【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 —25MHZ表31 74LS164工作參數(shù) 這就要求單片機(jī)的引腳輸出的高低電平要在芯片的識(shí)別范圍內(nèi)，由于采用了列選通行傳送顯示代碼的方法所以行譯碼電路上也加上了74L373鎖存芯片。這就要求74LS164芯片的輸出要滿足鎖存芯片的高低電平區(qū)分范圍和頻率要求。 圖33 行譯碼電路圖 鎖存器74L373由于74LS164芯片不具有鎖存功能，所以在74LS164進(jìn)行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時(shí)，串行數(shù)據(jù)的第一位會(huì)從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會(huì)從QA依次移位到QG，依次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前74LS164芯片的輸出會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無(wú)序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要74LS164的輸出口不與驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器74LS373來(lái)完成這一功能。74LS373為八D鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性)。373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)形式當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。參數(shù)最小值額定值最大值單位電源電壓5V輸入高電平電壓2——V輸入低電平電壓——V輸出高電平電壓——－mA輸出低電平電壓——24mA表32 74LS373工作參數(shù)表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(shí)現(xiàn)鎖存器對(duì)譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)發(fā)光二極管，LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)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。8550為PNP型三極管，發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號(hào)輸出端，集電極接輸出驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢(shì)差為5V－基極中帶負(fù)電的電子越過(guò)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。當(dāng)譯碼器端口輸出高電平時(shí)發(fā)射極與基極之間的電勢(shì)差為5V－－，由于發(fā)射極與基極之間電勢(shì)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(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開(kāi)關(guān)的作用。 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)列驅(qū)動(dòng)采用ULN2803。ULN2803是一種高電壓大電流達(dá)林頓管陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個(gè)NPN達(dá)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(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開(kāi)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(dá)50V600mA[13]。ULN2803作為列驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的是列選的工作，當(dāng)選通的列輸入高電平時(shí)其對(duì)應(yīng)的輸輸出低電平。相對(duì)應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來(lái)吸收行驅(qū)動(dòng)流出進(jìn)過(guò)顯示屏后的電流。具體電路如圖34所示。圖34 列驅(qū)動(dòng)原理圖 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)AT89S51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。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[14]。在通用的電平轉(zhuǎn)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(gè)小電容即可完成RS232C與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機(jī)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35所示：圖35 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中MAX2374LS1674LS37AT89S51都需要5V的供電電壓，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以使用電腦USB供電。在實(shí)際的大屏幕LED顯示屏設(shè)計(jì)中，用電腦USB供電明顯不切實(shí)際。此時(shí)需要對(duì)民用的220V進(jìn)行降壓整流為5V直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖36所示。圖36 電源原理圖如圖所示，用220V轉(zhuǎn)12V的變壓器進(jìn)行降壓后再通過(guò)一個(gè)橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過(guò)5V三端穩(wěn)壓模塊LM7805得出穩(wěn)定的5V輸出。 級(jí)連大屏幕LED顯示屏要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級(jí)連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級(jí)連的方法。譯碼器級(jí)連如圖37所示將第1個(gè)74LS164的Q7端接第2個(gè)74LS164的A端，將第2個(gè)74LS164的Q7端接第3個(gè)74LS164的A端，如此炮制當(dāng)N塊74LS164相級(jí)連時(shí)就變?yōu)橐粋€(gè)串行輸入7N口輸出的串并轉(zhuǎn)換器。這種級(jí)連的優(yōu)點(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時(shí)控制更多的LED點(diǎn)陣顯示屏，且74LS164的價(jià)格低廉整體成本得到了降低。但是這種級(jí)連方法也存在一定的缺點(diǎn)，51系列的單片機(jī)的晶振頻率不高74LS164級(jí)連過(guò)多會(huì)增加一次掃描的時(shí)間從而導(dǎo)致顯示出現(xiàn)閃爍。從端口輸出的顯示數(shù)據(jù)的顯示也要作出相應(yīng)的改變。圖37 74LSL64級(jí)連構(gòu)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(jìn)行級(jí)連。由獨(dú)立的LED顯示系統(tǒng)組成一個(gè)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(dú)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(jí)連的辦法可以避免51單片機(jī)晶振頻率低的弱點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點(diǎn)，一是各獨(dú)立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調(diào)性要求更高了，如果要實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)容的實(shí)時(shí)性必須需要不斷更新顯示內(nèi)容則增加了通信數(shù)據(jù)量，逐個(gè)的單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)也會(huì)影響整個(gè)畫面的更新速度；二是成本提高了。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級(jí)連聯(lián)合使用的方法來(lái)構(gòu)建大屏幕LED顯示屏幕。即增加單個(gè)顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時(shí)又將單個(gè)的顯示系統(tǒng)級(jí)連。詳細(xì)硬件原理圖見(jiàn)附錄1。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，按照模塊化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)。首先分析程序所要實(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示三大功能。其功能結(jié)構(gòu)如圖24所示。通信程序接收數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過(guò)控制程序選擇不同的顯示程序進(jìn)行顯示。主程序的工作流程如圖41所示：中斷開(kāi)始R1=1?起始位？接收顯示數(shù)據(jù)及控制命令將顯示數(shù)據(jù)移入顯示數(shù)組將控制命令賦值給控制字符中斷返回開(kāi)始系統(tǒng)初始從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存讀取顯示控制命令選擇顯示調(diào)用相應(yīng)顯示程序圖41 主程序流程圖程序開(kāi)始時(shí)首先必須對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時(shí)通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各IO口功能的設(shè)定等。初始化完成后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(diǎn)陣顯示屏的控制程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個(gè)外部中斷源和串行中斷。外方式。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(chǎn)生后由預(yù)先初始化時(shí)設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設(shè)定了LED點(diǎn)陣顯示屏所要顯示的內(nèi)容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。 顯示程序的設(shè)計(jì) LED顯示屏的顯示方式 LED點(diǎn)陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。 對(duì)靜態(tài)顯示來(lái)說(shuō)，每一個(gè)發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動(dòng)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(nèi)容，需要重新輸出新的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)．這種方式系統(tǒng)原理相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但所需的譯碼驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)掃描顯示是把整個(gè)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(kāi)始顯示第一部分，重復(fù)循環(huán)進(jìn)行．在重復(fù)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(shuō)采用動(dòng)態(tài)掃描顯示需要不斷進(jìn)行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅(qū)動(dòng)電路可重復(fù)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(shí)的耗電量大大降低．大屏幕的制造、維護(hù)要容易許多，可靠性也增加了．兩種顯示方式的比較再結(jié)合51單片機(jī)IO口數(shù)量有限的原因決定采用動(dòng)態(tài)掃描的方式進(jìn)行顯示。動(dòng)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(jù)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?gòu)男兴腿雽?duì)應(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第1列到第16列循環(huán)往復(fù)，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時(shí)特性就可以看見(jiàn)一幅穩(wěn)定的畫面。從數(shù)據(jù)中讀取第1列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第16列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第2列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)選通第1列選通第2列選通第16列16*16LED16*16LED16*16LED選通LED第1列選通LED第2列選通LED第16列按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行按數(shù)據(jù)導(dǎo)通相應(yīng)行讀取所需要顯示的數(shù)據(jù)至顯示寄存器圖42 掃描顯示程序原理圖 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式該顯示系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)采取縱向取模方向正向的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式如圖43， 圖43 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)原理圖 即數(shù)據(jù)是縱向的，一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)位。8個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的位順序是上高下低，比如從上到下8個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)是“**”(*為黑點(diǎn)，為白點(diǎn))，則轉(zhuǎn)換的字模數(shù)據(jù)是0x82(B1000_0010)。如圖(43)所示，一幅1616的點(diǎn)陣畫面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)按照B1B2B3……B31B32存儲(chǔ)。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為32字節(jié)。畫面顯示時(shí)選通的第i列對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為第i和i+16個(gè)元素[16]。 顯示程序的設(shè)計(jì)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(dòng)程序都調(diào)用了靜態(tài)顯示程序?yàn)樽映绦?。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖44所示： 開(kāi)始初始化讀取顯示數(shù)依次選通列，行74LS164的CLOCK端置低，鎖存器禁止輸出對(duì)應(yīng)行數(shù)組元素與0X01相與，相與結(jié)果寫入單片機(jī)端口輸出右移次數(shù)是否為8？鎖存器允許輸出Y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(jù)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系第i列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第i和第i+16個(gè)元素。將對(duì)應(yīng)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(jié)果通過(guò)單片機(jī)端口輸出到串并轉(zhuǎn)換器的A端，鎖存在鎖存器里完成一列數(shù)據(jù)移位后再將其輸出。如此依次循環(huán)選通各列來(lái)顯示所需畫面[17]。開(kāi)始讀入顯示數(shù)組顯示顯示數(shù)組元素在數(shù)組中的位置左/右移一位移動(dòng)次數(shù)是否是16YN開(kāi)始讀入顯示數(shù)組顯示顯示數(shù)組元素在數(shù)組中的位置前/后移一位移動(dòng)次數(shù)是否是16NY圖45 左右移/上下移程序流程圖 動(dòng)態(tài)顯示程序流程如圖45所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)原理通過(guò)改變實(shí)際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的左右移動(dòng)。顯示數(shù)據(jù)與列的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：第i列對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中i和第2i個(gè)數(shù)據(jù)。所以當(dāng)ULN2803選通時(shí)，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當(dāng)于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當(dāng)于右移一位。如此循環(huán)則產(chǎn)生一幅穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的畫面。 顯示數(shù)組中，第1至16個(gè)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(gè)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?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動(dòng)的效果[18]。 通信程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用串行中斷的方式進(jìn)行通信。MCS51單片機(jī)的五個(gè)中斷源兩種類型：一類是外部中斷源；另一類是內(nèi)部中斷源，包括兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)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(jī)設(shè)置了4個(gè)專用寄存器用于中斷控制，分別為定時(shí)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(jí)控制寄存器（IP）。編程時(shí)通過(guò)設(shè)置其狀態(tài)來(lái)管理中斷系統(tǒng)。在編輯中斷程序時(shí)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(shí)CPU開(kāi)發(fā)中斷；EA＝1時(shí)。CPU屏蔽所有中斷。ES、ET、EXET0、EX0為對(duì)應(yīng)的串行口中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1中斷、外部中斷1中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0中斷、外部中斷0中斷的中斷允許位。對(duì)應(yīng)位為1時(shí)允許其中斷，對(duì)應(yīng)位為0時(shí)，禁止其中斷。表41 中斷允許寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0EA——ESET1EX1ET0EX0所以初始化時(shí)設(shè)定中斷允許寄存器初值為0XFF，指令為 IE=0XFF。程序設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到中斷優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。因?yàn)椴煌闹袛嗤瑫r(shí)產(chǎn)生而CPU響應(yīng)的順序取決于內(nèi)部查詢順序。設(shè)置串口工作方式1，波特率9600，計(jì)算可得計(jì)數(shù)器初值的十六進(jìn)制表示為0XFD。通信協(xié)議如表42所示：表42 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第1個(gè)字節(jié)第2至第33個(gè)字節(jié)第34個(gè)字節(jié)內(nèi)容起始標(biāo)志位‘S’顯示數(shù)據(jù)控制指令作用判斷是否開(kāi)始接收數(shù)據(jù)LE