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1、I 图形在电子显示屏上实现的设计图形在电子显示屏上实现的设计 摘 要 电子显示屏的应用范围越来越广泛,它作为一个重要的宣传平台,已经受到全社会 的普遍认可,本设计采用单片机为控制核心,通过 8*8LED 电子显示屏及相关的外围电路, 设计制作了一个 16*16 点阵 LED 电子显示屏。 本文主要内容是基于单片机控制 LED 点阵显示屏的设计方案,阐述了 16*16 点阵 LED 显示屏的设计原理与思路,详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程,本论文重点阐 述了显示模块及相关驱动模块等模块化设计思路与制作方法。主要是以美国 ATMEL 公司 生产的 40 脚单片机 AT89S52 为核心,利用
2、 AT89S52 单片机作为控制器件,采用 74HC154 和 74HC595 设计一个 16*16 的 LED 点阵的显示屏。介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电 子显示屏的设计和开发过程。通过该芯片控制一个行驱动器 74HC154 和列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像,全屏只能显示 1 个汉 字,采用 4 块 8*8 点阵 LED 显示模块来组成 1 个 16*16 点阵显示模式。显示采用动态显 示,使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。文中详细介绍了 LED 点 阵显示电路的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软
3、件的程序设计, 以及使用说明等。主要包括了 LED 点阵显示模块硬件结构、点阵显示屏原理图、循环扫 描过程、字模编码的提取、编程流程图、Keil C51 部分程序以及试验结果。通过对点阵 显示屏的硬件设计和软件设计,使得该系统可显示出简单的图像,并且无闪烁,还能通 过按键进行图形的切换,基本符合设计要求,特别是本系统中 LED 显示屏的内容可以通 过 PC 进行实时修改,实时显示。通过软硬件加强设计,使得系统能够稳定工作,提高其 抗干扰能力。 关键词:LED 显示屏,16*16 点阵,AT89S52 单片机 II Design of graphic in the electronic disp
4、lay Abstract Electronic display more and more extensive range of applications, it is important as a communications platform, has been widely recognized by the whole society, this design uses the microcontroller as the control center by 8 * 8LED electronic display and related peripheral circuits, des
5、ign a 16 * 16 dot matrix LED electronic display. The main contents are based on microcontroller design LED dot matrix display, described LED 16 * 16 dot matrix display design principles and ideas, described in detail the system hardware and software realization process, this paper focuses on the dis
6、play modules and related modules, such as modular drive design ideas and production methods. Produced mainly in the United States, 40 feet ATMEL AT89S52 microcontroller core, using AT89S52 microcontroller as a control device, using 74HC154 and 74HC595 design a 16 * 16 LED dot matrix display. Introdu
7、ced for the control system for its electronic display LED dot matrix design and development process. The chip is controlled by a row driver and column driver 74HC595 74HC154 to drive the display shows. The electronic display can display a variety of text or monochrome images, full screen can only di
8、splay a character, using four 8 * 8 dot matrix LED display module to form a 16 * 16 dot matrix display mode. Display dynamic display, making the graphics or text to achieve stationary, moved out of the other display. Described in detail the hardware LED dot matrix display circuit design ideas, the f
