單片機16*64LED點陣廣告牌設計 PCB+電路原理圖

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬到幾十萬個半導體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。

在短短的十來年中，LED點陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。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。LED顯示屏的應用涉及社會經(jīng)濟的許多領域

現(xiàn)代信息社會中，作為人-機信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件、基礎材料的產(chǎn)業(yè)化。使LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應用加快。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應用會是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。

未來LED顯示屏會向著標準化、規(guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展。

3. 選題意義

該設計課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設計方法，對LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認識。并且對大學期間所學習的一些理論進行了實踐，使我們對所學過的理論知識有了新的認識。并且通過該設計課題掌握了51單片機的的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關行業(yè)的工作積累了實際工作經(jīng)驗。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的LED顯示屏的作用也越練越廣泛，相關的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應該清楚的認識到我國的LED技術雖然發(fā)展迅速但和世界先進水平還有一定的差距。因此此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國LED顯示技術的發(fā)展都有非�，F(xiàn)實與積極的意義。

針對設計項目的特點，作者對文檔的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排：

搜集項目的有關資料，并參照目前通用的設計思想和設計方法擬定幾套設計方案進行分析比較。最終選定了以單片機為核心控制器件，外加行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路的設計方案。

以設計方案為指導思想選擇合適的器件來實現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇選定STC89S52RC單片機為核心控制器件，由74LS154和SDM495為行驅(qū)動電路器件，74HC595為列驅(qū)動電路器件。文檔列出了詳細的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。

根據(jù)硬件特點和設計要求，軟件選用C語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫和調(diào)試，最后將獨立的模塊整合起來。

設計完成后對設計中所遇到的問題、經(jīng)驗教訓、以及自己的想法進行總結(jié)。

大多數(shù)的LED顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護硬件電路設計時常常采用模塊化的設計方法。硬件的設計采用模塊化設計，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖2-1所示，根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)三部分組成。單片機通過通信部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式。

圖2-1  系統(tǒng)硬件組成框圖

控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為發(fā)送數(shù)據(jù)和控制指令處理后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設計方法有單片機、DSP、及EDA技術。幾種設計方法比較各有其特點：

單片機是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型計算機。它有很強的接口性能，非常適合于工業(yè)控制，因此又叫微控制器(MCU)。單片機品種齊全,型號多樣 CPU 從8，16，32到64位，多采用RISC 技術，片上I/O非常豐富，有的單片機集成有A/ D，“ 看門狗”，PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機還具有低電壓和低功耗的特點。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS工藝單片機被CMOS代替，并開始向HMOS 過渡。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。

DSP 又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義，DSP主要用于數(shù)字信號處理領域，非常適合高密度，重復運算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理�，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用于通信、便攜式計算機和便攜式儀表、雷達、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設備等領域，DSP具有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進行，以及流水線技術，這使得速度有了較大的提高。DSP區(qū)別于一般微處理器的另一重要標志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實現(xiàn)乘法，逐條執(zhí)行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運算，而且還具有專門的信號處理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等。

EDA(即Electronic Design Automation) 即電子設計自動化，它是以計算機為工具，在EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言HDL 完成的設計文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對于特定目標芯片進行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設計者只需用HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助EDA工具就可得到設計結(jié)果，將編譯后的代碼下載到目標芯片就可在硬件上實現(xiàn)。由于FPGA/CPLD可以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進行重構(gòu)，修改軟件程序就相當于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設計方案，而且可以多個人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機。而且MCU和DSP都是通過串行執(zhí)行指令來實現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD則可實現(xiàn)硬件上的并行工作，在實時測控和高速應用領域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP器件在功能開發(fā)上是軟件實現(xiàn)的，但物理機制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。

三種設計方式相比較各有優(yōu)點且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機的技術門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學者進行學習和鍛煉使用�，F(xiàn)在市場上常用的單片機主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中應用最廣泛的單片機首推Intel的51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機學習的教材。且51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，當該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設置為高電平（復位時，各I/O口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定51系列單片機作為控制部分的核心器件。

通信部分要滿足的設計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。計算機數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。

并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。

串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當計算機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計算機中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實現(xiàn)也可以用軟件實現(xiàn)。單由軟件實現(xiàn)會增加CPU負擔，降低其利用率，故目前常采用硬件實現(xiàn)。通用的通用異步接收/發(fā)送器，簡稱UART（Universal Asynchromous ReceeiverTrabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機芯片中，UART已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口。

