【導(dǎo)讀】為重要的傳播媒體。金融證券、體育場所、交通運輸、商業(yè)廣告、郵電電信及學(xué)校。教育等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。獲得迅速的發(fā)展，并且成為了產(chǎn)業(yè)。點陣式LED顯示屏的顯示效果、功率環(huán)保也。點陣式LED屏具有較大的信息顯示量、壽命長、功耗小、重量輕、空。間尺寸小及造價低等優(yōu)點。本設(shè)計通過使用單片機為控制核心，設(shè)計一款點陣式。同時，使用電腦VB編寫的上位機通過串口通信對點陣顯示屏的信息更新、顯示速度控制等。

　　

【正文】 要的硬件組成部分 [15]。電路如圖 38 所示： 圖 38 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)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(shè)計中，用電腦 USB 供電明顯不切實際。此時需要對民用的 220V 進(jìn)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 如圖所示，用 220V 轉(zhuǎn) 12V 的變壓器進(jìn)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(nèi)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(dāng) N 塊 74LS164 相級連時就變?yōu)橐粋€串行輸入 7N 口輸出的串并轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)的改變。 圖 310 74LSL64 級連 構(gòu)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(jìn)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(diào)性要求更高了，如果要實現(xiàn)顯示內(nèi)容的實時性必須需要上位機不斷更新顯示內(nèi)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；二是成本提高了。 L E D 點 陣 模 塊 L E D 點 陣 模 塊L E D 點 陣 模 塊驅(qū) 動 電 路譯 碼 電 路單 片 機 系 統(tǒng)驅(qū) 動 電 路譯 碼 電 路單 片 機 系 統(tǒng)驅(qū) 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(gòu)建大屏幕 LED 顯示屏 在實際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級連聯(lián)合使用的方法來構(gòu)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(xì)硬件原理圖見附錄 1。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 程序設(shè)計 系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，按照模塊化的設(shè)計思路設(shè)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：中斷優(yōu)先級的設(shè)定，中斷初始化，串行通信時通信方式的選擇和波特率的設(shè)定，各 IO口功能的設(shè)定等。初始化完成后程序進(jìn)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)，外部系統(tǒng)初始 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(diào)用相應(yīng) 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 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(chǎn)生后由預(yù)先初始化時設(shè)定跳轉(zhuǎn)執(zhí)行中斷子程序。中斷程序設(shè)定了 LED 點陣顯示屏所要顯示 的內(nèi)容和顯示的方式，最后執(zhí)行的是各種顯示程序。按照設(shè)定的方式和內(nèi)容顯示出所需要的內(nèi)容。 顯示程序的設(shè)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(qū)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(nèi)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(qū)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(fù)循環(huán)進(jìn)行．在重復(fù)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(jìn)行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅(qū)動電路可重復(fù)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(hù)要容易許多，可靠性也增加了． 兩種顯示方式的比較再結(jié)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(jìn)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(yīng)列的數(shù)據(jù)，這樣從第 1 列到第 16 列循環(huán)往復(fù)，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。 從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 列 對 應(yīng) 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(yīng) 的行 數(shù) 據(jù)從 數(shù) 據(jù) 中 讀 取第 1 6 列 對 應(yīng) 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(dǎo) 通相 應(yīng) 行按 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 通相 應(yīng) 行按 數(shù) 據(jù) 導(dǎo) 通相 應(yīng) 行 圖 42 掃描顯示程序原理圖 點陣數(shù)據(jù)表達(dá)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(yīng)一 個位。 8 個像素對應(yīng)一個字節(jié)，字節(jié)的位順序是上高下低，比如從上到下 8 個點的狀態(tài)是 “**”(*為黑點， 為白點 )，則轉(zhuǎn)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(yīng)的數(shù)組元素為第 i和 i+16 個元素 [16]。 顯示程序的設(shè)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(diào)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(yīng)關(guān)系第 i列對應(yīng)的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第 i和第 i+16 個元素。將對應(yīng)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(jié)果通開 始 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(yīng)行數(shù)組元素與 0X01 相與，相與結(jié)果寫入單片機端口輸出 數(shù)組元素右移一位，對應(yīng)74LS164 CLOCK 端置高 右移次數(shù)是否為鎖存器允許輸出 初 始 化 N Y 過單片機端口輸出到串并轉(zhuǎn)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(yīng)關(guān)系為：第 i列對應(yīng)的數(shù)據(jù)為數(shù)組中 i和第 2i 個數(shù)據(jù)。所以當(dāng) ULN2803 選通時，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當(dāng)于畫面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當(dāng)于右移一位。如此循環(huán)則產(chǎn)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(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動的效果 [18]。 通信程序的設(shè)計 系統(tǒng)采用串行中斷的方式進(jìn)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(nèi)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(shè)置了 4 個專用寄存器用于中斷控制，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(shè)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(yīng)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(yīng)位為 1 時允許其中斷，對應(yīng)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(shè)定中斷允許寄存器初值為 0XFF，指令為 IE=0XFF。