【正文】 .......................................................54參考文獻(xiàn)............................................................................................................................55III 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 引 言 LED點(diǎn)陣顯示屏作為信息傳播的一種重要手段，具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。例如戶內(nèi)外公共場(chǎng)所廣告宣傳、機(jī)場(chǎng)車(chē)站旅客引導(dǎo)信息、公交車(chē)輛報(bào)站系統(tǒng)、證券與銀行信息顯示、餐館報(bào)價(jià)信息顯示、高速公路可變情報(bào)板、體育場(chǎng)館比賽轉(zhuǎn)播、樓宇燈飾等。在本次設(shè)計(jì)中，LED點(diǎn)陣作為電子時(shí)鐘的顯示屏，最大的優(yōu)點(diǎn)在于其顯示內(nèi)容的多樣性，為用戶提供了靈活的人機(jī)交互界面。我們可以看到，著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及LED顯示技術(shù)的不斷完善，LED點(diǎn)陣顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越廣。滾動(dòng)顯示現(xiàn)在的時(shí)間，顯示字 符：“現(xiàn)在時(shí)間：**小時(shí)：**分：**秒”； 2 電子鐘有暫停、開(kāi)始計(jì)時(shí)、“小時(shí)”調(diào)整、“分鐘”調(diào)整功能(小時(shí)、分鐘調(diào)整以1為步進(jìn))； 3 提交開(kāi)題報(bào)告、畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告、繪出電路原理圖、電路印制版圖、電路仿真和調(diào)試、軟件流程圖、完成設(shè)計(jì)論文。 總體思路本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)AVR Mega8為核心，利用4—16譯碼器74HC154和串入并出芯片（帶鎖存功能）74HC59516對(duì)單片機(jī)進(jìn)行I/O擴(kuò)展，去分別控制16*64點(diǎn)陣電子顯示屏中每一個(gè)發(fā)光二極管的亮滅,從而在顯示屏上組合出所需要的圖像，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需要的功能。在這次設(shè)計(jì)中，首先自己選則了51單片機(jī)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并在Protenus中進(jìn)行模擬仿真，在進(jìn)行了一周的編程驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)51單片機(jī)128字節(jié)的RAM成為了軟件編程的一個(gè)瓶頸，它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)過(guò)于復(fù)雜也及系統(tǒng)可擴(kuò)充性能較差，為了解決這個(gè)問(wèn)題，故選用了AVR系列單片機(jī)的Mega8，它具有1K的RAM，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。 Mega8只有28個(gè)引腳，由于16*64點(diǎn)陣需要16根行線和64根列線，用單片機(jī)的I/O端口去真接控制顯然不可能，在這里，采用了4—16譯碼器74HC154，對(duì)16根行線的控制僅用了四個(gè)I/O端口，而對(duì)64根列線的控制，則采用了8塊串入并出（帶鎖存功能）的74HC595串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣，點(diǎn)陣顯示的數(shù)據(jù)傳輸線一共才占用單片機(jī)的5個(gè)I/0端口資源。為了保證點(diǎn)陣亮度均勻，每根行線的需加一個(gè)PNP三極管做驅(qū)動(dòng)。電子鐘具有暫停、開(kāi)始計(jì)時(shí)、“小時(shí)”調(diào)整、“分鐘”調(diào)整，“移速”調(diào)整顯示切換功能，這里使用了6個(gè)按鍵，它們分別是：SET、UP、DOWN、ENTER、CANCLE/DP_MODE、PAUSE/START 采用了每隔10ms定時(shí)掃描按鍵的方式實(shí)現(xiàn)了上面所述的人機(jī)交互，10ms定時(shí)掃描的另一個(gè)重要功能是去掉按鍵抖動(dòng)。美國(guó)Intel公司在1971推出了4位單片機(jī)4004；1972年推出雛形8位單片機(jī)8008。其發(fā)展大約每三、四年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻番。 第一階段(19761978年)：初級(jí)單片機(jī)階段。這個(gè)系列的單片機(jī)內(nèi)集成有8位CPU、I/O接口、8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，尋址范圍不大于4KB，具有簡(jiǎn)單的中斷功能，無(wú)串行接口。在這一階段推出的單片機(jī)其功能有較大的增強(qiáng)，能夠應(yīng)用于更多的場(chǎng)合。一些單片機(jī)片內(nèi)還集成了A/D轉(zhuǎn)換接口。 第三階段(19821992)：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位高級(jí)單片機(jī)發(fā)展階段。這個(gè)階段的代表為8051系列。其主要技術(shù)發(fā)展如下： 1 外圍功能集成。 