【正文】 低，工作速度較快。由于需要具有較快的刷新頻率，以獲得較高的刷新頻率，使 顯示穩(wěn)定，所以單片機(jī)晶振選用 ，既具有較快的時(shí)鐘頻率，又方便進(jìn)行計(jì)算機(jī)的通信。單片機(jī)的串口與計(jì)算機(jī)串口相連，用來(lái)進(jìn)行與上位機(jī)通信。 P1口低 2位與列驅(qū)動(dòng)器相連，送出列信號(hào)； P0口低四位與行驅(qū)動(dòng)器相連，送出行選信號(hào)； ～ 用來(lái)發(fā)送控制信號(hào)。 P0、 P1和 P2的其它口空著，有必要時(shí)可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM和 RAM。 8051 單片機(jī)的 P0 口包括一個(gè)真正的一個(gè)輸出鎖存器，兩個(gè)三態(tài)緩沖器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)電路和一個(gè)輸出控制電路，當(dāng) P0 口作為一般的 I/O 口使用時(shí)，在 CPU 向端口輸出數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸 出控制信號(hào)應(yīng)為 0，模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將把輸出級(jí)與鎖存器 Q 端接通。同時(shí)因與門(mén)輸出為 0，使上拉 FET 處于截止?fàn)顟B(tài)，因此輸出級(jí)是漏極開(kāi)漏的的開(kāi)漏電路，故需外接上拉電阻。 P0 口是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè) TTL 邏 輯電平。對(duì) P0 端口寫(xiě) “1” 時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)， P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程 序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 22 顯示驅(qū)動(dòng)電路 經(jīng)過(guò)對(duì) LED器件的發(fā)光原理進(jìn)行分析后，我們可以得到這樣的結(jié)論 :只要在 LED器件上加上足夠的正向電壓，那么流過(guò)它的電流就會(huì)使它發(fā)光，這就是 LED器件的驅(qū)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要調(diào)節(jié) LED器件的發(fā)光強(qiáng)度，通常我們是通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng) LED器件的電流的平均時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常見(jiàn)的 LED器件的驅(qū)動(dòng)方式有：直流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)中使用的驅(qū)動(dòng)方式為掃描驅(qū)動(dòng)。 (1)脈沖驅(qū)動(dòng) 所謂脈沖驅(qū)動(dòng)方式，就是利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，以脈沖的方式對(duì) LED器件進(jìn)行供電，使之 間歇性地點(diǎn)亮。采用這種驅(qū)動(dòng)方式需要對(duì)以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮 :脈沖電流的幅值和其重復(fù)頗率。首先，脈沖電流幅值的選擇，當(dāng)脈沖驅(qū)動(dòng)的平均值與直流驅(qū)動(dòng)的電流值相等時(shí)，我們?nèi)搜鄣母杏X(jué)是相同的，也就是說(shuō)兩者的發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)。如圖 示，平均電流 Ia是瞬時(shí)電流 I的時(shí)間積分，對(duì)于矩形波來(lái)說(shuō)，有如下表達(dá)式： 01TaI idtt? ? () onaFtIIT? 其中 ontT 就是占空比的一種描述，為了使脈沖驅(qū)動(dòng)方式下的平均電流 aI 與直流驅(qū)動(dòng)電 流 Io相同，就需要使它的脈沖電流幅值滿足 0Faon onTTI I Itt?? () 圖 LED的脈沖驅(qū)動(dòng) 可見(jiàn)脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈沖電流的幅值應(yīng)該比直流驅(qū)動(dòng)電流大 T/t倍。 其次是脈沖重復(fù)頻率的選擇，通過(guò)對(duì)視覺(jué)暫留特性的分析，要使人眼感覺(jué)不到 LED器件閃爍，那么脈沖電流的重復(fù)頻率必須高于 24Hz。脈沖驅(qū)動(dòng)的 主要應(yīng)用有兩個(gè)方面 : 23 掃描驅(qū)動(dòng)和占空比驅(qū)動(dòng)。 圖 行掃描列控制原理及波形圖 (2)掃描驅(qū)動(dòng) 掃描驅(qū)動(dòng)是通過(guò)數(shù)字邏輯電路，使若 干 LED 器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動(dòng)電路。LED 顯示屏是將發(fā)光燈按行按列布置的，驅(qū)動(dòng)時(shí)也就按行按列驅(qū)動(dòng)。