【導讀】學校、銀行、郵局、車站等公共場所?，F(xiàn)在越來越多的街頭店鋪也開始使用LED電。子條屏來顯示產(chǎn)品信息、促銷活動，可以說LED電子顯示屏的市場前景十分廣闊。介紹了一種針對雙色LED顯示屏的異步控制系統(tǒng)。驅動較大面積的雙色LED顯示屏。該系統(tǒng)可以和市面上標準LED電子顯示屏接口。連接，實現(xiàn)至少192×32（雙色）點陣大小的控制。示屏靜態(tài)顯示圖形、文字，可以實現(xiàn)圖形、文字的多種動態(tài)效果。通訊連接PC機修改顯示內容，也可以通過SD卡更新顯示內容。

　　

【正文】 圖 33 控制器并行數(shù)據(jù)輸出方式 這種方式數(shù)據(jù)輸出速度快，控制簡單，但不符合一般的數(shù)據(jù)組織方式，需對顯示 信息進行特殊的格式處理。同時，由于其數(shù)據(jù)組織方式特殊，更改一部分顯示內容需更新整個數(shù)據(jù)，所以不適合顯示內容實時變化的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)。 這種數(shù)據(jù)輸出方式還可以改進為直接由外部 RAM 輸出數(shù)據(jù)，不經(jīng)過控制器的 DMA 方式，這樣數(shù)據(jù)輸出的速度將更快。本課題中的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)只需四條數(shù)據(jù)線，而并行輸出方式無論幾條數(shù)據(jù)線都需要 19216B 大小的數(shù)據(jù)。這不僅浪費了四個 I/O 口的資源而且大大增加了數(shù)據(jù)大小，所以本課題不采用這種方式。 方案二：控制器串行輸出方式 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 2020） 15 即單片機串行送出一個字節(jié)數(shù)據(jù)中的一位，因為有四條數(shù) 據(jù)線，所以需循環(huán)四次才能完成一位數(shù)據(jù)的輸出。這種數(shù)據(jù)輸出方式對數(shù)據(jù)組織沒有要求，按順序循環(huán)輸出就可以了。對 I/O 口資源也沒有浪費，需要幾條數(shù)據(jù)線就用幾個 I/O 口，但由于是普通 I/O 口串行輸出，而且需運用大量移位指令，所以數(shù)據(jù)輸出速度慢，達不到課題的要求，也不采用。 綜合上述的方案比較以及特點分析，本課題結合并行數(shù)據(jù)輸出以及串行數(shù)據(jù)輸出的特點，采用了并串結合的控制思想。運用 74HC165 并入串出芯片，即保證了數(shù)據(jù)輸出 的速度，又簡化了數(shù)據(jù)的組織處理。在不增加多少硬件成本的基礎上，大大增加了控制 器 的驅動能力，實現(xiàn) 了課題的控制要求。具體電路以及控制原理將在硬件設計部分詳細介紹。 漢字字模生成方案選擇 LED 條屏控制卡在驅動 LED 顯示屏顯示漢字的時候字模數(shù)據(jù)生成有兩種方法，一種是在控制器上集成字庫芯片，在顯示漢字的時候，發(fā)送漢字在字庫中對應的字模地址，取模顯示。另一種沒有字庫芯片而是依靠上位機軟件在 PC 機端將漢字字模處理好后發(fā)給控制器顯示。兩種方法各有優(yōu)劣。有字模芯片的控制方案，修改顯示數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)量較小，對上位機軟件依賴少，使用靈活。一般用于具有短信控制的功能的 LED 顯示屏控制器上。由于其成本較高，軟件 編程復雜，顯示的漢字字體有限，近年來已很少采用。沒有字模芯片的控制方案完全通過上位機軟件依靠 PC 機來實現(xiàn)字模數(shù)據(jù)的處理，充分利 用了資源，節(jié)約了成本。由于是依靠 PC 機上字庫來實現(xiàn)字模數(shù)據(jù)的處理，所以可以顯示 PC 機上能顯示的任何字體，顯示類型極為豐富。缺點就是對上位機的編程要求較高，修改顯示信息數(shù)據(jù)量較大，不適合顯示信息需要實時變化的 LED 顯示屏控制系統(tǒng)。綜合成本和功能等方面的因素，本課題最終采用了第二種 漢字字模生成方案。即不集成字庫芯片，純 PC 端軟件生成。 單片機軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境選擇 單片 機軟件開發(fā)語言的選擇 在單片機系統(tǒng)開發(fā)常用的開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言兩大類。 A. 匯編 語言 匯編 語言 是一種通用編程語言。它提供 了 高效代碼、結構化編程元素及豐富的運算符。匯編語言的靈活性 很 強， 語言簡潔，但 可讀性 差，維護和擴展難 ，特別是當程序 注釋少時 ，其次就是代碼的重用性 能 比較低。 B. C 語言 用 C 語言編寫的程序 是 模塊化 的 ，移植性 好； 功能化的代碼能夠很方便地從一個工程移植到另一個工程， 可 減少了 重復 開發(fā) 的 時間。 用 C 語言 更接近人基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設計 16 類的自然語言，和 人們的思考習慣 相似，可讀性強 。程序員不必十分熟悉處理器的運算過程。 而且 很多 微控 制器 支持 C 編譯器，這意味著對新的 微控制器 也能很快上手，而不必知道處理器的具體內部結構 ，有更廣的通用性。 