【正文】 功能；（9）看門狗；（10）內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路（D 版本才有），外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路；（11）共3 個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用；（12）外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；（13）通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART；（14）工作溫度范圍：0~75℃/－40~+85℃；（15）封裝：PDIP40，PLCC44，PQFP44。●有SPI和UART兩個串行口，能實現(xiàn)與字庫芯片或PC機之間的數(shù)據(jù)交換。 ●ISP/IAP功能，使芯片可以不脫板下載程序，便于產(chǎn)品的軟件升級?！駥掚妷悍秶瑮l屏的負載端電壓的波動不會影響其正常運行?！裥⌒头庋b，便于PCB的緊湊化設計。但因其價格高，開發(fā)工具不及使用51系列單片機齊全，再考慮本系統(tǒng)對CPU的要求并不是很高，綜合考慮還是選用已經(jīng)普及的51內(nèi)核的單片機。靜態(tài)顯示原理簡單、控制方便，但硬件接線復雜，在實際應用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅(qū)動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。在電子領(lǐng)域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，因此在LED顯示技術(shù)中被廣泛使用。圖21中，紅色水平線Y0、Y1……Y7叫做行線，接內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極，每一行8個LED的陽極都接在本行的行線上。同樣，藍色豎直線X0、X1……X7叫做列線，接內(nèi)部每列8個LED的陰極，相鄰兩列線間絕緣。則行線和列線的交叉點處的LED就會有電流流過而發(fā)光。再如Y0為1，X0到X7均為0，則最上面一行8個LED全點亮。其過程如圖22圖22 用動態(tài)掃描顯示字符“B”的過程假設X,Y為兩個8位寬的字節(jié)型數(shù)據(jù)，X的每位對應LED模塊的8根列線X7X0，同樣Y的每位對應LED模塊的8根行線Y7Y0。下面用偽代碼描述動態(tài)顯示的過程。如果高速地進行（1）到（9）的循環(huán)，且兩個步驟間的間隔時間小于1/24秒，由于視覺暫留。這就是動態(tài)掃描的原理。例如0601條屏（每行6個漢字，共1行），行線有16根，列線有96根。如果用行線來做掃描線，則每16次循環(huán)，每行LED就能亮一次，其發(fā)光視覺平均亮度為直流情況下的1/16。因而發(fā)光效率比前者高。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。所謂串行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過串行方式送入點(列)驅(qū)動電路。同時也減少了印刷電路板的布線密度,從而為生產(chǎn)和調(diào)試帶來了有利的一面。串行控制驅(qū)動方式可選用的芯片有:MC40974LS5974HC596B599094等等。例如使用2803驅(qū)動芯片。同時,串行移位并行功率輸出的芯片(6B599094)自身具有級聯(lián)功能,為單元的級聯(lián)提供了支持。由于行的組成是幾個模塊并聯(lián)形成的,因此驅(qū)動的功率要求是比較大的。譯碼方式是應用三條行控制線控制一個三—八譯碼器(如74LS138等),八選一順序控制八條行線。在應用串行控制驅(qū)動系統(tǒng)時,盡管串行移位芯片具有級聯(lián)功能,但設計時要考慮時鐘信號、STR信號、行控制信號的級聯(lián)驅(qū)動問題。并行控制驅(qū)動方式就是顯示的數(shù)據(jù)是通過并行(8位)方式送入點(列)驅(qū)動電路。在同樣的數(shù)據(jù)處理量的前提下,對處理速度要求的降低,就意味著對系統(tǒng)投入的降低。在并行控制驅(qū)動方式下,我們可以選用74LS374這樣一類鎖存芯片,采用首尾相連的方式將控制、驅(qū)動一并形成。這一設計方案的特點是設計線路簡潔,控制方便快速。關(guān)于在并行控制驅(qū)動方式下的行控制驅(qū)動的設計可參照串行控制驅(qū)動方式設計。由此增加了單元的印刷線路板的設計難度。但設計難度的加大僅僅是一次性的,而生產(chǎn)和調(diào)試的難度是可以提高生產(chǎn)的手段和使用先進的儀器設備加以克服的。只要設計時對控制信號的級聯(lián)驅(qū)動加以注意就可以了。但這種方式將增加控制邏輯的投入,也就是說每個鎖存器都要有一個獨立的鎖存控制時鐘。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,以及大型電子顯示屏應用的日益廣泛,一種高度集成的LED顯示屏控制驅(qū)動專用芯片出現(xiàn)了,例如:ZQL9701芯片。采用ZQL9701芯片將會使單元的控制、驅(qū)動更為簡單,高度的集成化也使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更為可靠。采用ZQL9701芯片將使系統(tǒng)的顯示灰度達到256級。這對一般的生產(chǎn)單位是要考慮的問題。但系統(tǒng)的成本也要提高,在應用中要給予重視。