【導讀】摘要：本文介紹了一款以單片機AT89S51為控制器的LED點陣顯示屏系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)可實現(xiàn)中英文字符的顯示和動態(tài)特效顯示。并且可以通過級連的方式來擴大。顯示屏幕的尺寸以達到增加顯示內容的目的。系統(tǒng)采用PC機作為上位機，上位機。顯示屏的掃描顯示。除此之外，該系統(tǒng)只占用了單片機少量的I/O口和內存，為系統(tǒng)留下了功

　　

【正文】 收數(shù)據(jù)總線 RXD 采用 EIA 電平，即傳送數(shù)字 “1”時傳輸線上的電平在－ 3～－ 15V 之間；傳送數(shù)字 “0”時，傳輸線上的電平在＋ 3～＋ 15 之間。但單片機串行口采用正邏輯 TTL 電平，即數(shù)字 “1”時為＋ 5V數(shù)字 “0”時為 5V，所以單 片機與計算機不能直接相連進行通信必須將 RS232C 與 TTL 電平進行轉換 [14]。 在通用的電平轉換芯片中 MAX232 系列的芯片以集成度高，單＋ 5V 電源工作，只需外接 5 個小電容即可完成 RS232C 與 TTL 電平之間的轉換而成為單片機本科生畢業(yè)論文 19 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 38 所示： C 1+1VDD2C 13C 2+4C 25V E E6T 2O U T7R 2I N8R 2O U T9T 2I N10T 1I N11R 1O U T12R 1I N13T 1O U T14GND15V C C165M A X 23 2A C P E12345678911101D C on ne c t or 9C1104C2104C3104C4104V C CP 3. 1 T XP 3. 0 R XV C C 圖 38 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設計 在系統(tǒng)中 MAX23 74LS16 74LS37 AT89S51 都需要 5V 的供電電壓，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以使用 電腦 USB 供電。在實際的大屏幕 LED 顯示屏設計中，用電腦 USB 供電明顯不切實際。此時需要對民用的 220V 進行降壓整流為 5V直流電壓為顯示系統(tǒng)供電。電路圖如圖 39 所示。 圖 39 電源原理圖 本科生畢業(yè)論文 20 如圖所示，用 220V 轉 12V 的變壓器進行降壓后再通過一個橋式整流電路將交流電整流為直流電。最后通過 5V 三端穩(wěn)壓模塊 LM7805 得出穩(wěn)定的 5V 輸出。 級連大屏幕 LED 顯示屏 要實現(xiàn) LED 的大屏幕顯示主要采用內部譯碼器級連和多個單片機系統(tǒng)級連的方法。譯碼器級連如圖 310 所示 將第 1 個 74LS164 的 Q7 端接第 2 個 74LS164 的 A 端，將第 2 個 74LS164 的Q7 端接第 3 個 74LS164 的 A 端，如此炮制當 N 塊 74LS164 相級連時就變?yōu)橐粋€串行輸入 7N 口輸出的串并轉換器。這種級連的優(yōu)點在于一塊單片機可以同時控制更多的 LED 點陣顯示屏，且 74LS164 的價格低廉整體成本得到了降低。但是這種級連方法也存在一定的缺點， 51 系列的單片機的晶振頻率不高 74LS164 級連過多會增加一次掃描的時間從而導致顯示出現(xiàn)閃爍。從端口輸出的顯示數(shù)據(jù)的顯示也要作出相應的改變。 圖 310 74LSL64 級連 構建大屏幕 LED 顯示屏的另一種方法是將以較小的 LED 顯示系統(tǒng)做為模塊進行級連。如圖 311 所示，由獨立的 LED 顯示系統(tǒng)組成一個大的 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。使用這種級連的辦法可以避免 51 單片機晶振頻率低的弱點，更容易實現(xiàn)大屏幕的顯示。但這種方法仍然存在難點，一是各獨立的子系統(tǒng)的通信和協(xié)調性要求更高了，如果要實現(xiàn)顯示內容的實時性必須需要上位機不斷更新顯示內容則增加了上位機的通 信數(shù)據(jù)量，逐個的單片機傳送數(shù)據(jù)也會影響整個畫面的更新速度；二是成本提本科生畢業(yè)論文 21 高了。 L E D 點 陣 模 塊 L E D 點 陣 模 塊L E D 點 陣 模 塊驅 動 電 路譯 碼 電 路單 片 機 系 統(tǒng)驅 動 電 路譯 碼 電 路單 片 機 系 統(tǒng)驅 動 電 路譯 碼 電 路單 片 機 系 統(tǒng)電 源上 位 機 圖 311 由子系統(tǒng)構建大屏幕 LED 顯示屏 在實際應用中通常采用內部擴展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構建大屏幕LED 顯示屏幕。