程序設(shè)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(chǎn)生而 CPU 響應(yīng)的順序取決于內(nèi)部查詢順序。 設(shè)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(jìn)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(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 第 1 個字節(jié) 第 2 至第 33 個字節(jié) 第 34 個字節(jié) 內(nèi)容 起始標(biāo)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(nèi)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(jìn)行了串行中斷的初始化，初始化內(nèi)容包括了串行工作方式選擇，波特率的設(shè)定，計數(shù)初值的設(shè)定。程序開始進(jìn)入中斷等待，當(dāng) PC 機向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先判斷數(shù)據(jù)是否設(shè)定的起始標(biāo)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(jìn)行驗證比較。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EA — — ES ET1 EX1 ET0 EX0 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?qū)憺橐粋€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(jìn)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(jìn)行編譯和驗證。詳細(xì)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 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)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(jìn)行調(diào)試，檢查設(shè)計功能是否實現(xiàn)了。軟件硬件完成后開始進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試可分為硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。 圖 51 實物圖 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法 硬件調(diào)試主要是調(diào)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(shè)計要求，最后測試各硬件部分能否完成設(shè)計功能。因此把硬件調(diào)試按照以下四部分分步來進(jìn)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(shè)計要求的范圍內(nèi)； （ 3）測試 ISP 下栽線的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)； （ 4）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠?qū)崿F(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(diào)試部分只測試單片機復(fù)位電平，功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試部分來完成。 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(jié)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(qū)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(yīng)該固定的端口的電壓。測試的結(jié)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(fù)載時端口電壓為 。 串口調(diào)試 串口部分的作用為單片機與 PC 機之間通信，要檢查硬件是否正常工作可以采用將 MAX232 芯片的單片機端輸出口與輸入口直接相連的辦法來測試。具體電路圖如圖 52 所示，將 MAX232 的第 10 端和第 9 端直接短接。功能上表示將單片機的輸出口與輸入口直接相連，單片機收到數(shù)據(jù)的同時就將數(shù)據(jù)發(fā)送回 PC機。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)能夠被接收則證明串口通信部分的硬件是正常的。 【 19】 將串口與電腦 COM1 相接，通過串口調(diào)試助手發(fā)送不同位數(shù)的數(shù)據(jù)再在把發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)相比較。 圖 52 串口硬件調(diào)試 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法 由于已經(jīng)進(jìn)行了硬件調(diào)試，所以軟件調(diào)試主要是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現(xiàn)性。在進(jìn)行功能調(diào)試前必須用 KEIL C 對所有程C 1 +1VDD2C 1 3C 2 +4C 2 5V E E6T 2 O U T7R 2 I N8R 2 O U T9T 2 I N10T 1 I N11R 1 O U T12R 1 I N13T 1 O U T14GND15V C C165M A X 2 3 2 A C P E12345678911101D C o n n e c t o r 9C1104C2104C3104C4104V C CP 3 .1 T XP 3 .0 R XV C C序進(jìn)行編譯，編譯成功生產(chǎn)可執(zhí)行的 .hex 后方可進(jìn)行功能測試。 其中測試串口程序的功能是否完善不但要連接單片機系統(tǒng)還要借助串口調(diào)試工具。串口調(diào)試工具選用的是串口調(diào)試助手，其功能是按照設(shè)定的串口、波特率向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)和接收單片機向 PC 機發(fā)送的數(shù)據(jù)。并且能把發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示在狀態(tài)欄內(nèi)。因此只要設(shè)定 PC 機向單片機發(fā)送的內(nèi)容和單片機向PC 機發(fā)送的內(nèi)容就可以通過串口調(diào)試助手驗證串口通信是否準(zhǔn)確，是否滿足功能要求。 串口程序的設(shè)計為：設(shè)定波特率位 9600，以 0XAA 為起始標(biāo)志位 ,單片機接收自起始標(biāo)志位后的 32 位十六進(jìn)制數(shù)再發(fā)送會 PC 機。測試程序時設(shè)定波特率為 9600，選擇 串口 1，無校驗， 8 位數(shù)據(jù)。 PC 機向單片機發(fā)送的內(nèi)容為 aa 11223344556677889900aabbccddeeff11223344556677889900aabbccddeeff。 PC 機收到的數(shù)據(jù)為 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 AA BB CC DD EE FF 11 22 33 44 55 66 77 88 99 00 AA BB CC DD EE FF。測試表明串口程序和串口電路實現(xiàn)了設(shè)計目的。再進(jìn)行數(shù)次不同數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)也驗證了設(shè)計要求的實現(xiàn)。 圖 53 串口調(diào)試圖 串口程序測試成功后為顯示程序提供了準(zhǔn)確的顯示內(nèi)容。余下得各種顯示程序和中斷程序都編譯成功后只有聯(lián)合硬件才能驗證其功能的可行性。 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果 經(jīng)過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，排除了硬件的連接問題和驗證了串口功能的可實現(xiàn)性。其余功能的軟件便可以在此基礎(chǔ)上調(diào)試驗證其功能的正確性。聯(lián)合調(diào)試的具體方法如下： （ 1）編寫一個逐點掃描的顯示程序，再結(jié)合硬件電路運行。這樣做的目的在于檢測各器件是否能夠正常運行和顯示屏的各個 LED 燈是否有損壞。結(jié)果顯示顯示屏中只有邊角出有一個 LED 燈被燒壞，其他器件邏輯功能運行正常。 （ 2）將靜態(tài)顯示子程序與各種動態(tài)顯示程序結(jié)合硬件電路進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)運行時顯示如圖 51 所示，顯示圖像比較清晰，各動態(tài)顯示效果也能夠?qū)崿F(xiàn)。但顯示存在兩個問題。一是發(fā)光點的下方會出現(xiàn)一個很微弱的亮點，影響