【正文】 D光柱專用驅(qū)動(dòng)器[J]. 家庭電子，2005，(04)：17.[14] 王亭，李瑞濤，[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2000(1)：2527.[15] [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，(03)：5678.[16] [J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2000，5(9)：725729.[17] [J].零陵師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，(9)：367380.[18] David F graphics algorithm[M].Beijing：China Machine Press，2002：9799.[19] Marston, R.. RadioElectronics, Working with LED display drivers[J]. Mar1992, Vol. 63 Issue 3, 65, 8p, 3 charts, 23 diagrams。我所在的實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)，我也要感謝你們。同時(shí)我要感謝大學(xué)四年里教過(guò)我課程的老師們，感謝他們對(duì)我知識(shí)增長(zhǎng)所付出的辛勤勞動(dòng)。我相信通過(guò)此次設(shè)計(jì)所得到的知識(shí)、心得、經(jīng)驗(yàn)?zāi)酥粮惺芏紩?huì)讓我在以后的日子里受益匪淺?？梢栽O(shè)想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹(shù)立一塊依靠太陽(yáng)能充電，通過(guò)無(wú)線傳輸方式更改顯示內(nèi)容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。隨著課題的進(jìn)行，對(duì)LED的了解也越來(lái)越深入。在實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的過(guò)程中所遇到的問(wèn)題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和深刻教訓(xùn)。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了題目的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)了解我認(rèn)識(shí)到LED是一門當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)每年都會(huì)有巨大的產(chǎn)值而且技術(shù)還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新[20]。通過(guò)這次設(shè)計(jì)收獲頗多，不僅是所作題目涉及到的軟硬件知識(shí)還有更為重要的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和過(guò)程中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。詳細(xì)程序見(jiàn)附錄2。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€(gè)可單獨(dú)執(zhí)行的完整程序。接收到第34個(gè)字節(jié)后便將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證比較。程序開(kāi)始進(jìn)入中斷等待，當(dāng)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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。設(shè)置串口工作方式1，波特率9600，計(jì)算可得計(jì)數(shù)器初值的十六進(jìn)制表示為0XFD。程序設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到中斷優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。對(duì)應(yīng)位為1時(shí)允許其中斷，對(duì)應(yīng)位為0時(shí)，禁止其中斷。CPU屏蔽所有中斷。其控制位分布如表。編程時(shí)通過(guò)設(shè)置其狀態(tài)來(lái)管理中斷系統(tǒng)。MCS51單片機(jī)的五個(gè)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(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0和T1）的溢出中斷和串行口的接收和發(fā)送中斷。所以將元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯位移便能產(chǎn)生上下移動(dòng)的效果[18]。 顯示數(shù)組中，第1至16個(gè)元素的第8至第1位LED顯示屏中的第1至第8行。所以當(dāng)ULN2803選通時(shí)，而送入后一列的數(shù)據(jù)則相當(dāng)于畫(huà)面左移移位，同理送入前一列數(shù)據(jù)相當(dāng)于右移一位。開(kāi)始讀入顯示數(shù)組顯示顯示數(shù)組元素在數(shù)組中的位置左/右移一位移動(dòng)次數(shù)是否是16YN開(kāi)始讀入顯示數(shù)組顯示顯示數(shù)組元素在數(shù)組中的位置前/后移一位移動(dòng)次數(shù)是否是16NY圖45 左右移/上下移程序流程圖 動(dòng)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(chǔ)原理通過(guò)改變實(shí)際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的左右移動(dòng)。將對(duì)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)果通過(guò)單片機(jī)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。其中上下左右移動(dòng)程序都調(diào)用了靜態(tài)顯示程序?yàn)樽映绦?。?huà)面顯示時(shí)選通的第i列對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素為第i和i+16個(gè)元素[16]。如圖(43)所示，一幅1616的點(diǎn)陣畫(huà)面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)按照B1B2B3……B31B32存儲(chǔ)。從數(shù)據(jù)中讀取第1列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第16列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)中讀取第2列對(duì)應(yīng)的行數(shù)據(jù)選通第1列選通第2列選通第16列16*16LED16*16LED16*16LED選通LED第1列選通LED第2列選通LED第16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)行讀取所需要顯示的數(shù)據(jù)至顯示寄存器圖42 掃描顯示程序原理圖 點(diǎn)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(chǔ)方式如圖43， 圖43 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)原理圖 即數(shù)據(jù)是縱向的，一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)位。動(dòng)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。 顯示程序的設(shè)計(jì) LED顯示屏的顯示方式 LED點(diǎn)陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示兩種。中斷程序設(shè)定了LED點(diǎn)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。串行中斷包括發(fā)送中斷和接收中斷都是由軟件觸發(fā)。初始化完成后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(diǎn)陣顯示屏的控制程序進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待中斷的發(fā)生，該程序中主要用到了兩個(gè)外部中斷源和串行中斷。通信程序接收數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過(guò)控制程序選擇不同的顯示程序進(jìn)行顯示。首先分析程序所要實(shí)現(xiàn)的功能，程序要實(shí)現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示三大功能。詳細(xì)硬件原理圖見(jiàn)附錄1。在實(shí)際應(yīng)用中通常采用內(nèi)部擴(kuò)展和外部級(jí)連聯(lián)合使用的方法來(lái)構(gòu)建大屏幕LED顯示屏幕。使用這種級(jí)連的辦法可以避免51單片機(jī)晶振頻率低的弱點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)大屏幕的顯示。由獨(dú)立的LED顯示系統(tǒng)組成一個(gè)大的LED顯示系統(tǒng)。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。這種級(jí)連的優(yōu)點(diǎn)在于一塊單片機(jī)可以同時(shí)控制更多的LED點(diǎn)陣顯示屏，且74LS164的價(jià)格低廉整體成本得到了降低。 級(jí)連大屏幕LED顯示屏要實(shí)現(xiàn)LED的大屏幕顯示主要采用內(nèi)部譯碼器級(jí)連和多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)級(jí)連的方法。圖36 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(guò)一個(gè)橋式整流電路將交流電整流為直流電。此時(shí)需要對(duì)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。電路如圖35所示：圖35 串口通信系統(tǒng)電路圖 電源設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中MAX2374LS1674LS37AT89S51都需要5V的供電電壓，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以使用電腦USB供電。