即增加單個顯示系統(tǒng)顯示屏幕大小的同時又將單個的顯示系統(tǒng)級連。 詳細硬件原理圖見附錄 1。 本科生畢業(yè)論文 22 第 4章 系統(tǒng)軟件設計 程序設計 系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，按照模塊化的設計思路設計。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示三大功能。其 功能結構如圖24 所示。通信程序接收上位機數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。 主程序的工作流程如圖 41 所示： 圖 41 主程序流程圖 程序開始時首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：中斷優(yōu)先級的設定，中斷初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設定，各 IO 口功系 統(tǒng) 初 始化 從顯示數(shù)組讀取數(shù)據(jù)到顯示寄存器 讀取顯示控制命令選擇顯示方式 調用相應顯示程序 RI=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 N N Y Y 開 始 中斷開始 中 斷 返 回 本科生畢業(yè)論文 23 能的設定等。初始化完成后程序進入待機狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個外部中斷源和串行中斷。外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 點陣顯示屏的控制方式是由按鍵控制還是上位機控制和顯示狀態(tài)是靜態(tài)顯示還是動態(tài)顯示。串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)。中斷產生后由預先初始化時設定跳轉執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設定了 LED 點陣顯示屏所要顯示的內容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設定的方式和內容顯示出所需要的內容。 顯示程序的設計 LED 顯示屏的顯示方式 LED 點陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。 對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅動電路，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容，需要重新輸出新的點陣數(shù)據(jù)．這種方式系統(tǒng)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅動裝量很多，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． 另一種動態(tài)掃描顯示是把整個 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始顯示第一部分，重復循環(huán)進行．在重復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．也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅動電路可重復利用，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，使用時的耗電量大大降低．大屏幕的制造、維護要容易許多，可靠性也增加了． 兩種顯示方式的比較再結合 51 單片機 IO 口數(shù)量有限的原因決定采用動態(tài)掃描的方式進行顯示。 動態(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，先選通列然后再從行送入對應列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。 本科生畢業(yè)論文 24 從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 列 對 應 的行 數(shù) 據(jù)選 通 第 2 列讀 取 所 需 要 顯示 的 數(shù) 據(jù) 至 顯示 寄 存 器選 通 第 1 列 選 通 第 1 6 列從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 2 列 對 應 的行 數(shù) 據(jù)從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 6 列 對 應 的行 數(shù) 據(jù)1 6 1 6 L E D 1 6 1 6 L E D 1 6 1 6 L E D選 通 L E D 第1 6 列選 通 L E D 第1 列選 通 L E D 第2 列按 數(shù) 據(jù) 導 通相 應 行按 數(shù) 據(jù) 導 通相 應 行按 數(shù) 據(jù) 導 通相 應 行 圖 42 掃描顯示程序原理圖 點陣數(shù)據(jù)表達方式 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)存儲方式如圖 43， 圖 43 點陣數(shù)據(jù)原理圖 即數(shù)據(jù)是縱向的，一個像素對應一個位。 