通過上述比較， 本課題選用 C 語言進行系統(tǒng)軟件編程 。 單片 機 集成開發(fā)環(huán)境的選擇 AVR 系列單片機 有多達十余種的開發(fā)環(huán)境，如 AVR Studio、 ICC AVR、 IAR AVR、 Code Vision AVR、 GCCAVR、 ATmanAVR、 FastAVR 等，大部分都支持匯編與 C 語言，每一種都有各自的優(yōu)點與不足之處。最常用的開發(fā)環(huán)境是 AVR Studio，它包括 了 AVR Assembler 編譯器、 AVR Studio 調試功能、 AVR Prog 串行、并行下載功能和 JTAG ICE 仿真等功能，有工程建立向導，支持出產(chǎn)的所有 AVR單片機，有較強的穩(wěn)定性與編譯性 。它是 AVR 官方的軟件，完全免費。但單獨AVR Studio 使用，只支持匯編而不支持 C 語言 。 只有與其他軟件共同開發(fā)才能使用常用的 C 語言來開發(fā) 。而 AVR 的 C 語言 ，也有許多不同的開發(fā)工具 ， 如ICCAVR、 CodeVersion、 IAR、 GCC 等等。其中 GCC 是全球開發(fā) AVR 使用人數(shù)最多的軟件，它不僅完全免費，而且編譯效率高， 國外最大的 AVR 資源網(wǎng)站avrfreaks 也推薦使用 。所以 ， 本課題最終采用 AVR Studio+GCC 的開發(fā)環(huán)境，使用 C 語言來 進行系統(tǒng)軟件開發(fā)。 GCC 安裝以后可以集成在 AVR Studio 開發(fā)環(huán)境中，使用 GCC 來編寫、編譯 C 語言程序，而使用 AVR Studio 通過下載器或仿真器連接硬件電路來下載或仿真調試程序。 上位機軟件開發(fā)環(huán)境選擇 雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)實際包括兩部分，一是 LED 顯示 屏控制 器 ， 二 是配套的上位機軟件。上位機軟件關系到 LED 顯示屏顯示數(shù)據(jù)的組織和處理以及控制卡和 PC 機之間的通訊，所以極為重要。一般來說上位機軟 件開發(fā)以 VC、Delphi、 VB 三種開發(fā)語言（環(huán)境）為主，三種語言各有各的優(yōu)點， VC 將編輯器、編譯器、鏈接器、調試器等工具巧妙而完美地結合在一起，采用流水線自動化的編程模式，大大減小了編程的復雜程度。 Delphi 是建立在一個真正面向對象的框架結構基礎之上的編程語言，可以很方便地建立標準的、強大的基于 Win32的應用程序。而 VB 是采用可視化的面向對象、采用事件 驅動 方式的結構化高級程序 設計語言，為用戶提供功能強大、圖形界面豐富的應用 軟件 系統(tǒng)，可以讓用戶編寫、編輯以及測試 Windows 應用程序?？紤]到三種語言中我只接觸過 VB，而且 VB 開發(fā)語言入門較為容易，所以最終選擇 Visual Basic 作為本課題的上位機開發(fā)環(huán)境。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 2020） 17 硬件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境選擇 Protel99SE 依 然是目前使用最廣的 電路設計及仿真的軟件 。 它包含了電 路 原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設計（包含印刷電路板自動布線）、可編程邏輯器件設計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server（客戶 /服務器）體系結構，同時還兼容一些其它設計軟件的文件格式，如 ORCAD、 PSPICE、 EXCEL 等。使用多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度 PCB 的 100％布通率。 但 隨著版本的逐漸提升 ,Protel99SE 不方便的操作越來越不能讓人滿意。而新版本的軟件如 DXP20Altium Designer6 等 的功能 卻 越來越強大，對新器件的支持也越來越多。 其方便的操作使畫電路原理圖和 PCB 原理圖時更加便捷和高效?？紤]到開發(fā)的高效性 ，本課題的硬件系統(tǒng) 設計 選擇 Altium 作為 開發(fā)環(huán)境。 基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設計 18 4 硬件設計與實現(xiàn) 系統(tǒng) 硬件 功能分析 本課題是關于雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)?？刂频膶ο笫请p色19232LED 點陣大小的顯示屏。 系統(tǒng) 需要 實現(xiàn)以下功能： A. 實現(xiàn) 19232（雙色）點陣的控制； B. 紅、綠、黃三種顏色靜態(tài)或動態(tài)顯示 8 16 1 32 32 的英文字符、中文漢字和簡單圖形； C. 通過串口和 PC 機相連，配合上位機軟件，實現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。也可以通過 SD 卡，遠程實現(xiàn)對顯示屏顯示信息的修改。 