【正文】 在第 8 管腳，在每個時鐘周期的上升沿，串行數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)，在 8 個時鐘周期后，數(shù)據(jù)就并行的從芯片輸出。 圖 三極管驅(qū)動電路 行驅(qū)動電路設(shè)計 在行驅(qū)動 電路中，采用 2 片 74HC164 來擴展 IO 口， 74HC164 的輸出通過 的電阻接到三極管的基極。當(dāng) 74HC164 輸出高電平時，其對應(yīng)的三極管不能導(dǎo)通，所驅(qū)動的發(fā)光二極管不會被點亮。圖 為三極管組成的驅(qū)動電路。所以我們采用外部晶振的方式，采用 的晶振來為系統(tǒng)提供電源。其實， AVR 單片機內(nèi)部已經(jīng)集成了很多外 圍設(shè)備接口，在 AVR 單片機內(nèi)部集成了晶振，所以在 AVR 最小系統(tǒng)中可以不畫外圍晶振，最簡單的 AVR 最小系統(tǒng)只需要兩根電源線， 4 根程序下載線。采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號可以達(dá)到模塊化的目的，這樣畫較為復(fù)雜的電路原理圖時，可以很整潔清晰的表達(dá)出來。圖 為 AVR 單片 機的最小系統(tǒng)原理圖，在本系統(tǒng)中，由于采用了 74HC595 芯片及 74HC164芯片實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，所以在的系統(tǒng)中只用到少量的 IO 口，這樣其他圖 時鐘電路 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 的 IO 口可以用來控制其他的外設(shè)，達(dá)到減少 IO 口的目的。如圖 為單片機的時鐘電路。在本系統(tǒng)中，由于要用到串口通信，在串口通信中要用波特率來保持上位機跟單片機傳輸數(shù)據(jù)的一致。 圖 JTAG 下載口 AVR 單片機的時鐘電 路 對于 AVR 單片機來說，片內(nèi)已經(jīng)集成了晶振，可以采用外部晶振提供時鐘源，也可以通過設(shè)置單片機的熔絲位來改用內(nèi)部晶振。 JTAG 仿真調(diào)試口電路原理圖如圖 所示，其中 9 分別接到單片機的JTAG 調(diào)試口，在 AVRStudio 開發(fā)環(huán)境中，可以通過 JTAG 仿真調(diào)試逐句執(zhí)行程序語句來觀察單片機控制的 LED 顯示屏的現(xiàn)象還幫助調(diào)試。對于 AVR 單片機來說，可以有兩種下載程序的方法，一種通過 ISP 在線下載，一種通過 JTAG 仿真調(diào)試，在調(diào)試后程序自動下載到單片機里，同時 JTAG 仿真調(diào)試可以很方便的找出程序中的錯誤，有利于調(diào)試，所以在的最小系統(tǒng)中也加入了 JTAG 口。此電路中還有手動復(fù)位的功能，當(dāng)按下按鍵時，電流經(jīng)過 10K 電阻，又經(jīng)過 1K電阻，電路導(dǎo)通，此時在 10K 電阻兩端有個很大 的壓降， 10K 電阻 RESET 端為低電平，單片機復(fù)位。 復(fù)位電路工作原理如圖 所示，當(dāng)系統(tǒng)上電時，電流經(jīng)過 10K 電阻和 10uF 電容，系統(tǒng)導(dǎo)通，此時在電容的正極上是低電平，而 AVR 單片機是低電平復(fù)位，所以此時單片機復(fù)位。 圖 串口通信電路原理圖 復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位電路是確保單片機最小系統(tǒng)中不可缺少的一部分，當(dāng)單片機上電后，單片機會自動運行存儲在 FLASH 中的程序，當(dāng)程序出現(xiàn)問題時候，我們希望程序重新開始執(zhí)行，那么我們會使用到復(fù)位，單片機重新開始執(zhí)行程序，我們會 在自小系統(tǒng)中設(shè)置一個按鍵，當(dāng)手按下，單片機會自動復(fù)位，這種復(fù)位叫做上電復(fù)位。 串口通信電路原理圖如圖 所示，在 DB9 中只用到 3 跟線，其中第五管腳接地，第二管腳接到 MAX232 的第 14 管腳，在 MAX232 中 11 管腳輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換從 14 管腳發(fā)送出去，傳送到上位機中，其中 11 管腳接單片機的串口發(fā)送端。收發(fā)方數(shù)據(jù)一致性的保證是波特率，在這種發(fā)送方式中，每個數(shù)據(jù)幀的格式是一位起始位，后跟若干數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位， 單 片 機 74HC595 列驅(qū)動 74HC164 行驅(qū)動 LED 點陣模塊 時鐘電路 復(fù)位電路 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 停止位。同步串行通信的代表有 SPI、 IIC，這種通信 的最顯著特點是，收發(fā)方有相同的時鐘來協(xié)調(diào)雙方的發(fā)送。在串口通信中采用 MAX232 芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片， AVR 單片采用的是 TTL 電平： +5V 代表邏輯 1,0V 代表邏輯 0 而 PC機采用的是 RS232 電平， +15V 代表邏輯 0， .15V 代表邏輯 1，與單片機的邏輯電平不一致，所以采用 MAX232 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計 本系統(tǒng)采用 AVR 單片機為核心控制器件，用四塊 8*8 點陣相連組成 16*16 點陣屏，作為顯示部分，用兩片 74HC595 作為列驅(qū)動控制，用 74LS164 作為行驅(qū)動控制，系統(tǒng)硬件總體方框圖如圖 所示。 