1616的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多端口，如果我們采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，1 616的點陣需要256/8=32個鎖存器。因此在實際應用中的顯示屏都不采用這種設計，而采用另一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。具體就1 616的點陣來說，把所有同l行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同一列的發(fā)光管的陰極連在一起(共陽的接法)，先送出對應第1行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第l行使其燃亮一定的時間，然后熄滅；再送出第2行的數(shù)據(jù)并鎮(zhèn)存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；……第16行之后，又重新燃亮第1行，腹輪回。采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個列驅(qū)動器。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應的硬件數(shù)目多。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，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備(傳輸)和列數(shù)據(jù)顯示兩個部分。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。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有鎖存功能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應能實現(xiàn)串人并出的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應具有并行鎖存的功能。從成本和功能上考慮，選擇74HC595串行轉(zhuǎn)并行鎖存器芯片作為列驅(qū)動器是一個不錯的選擇，本設計便考慮使用它作為列驅(qū)動器。 單片機軟件開發(fā)工具及語言本系統(tǒng)的處理器是兼容8051指令集的高速單片機STC12C5412AD。Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。本設計中，單片機軟件是采用C51語言編寫，C51語言是ANSI C的擴展集，其語法結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵字等與ANSI C絕大部分是相同的。 對于系統(tǒng)電源及通信電纜的考慮 對于LED顯示屏的電源要求本系統(tǒng)沒有設置獨立的5V穩(wěn)壓器件，因此要求外部能對其提供相對穩(wěn)定的電壓。本系統(tǒng)的工作電流隨著顯示內(nèi)容的不同有很大變化。因此，要求供電電源在負載電流變化較大的情況下能保持相對穩(wěn)定的電壓輸出。考慮到上述因素，本設計采用功率容量75W，輸出5V/10A的成品單端反激式開關(guān)電源來為條屏系統(tǒng)供電。這保證了長時間使用穩(wěn)定性。成本低廉：同等電壓和電流容量的開關(guān)穩(wěn)壓電源的成本，是傳統(tǒng)的工頻變壓器線性穩(wěn)壓電源的30%左右。高效率：體現(xiàn)在極高的轉(zhuǎn)換效率和極低的調(diào)整損耗上，開關(guān)電源的換能器是工作在開關(guān)狀態(tài)下，因此轉(zhuǎn)換的效率極高，長時間滿負荷工作也不會引起電源過熱。功率密度大：開關(guān)電源能夠輕松地提供10A以上的電流。功率越大，其優(yōu)勢越明顯。外部電纜使用多芯屏蔽電纜。 系統(tǒng)電源的選擇 本設計使用低壓差線性穩(wěn)壓集成電路開關(guān)穩(wěn)壓器LM2940元件為LED顯示屏、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器和單片機供電。所有的穩(wěn)壓器，都利用了相同的技術(shù)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出電壓通過連接到誤差放大器（Error Amplifier）反相輸入端（Inverting Input）的分壓電阻（Resistive Divider）采樣（Sampled），誤差放大器的同相輸入端（Noninverting Input）連接到一個參考電壓Vref。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。 系統(tǒng)總體方案設計框圖通過前面對各種方案的比較與分析，初步構(gòu)建硬件系統(tǒng)框圖如圖23。每個顯示單元由一個1616點陣的LED模塊和l兩個8位寬的移位鎖存器（串行 — 并行轉(zhuǎn)換器）構(gòu)成。而每個顯示單元的列數(shù)據(jù)則由8位移位鎖存器并行輸出口提供。MCU用通用I/O口來驅(qū)動行掃描驅(qū)動電路。PC機（上位機）的RS232C電平經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，通過UART接口與MCU進行雙向通信。圖23總體硬件系統(tǒng)框圖3 硬件電路設計STC51單片機的最小系統(tǒng)設計如圖31。其介紹如下：216。此時，只要接上兩個電容和一個晶振即可。216。