【正文】 還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動(dòng)電路 [7]。 硬件設(shè)計(jì)方案 最終方案如圖 23 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)存儲和處理顯示內(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 88LED 點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED 點(diǎn)陣顯示屏。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)。 本科生畢業(yè)論文 8 單片機(jī)譯碼電路1 6 1 6 L E D顯 示 屏顯示驅(qū)動(dòng)電路串行通信P C 機(jī) 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，方便下載和編譯。設(shè)計(jì)目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個(gè)主要部分組成。 具體結(jié)構(gòu) 如圖 24 所示。 通 信 程 序控 制 程 序主 程 序靜 態(tài) 顯 示 程 序特 效 顯 示 程 序 圖 24 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖 軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機(jī)中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機(jī)的下載器或下載軟件來把編寫的程序下 載到單片機(jī)中執(zhí)行。 單片機(jī)編程語言 現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點(diǎn)。 匯編語言 (Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，是一種功能很強(qiáng)的程序設(shè)計(jì)語言，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言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語本科生畢業(yè)論文 9 言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植 [8]。 C 語言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生壓縮代碼。 C 語言結(jié)構(gòu)是 以括號 { }而不是子和特殊符號的語言。 C 可以進(jìn)行許多機(jī)器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對單片機(jī)的指令系統(tǒng)不要求了解，僅要求對 51 的存儲器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲器的尋址及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)。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 語 言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持， C 語言程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地移植過來。 基于以上理由決定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 C 語言編寫的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。支持 MCS－ 51 用 C 語言編程的編譯器主要有兩種： Franklin C51 編譯器和 KEILC51 編譯器。目前在單片機(jī)開發(fā)中普遍都是使用 KEIL C51 來進(jìn)行編譯。 因此軟件設(shè)計(jì)最終方案 為采用 C 語言為程序語言， KELC 為編譯工具按照控制、通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來編寫程序。 上位機(jī)控制傳輸軟件 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。上位機(jī)的作用是存儲并處理顯示內(nèi)容，然后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)顯示。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時(shí)顯示和存儲顯示兩種方法。實(shí)時(shí)顯示及上位機(jī)屏幕上的內(nèi)容同時(shí)顯示在 LED 顯示屏上，上位機(jī)上內(nèi)容變化 LED 顯示屏也跟著變化。存儲顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸 到顯示屏顯示 [9]。兩種顯示方法相比較：實(shí)時(shí)顯示屏幕能及時(shí)反應(yīng)上位機(jī)內(nèi)容的變化，顯示的效果和內(nèi)容的實(shí)時(shí)性好多用于新聞播報(bào)、實(shí)況轉(zhuǎn)播用，但實(shí)時(shí)顯示硬件開銷大，本科生畢業(yè)論文 10 對通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲顯示雖實(shí)時(shí)性不高但硬件開銷小，成本低廉。課題設(shè)計(jì)題目對顯示的實(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。所以上位機(jī)選擇存儲顯示的方法，控制LED 顯示屏的顯示內(nèi)容 [10]。 本科生畢業(yè)論文 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)， 通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動(dòng)電路和 1616 的點(diǎn)陣屏六部分組成。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 [11]。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實(shí)現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖 31 所示。 7 4 L S 3 7 3P C 機(jī)7 4 L S 1 6 4A T 8 9 S 5 1U L N 2 8 0 3M A X 2 3 27 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 47 4 L S 1 6 4 U L N 2 8 0 37 4 L S 3 7 34 塊 8 8 點(diǎn) 陣 模 塊 構(gòu) 成 的1 6 1 6 L E D 點(diǎn) 陣 屏L E D 點(diǎn) 陣 模 塊 陽 極L E D 點(diǎn) 陣 模 塊 陰 極8 5 5 0 三 極 管電 源 圖 31 硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)： （ 1） LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。 （ 2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供 LED 顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。 （ 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。 （ 4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯本科生畢業(yè)論文 12 示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的最低要求。 （ 5）單片機(jī)由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。 （ 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。 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，用來和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。 在 51 系列單片機(jī)中選定一款合適的機(jī)型來作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)方便的程序下載對程序的驗(yàn)證和編寫非常有 用。還有就是為了提高 LED 顯示屏的掃描速度，單片機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的AT89S51 為控制單元的主控芯片。 AT89S51 簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲器 ,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲器既可在線編程（ 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)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT989S51 具有以下特點(diǎn) ： 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ ISP） Flash 閃速存儲器 1000 次擦寫周期 － 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式： 0Hz－ 33MHz 三級程序加密鎖 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM 本科生畢業(yè)論文 13 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁寫模式） AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。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?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。