AVRStudio 在下載程序時，不方便設(shè)置熔絲位，而 AVRFighter ,Mucode 可以方便直觀的設(shè)置 AVR的熔絲位，所以本系統(tǒng)采用 AVRFighter 作為下載軟件。 本系統(tǒng)設(shè)計中，對于實時性要求不是很好，另外，從成本方面考慮，選用存儲顯示來設(shè)計系統(tǒng)。兩種顯示方法相比較：實時顯示對于硬件的要求較高，對于通信系統(tǒng)的要求很高，上位機需要不斷的將更新的數(shù)據(jù)發(fā)動到 LED 屏幕上，通信開銷交大，此種顯示方式多用于廣場的新聞播報顯示屏。存儲顯示是將要顯示數(shù)據(jù)的字模通過串口由上位機發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機接到上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)，再接受上位機的控制信息便可以在 LED 顯示屏上顯示了。本系統(tǒng)中上位機的作用是存儲字模數(shù)據(jù)并控制單片機的顯示，通過通信系統(tǒng)將控制指令傳送到單片機中控制 LED 的顯示。 因此軟件設(shè)計最終方案為采用 C 語言為編程語言， ICCAVR為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個功能模塊來編寫程序。支持 AVR 用 C 語言編程的編譯器 主要有： ICCAVR 編譯器和 AVRStudio 編譯器。 綜合比較了兩種語言，在本系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用 C 語言作為程序設(shè)計語言。另外， C 語言還是一種結(jié)構(gòu)化語言，在 C 語言中最基本的單元就是函數(shù)，我們可以把功能接近的代碼，放在一個函數(shù)中，這樣我們的程序就成為了由一個個函數(shù)組成的整體，在主函數(shù)中我們 可以調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實現(xiàn)某種功能， C 語言的這種特點使其很容易調(diào)試、修改。 C 語言相比于其他程序設(shè)計語言，最大的特點是可以直接控制硬件，這是 JAVA、 C等高級語言多沒有的特性，它兼顧了高級語言的特點，又具有匯編語言的特點，其執(zhí)行速率也是很快的。匯編語言對于機器的依賴性較強，在一種型號的單片機上編寫的匯編程序不能移植到另一型號的單片機上，這就限制了它的應(yīng)用。 匯編語言 (Assembly Language)是面向特定機器的程序設(shè)計語言，是一種功能很強的程序設(shè)計語言，匯編語言是直接控制計算機的硬件來執(zhí)行的，所以它對編程人員的要求好高，程序員要充分的了解所使用的單片機的硬件架構(gòu)及組成特性。 單片機編程語言 在單片機開發(fā)領(lǐng)域所用的主流編程語言為匯編語言和 C 語言。編寫程序之前首先選擇一種合適的程序設(shè)計語言以及配套的編輯器和編譯軟件。具體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 單片機譯碼電路1 6 1 6 L E D顯 示 屏顯示驅(qū)動電路串行通信P C 機 圖 硬件設(shè)計方案 系統(tǒng)軟件方案 軟件的設(shè)計除了滿足系統(tǒng)的功能外，還必須滿足容易讀寫，方便下載和編譯的特點。首先上位機將字模數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機內(nèi)，單片機接受到字模數(shù)據(jù)， 通過譯碼電路，將字模數(shù)據(jù)還原出來，利用這些 01 字符串來控制發(fā)光二極管的亮滅，從而在點陣屏幕上顯示出內(nèi)容。 硬件設(shè)計方案 最終方案如圖 所示，在這里，我們讓 PC 機作為上位機，在 PC 機上運行串口調(diào)試助手，通過此軟件來實現(xiàn)上位機與單片機之間的通信。由于 74HC595 芯片輸出的電流只有 30mA，所以不能驅(qū)動很多的發(fā)光二極管同時發(fā) 光，這樣我們需要在每個芯片的輸出端口加上功放電路，這樣我們就可以同時點亮很多的發(fā)光二極管，這就是 LED 顯示屏的恒流驅(qū)動。 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 圖 LED 點陣圖 一個 16 16 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，我們不能直接用單片機來驅(qū)動顯示屏，因為單片機的 IO 口驅(qū)動能力很弱，而且直接接到單片機上，會占用大量的 IO 口。在非恒流驅(qū)動方式中，可以將 74HC595 輸出的數(shù)據(jù)直接接到點陣屏上，即用 74HC595 輸出的電流來驅(qū)動顯示屏，但有 74HC595 輸出電流有限，不能驅(qū)動很多的發(fā)光二極管同時點亮，所以當(dāng)一排點亮很多二極管時，會出現(xiàn)跟其他排亮度不一的現(xiàn)象。為了避免點陣模塊的缺點，在本系 統(tǒng)中選用 8x8LED 點陣的基礎(chǔ)單元模塊，這樣一段某個發(fā)光二極管出現(xiàn)問題，我們只需更換一個 8x8 的點陣模塊，若選用 16x16 的單元模塊，則更換的成本太高了。