2 出現(xiàn)了為滿足串行外圍擴(kuò)展要求的串行擴(kuò)展總線和接口，如SPI、I2C總線、單總線(1Wire)等。 4 在程序存儲(chǔ)器方面廣泛使用了片內(nèi)程序存儲(chǔ)器技術(shù)，出現(xiàn)了片內(nèi)集成EPROM、EEPROM、Flash ROM、Mask ROM、OTP ROM等各種類(lèi)型的單片機(jī)，以滿足不同產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的需要，也為最終取消外部?jī)?chǔ)存器擴(kuò)展奠定了良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段單片機(jī)發(fā)展的顯著特點(diǎn)是百花齊放和技術(shù)創(chuàng)新，以滿足日益增長(zhǎng)的廣泛需要。 2 大力發(fā)展專(zhuān)用型單片機(jī)。由于單片機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)的提高，周期的縮短，成本的下降，以及許多特定的電子產(chǎn)品，如家電類(lèi)產(chǎn)品的巨大市場(chǎng)需求能為，推動(dòng)了專(zhuān)用型單片機(jī)的發(fā)展。因此，專(zhuān)用單片機(jī)也是單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)主要方向。采用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高單片機(jī)的綜合品質(zhì)，如提高I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，增強(qiáng)抗靜電和抗干擾措施，加寬(降低)工作電壓，降低功耗。其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)是多方面的。CMOS化已經(jīng)成為目前單片機(jī)及其外圍器件及其外圍器件流行的半導(dǎo)體工藝。例如，MCS51系列單片機(jī)，當(dāng)外部時(shí)鐘為12MHz,其單周期指令運(yùn)行速度僅為1MIPS。在這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，很容易實(shí)現(xiàn)并行流水線的操作，大大提高了指令的運(yùn)行速度。與MCS51相比，在相同的12MHz外部時(shí)鐘下，單周期指令運(yùn)行的速度可達(dá)12MIPS。 3 多功能集成化 單片機(jī)在內(nèi)部已集成了越來(lái)越多的部件，這些部件不僅包括一般常用的電路，例如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、模擬比較器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、WDT電路、LCD控制器等，有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN總線，以方便地構(gòu)成一個(gè)控制成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。有的單片機(jī)內(nèi)部清空設(shè)置了專(zhuān)門(mén)用于變頻控制的脈寬調(diào)制電路PWM。片內(nèi)存儲(chǔ)器的改進(jìn)與發(fā)展方向是擴(kuò)大容量，以及提高ROM數(shù)據(jù)的易寫(xiě)和保密性等。新型單片機(jī)一般在片內(nèi)集成的SRAM 128字節(jié)~1KB，ROM的容量一般為4~8KB。例如ATMEL公司的ATmega16片內(nèi)的SRAM為1KB，F(xiàn)lash ROM為16KB。 2) 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器由EPROM型向Flash ROM發(fā)展。將程序存儲(chǔ)器集成在單片機(jī)內(nèi)，可以大大提高單片機(jī)的抗干擾能力，提高程序的保密性，減少硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和空間等許多優(yōu)點(diǎn)，因此片內(nèi)集成程序存儲(chǔ)器已成為新型單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)方式，但EPROM具有須用12V高壓編程寫(xiě)入。新型單片機(jī)則采用Flash ROM、Mask ROM、OTP ROM 作為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，F(xiàn)lash ROM在通常(如5V/3V)下就可以實(shí)現(xiàn)程序的寫(xiě)入和擦除操作，重寫(xiě)次數(shù)在10 000次以上，并可實(shí)現(xiàn)在線編程寫(xiě)入的ISP技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，為使用帶來(lái)了極大的方便。采用OTP ROM的微控制器，其芯片出廠時(shí)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器是“空的”，它允許用戶將自己編寫(xiě)好的程序一次性地編程寫(xiě)入，之后再已無(wú)法更改了。 3) 程序保密化。為了防止片內(nèi)程序被非法讀出復(fù)制，新型單片機(jī)往往對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行加鎖加密。加鎖加密后，從芯片外部則無(wú)法讀取片內(nèi)系統(tǒng)程序代碼。 5 ISP、IAP及 ISP、IAP技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 ISP(In System Programmable)稱為在線系統(tǒng)可編程技術(shù)。