9、unction of various parts of the hardware circuit and the principle, the corresponding software program design and the use of descriptions. Including the LED dot matrix display module hardware, dot matrix display schematic, circular scanning process, the extraction font encoding, programming flowchar
10、ts, Keil C51 part of the program, and test results. Dot matrix display on the hardware design and software design, making the system can display a simple image, and no flicker, but also through the button to switch the graphics, basic design requirements, in particular, the system LED display real-t
11、ime content can be modified through the PC, real-time display. Through hardware and software to strengthen the design, making the system work to stabilize and enhance its anti- jamming capability. Key words:led display , 16*16 lattice , AT89S52 Microcontroller III 目 录 第 1 章 绪论.1 11 引言1 12 研究背景1 13 L
12、ED 显示屏的现状及发展趋势1 131 LED 显示屏的现状 1 132 LED 显示屏的发展趋势 2 133 LED 显示屏发展存在问题 4 14 主要研究内容5 第 2 章 系统的设计方案.6 21 系统总体设计方案6 22 显示部分方案的选择.7 23 与 PC 机通信电路方案的选择7 24 电源电路方案的选择.8 第 3 章 系统控制器件的选择及其软件的使用.9 31 系统控制器件的选择.9 32 系统使用的软件.11 第 4 章 系统设计的实现.14 41 电子显示屏的设计.14 411 电子显示屏硬件设计.14 412 电子显示屏软件设计.16 42 单片机最小系统设计.17 43
13、 与 PC 机通信电路的设计18 44 稳压电源的设计.20 第 5 章 系统测试.21 51 系统各模块的连接.21 52 系统测试.22 结论.25 参考文献.26 IV 谢辞.27 附录 1 LED 点阵显示屏实物图 .28 附录 2 源程序29 图形在电子显示屏上实现的设计 1 1 第 1 章 绪论 11 引言 LED 显示屏又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由 LED 点阵组成,通过红色或绿色灯珠 的亮灭来显示文字、图片、动画、视频,内容可以随时更换,各部分组件都是模块化结 构的显示器件。通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由 LED 灯组成的 点阵构成,负责发光显示;控制系
14、统通过控制相应区域的亮灭,可以让屏幕显示文字、 图片、视频等内容,恒舞动卡主要是播放动画的;电源系统负责将输入电压电流转为显 示屏需要的电压电流。本文在介绍 LED 显示原理的基础上,重点介绍采用单片机 AT89C51 控制 74HC154 和 74HC595 芯片实现 LED 点阵显示屏控制的设计方案。 12 研究背景 随着数字技术的飞速发展,LED 电子显示屏开始广泛应用到各行各业。LED 电子显示 屏亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定 1。LED 的 发展前景极为广阔,目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的 发光均匀性,可靠性、全色化方向发展。
15、 可运用于户外广告 LED 显示屏、体育用 LED 显示屏、交通用户外 LED 显示屏和演出 LED 彩幕屏、展览用 LED 显示屏、租赁用 LED 显 示屏、集会用 LED 显示屏等领域2。 13 LED 显示屏的现状及发展趋势 131 LED 显示屏的现状 LED 显示屏是上世纪 80 年代后期在全球迅速发展起来的新型显示产品,以可靠性高、 使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、使用成本低等特点,迅速成长为平板显示的 主流产品3。 我国 LED 显示屏产业的发展,主要技术和主导产品基本上都是立足国内自主开发的, 在技术发展历程中,形成了一系列代表产品,从上世纪 90 年代初的单色显示屏到