8 個像素對應一個字節(jié)，字節(jié)的位順本科生畢業(yè)論文 25 序是上高下低，比如從上到下 8 個點的狀態(tài)是 “**”(*為黑點， 為白點 )，則轉換的字模數(shù)據(jù)是 0x82(B1000_0010)。如圖 (43)所示，一幅 1616 的點陣畫面點陣數(shù)據(jù)按照 B1B2B3……B31B32 存儲。所以一幅畫面的數(shù)據(jù)量為 32 字節(jié)。畫面顯 示時選通的第 i 列對應的數(shù)組元素為第 i 和 i+16 個元素 [16]。 顯示程序的設計 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。其中上下左右移動程序都調用了靜態(tài)顯示程序為子程序。靜態(tài)顯示程序流程圖如圖 44 所示： 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)元素的對應關系第讀取顯示數(shù)據(jù) 依次選通列，行 74LS164 的CLOCK端置低，鎖存器禁止輸出 對應行數(shù)組元素與 0X01 相與，相與結果寫入單片機端口輸出 數(shù)組元素右移一位，對應74LS164 CLOCK 端置高 右移次數(shù)是否為 8？ 鎖存器允許輸出 初 始 化 N Y 開 始 本科生畢業(yè)論文 26 i 列對應的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i 和第 i+16 個元素。將對應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，所得結果通過單片機端口輸出到串并轉換器的 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)選通各列來顯示所需畫面 [17]。 顯 示顯 示 數(shù) 組 元 素 在 數(shù) 組中 的 位 置 前 / 后 移 一 位讀 入 顯 示 數(shù) 組NY顯 示顯 示 數(shù) 組 元 素 邏 輯左 / 右 移 一 位移 位 次 數(shù) 是否 為 1 6讀 入 顯 示 數(shù) 組NY開 始 開 始移 位 次 數(shù) 是否 為 1 6 圖 45 左右移 /上下移程序流程圖 動態(tài)顯示程序流程如圖 45 所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲原理通過改變實際 LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來實現(xiàn)程序的左右移動。顯示數(shù)據(jù)與列的對應關系為：第 i列對應的數(shù)據(jù)為數(shù)組中 i 和第 2i 個數(shù)據(jù)。所 以當 ULN2803 選通時，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當于右移一位。如此循環(huán)則產生一幅穩(wěn)定運動的畫面。 顯示數(shù)組中，第 1 至 16 個元素的第 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。所以將元素數(shù)據(jù)進行邏輯位移便能產生上下移動的效果 [18]。 通信程序的設計 系統(tǒng)采用串行中斷的方式進行通信。 MCS51 單片機的五個中斷源兩種類型：一類是外部中斷源；另一類是內部中斷源，包括兩個定時器 /計數(shù)器（ T0 和 T1）的溢出中斷和串行口的接收和發(fā)送中斷。 MCS51 單片機設置了 4 個專用寄存器用于本科生畢業(yè)論文 27 中斷控制，分別為定時器控制寄存器（ TCON），串行口中斷控制器（ SCON），中斷允許控制寄存器（ IE），中斷優(yōu)先級控制寄存器（ IP）。編程時通過設置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。 在編輯中斷程序時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 CPU 開發(fā)中斷； EA＝ 1 時。 CPU 屏蔽所有中斷。ES、 ET、 EX ET0、 EX0 為對應的串行口中斷、定時器 /計數(shù)器 1 中斷、外部中斷1 中斷、定時器 /計數(shù) 器 0 中斷、外部中斷 0 中斷的中斷允許位。