在ISP技術(shù)的基礎(chǔ)上立首先實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)程序的串行編程寫(xiě)入，使得不必將焊在PCB印刷電路板上的芯片取下，就可直接將程序下載到單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，淘汰了專(zhuān)用程序下載寫(xiě)入設(shè)備。在單時(shí)鐘、單指令運(yùn)行的RSIC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)中，可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通過(guò)串行電纜對(duì)目標(biāo)板系統(tǒng)的在線仿真調(diào)試。利用IAP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用戶可隨時(shí)根據(jù)需要對(duì)原有系統(tǒng)方便地在線更新軟件、修改軟件，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)軟件的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程調(diào)試和遠(yuǎn)程更新。雙時(shí)鐘技術(shù)。當(dāng)不需要高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)入子時(shí)鐘控制下，以降低功耗。對(duì)集成在片內(nèi)的外圍接口電路實(shí)行供電管理，當(dāng)外圍電路不再運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉其供電。CMOS電路的功耗與電源電壓有關(guān)，降低系統(tǒng)的供電電壓，能大幅降低器件的功耗。 7 以串行總線方式為主的外圍發(fā)展 目前，單片機(jī)與外圍器件接口技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向是由并行外圍總線接口向串行外圍總線接口的發(fā)展。采用串行總線雖然比采用并行接口數(shù)據(jù)傳輸慢，但隨著半導(dǎo)體電路技術(shù)的發(fā)展，大批采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線通信協(xié)議(如SPI、I2C、1Wire等)的外圍芯片器件的出現(xiàn)，使傳輸速度不斷提高(可達(dá)到1~10Mb/s)。 單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)的核心部件，它除了具備通用微機(jī)CPU的數(shù)值計(jì)算功能外，還必須具有靈活，強(qiáng)大的控制功能，以便實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入量，控制系統(tǒng)的輸出量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。單片機(jī)CPU與通用微機(jī)CPU相比，具有以下的特點(diǎn)：1 抗干擾性強(qiáng)，工作溫度范圍寬。2 可靠性高。3 控制功能很強(qiáng)，數(shù)值計(jì)算能力較差。4 指令系統(tǒng)比通用微機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1 單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，交通運(yùn)輸工具，計(jì)量等各種儀器儀表中，可使用儀器儀表智能化，提高了它們的測(cè)量精度，加強(qiáng)了它們的功能，簡(jiǎn)化了它們的結(jié)構(gòu)，便于使用，維護(hù)和改進(jìn)。單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用，不僅使傳統(tǒng)的儀器儀表發(fā)生了根本性的變化，也促進(jìn)儀器儀表行業(yè)的發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品是指集機(jī)械技術(shù)，微電子技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，具有智能化特征的機(jī)電產(chǎn)品。單片機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了機(jī)電一體化的進(jìn)程，它作為機(jī)電產(chǎn)品中的控制器，能充分發(fā)揮它的體積小，可靠性高，控制功能強(qiáng)，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了機(jī)器的功能，提高了機(jī)器的自動(dòng)化，智能化程度。在航空航天通信，遙控，遙測(cè)，工業(yè)機(jī)器人控制等各種實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中都可以用單片機(jī)作為控制器。5 單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用利用單片機(jī)可以構(gòu)成分布式多機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)中由若干臺(tái)單片機(jī)組成的功能各異的儀器設(shè)備各自完成特定的任務(wù)，再通過(guò)通信相互聯(lián)系，協(xié)調(diào)完成整個(gè)任務(wù)。 單片機(jī)的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機(jī)的基本系統(tǒng)也稱為最小系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)內(nèi)部資源已能滿足系統(tǒng)的硬件需求，不需要外接存儲(chǔ)器或I/O接口。例如：EPROM型單片機(jī)，F(xiàn)lash Memory型單片機(jī)，定制的ROM型單片機(jī)。