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。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個(gè)最小系統(tǒng)（指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)）。 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 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖 32 所示。 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。由于端口的驅(qū)動(dòng)能力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來提高驅(qū)動(dòng)能力。其 中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。具體接法為： ， ， ， 分別接四塊 74LS164的 A 端，向 74LS164 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； 和 分別接列和行的 74LS164 的 CLOCK 端，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出； 和 接列和行的 CLEAR 端，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)；其中 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。 接 164 芯片的使能控制端，當(dāng)為高電平使允許輸出； 和 接鎖 存器 74LS373 的 OE 和 LE 端控制鎖存器的工作狀態(tài)。 本科生畢業(yè)論文 14 端口 30， EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H－ FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲器所以將 EA 置為高電平。 圖 32 控制部分電路圖 由于 P3 口是特殊功能口，在該系統(tǒng)中基本是采用其第二功能。其第二功能和實(shí)際運(yùn)用如表 31 所示： 表 31 AT89S51P3 口第二功能的應(yīng)用 端口 第二功能 實(shí)際作用 RXD（串行輸入口） 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入口 TXD(串行輸出口 ) 與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出口 外部中斷 0 做按鍵中斷，控制顯示狀態(tài) 外部中斷 1 做按鍵中斷，控制運(yùn)行模式 AT89S51 單片機(jī)的 P1 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分本科生畢業(yè)論文 15 時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用， P2 口在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。所以 P1 和 P2 口留為外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲器和程序存儲器不夠用的情況時(shí)使用 [12]。 譯碼電路設(shè)計(jì) 譯碼電路的功能是為了解決 單片機(jī) I/O 端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373。具體電路如圖 33 所示 圖 33 行譯碼電路圖 串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 列譯碼采用的是芯片 74LS164。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸出來控制 1616 的 LED 點(diǎn)陣屏顯示，需要 32 個(gè)端口。而采用了譯碼電路后僅僅需要 7～ 9 個(gè)端口便可實(shí)現(xiàn)控制顯示。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)留下來了空間。 74LS164 為一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換器。當(dāng)清除端（ CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端 （ QA－ QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。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) A、 B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。 本科生畢業(yè)論文 16 表 31 74LS164 工作參數(shù) 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 — 25 MHZ 這就要求單片機(jī)的引腳輸出的高低電平要在芯片的識別范圍內(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。這就要求 74LS164 芯片的輸出要滿足鎖存芯片的高低電平區(qū)分范圍和頻率要求。 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)通過驅(qū)動(dòng) 電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。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。所以選擇鎖存器 74LS373 來完成這一功能。 74LS373 為八 D 鎖存器 (3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性 )。 373 為三態(tài)輸出的八 D透明鎖存器 ,共有 54/74S373 和 54/74LS373 兩種線路結(jié)構(gòu)形式當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE為低電平時(shí)， O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。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 。當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時(shí)， O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時(shí)， O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 表 32 74LS373 工作參數(shù)表 參數(shù) 最小值 額定值 最大值 單位 電源電壓 5 V 輸入高電平電壓 2 — — V 輸入低電平電壓 — — V 輸出高電平電壓 — — － mA 輸出低電平電壓 — — 24 mA 本科生畢業(yè)論文 17 由表與表比較可以看出， 74LS164 的輸出條件與 74LS373 的輸入條件相匹配，理論上可以實(shí)現(xiàn)鎖存器對譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 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，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。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。 行驅(qū)動(dòng)采用 PNP 三極管 8550 接法如圖 34 示： 1 K5 VL E D 點(diǎn) 陣 屏 陽 極譯 碼 電 路 輸 出 圖 34 行驅(qū)動(dòng)器件 8550 的接法 8550 為 PNP 型三極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 35 示。發(fā)射極 e 接 5V 電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動(dòng) LED 點(diǎn)陣屏。當(dāng)譯碼器端口輸出為低電平時(shí)，發(fā)射極與基極電勢差為 5V－ 0v 基極中帶負(fù)電的電子越過 PN 結(jié)擴(kuò)散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產(chǎn)生和電子擴(kuò)散方向相反的電流，由于基極電子大量擴(kuò)散到發(fā)射極集電極電子擴(kuò)散到基極中形成了電流 cI 。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差為 5V－ 0V － BV ，由于 發(fā)射極與基極之間電勢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。故 8550 在驅(qū)動(dòng)電路中起到提供驅(qū)動(dòng)電流和選通開關(guān)的作用。 P N P5 V譯 碼 器 輸 出 信 號輸 出 驅(qū) 動(dòng) L E D 屏eI0v 0v空 穴 空 穴電 子 圖 35 8550 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 本科生畢業(yè)論文 18 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 列驅(qū)動(dòng)采用 ULN2803。 ULN2803 是一種高電壓大電流達(dá)林頓管陣列內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，該陣列中的八個(gè) NPN 達(dá)林頓連接晶體管是低邏輯電平數(shù)字電路（如TTL,CMOS 或 PMOS）和大電流高電壓的燈，繼電器，打印機(jī)錘和其他類似負(fù)載間的接口的理想器件。廣泛用于計(jì)算機(jī)， 工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中。所有器件有集電極開路輸出和用于瞬變抑制的續(xù)流箝位二極管。集電極輸出功率可達(dá) 50V600mA[13]。 ULN280