對應位為 1 時允許其中斷，對應位為 0 時，禁止其中斷。 表 41 中斷允許寄存器格式 所以初始化時設定中斷允許寄存器初值為 0XFF，指令為 IE=0XFF。程序設計時還要考慮到中斷優(yōu)先級的問題。因為不同的中斷同時產生而 CPU 響應的順序取決于內部查詢順序。 設置串口工作方式 1，波特率 9600，計算可得計數(shù)器初值的十六進制表示為0XFD。通 信協(xié)議如表 42 所示： 表 42 串口通信數(shù)據(jù)結構 數(shù)據(jù)結構 第 1 個字節(jié) 第 2 至第 33 個字節(jié) 第 34 個字節(jié) 內容 起始標志位 ?S? 顯示數(shù)據(jù) 控制 指令 作用 判斷是否開始接收數(shù)據(jù) LED 的顯示內容 控制 LED 顯示方式 具體串口中斷程序流程圖如圖 46 所示，在主程序中先進行了串行中斷的初始化，初始化內容包括了串行工作方式選擇，波特率的設定，計數(shù)初值的設定。程序開始進入中斷等待，當 PC 機向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時產生中斷接收允許位 RI 置 1，將SBUF（緩沖寄存器）中的值輸入到暫存器中進行數(shù)據(jù)處理。首先判斷數(shù)據(jù)是 否設定的起始標志位 ?S?如果是則開始接收起始位后的 33 個字節(jié) ，不是則中斷返回繼續(xù)等待。接收到第 34 個字節(jié) 后便將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送回 PC 機進行驗證比較。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EA — — ES ET1 EX1 ET0 EX0 本科生畢業(yè)論文 28 圖 46 通信程序流程圖 所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)過編譯才能被單片機識別使用。為了減小軟件的修改和優(yōu)化難度，先把各子程序寫為一個可單獨執(zhí)行的完整程序。各子程序編譯沒有錯誤后再輸入單片機進行驗證，這兩項都通過后再將所有的程序整合到一起形成一個完整的程序再進行編譯和驗證。 詳細程序見附 錄 2。 RI=1? 接收串口數(shù)據(jù) 起始位‘ S’ 接收起始位后 33位數(shù)據(jù) 接收到第 34 位？ 將第 2 位起的 32 位數(shù)據(jù)發(fā)回 PC機 N N N Y Y Y 中斷開始 中斷返回 本科生畢業(yè)論文 29 第 5章 系統(tǒng)調試 硬件制作和軟件編寫過后，得出實物如圖 51 所示。實物完成后必須對其進行調試，檢查設計功能是否實現(xiàn)了。軟件硬件完成后開始進行調試。調試可分為硬件調試，軟件調試和系統(tǒng)聯(lián)合調試。 圖 51 實物圖 系統(tǒng)硬件部分調試方法 硬件調試主要是調試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設計要求，最后測試各硬件部分能否完成設計功能。因此把硬件調試按照以下四部分分步來進行： （ 1）測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在； （ 2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設計 要求的范圍內； （ 3）測試 ISP 下栽線的功能是否能夠實現(xiàn)； （ 4）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠實現(xiàn)。 由于最重要的顯示系統(tǒng)功能的測試需要軟件配合所以在硬件調試部分只測試單片機復位電平，功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調試部分來完成。 本科生畢業(yè)論文 30 短路與虛焊檢測 檢測工具為萬用表，使用萬用表的短路報警功能，逐個測試相臨的兩個焊點檢測是否短路。按照電路圖檢測需要連接的兩點是否短路來檢測是否已經(jīng)連接上，以此來檢測虛焊的情況。檢測和修改完成后為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起檢測結果不真實的麻煩。 上電測試 由于系統(tǒng)測試時是采用 USB 電源為系統(tǒng)電源，所以電源輸入都為 5V。顯示系統(tǒng)中單片機、譯碼器，鎖存器，驅動電路的電源電壓均要求為 5V 所以可同時直接接入。 上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過觀察，沒有這些現(xiàn)象出現(xiàn)。然后測試各器件的電源，接地及一些電平應該固定的端口的電壓。測試的結果為：各器件電源端在 ～ 之間滿足器件的電源電壓要求，單片機端口在未接負載時端口電壓為 。