綜上所述，項目設計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的UART已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。

最終方案如圖2-2所示，以單片機機作為核心控制器件存儲和處理顯示內(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系統(tǒng)，單片機根據(jù)傳輸來的內(nèi)容和指令通過端口譯碼擴展后驅(qū)動16塊8×8LED點陣模塊構(gòu)成的16×64的LED點陣顯示屏。項目將以此方案為指導思想展開具體的硬件電路設計。

圖2-2  硬件設計方案

軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設計目標和硬件總體結(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，通信程序三個主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。

圖2-3  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的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行。

現(xiàn)在主要運用的單片機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。

匯編語言(Assembly Language)是面向機器的程序設計語言，是一種功能很強的程序設計語言，也是利用計算機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，但在編寫復雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不能通用，也不能在不同機型之間移植。

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可以進行許多機器級函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點：對單片機的指令系統(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)試時間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標準子程序，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因為它具有方便的模塊化編程技術。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器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機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。

C語言編寫的程序并不能被單片機直接執(zhí)行還需要編譯為單片機可執(zhí)行的機器語言。因此在系統(tǒng)軟件設計中，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。目前在單片機開發(fā)中普遍都是使用KEIL C51來進行編譯。

本設計采用STC89S52RC單片機為核心控制器件，用16塊8*8點陣相連組成16*64點陣屏，作為顯示部分。用74LS154作為行驅(qū)動控制，控制點陣屏的行控制信號，有十六根數(shù)據(jù)線接在點陣屏的十六個行控制信號端上，用74HC595作為列驅(qū)動控制，控制點陣屏的列控制信號，同樣有三根數(shù)據(jù)線接在點陣屏的十六個列控制信號端。系統(tǒng)方框圖如圖3-1所示。

圖 3-1  系統(tǒng)方框圖

本設計使用的是STC89S52RC單片機，原因是此款單片機具有眾多優(yōu)點。

加密性強，難解密

超強抗干擾

超低功耗  掉電模式：<0.1μA

空閑模式：2mA

正常工作模式：4mA～7mA

提供STC-ISP在線編輯系統(tǒng)，無需編輯器，無需仿真器，可省去購買編輯器，仿真器的昂貴資金，適合大眾使用

內(nèi)置看門狗

STC89S52RC的基本結(jié)構(gòu)與8051相同，但是比傳統(tǒng)的8051單片機擁有更多的內(nèi)部Flash，最高可達64KB。片內(nèi)SRAM容量同樣是非常吸引的數(shù)字，最高可擁有1280Byte的SRAM。而且還內(nèi)置EEPROM存儲器、AD轉(zhuǎn)換等功能。另外它還可以用串口直接仿真程序，不需要另外加用仿真器或者下載線。

VCC：接電源正極，一般輸入電壓為5V。

GND：接電源地端。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（計數(shù)器0外部輸入）

P3.5 T1（計數(shù)器1外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

為確保單片機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般單片機正常工作所需要的供電電壓為+5V，由于單片機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC在特定的工作電壓范圍內(nèi)以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，單片機開始正常工作。

目前為止，單片機復位電路主要有四種類型：（1）微分型復位電路；（2）積分型復位電路；（3）比較器型復位電路；（4）看門狗型復位電路。

復位電路工作原理如圖3-2所示，VCC上電時，C充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒后，C充滿，10k電阻上電流降為零，電壓也為零，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下S、C放電。S松手，C又充電，在10k電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位。幾個毫秒后，單片機進入工作狀態(tài)。

圖3-2  復位電路

內(nèi)部時鐘，是用芯片內(nèi)部振蕩電路，精度不高，溫飄也較大，不需要外部振蕩器件。

外部時鐘，分RC振蕩和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，穩(wěn)定性好，根據(jù)使用場合選擇，適合的時鐘方式。

STC89S52RC內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或搪瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體（或陶瓷）振蕩器和兩個電容就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體振蕩頻率可在1.2MHz～12MHz之間選擇。電容值無嚴格要求，但其取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度稍有影響，C1、C2可在20pF～100pF之間取值。一般當外接晶體時，電容選為30pF。本設計采用外部時鐘電路，電路圖如圖3-3所示。