在掃描驅(qū)動(dòng)方式下可以按行掃描，按列控制 。也可以按列掃描，按行控制。所謂 “ 掃描 ” 的含義，就是指一行一行地循環(huán)接通整行的 LED器件，而不問(wèn)這一行的哪一列的 LED器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮，某一列的 LED 器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮，由所謂的列控制電路來(lái)負(fù)責(zé)。本論文采用按行掃描按列控制的方式。 一個(gè) m行 n列結(jié)構(gòu)的 LED顯示屏，當(dāng)采用行掃描列控制的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)， H1到 Hm輪流將高電位接通各行線，使連接到各行的 LED 器件接通正電源，但具體哪一個(gè) LED 導(dǎo)通，還要看它的負(fù)電源是否接通，這就是列控制所要完成的工作。例如在 LED 顯示屏上需要LED11 熄滅， LED21 點(diǎn)亮，那么當(dāng)掃描到 H1行時(shí)， L1 列的電位就應(yīng)該為高 。當(dāng)掃描到 H2行時(shí)， L1 列的電位就應(yīng)該為低。 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同， LED大屏幕顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。靜態(tài)顯示是指將一幅畫(huà)面輸入以后要保持到下一幅畫(huà)面的輸入 。動(dòng)態(tài)顯示是指將畫(huà)面分為若干部 分分別進(jìn)行刷新。靜態(tài)顯示每一個(gè)像素需要一套驅(qū)動(dòng)電路，如果顯示屏為 nm個(gè)像素屏，則需要 nm 套驅(qū)動(dòng)電路 。動(dòng)態(tài)掃描顯示則采用多路復(fù)用技術(shù)，如果是 P路復(fù)用的話，則每 P個(gè)像素需一套驅(qū)動(dòng)電路， nm 個(gè)像素僅需 nm/p 套驅(qū)動(dòng)電路。另外，對(duì)于 24 靜態(tài)顯示方式，需要較多的譯碼驅(qū)動(dòng)裝置，需要的引線也比較多 。對(duì)于動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，可以避免以上不足，但是容易造成顯示亮度低、屏幕閃爍等問(wèn)題。在實(shí)際的 LED大屏幕顯示中，很少有采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的。 顯示數(shù)據(jù)通常以字節(jié)的形式順序存放在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。在行掃描列控制顯示時(shí)，把顯示數(shù)據(jù)從存儲(chǔ) 器中取出傳送到每一行對(duì)應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上，這就存在一個(gè)列數(shù)據(jù)傳輸方式的問(wèn)題。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式，它們各有優(yōu)缺 :數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)乃俣缺容^快，但是隨著屏幕的增大，點(diǎn)陣模塊數(shù)量的增多，線路會(huì)越來(lái)越復(fù)雜 。數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)乃俣缺容^慢，但它可以大大簡(jiǎn)化傳輸線路，對(duì)于大屏幕來(lái)說(shuō)，采用串行傳輸方式比較合適。 采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，與此同時(shí)，列驅(qū)動(dòng)器中每一列都把當(dāng)前數(shù)據(jù)傳向后一列，并從前一列接收新數(shù)據(jù)，一直到一行的各列數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)轿缓?，?能并行地進(jìn)行顯示。對(duì)于串行傳輸來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)并行到串行和串行到并行兩次變換，因此列數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時(shí)間就少一些，以至影響到 LED的亮度。解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，這就需要列數(shù)據(jù)的顯示具有鎖存功能。本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示。 考慮到控制的方便，本設(shè)計(jì)采用的是掃描驅(qū)動(dòng)方式。在掃描驅(qū)動(dòng)方式 中，由 M 行 N 列組成的 MN 圖文顯示屏其 LED 發(fā)光器件數(shù)量相當(dāng)大，不宜使用靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路，而采用多行的同名列共用一套列驅(qū)動(dòng)器?？刂齐娐坟?fù)責(zé)有序的選通各行，在選通每一行之前還要把該行各列的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。