16、90 年 代末的全彩色显示屏,关键技术不断深化。不同的历史时期,我国 LED 显示屏产业都有 在技术和市场方面的代表产品。 我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时,产品技术推陈出新,一直保持比较先进的 水平。90 年代初即具备了成熟的 16 级灰度 256 色视频控制技术及无线遥控等国先进水 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 2 平技术,近年在全彩色 LED 显示屏、 256 级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多 级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现;LED 显示屏控制专 用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED 显示屏产业正成为我国电 子信息产
17、业的重要组成部分,也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 近期 LED 显示屏的技术发展主要在以下领域:LED 显示屏的显示颜色、亮度、视角等 性能指标的综合改善和提高;色彩和灰度控制技术发展,有效提高全彩色显示屏的色彩 还原能力和视频质量;恒流驱动控制技术得到广泛应用,LED 驱动 IC 及 LED 制造商自主 设计开发的 LED 专用 IC 也有一定应用;在系统技术方面,应用了自动检测、远程控制等 技术,提高整体的稳定性和可靠性;在产品结构工艺上,显示屏的平整度、散热和防护 等级等受到厂家关注和重视4。 在新产品和新的应用领域方面,近年也有新的拓展。随着显示屏行业和技术的发展,
18、 有不少企业开发了具有自主知识产权的显示技术,并拥有多项专利和商标5。 随着科学的进步,通信、电子、测量等技术的飞速发展,人们对显示器的显示质量 的要求越来越高,传统的显示器接受着越来越多的挑战,国内的显示屏制造商,经过这 十几年的发展,进步非常快,但和欧美日等发达国家相比,还是有一定的差距,特别是 其中最主要的显示器件 LED 的封装工艺及设计水平,还是有不足之处。这还需要各 LED 显示屏企业齐心协力,为提高我国 LED 显示屏的整体技术水平而共同努力,让中国成为 LED 显示屏制造强国。 132 LED 显示屏的发展趋势 现代信息社会中,作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速
19、发展, 进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代,LED 显示屏作为平板显示的主导产品之 一无疑会有更大的发展,并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品6。 我国 LED 显示屏产业自上世纪 90 年代以来,在规模迅速发展的同时,产品技术也推 陈出新,一直保持了在该领域内比较先进的水平。LED 显示屏控制专用大规模集成电路也 已由国内企业开发生产并得到应用。 (1)产业规模不断扩大 经过十余年的发展,我国 LED 显示屏产业基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。 据行业协会的不完全统计,从 1998 年以来,我国 LED 显示屏行业持续高速速度增长,产 业规模不断扩大7。 目前国内主要
20、 LED 显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域,大型制造商 的市场范围几乎覆盖整个国内市场。就整个行业来说,具有较强的开发能力。国产 LED 显示屏的性价比比较高,市场占有率近 100%。 (2)产品规范和标准化受到重视 图形在电子显示屏上实现的设计 3 3 在 LED 显示屏标准化领域,我国保持了比较领先的水平。在我国 LED 产业的发展中, 产品的规范和标准化较早就受到重视并取得了积极的成果。 交通部、公安部、铁道部、国家体育总局等应用部门,根据具体行业使用中对 LED 显示屏的不同要求,近年也相继制订和推出了相关的 LED 显示类产品标准,使我国在 LED 显示屏方面的标准体系日
21、臻完善8。 (3)市场保持持续增长 从 1993 年至今,全国 LED 显示屏市场保持持续增长,年平均增长率为 40%左右。从 市场增长速度来看,我国 LED 显示屏市场的年增长率 1996、1997、1999、2000、2001 年 均在 40%左右,只有 1998 年为 30%。2003 年 LED 显示屏行业总体发展比较快,规模型企 业有所增加,产业逐步成熟。属于增长迅速、发展较快的新兴市场领域9。 (4)技术不断推陈出新 LED 显示屏的技术范围包括半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信 息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工 程相关技
22、术10。在 LED 显示屏技术中,以下方面的技术在实践中不断提高并普遍受到关 注和重视。 显示颜色、亮度和视角 基础半导体工业的迅猛发展,带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进,在 颜色与亮度方面都有了质的飞跃,高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并得到应 用。目前 LED 显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要 求,四元素的红色 LED 器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用。 在显示屏制作上采用 SMD 表贴技术的 LED 器件,可以获得更好的视角和亮度,目前 已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用,但相对成本比较高,随着器件成本的降低, 未来会
