【導讀】的特性得到了廣泛的認可和贊許。在火車站、飛機場等這樣大型的公共場合，普通的。白的指明時間，這樣給出行或辦事的人們帶來諸多的不便。解決了這一問題。以其高亮的特性，可以在幾乎任何場合下告知人們準確的時間。LED時鐘顯示系統(tǒng)。其研究的意義在于：。2〉拓展了LED的應用范圍，為LED的應用提出了新的思路。3〉在一定程度上推動了LED顯示系統(tǒng)的小型化發(fā)展。尋找與撰寫論文相關(guān)的資料；要求所編制的軟件在答辯時演示；基于LED的模擬時鐘設計是以單片機與時鐘芯片結(jié)合為基礎(chǔ)的。方式采用了DS1302時鐘芯片，更為簡單、有效的方法，而沒有選擇延時的方法。用的DS1302時鐘芯片只要接上電源以后就會自動運作。LED顯示屏采用了行掃描列控制的。四個行選通信號的控制并行輸出顯示在LED屏上。LED模擬時鐘的設計與實現(xiàn)分為以下幾部分進行介紹。其驅(qū)動原理；第五部分根據(jù)設計的要求，對顯示系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)及工作原理作了分析，

　　

【正文】 組成部分。 SST89 系列單片機內(nèi)部有一個全雙工的串行通信口，即串行接收 和發(fā)送緩沖器（ SBUF），這個在物理上獨立的接收發(fā)送器，既可以接收數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。但接收緩沖器只能讀出不能寫入，而發(fā)送緩沖器則只能寫入不能讀出，它們的地址為99H。這個通信口既可用于網(wǎng)絡通信，也可實現(xiàn)串行異步通信，還可以構(gòu)成同步移位寄存器使用。如果在通信口的輸入輸出引腳上加上電平轉(zhuǎn)換器，還可方便地構(gòu)成標準的 RS232 和 RS485 接口。 串行口結(jié)構(gòu)與特殊功能寄存器 SST89 系列單片機串行口是由發(fā)送緩沖器SBUF、發(fā)送控制器、發(fā)送控制門、接收緩沖寄存器 SBUF、接收控制寄存器、移位 寄存器和中斷等部分組成的，如圖 29所示。 圖 29 串行口組成示意圖 SBUF 是串行口的緩沖寄存器。它是一個可尋址的專用寄存器，其中包括發(fā)送寄存器和接收寄存器，以便能以全雙工方式進行通信。這兩個寄存器具有同一地址（ 99H），串行接收時，從接收 SBUF 讀出數(shù)據(jù)。發(fā)送、接收控制器的速率由波特率發(fā)生器 TI 控制。當一幀數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，將 TI 置 1 向 CPU 發(fā)中斷，當接收到一幀數(shù)據(jù)后，將 RI置 1向 CPU 發(fā)中斷。 TB8 為發(fā)送數(shù)據(jù)的第 9 位， RB8為接收數(shù)據(jù)的第 9 位。 此外，在接收寄存器之前還有移位寄存器，從而構(gòu)成了串行接收的雙緩沖結(jié)構(gòu)，以避免在數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)幀重疊錯誤。與接收數(shù)據(jù)情況不同，發(fā)送數(shù)據(jù)時，由于CPU 是主動的，不會發(fā)生幀重疊錯誤，因此發(fā)送電路就不需要雙重緩沖結(jié)構(gòu)。 發(fā)送 SBUF（ 99H） 接收 SBUF（ 99H） TI（發(fā)送中斷） TXD 串行輸出 系統(tǒng)總線 輸入移位寄存器 移位 時鐘 RXD串行輸入 RI（接收中斷） 第 16 頁 SST89 系列串行口波特率 SST89 系列串行通信的各 工作方式 波特率 如下： 方式 0 時波特率是固定的，為單片機晶振頻率的 1/12，即 BR= fosc/12。如晶振頻率用 fosc 表示，按此波特率也就是一個機器周期進行一次移位。當 fosc=6MHz，則波特率為 500kbps,即 2 s? 移位一次；如 fosc=12MHz，則波特率為 1Mbps，即 1s? 移位一次。 方式 2 的波特率也是固定的，且有兩種。一種是晶振頻率的 1/32，另一種是晶振頻率的 1/64，即 fosc/32和 fosc/64。 見 公式 （ 22）所示 ： 64/2 OS CS M OD fBR ?? （ 22） 式中， SMOD 為 PCON寄存器最高位的值， SMOD=1 表示波特率加倍。 方式 1 和方式 3 的波特率是可變的，其波特率由定時器 1的計數(shù)溢出（對 SST89系列來說，也可使用定時器 2 的計數(shù)溢出）決定， 見 公式 （ 23）所示： 32/)2( dS M OD TBR ?? （ 23） 式中， SMOD 為 PCON 寄存器最高位的值， SMOD=1 表示波特率加倍。而定時器 1 溢出率計算 見 公式 （ 24）所示 ： )]12 5 6(12/[ THfT OS C ??? （ 24） 使用定時器 1的計數(shù)溢出，方式 1 和方式 3的常用波特率如表 25所示。 