這一行上的 LED 發(fā)光器件就可以根據(jù)列數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。這種時(shí)序控制電路，可以由布線邏輯完成。但考慮顯示數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和設(shè)計(jì)的靈活性及通用性，一般都采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。 25 單 片機(jī) 系 統(tǒng)行 掃描 電路 及控 制列 顯 示 數(shù) 據(jù)行 驅(qū)動(dòng)列 驅(qū) 動(dòng)1 6 X 3 2 點(diǎn) 陣R S 2 3 2電 源 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 控制電路采用單片機(jī)，主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通訊、控制存儲(chǔ)顯 示數(shù)據(jù)模塊、安排控制信號(hào)的定時(shí)與順序、控制驅(qū)動(dòng) LED 顯示點(diǎn)陣的電路等。驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 顯示點(diǎn)陣的電路。各種控制信號(hào)用來(lái)使顯示屏正常工作，包括行選通信號(hào)、列數(shù)據(jù)移位信號(hào)、列數(shù)據(jù)輸出鎖存器打入信號(hào)、產(chǎn)生上下部分在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的 SRCLK 信號(hào)、清屏信號(hào)等。 本章小結(jié) 本章介紹了漢字顯示原理和 LED點(diǎn)陣的顯示及驅(qū)動(dòng)原理，確定了系統(tǒng)的硬件的總體結(jié)構(gòu)及布局，根據(jù)硬件所需的各個(gè)模塊的原理，分別確定各個(gè)模塊的硬件電路方式，在顯示驅(qū)動(dòng)方式中，選擇了驅(qū)動(dòng)方式比較容易實(shí)現(xiàn)的掃描顯示方式。最終確定了顯示系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，并且畫(huà)出了結(jié)構(gòu)框圖，更具結(jié)構(gòu)框圖，進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)和器件的選型。 26 3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件模塊主要完成 LED 顯示屏的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，通過(guò)與上位機(jī)間的通訊接收文件信息并保存，通過(guò)行列驅(qū)動(dòng)器控制完成 LED 點(diǎn)陣的驅(qū)動(dòng)。由于待顯示信息的字模提取通過(guò)軟件模塊完成，所以硬件系統(tǒng)不再增設(shè)字庫(kù)存儲(chǔ)模塊。 (1) 單片機(jī) 下位機(jī)采用 89S52單片機(jī)，與計(jì)算機(jī)之間采用串口通訊，通過(guò)控制電路驅(qū)動(dòng)各模塊的工作。 (2) 數(shù)據(jù)鎖存模塊 用 74HC595附帶輸出鎖存端子的 8 位移位寄存器。 (3) LED 器件的驅(qū)動(dòng) 過(guò) 控制電路采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。 (4) 整體電路 顯示數(shù)據(jù)輸出電路主要功能是進(jìn)行逐行掃描和將串行數(shù)據(jù)依次輸出到 LED 顯示單元模塊。電路圖如附圖所示。 (5) 傳輸數(shù)據(jù)的保存 通過(guò) EPROM 89S52 單片機(jī)的存儲(chǔ)，固化保存待顯示信息。通過(guò)單片機(jī)串口，與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) AT89S52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。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。單片機(jī)系統(tǒng) 包括電源電路，晶振電路和復(fù)位電路。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少工作量，電源電路可以直接采用 5V電源，沒(méi)有另行設(shè)計(jì)。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)為可靠起見(jiàn)電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分 合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位圖 所示的 RC復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上述基本功能。其中 S1為按鍵， C1為22uF的電容， R2,R3分別時(shí) 220 ? 和 1K的電阻。 圖 復(fù)位電路 27 振蕩電路采用無(wú)源的晶振 ，石英晶片所以能做振蕩電路（諧振）是基于它的壓電效應(yīng)。晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個(gè)頻率的距離相當(dāng)?shù)慕咏?