【文章內容簡介】 滅；再送出第二行的數據并鎖存，然后選通第 2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以 ９ 此類推，第 16 行之后，又重新燃亮第 1 行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒 24 次 以上），由于人眼的視覺暫留現象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。 采用掃描方式進行顯示時，每一行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個驅動器。顯示數據通常存儲在單片機的存儲器中，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據都傳送到相應的列驅動器上去，這就存在一個顯示數據傳輸的問題。從控制電路到列驅動器的數據傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅動器的線路數量大，相應的硬件數目多。當列數很多時，并列傳輸的方案是不可取的。 采用串行傳輸的方法，控制電路可以只用一根信號線 ，將列數據一位一位傳往列驅動器，在硬件方面無疑是十分經濟的。但是，串行傳輸過程較長，數據按順序一位一位地輸出給列驅動器，只有當一行的各列數據都以傳輸到位之后，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數據準備（傳輸）和列數據顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數據準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到 LED 的亮度。 解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時，傳送下一列數據。為了 達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有所存功能。經過上述分析，就可以歸納出列驅動器電路應具有的功能。對于列數據準備來說，它應能實現串入并處的移位功能；對于列數據顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會影響本行的顯示。圖 1為顯示屏電路實現的結構框圖。 圖 1，顯 示屏電路框圖 系統硬件電路的設計 硬件電路大致上可以分成單片機系統及外圍電路、列驅動電路和行驅動電路三部 單 片 機 列驅動器 LED 顯示點陣 電源 行驅動器 １０ 分。 單片機系統及外圍電路 單片機采用 MSC51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 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。單片機的串口與列驅動器相連，用來顯示數據。 P1口低4 位與行驅動器相連，送出行選信號； ～ 口則用來發(fā)送控制信號。 P0 口和 P2口空著，在有必要的時候可以擴展系統的 ROM和 RAM。 16ｘ 16 的點陣顯示屏的硬件原理圖如圖 2 所示（在附錄 A）。 列驅動電路 列驅動電路有集成電路 74HC595 構成。它具有一個 8 位串入并出的移位寄存器和一個 8 位輸出鎖存器的結構，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現在顯示本行列數據的同時，傳送下一行的列數據，既達到重疊處理的目的。 74HC595 的外形及內部結構如圖 3 所示。它的輸入側有 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 是串行數據的輸入端。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 的下一個數據打入最低位。 移位后的各位信號出現在各移位寄存 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，只有當其為低時鎖存器的輸出才開放，否則為高組態(tài)。 SCLR 信號是移位寄存器清零輸入端，當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 級聯應用時，向上一級的級聯輸出。但因為 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輸出。 QB 1 16 Vcc QC 2 15 QA QD 3 14 SI QE 4 13 G QF 5 12 RCK QG 6 11 SCK QH 7 10 SCLR GND 8 9 QH 圖 3. 74HC595 外形及引腳 行驅動器 單片機 P1 口低 4 位輸出的行號經 4/16 線譯碼器 74LS154 譯碼后生成 16 條行選通信號線，再經過驅動器驅動對應的行線。一條行線上要帶動 16 列的 LED 進行顯示，按每一 LED 器件 20MA 電流計算， 16 個 LED 同時發(fā)光時，需要 320MA 電流，選通三極管 8550作為驅動管可滿足要求。 顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數據，并產生各種控制信號，使屏幕按設 74HC595 １１ 計的要求顯示。根據軟件分層次設計的原理，可以把顯示屏的軟件系統分為兩層 ；第一層是底層的顯示驅動程序，第二層是上層的系統應用程序。