23、有比较大的市场潜力。 灰度控制技术 LED 显示屏在进行图文显示时,对同一基色采用级差间隔亮度,实现颜色的组合,一 般可做到 16 级、64 级、256 级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉特性,出现了非线 性级差调灰技术,即在低亮度区级差小,增加级数,逐步到高亮度区时增大级差,形成 视觉效果上的“级差一致性” 。目前 LED 显示屏灰度控制一般都在 256 级,通过采用非线 性调灰技术,显示屏的显示效果比较理想。实际上,受数据、图像的信号源的制约,单 纯追求大数量级的灰度控制,在使用中的实际价值是值得商榷的11。 驱动电路 LED 显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的,原理比
24、较简单,价 格便宜,产品的技术开放性比较强。通用 IC 设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示 屏方面应用成熟,目前仍然是主流的驱动电路。近年恒流驱动 IC 的发展较快并受到重视 和广泛应用。恒流驱动技术根据 LED 器件的发光与驱动电流高度相关的特点,大大提高 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 4 了 LED 显示的均匀性,同时,减少了显示驱动电路的阻容元件,降低了故障点,使 LED 显示屏更可靠、亮丽。 LED 显示屏专用的 IC 在国内外一直受到关注。近年,国外的 IC 制造商相继推出一些 用于 LED 显示的专用 IC 驱动芯片,如 TI 公司推出的 LED Driver 等,这
25、类芯片对原来通 用驱动 IC 的集成度进行了提高,使显示屏的驱动电路设计简捷方便,功能上也有所提高, 但同时成本也相应增加12。 国内外 LED 显示屏制造商纷纷投入力量,研制开发设计适合自己产品发展需要的大 规模或超大规模专用 LED 驱动电路。这类专用 IC 相对复杂,功能较强。LED 专用驱动 IC 简化了显示屏系统设计的复杂程度,在一定程度上增强了显示屏的功能,提高了整体的 稳定性,具有积极的意义。但是,也应该看到,我国各个 LED 制造商设计开发的 LED 专 用驱动 IC 基本上是自用,批量规模不够,导致产品的开放性差,另外,过分追求一些实 际意义不大的功能的设计,从价值成本方面分
26、析也不尽合理。 系统控制技术 显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输 出接口电路等,涉及的具体技术很多,其中为业内关注并研究开发和应用的关键技术包 括:串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制 技术等。 通信传输和网络控制 根据对信息传输显示的实时性,LED 显示屏的通信传输控制有通信传输和视频传输。 视频传输方式则是把 LED 显示屏与多媒体技术结合起来,实现了在 LED 显示屏上实时显 示计算机监视器上的内容,也可播放录像及电视节目,一般用于播放实时信息的显示屏 都采用视频控制方式。具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。
27、 另外,随着计算机网络技术的发展,LED 显示屏在网络环境下的使用情况越来越多, 在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中,采用智能化网络控制,联网控制多屏 技术也在实际中得到应用13。 133 LED 显示屏发展存在问题 目前全球有 80%的 LED 大屏幕生产在中国大陆,普遍采用 16 通道恒流器件设计,短 期内还会继续延续,至少未来 5 年内不会消失,最主要的原因是配套控制技术成熟,产 品已经系列化,除非系统控制技术和芯片设计有巨大的飞跃,成本进一步的降低,否则 现状不会改变。近年来,不少的公司不断的推出新架构,都未来得到市场认可。LED 屏幕 最大的问题是通过控制技术改变 LED 的
28、颜色一致性,新的技术没有大的突破之前,对应 用者吸引不大,购买意愿不强。 在驱动应用技术上,色彩的矫正技术亟待解决的瓶颈,显示屏衰减一致性问题突出, 图形在电子显示屏上实现的设计 5 5 波长矫正和亮度矫正是下一个重点突破目标,首先是解决亮度一致性问题,再而是波长 的一致性矫正。这是世界性难题,也是当前亟待解决的技术难题。 控制技术的发展国内已经走在前列,存在的问题是在新的控制理念上停滞不前,原 因是控制器厂家和 IC 设计厂家配合不畅,各自为政,驱动技术和控制技术不能很好的衔 接,采用 16 通道兼容性设计发展成熟度高,新的控制技术推出很少,更谈不上技术的革 新。举例:MBI5026 设计
29、LED 屏幕长达十几年之久,到目前的 MBI5024 也只不过是减低电 流,应对竞争激烈的价格而已,并没有技术上的突破。台湾聚积公司先后也推出了多款 升级 IC,并没有得到很好的应用,是控制技术的缺失造成的。在电脑技术飞速发展的今 天,可以替代简化控制器的规模,但是技术的移植也需要 IC 设计厂家的支持,市场缺失 控制技术和芯片驱动整合性的方案提供商14。 14 主要研究内容 LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域,主要包括: 证券交易、金融信息显示、 机场航班动态信息显示 、港口、车站旅客引导信息显示、 体育场馆信息显示、道路交 通信息显示 、调度指挥中心信息显示、邮政、电信、商场购物中