，在這個(gè)極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化 很大，這個(gè)振蕩器的頻率也不會(huì)有很大的變化。一般的晶振振蕩電路都是在一個(gè)反相放大器（注意是放大器不是反相器）的兩端接入晶振，再有兩個(gè)電容分別接到晶振的兩端，每個(gè)電容的另一端再接到地，這兩個(gè)電容串聯(lián)的容量值就應(yīng)該等于負(fù)載電容，請(qǐng)注意一般 IC的引腳都有等效輸入電容，這個(gè)不能忽略。一般的晶振的負(fù)載電容為 15p或 ，如果再考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個(gè) 22p或者 30p的電容構(gòu)成晶振的振蕩電路就是比較好的選擇。 圖 晶振電路 串口通信的設(shè)計(jì) 串行通信是能把二進(jìn)制數(shù)據(jù)能夠按位傳送的通信，且 所需傳輸線極少， 8051 內(nèi)部除了含有 4 個(gè)并行 I/O 接口外，還有一個(gè)串行 I/O 接口。串行通訊接口電路的主要作用是將上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的圖文點(diǎn)陣信息轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信息。系統(tǒng)采用美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)頒布的 RS232C 串行總線。由于上位機(jī) RS232C 串行口的邏輯電平和單片機(jī)串行口的 TTL 電平完全不兼容，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。接口電路的基本原理如下圖： 28 圖 單片機(jī)與上位機(jī)通信接線圖 MAX232 是電平轉(zhuǎn)換電路， 232 電平的高電平是 15 伏到 3伏，低電平是 +3 伏到 +15伏， TTL 電平的高電平的理想值是 +5 伏，低電平是 0 伏。因此接口時(shí)要轉(zhuǎn)換。 MAX232旁邊的需加四個(gè)電容，他們的作用是倍壓的 (升壓的 )，也就是說(shuō)和芯片一起共同作用把電壓從 +5 伏變到 +10伏，負(fù)的變到 10。 其中 MAX232 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 圖 MAX232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 29 顯示方案的確定 從理論上說(shuō)，不論顯示圖形還使顯示文字，只要控制與組成的這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在位置相應(yīng)的 LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示方式。 1616 的點(diǎn)陣共有 256個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒(méi)有那么多端口，如果我們采用鎖存器來(lái)擴(kuò)展端口，按 8位的鎖存器來(lái)計(jì)算，1616 的點(diǎn)陣需要 256/8＝ 32個(gè)鎖存器。這個(gè)數(shù)字很龐大，因?yàn)槲覀儍H僅使 1616 的點(diǎn)陣，在實(shí)際的應(yīng)用中顯示屏往往要大得多；這樣在鎖存器上花的成本將使很龐大的數(shù)字。因此在實(shí)際的應(yīng)用在應(yīng)用中的顯示屏幾 乎不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另外一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的的顯示方法。 動(dòng)態(tài)掃描的意思簡(jiǎn)單地說(shuō)就是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行（比如 16行）地同名列共用一套驅(qū)動(dòng)器。具體就 1616 地點(diǎn)陣來(lái)說(shuō)，把所有地同一列地發(fā)光二極管的陰極連接在一起（共陽(yáng)的接法），先送出對(duì)應(yīng)第 1行發(fā)光二極管的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其燃亮一定時(shí)間，然后熄滅；再送出第 2行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其燃亮相同的時(shí)間，然后熄滅； ?? 第 16行之后，又重新點(diǎn)亮第一行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留 現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的文字或圖形了。 采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每行又一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)列驅(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，按每位 8個(gè)字節(jié)的形式順序排放。顯示時(shí)要把每一行中各列的數(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?wèn)題。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很