剛開始上電時時，C1瞬間相當于短路，C1兩端保持0V電壓，VCC的電源電壓就都加在了R2上，因此在單片機9腳RST上變成了高電平，此后C1上逐漸充電，即在C1上出現(xiàn)電壓，R2上的電壓開始下降，最后單片機9腳RST上變成了低電平。本設計中，每個1616點陣的列驅(qū)動電路由兩個串聯(lián)的8位移位鎖存器74HC595構(gòu)成。由于74HC595的輸入輸出電平兼容LSTTL,NMOS,CMOS電平，且具有較強的輸出負載能力，而被廣泛地運用于MCU（微控制器）、MPU（微處理器）的I/O口擴展。這個特點保證了不用增加額外的擴流電路即可輕松的驅(qū)動LED。這樣就可以容納較大的傳輸線對地電容，使本設計的抗干擾能力增強。使紅綠兩組LED均能正常發(fā)光。這種電壓波動有高頻成分，也有低頻成分。為避免此，在每個74HC595的電源VCC和GND旁邊都并聯(lián)了兩個電容，用于濾波和退耦。消除自激，減小對外雜散電磁輻射，提高EMI電磁兼容性。 圖32 74HC595管腳圖74HC595的管腳功能描述見表31：管腳號管腳名稱管腳功能描述1QB鎖存器輸出，三態(tài)2QC鎖存器輸出，三態(tài)3QD鎖存器輸出，三態(tài)4QE鎖存器輸出，三態(tài)5QF鎖存器輸出，三態(tài)6QG鎖存器輸出，三態(tài)7QH鎖存器輸出，三態(tài)8GND電源地9SQH串行輸出，用于級聯(lián)。當輸入高電平時，高阻態(tài)，同時本芯片的串行輸出無效14A串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)從這個管腳移進內(nèi)部的8位串行移位寄存器15QA鎖存器輸出，三態(tài)16VCC電源正，26V DC表31 74HC595的管腳功能描述因為本設計要求的行驅(qū)動電流較大，目前尚無合適的集成電路來勝任。 圖33 兩種三極管擴流方式（共集，共射）共集驅(qū)動方式， 又稱射極跟隨器，當電源電壓足夠時，在負載上獲得的電壓始終等于基極對地電壓Ub減去發(fā)射結(jié)壓降Ube。還有一個重要的特點，共集電路的基極是用高電平驅(qū)動，而單片機在復位期間，所有I/O口都呈現(xiàn)高電平。而造成開機瞬間全屏顯示或造成巨大的浪涌電流沖擊，使電源電壓跌落，單片機工作異常。因此可選用小功率器件。同時，大部分單片機的I/O是弱上拉輸出，也即是單片機能承受較大的灌電流，而只能提供微弱的拉電流?，F(xiàn)對行驅(qū)動電路各元件參數(shù)進行計算。每行共32點陣，每個點為紅色LED。本設計中，每只LED工作電流取20mA。根據(jù)上述集電極電流和基極電流的比值，可計算出行掃描驅(qū)動三極管的直流電流放大系數(shù)β.直流電流放大系數(shù): 。本設計最終采用三只C8550D 小功率PNP管并聯(lián)成一只PNP中功率管使用。C8550D官方數(shù)據(jù)手冊摘錄.圖34 C8550D官方數(shù)據(jù)手冊摘錄從C8550D的官方數(shù)據(jù)手冊上可知：最大集電極電流： Ic=；最大集電極耗散功率：Pc=1W； 直流電流放大系數(shù)： β=160~300；三管并聯(lián)，β不變，Pc擴展到3W。因此三管并聯(lián)無須增加射極均流電阻。在實際設計中，基極限流電阻使用標準序列值200Ω。 通信協(xié)議的選擇要使上位機能對條屏進行參數(shù)設置，顯示內(nèi)容更新等操作，就離不開和上位機的通信。本設計采用RS232C串行通信方式。現(xiàn)在，計算機上的串行通信端口（RS232C）是標準配置端口，已經(jīng)得到廣泛應用，計算機上一般都有1～2個標準RS232C串口，即通道COM1和COM2。RS232C規(guī)定最大的負載電容為2500pF，這個電容限制了傳輸距離和傳輸速率，由于RS232C的發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地（GND），屬于非平衡電壓型傳輸電路，不使用差分信號傳輸，因此不具備抗共模干擾的能力，共模噪聲會耦合到信號中。因此不適合做遠距離通信，但是對于條屏，通信15米的通信距離已經(jīng)足夠。因此，單片機系統(tǒng)要和電腦的RS232C接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（TTL電平）轉(zhuǎn)換成計算機的RS232C電平，或者把計算機的RS232C電平轉(zhuǎn)換成單片機的TTL電平，通信時候必須對兩種電平進行轉(zhuǎn)換。目前較為廣泛地使用專用電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX23MC148MC1489等。 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片特點本設計就是利用MAXIM公司的單電源芯片MAX232來完成單片機TTL到RS232C電平的轉(zhuǎn)換。它符合所有的RS232C技術(shù)規(guī)范，只要單一 +5V電源供電；片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V電壓V+、V ；低功耗，典型供電電流5mA；內(nèi)部集成2個RS232C驅(qū)動器，內(nèi)部集成2個RS232C接收器。MAX232的引腳排列及功能描述見表35（摘錄自MAX232官方數(shù)據(jù)手冊）腳號引腳名稱引腳功能描述腳號引腳名稱引腳功能描述1C1+泵電容1正極9R2OUT第二組TTL/CMOS電平輸出2V+正電源濾波10T2IN第二組TTL/CMOS電平輸入3C1泵電容1負極11T1IN第一組TTL/CMOS電平輸入4C2+泵電容2正極12R1OUT第一組TTL/CMOS電平輸出5C2泵電容2負極13R1IN