圖3-3  時鐘電路

電源電路不單單是為單片機運行提供工作電壓，還需要對單片機的外圍電路提供工作電源。這里提供2種電源供電方案：

USB接口供電

具有USB接口的設備一般工作電壓都為5V。計算機上的USB接口（圖3-4）可以輸出穩(wěn)定的+5V電壓，最大額定電流為500mA，不足以滿足本設計的要求，所以需加上外接電源。在設計的時候，需要注意電路不能出現(xiàn)短路，以免損壞電腦的USB接口。

圖3-4 USB接口

要注意，接口上的電源為五只引腳的最旁邊的兩個，而中間的三個引腳是USB的差分數(shù)據(jù)線，在本設計中不需要使用。

控制單元是整個顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機為核心器件，用來發(fā)送控制指令和顯示內(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系列單片機中選定一款合適的機型來作為控制單元的主控芯片。根據(jù)項目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因為在軟件設計時方便的程序下載對程序的驗證和編寫非常有用。還有就是為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點要求，選擇STC89S52RC為控制單元的主控芯片。

STC89S52RC的最小系統(tǒng)包括了外界時鐘電路和復位電路，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。根據(jù)功能選擇一定的單片機端口添加外圍的器件，具體電路如圖3-5所示。

在該系統(tǒng)中，P0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)動能力有限所以該端口外接了10K的上拉電阻來提高驅(qū)動能力。具體接法為：P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分別接四塊74HC154的ABCD端，向74HC154送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出； P3.1接 74HC595的SCK，上升沿時移位寄存器的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)存儲寄存器，下降沿時存儲寄存器數(shù)據(jù)不變。；P1.1接74HC595的RCK端，上升沿時數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位，QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。引腳29，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）。因為沒有擴展外部程序存儲器所以將EA置為高電平。

圖3-5  控制部分電路圖

列驅(qū)動電路由集成電路74HC595構(gòu)成。它具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，既達到重疊處理的目的。

圖3-7 74HC595結(jié)構(gòu)圖表

74HC595的外形如圖3-7所示。它的輸入側(cè)有8個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器。引腳DS是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳ST是移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將SI的下一個數(shù)據(jù)打入最低位。74HC595引腳說明見表3-1。列驅(qū)動電路見圖3-8。

移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。RCK是輸出鎖存器的打入信號，其上升沿將移位寄存器的輸出打入輸出鎖存器。引腳G是輸出三態(tài)門的開放信號，只有當其為低時鎖存器的輸出才開放，否則為高組態(tài)。SCLR信號是移位寄存器清零輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全部為零。由于SCK和RCK兩個信號是互相獨立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為QA～QH，最高位QH可作為多片74HC595級聯(lián)應用時，向上一級的級聯(lián)輸出。但因為QH受輸出鎖存器的打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出QH，作為與移位寄存器完全同步的級聯(lián)輸出。

圖3-8列驅(qū)動電路

將8片74HC595進行級連，可共用一個移位時鐘SCK及數(shù)據(jù)鎖存信號RCK。這樣，當?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經(jīng)過8x8=64個SCK時鐘后便可將其全 部移入74HC595中，此時還將產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)鎖存信號RCK將數(shù)據(jù)鎖存在74HC595中，并在使能信號G的作用下，使串入數(shù)據(jù)并行輸出，從而使與各輸 出位對應的場驅(qū)動管處于放大或截止狀態(tài)；同時由行掃描控制電路產(chǎn)生信號使第一行掃描管導通，相當于第一行LED的正端都接高，顯然，第一行LED管的亮滅 就取決于74HC595中的鎖存信號；此外，在第一行LED管點亮的同時，再在74HC595中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，同時由行掃描控 制電路將第一行掃描管關閉而接通第二行，使第二行LED管點亮，以此類推，當?shù)谑袙呙柽^后再回到第一行，這樣，只要掃描速度足夠高，就可形成一幅完整 的文字或圖像。

本設計采用74LS154作為點陣屏列控制信號，因為154可以輸出16位的控制信號，所以只要掃描頻率可以，點陣屏就可以看成是穩(wěn)定平滑過渡，沒有閃爍的感覺，給人以正常的視覺效果。74LS154引腳圖3-9如圖所示。