這兩種屏幕構(gòu)成方法各有自己的優(yōu)缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點是當(dāng)某個發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管便可以正常工作，檢修的成本較低，缺點在于連接線路較為復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，采用點陣模塊構(gòu)成顯示屏節(jié)約了大量的連線，但是一旦某個發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時，與其同在一個模塊的所有 LED 都必須被更換，這樣就加大了維修的成本。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來構(gòu)成的，如圖 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的LED 點陣單元模塊來構(gòu)成較大的 LED 點陣 模塊。由于單片機的 I/O 口有限且計算機 IO 口的驅(qū)動能力不是很強，故不能直接用單片機的 I/O口來驅(qū)動 LED 顯示屏，所以需要對單片機 IO 口進(jìn)行擴展來增加單片機并行輸出和驅(qū)動能力。 綜上所述，在本系統(tǒng)中將采用 UART 來實現(xiàn)單片機與上位機之間的通信，由于串口已經(jīng)集成在了單片機的內(nèi)部，故只需設(shè)置相關(guān)寄存器就可以使用串口了。通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 UART（ Universal Asynchromous PC 機 LED 顯示屏 通信系統(tǒng) AVR 單片機 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。這 種轉(zhuǎn)換可以由硬件來實現(xiàn)也可以由軟件實現(xiàn)。因此，當(dāng)計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將計算機內(nèi)部的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。 （ 2）串行通信 串行通信每次只可以發(fā)送一位數(shù)據(jù)，所有的數(shù)據(jù)信號都是在一條數(shù)據(jù)線上發(fā)送的，所以只需要很少幾根線就可以進(jìn)行，串行通信的速度低，但傳送的距離長，因此串行通信適用于長距離而速度要求不是很嚴(yán)格的場合。一起發(fā)送的數(shù)據(jù)位數(shù)就是并行通信的寬度，這個寬度可以是一個字節(jié)也可以是一個字。計算機通信的方式主要有并行通信和串行通信兩種方式。 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 通信系統(tǒng) 通信部分的設(shè)計要滿足要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。如圖 所示 ,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點，從而確定系統(tǒng)硬件由控制部分，顯示屏部分，通信系統(tǒng)及上位機四部分組成。為方便檢修和維護(hù)硬件電路設(shè)計，常常采用模塊化的設(shè)計方法。可以將發(fā)光二極管做的更小，這樣生產(chǎn)出來的 LED 顯示屏的分辨率會更高。 LED 顯示屏的市場前景 由于 LED 顯示技術(shù)也是最新興起的技術(shù)，目前 LED 顯示技術(shù)的發(fā)展還是比較迅速，其中大多數(shù)用于商家的廣告牌，晚上在城市的街道，到處可以看見 LED 顯示屏的影子?，F(xiàn)在一些電腦的顯示器也開始采用了 LED 顯示技術(shù)，應(yīng)該來說在這方面，我也沒有落后于別的國家， 聯(lián)想研制的新型筆記本，很多采用了 LED 顯示技術(shù)，突破了原來的 LCD 顯示，這種筆記本電腦的顯示屏亮度更高，功耗更低，可謂是理想的選擇。 我國現(xiàn)狀 自 LED 顯示屏誕生至今，我國在 LED 顯示屏領(lǐng)域的研究，在國際上還是名列前茅的。 LED 顯示屏的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、更高耐氣候性、可靠性、全色 化的方向發(fā)展。 LED 顯示屏可以顯示變化的字母、數(shù)字、文字、圖形圖像，不僅可以用于室內(nèi)裝飾還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏都無法比擬的優(yōu)點。目前應(yīng)用最廣泛的是紅色、綠色、黃色。 關(guān)鍵字： LED 點陣顯示屏， AVR 單片機 ， 595 驅(qū)動，串口通信 濟南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 ABSTRACT LED matrix display is a kind of display that is posed of a lot of semiconductor light emitting diodes usually red diodes which show character by the LED on and off. LED display is divided into Digital display, Graphic display and Video display, which is posed by LED matrix. Because of high price of the LED matrix , now it is mainly used in relatively luxury places. This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU AVR .The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic s