【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 LED 點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的 LED 點(diǎn)陣模塊。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有 81616 等幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè)的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當(dāng)一個(gè) LED 出現(xiàn)問題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有 LED 都必須被更換。這就加大了維修的成本。兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個(gè) LED 點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一個(gè) 1616 的LED 點(diǎn)陣屏選用四塊 88 點(diǎn)陣模塊。 6 圖 22 LED 點(diǎn)陣圖一個(gè) 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 52 單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（4 線16 線譯碼器） 、74HC138 （8 位串并轉(zhuǎn)換器） 、74HC595 等。52 系列單片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流可達(dá) 2０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十 μＡ甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的） ，基本上沒有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示屏顯示。在單片機(jī)和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動(dòng)電路 [8]。 功能要求本方案設(shè)計(jì)一個(gè)電子顯示屏，具體要求滿足以下條件：（1）要求采用 52 單片機(jī)作為微控制器。（2）通過四個(gè) 1616 的點(diǎn)陣 LED 進(jìn)行文字顯示。（3）在目測(cè)條件下 LED 顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足、穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。 （4）文字顯示具有每排字有滾動(dòng)和逐排等顯示方式。 7 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu) 最終確定硬件設(shè)計(jì)方案最終方案如圖 23 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)存儲(chǔ)和處理顯示內(nèi)容用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng) 4 塊 88LED 點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏 [9]。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 23 所示。 圖 23 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖PC 機(jī)串行通信 譯碼電路16x16LED 顯示屏單片機(jī)顯示驅(qū)動(dòng)電路 83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路大致上可以分成單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動(dòng)電路和行驅(qū)動(dòng)電路三部分。 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動(dòng)電路和1616 的點(diǎn)陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位 PC 機(jī)通過通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過 I/O 口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到 LED 顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示內(nèi)容 [10]。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實(shí)現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖 31 所示。 復(fù)位電路時(shí)鐘電路STC89C52RC單片機(jī)行驅(qū)動(dòng)列驅(qū)動(dòng)16*64LED點(diǎn)陣屏 圖 31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)：（1）LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供 LED 顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。（3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。（4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。（5）單片機(jī)由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。（6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示要求。 9 控制單元設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個(gè)最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)） 。STC89C52RC 的最小系統(tǒng)包括了外界時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的 I/O 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 所示。在該系統(tǒng)中，P0 各口主要用作 LED 顯示數(shù)據(jù)的行控制輸出。具體接法為：, 分別接 74HC138 的 A 端，B 端,C 端向 74HC138 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出；, 接 138 芯片的使能控制端，當(dāng)為低電平使允許輸出； , 接595 的 SH_CP 端,ST_CP 端,DS 端控件系統(tǒng)的列輸入，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000H－FFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器所以將 EA 置為高電平 [11]。圖 32 控制部分電路圖 STC89C52RC 簡(jiǎn)介STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ) 器 。STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS52 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 52 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 10STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k 字節(jié) Flash，522 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看 門 狗 定 時(shí) 器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM，MAX810 復(fù)位電路，3 個(gè) 16 位定 時(shí) 器 /計(jì)數(shù)器，4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 52 的 5 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)） ，全雙工串 行 口 。另外 STC89X52 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。空閑模式下， CPU 停止工作，允許RAM、定 時(shí) 器 /計(jì)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(jī) 一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T 可選。 STC89C52RC 具有以下特點(diǎn)：1. 