圖3-9  74LS154

74LS154可以將4 個二進制編碼輸入譯成16 個彼獨立的輸出之一，還可以將數(shù)據(jù)從一個輸入線分配到16 個輸出的任意一個而實現(xiàn)解調(diào)功能。圖3-10和3-11是74LS154內(nèi)部邏輯連接圖和管腳功能示意圖。

圖3-10  內(nèi)部邏輯連接                圖3-11  管腳功能

74LS154為4線——16線譯碼器，可以實現(xiàn)地址的擴展。

該譯碼器采用先進的硅結(jié)構(gòu)CMOS技術，并適合內(nèi)存地址譯碼和數(shù)據(jù)路由應用。它抗噪聲能力強，低功耗，并與低電壓TTL電路兼容。

功能特性：傳輸延遲：21ns

電源提供靜態(tài)電流：80μA

電源電壓范圍：2―6V

低電平輸入電流：最大1μA

引腳功能說明：

1-11 13-17 ：輸出端。（outputs (active LOW)）

12：Gnd電源地 （ground (0 V)）

18-19：使能輸入端 (enable inputs (active LOW))

20-23地址輸入端 (address inputs)

24：VCC電源正 (positive supply voltage)

地址/全能輸入對應輸出表

功能真值表注意：

H = 高電平（HIGH voltage level）

L = 低電平（LOW voltage level）

X = 任意電平（don’t care）

只要控制端G1、G2任意一個為高電平，A、B、C、D任意電平輸入都無效。

74LS154是此集成電路的TTL版本，其功耗更小，功能一樣。譯碼器在單片機系統(tǒng)中一般起擴展I/O的作用，當外設比較多，單片機的引腳不夠用的時候，就可以由74LS154把4個單片機I/O口擴展為16個。增強了單片機控制外設的能力。這種單片 4 線—16 線譯碼器非常適合用于高性能存儲器的譯碼器。當兩個選通輸入E1 和E2 為低時, 它可將4 個二進制編碼的輸入譯成16 個互相獨立的輸出之一。實現(xiàn)解調(diào)功能的辦法是：用4 個輸入線(A、B、C、D)寫出輸出線的地址，使得在一個選通輸入為低時數(shù)據(jù)通過另一個選通輸入。當任何一個選通輸入是高時，所有輸出都為高。

1. 按顏色基色分：

單基色顯示屏:單一顏色（紅色或綠色）。

雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。

全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯 示一千六百多萬種色。

2. 按顯示器件分： LED數(shù)碼顯示屏：顯示器件為7段碼數(shù)碼管，適于制作時鐘屏、利率屏等，顯示數(shù)字的電子顯示屏。

LED點陣圖文顯示屏：顯示器件是由許多均勻排列的發(fā)光二極管組成的點陣顯示模塊，適于播放文字、圖像信息。

LED視頻顯示屏：顯示器件是由許多發(fā)光二極管組成，可以顯示視頻、動畫等各種視頻文件。

3. 按使用場合分類

室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點較小，一般Φ3mm--Φ8mm，顯示面積一般幾至十幾平方米。

室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。

4. 按發(fā)光點直徑及間距分類

室內(nèi)屏（按直徑分）：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏（按間距分）：PH10、PH12、PH14、PH16、PH20、PH25、PH31.25、PH37.5......

圖3-12為8*8點陣LED等效電路，只要其對應的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點亮，則Y0=1，X0=0即可。應用時限流電阻可以放在X軸或Y軸。

一般我們使用點陣顯示漢字是用的16*16的點陣宋體字庫，所謂16*16，是每一個漢字在縱、橫各16點的區(qū)域內(nèi)顯示的。也就是說得用四個8*8點陣組合成一個16*16的點陣。                 

圖3-12  點陣原理圖

LED顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。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，如圖3-12所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點陣子模塊構(gòu)成大的LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有8×8、16×16幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當一個LED出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有LED都必須被更換。這就加大了維修的成本。

兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個LED點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風險。所以構(gòu)建一個16×64的LED點陣屏選用塊8×8點陣模塊。

如圖3-13所示，本設計采用了16個8*8的點陣發(fā)光二級管模塊，組成了16*64的LED點陣顯示屏。LED驅(qū)動顯示采用的動態(tài)驅(qū)動掃描方法，動態(tài)掃描方式是逐行輪流點亮，把所有同一行的發(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，先送出對應第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行使其點亮一定的時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第二行使其點亮相同的時間，然后熄滅；…第十六行之后，又重新點亮第一行，反復輪回。當這樣的輪回速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形。該方法能驅(qū)動較多的LED，控制方式較靈活，而且節(jié)省單片機的資源。

圖3-13點陣顯示電路

如果說硬件是一個人的身體軀干，那么，軟件就是一個人的靈魂、思想。只有合理并且完美的程序才能使指導一個人成功地去完成一項任務。對于單片機來說更是如此，基礎的硬件電路焊接好后，就需要從軟件設計來下手，想要實現(xiàn)硬件電路的正常工作，往往需要對軟件進行系統(tǒng)的設計，設計的思想、設計的目標、設計方案、代碼的編寫、軟件的測試等對軟件設計的成功有著非同一般的指導意義。

顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號，使屏幕按設計的要求顯示。根據(jù)軟件分層次設計的原理，可以把顯示屏的軟件系統(tǒng)分為兩層；第一層是底層的顯示驅(qū)動程序，第二層是上層的系統(tǒng)應用程序。顯示驅(qū)動程序負責向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負責產(chǎn)生行掃描信號和其他控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動器程序由定時器T0中斷程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實現(xiàn)。

本設計從單片機上電開始，先進行初始化操作，單片機執(zhí)行顯示程序后，點陣屏可以輸出顯示結(jié)果，此過程單片機要對74HC595的觸發(fā)端進行調(diào)整，為下一次重新執(zhí)行做好準備工作；數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿把單片機端口輸出的8位串行數(shù)據(jù)輸入移位寄存器中，在STcp的上升沿到來后再把數(shù)據(jù)輸送到到存儲寄存器中去。若顯示程序成功執(zhí)行一個周期，則重新跳回到初始化狀態(tài)進行下一周期的顯示，若沒有顯示完全，則一直在顯示程序內(nèi)執(zhí)行，直到本次顯示完全實現(xiàn)。流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 主程序流程圖

顯示程序分為靜態(tài)顯示程序、左移顯示2種種顯示方式。其中左移動程序調(diào)用了靜態(tài)顯示程序為子程序。

對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動電路，一幀畫面輸入以后便可一勞永逸地顯示，除非我們改變了顯示內(nèi)容，需要重新輸出新的點陣數(shù)據(jù)．這種方式系統(tǒng)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅(qū)動裝量很多，引線多而繁雜，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也較低。

另一種動態(tài)掃描顯示是把整個LED屏幕分成若干部分，每一幅畫面的顯示是顯示完一部分后，又顯示第二部分……直到顯示完最后一部分又重新開始顯示第一部分，重復循環(huán)進行．在重復掃描速度足夠快的情況下，我們看到的就是一幅穩(wěn)定的畫面．也就是說采用動態(tài)掃描顯示需要不斷進行畫面的刷新．在這種方式下其顯示驅(qū)動電路可重復利用，引線也大大減少，從而使硬件成本降低，且屏幕上的發(fā)光二極管輪流發(fā)光，使用時的耗電量大大降低．大屏幕的制造、維護要容易許多，可靠性也增加了．

兩種顯示方式的比較再結(jié)合51單片機IO口數(shù)量有限的原因決定采用動態(tài)掃描的方式進行顯示。

動態(tài)掃描分為行掃描和列掃描兩種方式區(qū)別在于選通端和數(shù)據(jù)輸入端分別是行還是列。在該顯示系統(tǒng)中掃描顯示的工作原理如圖4-2所示，先選通列然后再從行送入對應列的數(shù)據(jù)，這樣從第1列到第16列循環(huán)往復，只要切換的速度足夠的快利用人眼的延時特性就可以看見一幅穩(wěn)定的畫面。

圖4-2 掃描顯示程序原理圖

顯示采用的是列掃描的顯示方式，選通一列后按照列與數(shù)據(jù)元素的對應關系第i列對應的行數(shù)據(jù)為數(shù)組中的第i和第i+16個元素。將對應元素的由低至高位依次從端口輸出具體做法為將元素向右邏輯移位后再與0X01相與，所得結(jié)果通過單片機端口輸出到串并轉(zhuǎn)換器的A端，鎖存在鎖存器里完成一列數(shù)據(jù)移位后再將其輸出。如此依次循環(huán)選通各列來顯示所需畫面。

圖4-3 左移程序流程圖

動態(tài)顯示程序流程如圖4-5所示，根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的存儲原理通過改變實際LED列與數(shù)據(jù)邏輯列的方法來實現(xiàn)程序的左移。顯示數(shù)據(jù)與列的對應關系為：第i列對應的數(shù)據(jù)為數(shù)組中i和第2×i個數(shù)據(jù)。顯示數(shù)組中，第1至16個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第1至第8行。同理第17至32個元素的第8至第1位LED顯示屏中的第9至第16行。所以將元素數(shù)據(jù)進行邏輯位移便能產(chǎn)生左移動的效果。

軟件硬件完成后開始進行調(diào)試。調(diào)試可分為硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。

硬件調(diào)試主要是調(diào)試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設計要求，最后測試各硬件部分能否完成設計功能。因此把硬件調(diào)試按照以下四部分分步來進行：

1. 測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在；

2. 通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設計要求的范圍內(nèi)；

3. 測試USB下載的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)；

4. 測試覆銅板上的線路是否存在短路斷路；

由于最重要的顯示系統(tǒng)功能的測試需要軟件配合所以在硬件調(diào)試部分只測試單片機復位電平，功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試部分來完成。

檢測工具為萬用表，使用萬用表的短路報警功能，逐個測試相臨的兩個焊點檢測是否短路。按照電路圖檢測需要連接的兩點是否短路來檢測是否已經(jīng)連接上，以此來檢測虛焊的情況。檢測和修改完成后為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起檢測結(jié)果不真實的麻煩。

由于系統(tǒng)測試時是采用USB電源為系統(tǒng)電源，所以電源輸入都為5V。顯示系統(tǒng)中單片機、譯碼器，鎖存器，驅(qū)動電路的電源電壓均要求為5V所以可同時直接接入。

上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過觀察，沒有這些現(xiàn)象出現(xiàn)。然后測試各器件的電源，接地及一些電平應該固定的端口的電壓。測試的結(jié)果為：各器件電源端在4.3V～4.8V之間滿足器件的電源電壓要求，單片機端口在未接負載時端口電壓為4.5V。

由于已經(jīng)進行了硬件調(diào)試，所以軟件調(diào)試主要是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現(xiàn)性。在進行功能調(diào)試前必須用KEIL C對所有程序進行編譯，編譯成功生產(chǎn)可執(zhí)行的.hex后將程序燒入芯片中。如圖5-1，5-2所示：

圖5-1生成.hex文件

圖5-2下載

經(jīng)過一段時間的工作，終于完成了基于51單片機的LED顯示系統(tǒng)的設計，設計所要求的功能全部達到。通過這次設計收獲頗多，不僅是所作項目涉及到的軟硬件知識還有更為重要的實際經(jīng)驗和過程中所發(fā)現(xiàn)的問題。

接手項目之后從互聯(lián)網(wǎng)上對LED進行了詳細的資料收集，從技術和產(chǎn)業(yè)的兩方面對LED進行了了解。通過了解我認識到LED是一門當今應用非常廣泛的技術，整個產(chǎn)業(yè)每年都會有巨大的產(chǎn)值而且技術還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

從設計之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實現(xiàn)方法和實際情況設計一款小屏幕的LED點陣顯示屏。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了項目的設計方案。整個設計采用STC89S52RC做核心控制器，74LS154做成譯碼電路，74HC595做成列驅(qū)動。在實現(xiàn)這一設計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗和深刻教訓。這些經(jīng)驗和教訓是：

1. 設計之前應該進行大量的資料收集和分析，確定一個清晰的設計思路；

2. 器件選擇時要詳細閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實現(xiàn)還要考慮器件在整個系統(tǒng)中的兼容性；

3. 硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實物建立之前最好進行仿真這樣才能為軟件提供一個可靠的試驗平臺；

4. 軟件的編寫不但要實現(xiàn)功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。

5. 電路板的制作過程中要不斷自己的去實踐和發(fā)現(xiàn)捷徑，從而更快更好的完成整個設計的制作。

隨著課題的進行，對LED的了解也越來越深入。認為LED技術也會進一步發(fā)展，LED應用將會更加廣泛�？梢栽O想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術相結(jié)合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內(nèi)容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。

設計結(jié)束了，但學習還在繼續(xù)。我相信通過此次設計所得到的知識、心得、經(jīng)驗乃至感受都會讓我在以后的日子里受益匪淺。