在通用的電平轉(zhuǎn)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(gè)小電容即可完成RS232C與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換而成為單片機(jī)系統(tǒng)中的常用芯片。圖34 列驅(qū)動(dòng)原理圖 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)AT89S51單片機(jī)具有全雙工串行UART通道，支持單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的串行傳輸。相對(duì)應(yīng)的輸出取反，并能提供較大的灌電流來(lái)吸收行驅(qū)動(dòng)流出進(jìn)過(guò)顯示屏后的電流。集電極輸出功率可達(dá)50V600mA[13]。廣泛用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)列驅(qū)動(dòng)采用ULN2803。當(dāng)譯碼器端口輸出高電平時(shí)發(fā)射極與基極之間的電勢(shì)差為5V－－，由于發(fā)射極與基極之間電勢(shì)差的減少基極電子向發(fā)射極擴(kuò)散的電子數(shù)量減少故集電極電流也隨之減少。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢(shì)差為5V－基極中帶負(fù)電的電子越過(guò)PN結(jié)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)發(fā)光二極管，LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。74LS373為八D鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性)。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要74LS164的輸出口不與驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通。 圖33 行譯碼電路圖 鎖存器74L373由于74LS164芯片不具有鎖存功能，所以在74LS164進(jìn)行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時(shí)，串行數(shù)據(jù)的第一位會(huì)從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會(huì)從QA依次移位到QG，依次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前74LS164芯片的輸出會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的亂序輸出，這一結(jié)果會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路表現(xiàn)在顯示屏上。參數(shù)最小值標(biāo)準(zhǔn)值最大值單位高電平輸入電壓2——V低電平輸入電壓——V高電平輸出電壓V低電平輸出電壓—V時(shí)鐘頻率0—25MHZ表31 74LS164工作參數(shù) 這就要求單片機(jī)的引腳輸出的高低電平要在芯片的識(shí)別范圍內(nèi)，由于采用了列選通行傳送顯示代碼的方法所以行譯碼電路上也加上了74L373鎖存芯片。當(dāng)A、B任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下Q0為低電平。當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）均為低電平。大大減少了I/O口的占用數(shù)目，為單片機(jī)擴(kuò)展其他功能預(yù)留下來(lái)了空間。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來(lái)控制1616的LED點(diǎn)陣屏顯示，需要32個(gè)端口。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器74LS164和鎖存器74LS373。所以P1和P2口留為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器不夠用時(shí)使用[12]。因?yàn)闆](méi)有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器所以將EA置為高電平。，EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。具體接法為：，向74LS164送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)其轉(zhuǎn)換后并行輸出；，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出；，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除164芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的數(shù)據(jù)；。在該系統(tǒng)中，P1各口主要用作LED顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。AT89S51的最小系統(tǒng)包括了外界時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的I\O口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)全雙工串行UART通道2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器1288字節(jié)內(nèi)部RAM全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz1000次擦寫(xiě)周期與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。根據(jù)題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)時(shí)方便的程序下載對(duì)程序的驗(yàn)證和編寫(xiě)非常有用。 控制單元設(shè)計(jì)控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機(jī)為核心器件，用來(lái)發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容，并且直接輸出數(shù)據(jù)通過(guò)譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。（3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的要求。并且顯示要清晰。通過(guò)查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖31所示。具體工作流程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)通信系統(tǒng)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過(guò)I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到LED顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而使顯示屏顯示內(nèi)容[11]。目前在單片機(jī)開(kāi)發(fā)中普遍都是使用KEIL C51來(lái)進(jìn)行編譯。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少?；谝陨侠碛蓻Q定采用C語(yǔ)言為該顯示系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的可讀性；編程及程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。C可以進(jìn)行許多機(jī)器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語(yǔ)言。C語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě)UNIX操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。匯編語(yǔ)言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語(yǔ)言。 單片機(jī)編程語(yǔ)言現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。編寫(xiě)軟件之前得首先選擇一種合適的語(yǔ)言以及配套的編輯器和編譯軟件。具體結(jié)構(gòu)如圖24所示。串行通信單片機(jī)譯碼電路顯示驅(qū)動(dòng)電路1616LED顯示屏圖23 硬件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)軟件方案軟件的設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外還必須要滿足易讀寫(xiě)，方便下載和編譯。 硬件設(shè)計(jì)方案最終方案如圖23所示，以單片機(jī)機(jī)作為核心控制器件存儲(chǔ)和處理顯示內(nèi)容，用串行通信的方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)傳輸來(lái)的內(nèi)容和指令通過(guò)端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng)4塊88LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的1616的LED點(diǎn)陣顯示屏。51系列單片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流可達(dá)20mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十μA甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。所以構(gòu)建一個(gè)1616的LED點(diǎn)陣屏選用四塊88點(diǎn)陣模塊。兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來(lái)制作一個(gè)LED點(diǎn)陣顯示屏。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有81616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè)的發(fā)光二極管出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過(guò)當(dāng)一個(gè)LED出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有LED都必須被更換。LED顯示屏是由一個(gè)一個(gè)的發(fā)光