30、心等服务领域的业务宣 传及信息显示、广告媒体新产品。 本文设计的电路主要采用 16*16 的 led 点阵来显示,通过驱动芯片 74HC154 和 74HC595 来对点阵的行列进行控制,使得 LED 点阵能够显示出图像、文字等信息。由于 74HC154 芯片的输出是反向的,所以在其输出段使用三极管进行反向放大。通过对电路分 析,确定了元器件的参数,并利用 proteus 软件仿真电路的理想输出结果,克服了设计 LED 显示屏在显示过程中闪烁等电路方面存在的技术难题,使得设计的 LED 显示屏结构简 单,实现方便。通过本次毕业设计,完成电路板的制作,并通过调试,使电路工作正常。 本次设计的内容
31、是在 LED 电子显示屏上显示出图像,运用 LED 点阵显示的原理,利 用 AT89S52 单片机作为控制器件,设计出 LED 点阵显示屏,通过硬件电路的设计和单片 机软件设计的综合控制,使得该系统能够显示出图形图像、画面清晰、无闪烁、系统的 稳定性良好,并且设计出来的显示屏美观实用。该显示屏在显示上具有优良的显示能力, 在未来的显示技术上有良好的发展前景。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 6 图形在电子显示屏上实现的设计 7 7 第 2 章 系统的设计方案 21 系统总体设计方案 本次毕业设计的内容是一款基于单片机控制 LED 点阵显示的原理,利用 AT89S52 单片 机作为控制器
32、件,采用 16*16 的 LED 点阵设计一个显示屏。通过 AT89S52 单片机控制 74HC154 和 74HC595 芯片来驱动 16*16 的 LED 点阵,实现图形图像的显示。该系统能够稳 定的显示出图形图像,并且无闪烁。 系统总体设计框图如图 2-1 所示。 单片机 AT89S52 与 PC 通信 电路 按键控制 16*16LED 显示屏 电源模块 LED 驱动 模块 图 2-1 LED 显示屏系统框图 利用单片机 AT89S52 控制 74HC154 和 74HC595 芯片来驱动 16*16 的 LED 点阵显示屏, 实现图形在电子显示屏上的实现。它包括电源部分、与 PC 通信
33、部分、显示部分和显示驱 动器等。通过对单片机进行相应的编程设置,可实现图形图像在 16*16 的 LED 电子显示 屏上的显示,并且能够通过与 PC 机通信的部分实现实时对单片机的修改,使得 LED 显示 屏能够显示出不同的图像,图像稳定无闪烁感。 其工作原理是:利用单片机 AT89S52 作为核心控制器件,控制 74HC154 和 74HC595 芯 片来驱动 LED 点阵显示屏,使其能够显示出图形图像,通过使用 74HC373 实现与 PC 的并 口通信,实现和 PC 机通讯,通过 PC 机并口直接对显示信息进行更新。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 8 22 显示部分方案的选择
34、显示部分是本次设计最核心的部分,对于 LED16*16 点阵显示有以下两种方案: 方案一:静态显示方式,是用单片机控制驱动芯片使得 LED 灯点亮,并通过驱动芯 片的锁存器将使 LED 灯保持点亮状态,在一帧图像中,每个二极管能够显示出亮暗不同 的状态,LED 显示屏上的每个 LED 灯的亮暗状态能够保持到下一帧图像的到来。对于这样 的显示方式,所需的硬件电路非常复杂,特别是使用的驱动电路特别多,布线时复杂、 烦乱,而且容易出错,成本相对也较高,但是其显示的稳定性较好,编写程序时也比较 简单。 方案二:动态显示方式,对一幅画面进行分割,对组成画面的各个部分分别进行显示。 这样的动态显示方式,可
35、以避免静态显示中硬件电路复杂,引线繁多,成本高等问题。但 设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁等问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易 实现,又要保证图像稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复 用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利 用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素,其实当静态图像 以每秒 24 帧显示时人眼是很难分辨出来的,当扫描刷新频率(发光二极管的停闪频率) 为 50Hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感。动态的显示方式使 用的硬件电路较为简单,引线也相对较少,制
36、作起来也方便快捷,但是在程序上较为复 杂。 通过比较,方案二中电路简单,成本较低,设计方便快捷。综合考虑各种因素,选 择方案二,使用动态显示方案。 23 与 PC 机通信电路方案的选择 方案一:串口通信 AT89S52 串行口采用的是 TTL 电平,因此必须的有电平转换电路,利用 MAX232 实现 对其进行转换。采用单电源电平转换芯片 MAX232A 可以使电路变得简单,可靠。 串行通信电路图如下: 图形在电子显示屏上实现的设计 9 9 图 2-2 串行通信电路图 方案二:USB 转 ISP 通信 由于 AT89S52 无法用串口进行下载程序,而使用 ISP 下载方式。通过 USB 进行下载