系統(tǒng) 硬件總體 設計 根據(jù)系統(tǒng)的功能 需求， LED 顯示屏控制系統(tǒng) 主要由 并轉串數(shù)據(jù)輸出模塊、232 通訊模塊、 SD 卡讀寫模塊以及單片機最小系統(tǒng)等幾大模塊 組成 。同時要考慮到信號傳輸?shù)目煽啃?，因此，整體電路還要增加信號 驅動 模塊。系統(tǒng)的整體電路如圖 41 所示，具體的各部分電路下面將予以介紹。 A T m e g a 1 6 最小 系 統(tǒng)7 4 H C 1 6 5 并 轉 串 數(shù)據(jù) 輸 出 電 路M A X 2 3 2 通 訊 電路S D 卡 接 口獨 立 按 鍵7 4 H C 2 4 5 信 號 增 強電 路0 8 、 1 2接 口數(shù) 據(jù)信 號 圖 41 系統(tǒng) 結構 框圖 系統(tǒng)硬件各功能模塊設計 單片機最小系統(tǒng)設計 AVR 單片機內部就含有 1/2/4/8MHz 經(jīng)過標定，可校正的 RC 振蕩器以及上電復位電路，所以 AVR 單片機完全可以不接任何外部電路，直接上電工作。本課題由于對單片機運行速度的要求較高， AVR 單片機內部 RC 振蕩器頻率達不到要求，所以需外接 16MHz 晶振，同時考慮到系統(tǒng)運行異常狀態(tài)下的復位問題，鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 2020） 19 還需增添手動復位電路。 故本系統(tǒng)的單片機的最小系統(tǒng)電路原理圖如圖 42所示。 Y116M30pFC2S1Key_RST30pFC1PB0 (XCK/T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN0/INT2)42PB3 (AIN1/OC0)43PB4 (SS)44PB5 (MOSI)1PB6 (MISO)2PB7 (SCK)3RESET4PD0 (RXD)9PD1 (TXD)10PD2 (INT0)11PD3 (INT1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PD6 (ICP)15PD7 (OC2)16XTAL27XTAL18GND6PC0 (SCL)19PC1 (SDA)20PC2 (TCK)21PC3 (TMS)22PC4 (TDO)23PC5 (TDI)24PC6 (TOSC1)25PC7 (TOSC2)26AREF29AVCC27GND28PA7 (ADC7)30PA6 (ADC6)31PA5 (ADC5)32PA4 (ADC4)33PA3 (ADC3)34PA2 (ADC2)35PA1 (ADC1)36PA0 (ADC0)37VCC5VCC17GND18VCC38GND39ATmega16GNDGND+5GNDR112345678910P1 ISPGNDVCC 圖 42 單片機最 小系統(tǒng)電路原理圖 ATmega16 共有五個復位源， 分別為 上電復位 、 外部復位 、 掉電檢測（ BOD）復位 、 看門狗復位 、 JTAG AVR 復位。 其中 AVR 單片機 的外部復位 為低電平復位，所以當按下復位按鍵 S1 后 ATmega16 RESET 端接地，實現(xiàn)手動復位。平時復位按鍵不動作時， RESET 端被電阻 R1 上拉，輸入高電平，可靠運行。 AVR 單片機使用外部晶振時需首先對其熔斷絲位進行相應配置，芯片出廠時默認的設置為內部 1MHz 振蕩器。雖然 ATmega16 芯片最高允許的晶振頻率為16MHz，但在實際的測試過程中發(fā)現(xiàn)在 16MHz 晶振下芯片偶爾出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象。所以在連接外部晶 振電路的時候一是要選擇合適的匹配電容，晶振體盡量離時鐘輸入端近， 二 是晶振體要可靠接地。 ATmega16 片內含有 SPI 和 JTAG 口，所以對 ATmega16 能使用 3 種編程方式：高壓并行編程、串行 ISP 編程、串行 JTAG 編程。 本課題在設計過程中主要采用了 采用串行 ISP 編程方式。 在圖 42 的單片機最小系統(tǒng)中引出了 ISP 下載接口。 串行 ISP 編程方式 需使用 PB PB PB7 三個 I/O 口，將 AVR 的 PB PBPB7 與編程下載口連接，在編程狀態(tài)時這 3 個引腳用于下載操作。編程完成拔掉下載線，芯片進入正常工作后， PB PB PB7 仍可作為普通的 I/O 口或 AVR基于 AVR 單片機的雙色 LED 顯示屏控制系統(tǒng)設計 20 的 SPI 口使用，受 AVR 的控制 。 RS232C 通訊電路設計 通信接口的功能是實現(xiàn) 上位機 對控制器的 條屏進行參數(shù)設置，顯示內容更新等操作 。本系統(tǒng) 采用 了 RS232C 串行通信方式。 RS232C 規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機的邏輯電平是不同的，邏輯 1(MARK) ＝ 3V～ 15V，邏輯 0(SPACE) ＝ ＋ 3～＋ 15V。因此，單片機系統(tǒng)要和 PC 機 的 RS232C 接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（ TTL 電平）轉換成計算機的 RS232C 電平，