機(jī)的 P1 口也得不到高電平。所以阻值選擇合適大小，本次設(shè)計(jì)選擇 1K。硬件電路如圖 34 所示： 圖 34 按鍵電路圖 電平轉(zhuǎn)換電路STC89C52 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 [10]。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題就是信號電平問題。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(jī)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(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。