【正文】 ndow and so on . LED industry has bee a new and rapidly developing industry with a huge market space and foreground capacI/ paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU STC89C52RC. The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic show. STC89C52RC receives control mands from PC and shows the code. Driver module drives a 1616resolutI/On LED lattice LED’s panel display scan showed. Key words: MCU。 設(shè)計(jì)任務(wù)主要是以52系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)一個(gè)能顯示 4個(gè) 1616點(diǎn)陣圖文 LED顯示屏，能左移顯示 “歡迎華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅教授來校講學(xué) ”。 （ 2） PCB設(shè)計(jì)與元件裝配。從功能和價(jià)位以及本題目要求來看，我們選擇 STC89C52RC芯片作為本系統(tǒng)的控制核心，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)控制、顯示、鍵盤等功能，電路設(shè)計(jì)和制作比較簡單 。 在做本設(shè)計(jì)的過程中， 本人 查閱了很多的相關(guān)資料，其中主要的技術(shù)資料是各個(gè)芯片的資料，如：STC89C52RC 單片機(jī)資料、 74HC595芯片 資料 、 74HC138芯片資料、 74HC04芯片資料等。 LED 的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展 [1]。 LED 行業(yè)已成為一個(gè)發(fā)展快速新興的產(chǎn)業(yè)，市場空間巨大，前景廣闊。 研究 目的 和意義 現(xiàn)代 LED 的發(fā)展很快，很多研究領(lǐng)域非常已經(jīng)深刻，很多相關(guān)的知識(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我 們?cè)谛W(xué)生的能力范圍， 我 們 選擇 LED 作為我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)是 該設(shè)計(jì)課題能夠使我 們 掌握 LED顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計(jì)方法，對(duì) LED 顯示屏這個(gè)行業(yè)有了較為 深刻的了解和認(rèn)識(shí)。并且通過該設(shè)計(jì)課題掌握了 52 單片機(jī)的的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關(guān)行業(yè)的工作積累了實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn) [2]。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我國的 LED 技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還有一定的差距。 國外研究情況 自 20 世紀(jì) 80 年代后期開始，隨著 LED 制造技術(shù)的不斷完善，在國外得到廣泛的應(yīng)用。 并且已經(jīng)開始研究新的大屏幕顯示技術(shù) ，但就目前來看 ， LED 點(diǎn)陣顯示屏仍然市場前景依然廣闊 。二是 控制成本，加速提升企業(yè)核心競爭力 。四是 合理引導(dǎo)，謹(jǐn)防投資過熱與產(chǎn)能過剩 。在我國改革開放之后，特別是進(jìn)入 90 年代國民經(jīng)濟(jì)高速增長，都公共場合發(fā)布信息的需求日益強(qiáng)烈， LED 顯示屏的出現(xiàn)正好適應(yīng)這一市場行勢，因而在 LED顯示屏的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與應(yīng)用水平都得到迅速的提高。用于顯示文字和簡單圖片，主要用在車站、金融證券、銀行、郵局等公共場所，作為公共信息顯示工具。視頻控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、光纖通信技術(shù)等的應(yīng)用將 LED 顯示屏提升到了一個(gè)新的臺(tái)階。 第三階段從 1999 年開始，紅、純綠、純藍(lán) LED 管大量涌入中國，同時(shí)國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行了深入的研發(fā)工作，使用紅、綠、藍(lán)三原色 LED 生產(chǎn)的全彩色顯示屏被廣泛應(yīng) 用，大量進(jìn)入體育場館、會(huì)展中心、廣場等公共場所，從而將國內(nèi)的大屏幕帶入全彩時(shí)代 [3]。最終選定了以 PC 機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過對(duì)比選擇選定 STC89C52RC 單片機(jī)為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器 74HC138， 74HC595 為驅(qū)動(dòng)電路器件。 （ 3） 系統(tǒng)調(diào)試 調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進(jìn)行。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)等 3 問題。 （ 4）結(jié)論 設(shè)計(jì)完成后對(duì)設(shè)計(jì)中所遇到的問題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、以及自己的想法進(jìn)行總 結(jié)。 以 PC 機(jī)作為上位機(jī)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)上位機(jī)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng) 4 塊1616LED 點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的 1664 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏 顯示出來 [4]。為方便檢修和維護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)常常采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。如圖 21 所示 ,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點(diǎn)確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機(jī)四部分組成。 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 上位機(jī)部分選擇 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的 通用性。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)顯示兩種方法。存儲(chǔ)顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲(chǔ)在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示。 該 設(shè)計(jì)題目對(duì)顯示的實(shí)時(shí)性要求較低且所設(shè)計(jì)的顯示屏尺寸不大同時(shí)顯示的內(nèi)容不多，所以實(shí)時(shí)顯示就沒有必要。 通信部分方案選擇 通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實(shí)現(xiàn)。 ISP（ InSystem Programming）在系統(tǒng)編程，通過下載電纜直接對(duì)安裝在用戶目標(biāo)板上的器件編程，給電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)帶來許多革命性的變化 [6]。 基于以上原因，本設(shè)計(jì)選擇了一種將單片機(jī)和 USB 總線相結(jié)合，進(jìn)行 ISP 下載的方法。 單片機(jī)是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)品種齊全 ,型號(hào)多樣 CPU 從 8， 16，32 到 64 位，多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機(jī)集成有 A/ D， “ 看門狗 ”，PWM，顯示驅(qū)動(dòng)，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。除此之外單片機(jī)還具有低電壓和低功耗的特點(diǎn)。供電電壓由 5V 降到 3V，2V甚至到 1V，工作電流由 mA 降至 μA ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地 ?，F(xiàn)在市場上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。 且 52 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平）。所以在控制部分方案的選擇中選定 52 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。