顯示驅動程序負責向屏體送顯示數據，并負責產生行掃描信號和其他控制信號，配合完成 LED 顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動器程序由定時器 T0 中斷程序實現。系統應用程序完成系統環(huán)境設置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實現。 從有利于實現較復雜的算法（顯示效果處理）和有利于程序結構化考慮，顯示屏程序適宜采用 C語言編寫。 顯示驅動程序 顯示驅動程序在進入中斷后首先要對定時器 T0 重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩(wěn)定， 1/16 掃描顯示屏的刷新率（幀 頻）計算公式如下： 刷頻率（幀頻） =1/16 T0溢出率 =1/16 f/12（ 65536t） 其中 f位晶振頻率， t為定時器 T0 初值（工作在 16 位定時器模式）。 然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內讀取下一行的顯示數據，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數據的時候產生拖尾現象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等顯示數據打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。圖 4為顯示驅動程序（ 顯示屏掃描函數）流程圖。 進入中斷 定時器賦初值 讀取行號并增加 1 送新行顯示數據 消 隱 切換顯示數據 發(fā)送新行號，打開顯示 １２ 圖 4 顯示驅動程序流程圖 系統主程序 本文設計的系統軟件能使系統在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。 系統主程序開始以后，首先是對系統環(huán)境初始化，包括設置串口、定時器、中斷和端口；然 后以“卷簾出”效果顯示圖形，停留約 3s；接著向上滾動顯示“我愛單片機”這 5 個漢字及一個圖形，然后以“卷簾入”效果隱去圖形。由于單片機沒有停機指令， 所以可以設置系統程序不斷的循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果。 單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數據信息和命令信息，并可將這些數據信息和命令信息不經任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內容。 圖 5 是系統主程序流程圖。 退出中斷 開始 系統初始化 “卷簾出”顯示效果 “上滾屏”顯示效果 “左跑馬”顯示效果 “卷簾入”顯示效果 １３ 圖 5 系統主程序流程圖 5 性能分析與總結 性能分析 LED 顯示屏硬件電路只要硬件質量可靠，引腳焊接正確，一般無需調試 即可 正常工作。軟件部分需要調試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。顯示屏刷新率由定時器 T0 的溢出率和單片機的晶振頻率決定，表 給出了實驗調試時采用的頻率及其對應的定時器 T0初值。 表 顯示平刷新率與 T0 初值關系表（ 24MHz 晶振） 刷新率 25 50 75 85 100 120 T0 初值 0Xec78 0Xf63C 0Xf830 0xF97E 0XFA42 0XFB1E 0xFBEE 從理論上來說， 24Hz 以上的刷新頻率就能看到穩(wěn)定的連續(xù)的顯示 ，刷新率越高，顯示越穩(wěn)定，同時刷新頻率越高，顯示驅動程序占用的 CPU 時間越多。試驗證明，在目測條件下刷新頻率 40Hz 一下的畫面看起來閃爍較嚴重，刷新頻率 50Hz 以上的已基本察覺不出畫面的閃爍，刷新頻率達到 85Hz 以上時再增加畫面閃爍沒有明顯的改善。 顯示效果處理程序的內容及方法非常廣泛，其調試過程在此不作具體討論，讀者可以照源程序自行分析。 這個方案設計的 16ｘ 16 的點陣 LED 圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無串擾；可用靜止、移入 移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。 總結 本文設計的一個室內用 16ｘ 16 的點陣 LED 圖文顯示屏，能夠在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統具有硬件少，結構簡單，容易實現，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。 總結本文的研究工作，主要做了下面幾點較突出的工作： 一、通過查閱大量的相關資料，詳細了解了 LED 的發(fā)光原理和 LED 顯示屏的原理，了解了 LED 的現狀，清楚地了解了 LED 顯示屏與其它顯示屏 相比較有那些 優(yōu)點，明確了研究目標。 二，本文設計的 LED 顯示屏能夠實現在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。 三， 文章給出了系統具體的硬件設計方案 ,硬件結構電路圖，軟件流程圖和具體匯編語言程序設計與調試等方面。 四，在這次畢業(yè)設計的過程中學會了 Protel 99se 的基本使用，感到 Protel 99se 對自動化專業(yè)的同學來說是一門很有用的課程。 五，通過這次畢業(yè)設計，重新復習并進一步學習了 MCS51；熟練掌握了 WORD 軟件 １４ 的使用。 六，存在缺陷：沒有考慮抗干擾的問題。 致謝 本文是在黃金明老師的悉心指導下完成的。從課題的立項、選