表 25 方式 1和方式 3的常用波特率 串行口工作方式 波特率 MHzfOSC 6? MHzfOSC 12? M Hzf O S C ? SMOD TMOD TH1 SMOD TMOD TH1 SMOD TMOD TH1 方式 1 或方式 3 57600 1 20 FFH 28800 1 20 FEH 19200 1 20 FDH 9600 0 20 FDH 4800 1 20 F3H 0 20 FAH 2400 1 20 F3H 0 20 F3H 0 20 F4H 1200 1 20 E6H 0 20 E6H 0 20 E8H 600 1 20 CCH 0 20 CCH 0 20 D0H 300 0 20 CCH 0 20 98H 0 20 A0H 從表 25 中可以看出，當選擇晶振 M Hzf O S C ? 時，波特率最為齊全，如無特別要求，通常在 SST89 系列單片機系統(tǒng)中選擇晶振頻率為 。 第 17 頁 系統(tǒng)中的顯示技術(shù) LED 器件的工作原理 LED 器件發(fā)光的基本原理 發(fā)光二極管（ light emitting diode, LED），是一種把電能變成光能的特種器件，當電流如圖 210 所示通過它的時候，可以產(chǎn)生可視的光。 圖 210 開啟一個 LED 示意圖 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由 PN 結(jié)芯片、電極和光學系統(tǒng)構(gòu)成。我們知道，發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。當系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，會從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)；當系統(tǒng)有不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，能量差以光的形式輻射出來，就會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。當在 PN 結(jié)上加以正向電壓之后， P 區(qū)的空穴注入至 N 區(qū)， N 區(qū)的電子注入至 P 區(qū)，相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復合，這些少數(shù)載流子在結(jié)的注入和復合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。它是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需 要光學諧振腔，發(fā)射的是非相干光。 LED 器件的驅(qū)動 從 LED 器件的 發(fā)光機理可以知道，當向 LED 器件施加正向電壓時，流過器件的正向電流使其發(fā)光。因此 LED 的驅(qū)動就是要使它的 PN 結(jié)處于正偏置，同時為了控制它的發(fā)光強度，還要解決正向電流的調(diào)節(jié)問題。具體的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動、恒流驅(qū)動、脈沖驅(qū)動和掃描驅(qū)動等，本課題 LED 器件的驅(qū)動為掃描驅(qū)動。 利用人眼的視覺暫留特性，采用向 LED器件重復通斷供電的方法使之點亮，就是通常所說的脈沖驅(qū)動方式。采用這種方式時應該注意兩個問題：脈沖電流幅值的確 定和重復頻率的選擇。首先，要想獲得與直流驅(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度，脈沖驅(qū)動電流的平均值就應該與直流驅(qū)動的電流值相同。 脈沖驅(qū)動原理 如圖 211 所示 。 第 18 頁 圖 211 LED的脈沖驅(qū)動原理圖 其次是脈沖重復頻率的問題，通過視覺暫留特性的分析，知道脈沖重復頻率必須高于 24Hz，否則會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。脈沖驅(qū)動的主要應用有兩個方面：掃描驅(qū)動和占空比驅(qū)動。 掃描驅(qū)動是通過數(shù)字邏輯電路，使若干 LED器件輪流導通，用以節(jié)省控制驅(qū)動電路。 LED 顯 示屏是將發(fā)光燈按行按列排布的，驅(qū)動時也按行按列驅(qū)動。在掃描驅(qū)動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，而不考慮這行的哪一列 LED 器件是否應該點亮，某一列的 LED 器件是否應該點亮，由所謂的列控制電路來負責。本課題采用按行掃描按列控制的方式。 圖 212 所示為一個 m 行 n 列結(jié)構(gòu)的 LED 顯示屏，當采用行掃描列控制的驅(qū)動方式時，從 H1 到 Hm 輪流將高位接通各行線，使連接到各行的 LED 器件接通正電源，但具體哪一個 LED 導通，還要看它的負電源是否 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 點亮，那么當掃描到 H1行時， L1列的電位就應該為高；當掃描到 H2 行時， L1 列的電位就應該為低。 脈沖源 R LED 圖 212 行掃描列控制原理圖 第 19 頁 基于 LED的屏幕顯示系統(tǒng)組成 LED 顯示屏包括 LED圖文顯示屏、 LED 圖像顯示屏和視頻 LED 顯示屏。本文所指的是 LED 圖文顯示屏。 LED 圖文顯示屏并沒有一個公認的嚴格的定義，一般把顯示圖形及文字的 LED 顯示屏稱為圖文屏。 