單片機(jī)基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示： 單片機(jī)時(shí)鐘電路電源電路輸入/輸出設(shè)備復(fù)位電路 圖21 單片機(jī)基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第3章 硬件設(shè)計(jì) 硬件部分總體框架 本次設(shè)計(jì)六個(gè)控制按鍵實(shí)現(xiàn)所需的人機(jī)交互功能，PD0~PD3通過(guò)整個(gè)4—16譯碼器對(duì)點(diǎn)陣的16行線進(jìn)行控制，PD5通過(guò)串入并出芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)64列線進(jìn)行控制。 片內(nèi)/ 片外中斷源(共19個(gè)中斷源) 睡眠模式(5種): 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby 模式 4 功耗, 4 Mhz，3V，25176。 每個(gè)端口引腳都具有三個(gè)寄存器：DDxn(R/W)、PORTxn(R/W)、和PINxn(RO) DDxn(R/W)為 I/0方向設(shè)置寄存器、PORTxn(R/W)為 I/0數(shù)據(jù)寄存器，PINxn(RO) 為引腳電平寄存器，不論如何配置DDxn，都可以讀取PINxn寄存器來(lái)獲得引腳電平。VCC：電源。AREF：A/D轉(zhuǎn)換時(shí)的參考電壓。如上圖所示，23個(gè)I/0均有著第二功能，通過(guò)相應(yīng)的寄存器配置，可使用所需的第二功能。考慮到單片機(jī)復(fù)位的必要性，在單片機(jī)的最小系統(tǒng)中，加上了復(fù)位電路。在如下所示的最小系統(tǒng)電路中，只需加上電源和地，單片機(jī)即可滿足運(yùn)行的最低硬件要求。74595的數(shù)據(jù)端說(shuō)明：Q1Q7: 八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管的8個(gè)段。: 級(jí)聯(lián)輸出端。 DS: 串行數(shù)據(jù)輸入端。在此將它接Vcc。Q0Q1Q2...Q7；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。ST_CP(12腳)：上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，下降沿時(shí)存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變。/OE(13腳): 高電平時(shí)禁止輸出（高阻態(tài)）。比通過(guò)數(shù)據(jù)端移位控制要省時(shí)省力。這在串行速度慢的場(chǎng)合很有用處，可使得沒(méi)有閃爍感，并且可以實(shí)現(xiàn)在顯示各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行數(shù)據(jù)，達(dá)到重疊處理的目的。 如果將G1和G2中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端，由ABCD對(duì)輸出尋址，74LS154還可作1線16線數(shù)據(jù)分配器。在計(jì)算機(jī)中，一個(gè)字漢字常由16行16列的像素點(diǎn)表示。如下圖中“時(shí)”字的表示。考慮到數(shù)字取模時(shí)一般采用16*8點(diǎn)陣，為了數(shù)字和漢字在顯示算法中的一致性，對(duì)1個(gè)漢字的取模采用2個(gè)16*8點(diǎn)陣的方法，即先從上到下取左半部分，再用同樣的方法取右半部分。圖37 16*64點(diǎn)陣LED原理圖顯示原理：例如為了表示“行0”中相應(yīng)LED的亮滅，可先把4個(gè)漢字字模第0行的數(shù)據(jù)(共64位)送入“列0”~“列63”中，再把 “行0”選通 (行0置為低電平,其它行置為高電平)，此時(shí)在16*64點(diǎn)陣屏上就可以顯示出4個(gè)漢字的第0行。16條行線控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)的4個(gè)I/O口控制416譯碼器74HC154，實(shí)現(xiàn)16條行線的低電平分別選通。 16*64 LED點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)原理圖38 16*64點(diǎn)陣每一行的驅(qū)動(dòng)原理圖8550集電極承受電流可達(dá)1A。若不用三極管，當(dāng)一行中LED點(diǎn)亮個(gè)數(shù)不同時(shí)，共陰極線上的電流不同，那么LED兩端電壓也不同，會(huì)造成亮度不均勻，采用三極管作為驅(qū)動(dòng)后，利用三極管PN結(jié)導(dǎo)通陡峭的伏安特性電流變化大時(shí)，電壓變化很小，從而LED兩端電壓變化亦很小，使得一行中了LED點(diǎn)亮個(gè)數(shù)不同時(shí)，每個(gè)LED的亮度也相同，從而達(dá)到了顯示均勻的目的。若一具LED點(diǎn)亮需要5 mA電流，則一行64個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮需要320mA電流，顯然74HC154無(wú)法吸收如此大的電流，采用8550（PNP）三極管作為驅(qū)動(dòng)，直接將此電流選通到地，解決了該問(wèn)題第4章 軟件設(shè)計(jì)　編程語(yǔ)言選擇在一開(kāi)始做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，自己首先嘗試了用匯編進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，但是隨著程序功能不斷增加，匯編就顯得非常吃力了。隨著軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，C語(yǔ)言的編譯效率也在不斷提高。