增 強(qiáng) 型 8052單 片 機(jī) ， 6時(shí) 鐘 /機(jī) 器 周 期 和 12時(shí) 鐘 /機(jī) 器 周 期 可 以 任 意 選 擇 ， 指 令 代 碼完 全 兼 容 傳 統(tǒng) 8052。2. 工 作 電 壓 ： ～ （ 5V 單 片 機(jī) ） /～ （ 3V 單 片 機(jī) ） 。3. 工 作 頻 率 范 圍 ： 0～ 40MHz， 相 當(dāng) 于 普 通 8052的 0～ 80MHz， 實(shí) 際 工 作 頻 率 可 達(dá)48MHz。4. 用 戶 應(yīng) 用 程 序 空 間 為 8K 字 節(jié) 。5. 片 上 集 成 522字 節(jié) RAM。6. 通 用 I/O 口 （ 32個(gè) ） ， 復(fù) 位 后 為 ： P0/P1/P2/P3是 準(zhǔn) 雙 向 口 /弱 上 拉 ， P0口 是 漏 極 開路 輸 出 ， 作 為 總 線 擴(kuò) 展 用 時(shí) ， 不 用 加 上 拉 電 阻 ， 作 為 I/O 口 用 時(shí) ， 需 加 上 拉 電 阻 。7. ISP（ 在 系 統(tǒng) 可 編 程 ） /IAP（ 在 應(yīng) 用 可 編 程 ） ， 無 需 專 用 編 程 器 ， 無 需 專 用 仿 真 器 ，可 通 過 串 口 （ RxD/,TxD/） 直 接 下 載 用 戶 程 序 ， 數(shù) 秒 即 可 完 成 一 片 。8. 具 有 EEPROM 功 能 。9. 具 有 看 門 狗 功 能 。10. 共 3個(gè) 16位 定 時(shí) 器 /計(jì) 數(shù) 器 。 即 定 時(shí) 器 T0、 T T2。11. 外 部 中 斷 4路 ， 下 降 沿 中 斷 或 低 電 平 觸 發(fā) 電 路 ， Power Down 模 式 可 由 外 部 中 斷 低電 平 觸 發(fā) 中 斷 方 式 喚 醒 。12. 通 用 異 步 串 行 口 （ UART） ， 還 可 用 定 時(shí) 器 軟 件 實(shí) 現(xiàn) 多 個(gè) UART。13. 工 作 溫 度 范 圍 ： 40～ +85℃（ 工 業(yè) 級(jí) ） /0～ 75℃（ 商 業(yè) 級(jí) ） 。 11 LED 點(diǎn)陣顯示設(shè)計(jì)四個(gè)1616 的點(diǎn)陣構(gòu)成一個(gè)1664 的點(diǎn)陣。行和列的交叉處有一個(gè) LED，共由1024個(gè)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(duì)應(yīng)的行以高電平，列以低電平，那么對(duì)應(yīng)的 LED 就發(fā)光 [12]。圖33畫出了室內(nèi)直插式88點(diǎn)陣雙基色 LED 模塊實(shí)物圖。這種模塊由64個(gè)發(fā)光 LED 芯片以88 的形式構(gòu)成一個(gè)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(dòng)電路使用。 圖33 LED 點(diǎn)陣顯示實(shí)物圖LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。本文所述的是 LED 的數(shù)據(jù)顯示方式，這種方式通常使用 8 段 LED 或者 16 段 LED。在實(shí)際應(yīng)用中，點(diǎn)亮 LED 數(shù)碼管的方式有靜態(tài)和動(dòng)態(tài) 2 種方法。本文以 16 段 LED 作為示例來論證方案。（1）靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示方式，即 16 段 LED 數(shù)碼管在顯示某一個(gè)數(shù)碼時(shí)，加在數(shù)碼管上的段碼保持不變，直至換顯其他數(shù)碼為止。這樣數(shù)碼管的每一段均應(yīng)由一條輸出線來控制，每顯示以為數(shù)碼需要 8 根輸出線，當(dāng) N 位顯示則需 N16 根輸出控制線。占用較多 I/O 資源。（2）動(dòng)態(tài)顯示方式為解決靜態(tài)顯示占用較多 I/O 資源的問題，在多位顯示時(shí)通常采用動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段碼線對(duì)應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè) 16 位的輸出口控制，每位數(shù)碼管的公共端分別出一位 I/O 線控制。顯示不同數(shù)碼時(shí)，由位線控制各位輪流顯示。位線控制某位選通時(shí)，該位應(yīng)顯示數(shù)碼的段碼同時(shí)加在段碼線上，即每一時(shí)刻僅僅有一位數(shù)碼管是被點(diǎn)亮的，當(dāng)輪流顯示的速度較快（每秒 24 次以上） ，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看起來就像所有 12位同時(shí)顯示一樣，這時(shí)，我們就能看到穩(wěn)定的圖像了 [13]。 由于單片機(jī)的特性，我們將采用方案 2：動(dòng)態(tài)顯示方式，采用動(dòng)態(tài)顯示方式進(jìn)行顯示時(shí)，每一行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，按 8 位一個(gè)字節(jié)的形式順序排放。顯示時(shí)要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上去，這就存在一個(gè)顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。 列驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì) 列驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)譯碼電路的功能是為了解決單片機(jī) I/O 端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器74HC138 和鎖存器 74HC595。兩個(gè) 138 級(jí)聯(lián)成 4 線16 線譯碼器，三級(jí)管 Q1Q16 接顯示屏H1H8 解決了顯示屏供電不足的問題 [14]。具體電路如圖 34 所示。圖 34 列驅(qū)動(dòng)電路圖 13 74HC138 簡(jiǎn)介74HC138 是一款高速 CMOS 器件，74HC138 引腳兼容低功耗肖特基 TTL（LSTTL ）系列。74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A2） ，并當(dāng)使能時(shí)，提供8 個(gè)互斥的低有效輸出（Y0 至 Y7） 。74HC138 特有 3 個(gè)使能輸入端：兩個(gè)低有效（E1 和E2）和一個(gè)高有效（E3） 。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138 將保持所有輸出為高。利用這種復(fù)合使能特性，僅需 4 片 74HC138 芯片和 1 個(gè)反相器，即可輕松實(shí)現(xiàn)并行擴(kuò)展，組合成為一個(gè) 132（5 線到 32 線）譯碼器。任選一個(gè)低有效使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當(dāng)一個(gè) 8 輸出多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。74HC138 與 74HC238 邏輯功能一致，只不過 74HC138 為反相輸出。74HC138 的功能表如表 31 所示：表 31 74HC138 集成譯碼器功能 14 74HC138 引腳圖如圖 35 所示：圖 35 74HC138 引腳圖 行驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì) 行驅(qū)動(dòng) 74HC595行驅(qū)動(dòng)電路由 74HC595 構(gòu)成，它具有一個(gè) 8 位串入并出的移位寄存器和一個(gè) 8 位輸出鎖存器，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)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，達(dá)到重疊處理的目的。數(shù)據(jù)在 SH_CP 的上升沿輸入，在ST_CP 的上升沿進(jìn)入的存儲(chǔ)寄存器中去。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。移位寄存器有一個(gè)串行移位輸入（DS） ，和一個(gè)串行輸出（Q7 ）,和一個(gè)異步的低電平復(fù)位，存儲(chǔ)寄存器有一個(gè)并行 8 位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 時(shí)（為低電平） ，存儲(chǔ)寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線 [15]。 工作順序：?jiǎn)纹瑱C(jī)先送 1 個(gè) 8 位數(shù)據(jù)到第一個(gè) 595 的內(nèi)部移位寄存器然后數(shù)據(jù)會(huì)送到內(nèi)部的輸出寄存器輸出,當(dāng) MR（10 引腳）為高電平，OE（13 引腳）為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)在SHCP 上升沿進(jìn)入移位寄存器，在 STCP 上升沿輸出到并行端口。具體電路如圖 36 所示。 15圖 36 行驅(qū)動(dòng)原理圖 74HC595 簡(jiǎn)介74HC595 是