由于單片機(jī)的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅(qū)動(dòng) LED 顯示屏，所以需要對(duì)單片機(jī) I/O 口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力 [7]。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個(gè)的發(fā)光二極管逐點(diǎn)連接起來，如圖 22所示；二是選用一些由單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED點(diǎn)陣子模塊構(gòu)成大的 LED點(diǎn)陣模塊。這就加大了維修的成本。為了 避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險(xiǎn)。 7 圖 22 LED 點(diǎn)陣圖 一個(gè) 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 52 單片機(jī)的端口驅(qū)動(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（ 4 線 16 線譯碼器）、 74HC138（ 8 位串并轉(zhuǎn)換器）、 74HC595等。在單片機(jī)和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動(dòng)電路 [8]。 （ 2） 通過四個(gè) 1616 的點(diǎn)陣 LED 進(jìn)行文字顯示 。 （ 4） 文字顯示具有每排字有滾動(dòng)和逐排等顯示方式。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì)。 圖 23 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu) 圖 PC 機(jī) 串行通信 譯碼電路 16x16LED 顯示屏 單片機(jī) 顯示驅(qū)動(dòng)電路 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路大致上可以分成單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動(dòng)電路和行驅(qū)動(dòng) 電路三部分。具體工作流程為：上位 PC 機(jī)通過通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機(jī)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過 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 [10]。通過查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖 31 所示。并且顯示要清晰。 （ 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。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。 （ 6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示要求。 STC89C52RC 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。 在該系統(tǒng)中， P0 各口主要用作 LED 顯示數(shù)據(jù)的行控制輸出。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存 儲(chǔ)器所以將 EA 置為高電平 [11]。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS52 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 52 單片機(jī)不具備的功能。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k 字節(jié) 11 Flash， 522 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路 ， 3 個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 52 的 5向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工 串行口 ?？臻e模式下， CPU停止工作，允許 RAM、 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。最高運(yùn)作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 2. 工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī) ） /～ （ 3V單片機(jī)） 。 4. 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) 。 6. 通用 I/O 口（ 32個(gè)），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3是 準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 ， P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻 ， 作為 I/O 口用時(shí) ， 需加上拉電阻。 8. 具有 EEPROM 功能 。 10. 共 3個(gè) 16位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 11. 外部中斷 4路 ， 下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā) 中斷方式 喚醒 。 13. 工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級(jí)） /0～ 75℃ （商業(yè)級(jí)） 。行和列的交叉處有一個(gè) LED，共由 1024個(gè) LED構(gòu)成，如果 LED 的陽極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給 該 LED 對(duì)應(yīng)的行以高電平，列以低電平，那么對(duì)應(yīng)的 LED 就發(fā)光 [12]。這種模塊由 64個(gè)發(fā)光 LED 芯片以 88的形式構(gòu)成一個(gè)正方形模塊，然后用 2列 8針引腳將內(nèi)部電路接口引出，供驅(qū)動(dòng)電路使用。本文所述的是 LED 的數(shù)據(jù)顯示方式，這種方式通常使用 8 段 LED 或者 16 段 LED。本文以 16 段 LED 作為示例來論證方案 。這樣數(shù)碼管的每一段均應(yīng)由一條輸出線來控制，每顯示以為數(shù)碼需要 8 根輸出線，當(dāng) N 位顯示則需 N16 根輸出控制線。 （ 2） 動(dòng)態(tài)顯示方式 為解決靜態(tài)顯示占用較多 I/O 資源的問題，在多位顯示時(shí)通常采用動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段碼線對(duì)應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè) 16 位的輸出口控制，每位數(shù)碼管的公共端分別出一位 I/O 線控制。位線控制某位選通時(shí)， 該位應(yīng)顯示數(shù)碼的段碼同時(shí)加在段碼線上，即每一時(shí)刻僅僅有一位數(shù)碼管是被點(diǎn)亮的，當(dāng)輪流顯示的速度較快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看起來就像所有位同 13 時(shí)顯示一樣，這時(shí)，我們就能看到穩(wěn)定的圖像了 [13]。顯示數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，按 8 位一個(gè)字節(jié)的形式順序排放。從控制電路到 列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器 74HC138和鎖存器 74HC595。具體電路如圖 34 所示 。 74HC138 譯碼器可接受 3 位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入（ A0, A1 和 A2），并當(dāng)使能時(shí)，提供 8個(gè)互斥的低有效輸出（ Y0 至 Y7）。除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否則 74HC138 將保持所有輸出為高。任選一個(gè)低有效 使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當(dāng)一個(gè) 8 輸出多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。 74HC138 的功能表如表 31 所示： 表 31 74HC138 集成譯碼器功能 15 74HC138 引腳圖如圖 35 所示 ： 圖 35 74HC138 引腳圖 行 驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì) 行 驅(qū)動(dòng) 74HC595 行 驅(qū)動(dòng)電路由 74HC595 構(gòu)成 ，它具有一個(gè) 8 位串入并出的移位寄存器和一個(gè) 8 位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，達(dá)到重疊處理的目的。如果兩個(gè)時(shí)鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲(chǔ)寄存器早一個(gè)脈沖。 工作順序：單片機(jī)先送 1 個(gè) 8 位數(shù)據(jù)到第一個(gè) 595 的內(nèi)部移位