LED 圖文屏的主要特征是只控制 LED 點陣中發(fā)光器件的通斷，而不控制 LED 的 強弱。不論顯示圖形還是文字，都是與組成這些圖形或文字的各個點像素所在位置相對應的 LED 器件是否發(fā)光有關(guān)。 屏幕顯示系統(tǒng)組成 如圖 213 所示，該系統(tǒng)是由 PC機和一臺單片機組成的LED 顯示系統(tǒng)， PC 機在控制中心作為上位機，下位機采用單片機?；趩纹瑱C的 LED顯示屏控制電路是系統(tǒng)的核心，完成對 LED 顯示屏的動態(tài)掃描控制 ， PC 機用于后級管理和控制。 PC 機與單片機之間采用 RS232/485 通信標準，由上位機發(fā)送信號，下位機同時接收。當圖文屏需要顯示不同內(nèi)容時，可以通過對下位機傳送不同的顯示數(shù)據(jù)的方 法來實現(xiàn)。 圖 213 PC機和 LED組成的顯示系統(tǒng)圖 各部分組成及功能 顯示屏 LED 顯示屏以發(fā)光二級管為像素，由 LED 顯示單元拼接而成。最常見的LED 點陣顯示單元有 5X7, 7X9, 8X8 結(jié)構(gòu)，前兩種主要用于顯示各種西文字符，后一種常用于顯示各種漢字字符， 8X8 LED 點陣的外觀 如圖 214 所示。 基于單片機的LED 控制電路 LED 顯示屏 RS232485 轉(zhuǎn)換器 PC 第 20 頁 圖 214 8X8 LED點陣顯示單元 圖 215 所示以單片機為核心的動態(tài)掃描電 路是由單片機、顯示控制電路、顯示驅(qū)動電路組成。單片機及相應軟件，主要負責存儲顯示數(shù)據(jù)、安排控制信號的定時與順序、和 PC 機進行通信等。 圖 215 以單片機為核心的動態(tài)掃描電路框圖 根據(jù)驅(qū)動方式的不同， LED 屏幕顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。靜態(tài)顯示是指將一幅畫面輸入以后要保持到下一幅畫面的輸入；動態(tài)顯示是指將畫面分為若干部分分別進行刷新。靜態(tài)顯示每一個像素需要一套驅(qū)動電路，如果顯示屏為n m個像素屏，則需要 n m套驅(qū)動電路；動態(tài)掃描顯示則采用多路復用技術(shù)，如果是采用 P路復用，則每 P個像素需要一套驅(qū)動電路， n m 個像素僅需 n m/P 套驅(qū)動電路。另外，對于靜態(tài)顯示方式，需要較多的譯碼驅(qū)動裝置，需要的引線也比較多；對于動態(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、屏幕閃爍等問題。在實際的 LED 屏幕顯示中，很少有采用靜態(tài)驅(qū)動的。 顯示數(shù)據(jù)通常以字節(jié)的形式順序存放在單片機的存儲器中。在行掃描列控制顯示行掃描電路及控制 行驅(qū)動 LED 顯示點陣 列驅(qū)動 列顯示數(shù)據(jù) 單片機系統(tǒng) PC機 通信 第 21 頁 時，把顯示數(shù)據(jù)從存儲器中取出傳送到每一行對應的列驅(qū)動器上，這就存在一個列數(shù)據(jù)傳輸方式的問 題。從控制電路到列驅(qū)動器的數(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，點陣模塊數(shù)量的增多，線路會越來越復雜；數(shù)據(jù)串行傳輸?shù)乃俣缺容^慢，但它可以大大簡化傳輸線路，對于如果采用比較大的屏幕來說，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號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，與此同時，列驅(qū)動中每一列都把當前數(shù)據(jù)傳向后一列，并從前一列接收新數(shù)據(jù)，直到一行的各列數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)轿缓?，才能并行地進行顯示。對于串行傳輸來說，數(shù)據(jù)要經(jīng)過并行到串行和 串行到并行兩次變換，因此列數(shù)據(jù)的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)準備和列數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的同時，準備下一行的列數(shù)據(jù)，這就需要列數(shù)據(jù)的顯示具有鎖存功能。本行已準備好的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。 對于以動態(tài)掃描方式工作的顯示系統(tǒng)，掃描時間的確定較為 重要，根據(jù)人眼的視覺暫留時間，若每秒顯示二十四幀以上，便可得到穩(wěn)定的顯示，以每秒二十五幀，即完成對全屏的一次掃描時間為 40ms，那么，只要每次完成對全屏的掃描時間不超過該值，將會得到較為穩(wěn)定的顯示。從理論上講，顯示屏的大小是任意的，但從上面的分析可知，顯示屏做得越大，即屏幕的點陣規(guī)模越大，往顯示屏上所送的數(shù)據(jù)就越多，數(shù)據(jù)傳輸與控制的時間也會增加，即完成一屏掃描的時間也將越長，然而， 40ms 的時間卻是固定的，多于 4