37、 程序方便快捷,稳定性好,现在大多数 PC 机和笔记本上已经没有串口和并口,最常见的 是 USB 口。但是 USB 转 ISP 通信同样需要用单片机作为其控制转换芯片,并且需要在单 片机上做控制驱动程序,此方法较为复杂,不易调试,容易出错。成本也较高,不如直 接买成本来的划算。 方案三:ISP 并口通信电路 AT 系列芯片使用较多的是 ISP 下载电路,通过并口 25 针引线进行下载,此方法设计 电路简单,使用的电路以及芯片上的选择多样,但总体的基本原理一致。 并口 ISP 下载电路多种多样对应选择的器件有 74HC373、74HC541 和 74HC244.其实用 哪个器件都可以,只要弄清楚
38、了它们的并口引脚和控制线的控制方法。ISP 下载使用的电 路简单,使用的器件最少,制作简单,成本较低。 由于我使用的是 AT89S52,不支持串口下载,在加之 USB 通信电路复杂,成本较高, 不易于调试,所以决定采用电路简单,成本较低的 ISP 并口下载。 24 电源电路方案的选择 方案一:采用普通电池。一节干电池电压是 1.5V 使用 3 节干电池对显示屏电路进行 供电,简单方便,但是电压不易调节,而且电池的供电量有限。 方案二:采用稳压电源。可调节的稳压电源使用于多种场合,电源电压可以从 0 调 到 12V,稳压源供电方便,简单有效,只要接到 220V 的工频交流电就可以使用,使用方 便
39、,即插即用。具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等特点。电路简单,方便 制作。 方案三:采用开关稳压电源。开关型稳压电源就是采用功率半导体器件作为开关, 通过控制开关的占空比调整输出电压。同时开关型稳压电源直接对电网电压进行整流滤 波调整,然后由开关调整管进行稳压,不需要电源变压器;此外,开关工作频率在几十 千赫,滤波电容器、电感器数值较小。因此开关电源具有重量轻,体积小等特点。由于 功耗小,机内温升低,从而提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也 有较大的提高,开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。电路结构复杂,故障 率高,制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高 。 为
40、了使电路能够持续性的工作,以及其能够适应于大多数场合(大部分地方都有插 座) ,减低成本以及方便制作和使用,所以决定采用方案二。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 10 第 3 章 系统控制器件的选择及其软件的使用 31 系统控制器件的选择 1、核心控制器件的选择 一个多功能 LED 显示屏系统中最为核心的器件是控制系统中的单片机,这里我使用 的是 Atmel 公司的 AT89S52 单片机,此芯片功能强大,在整个系统中充当“大脑”的角 色,不但要负责对数据的接收和输出,还要负责对数据进行处理、记忆和对外围设备的 控制。单片机作为核心控制器件,在本系统中掌控着全部的系统功能。 采用52系
41、列的单片机比51的单片机功能更为强大,AT89S52单片机是是一种低功耗、 高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度 非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序 存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定 时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向
42、量2级中断结构,全双工串行 口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选 择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一 个中断或硬件复位为止。 主要功能 与MCS-51单片机产品兼容,8K字节在系统可编程Flash存储器,1000次擦写周期,全静 态操作:0Hz33Hz,三级加密程序存储器,32个可编程I/O口线,三个16位定时器/计数器, 八个中断源,全双工UART串行通道,低功耗空闲和掉电模式,掉电后中断可唤醒,看门狗定
43、时器,双数据指针,掉电标识符。 图形在电子显示屏上实现的设计 1111 图 3-1 AT89S52 芯片管脚图 2、LED点阵显示屏显示接口芯片选择: 方案一:采用并口输入,占用大量IO口资源,编程时难度也增加了。 方案二:采用串口输入,占用IO口较少,所以选用串口输入。 行驱动芯片可供选择的有常用的74HC138、74HC164和74HC154,这里我选用的是 74HC154芯片,因为LED显示屏采用的是16*16的点阵,行16,列16,若使用74HC138做驱 动芯片要占用6个IO口,而采用74HC154芯片只需要用到4个IO口,节约了单片机IO口资源, 编程也简便。74HC154可作为4
44、线16线译码器,由于输出端是低电平有效,需要外加三极 管进行反向。74HC164芯片是8位串入、并出移位寄存器 ,不适合使用, 所以选用 74HC154芯片。 图3-2 74HC154芯片管脚图 列驱动芯片采用74HC595,74HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器,输出 端口为可控的三态输出端,亦能串行输出控制下一级级联芯片。它的特点是:高速移位 时钟频率Fmax25MHz,标准串行(SPI)接口,CMOS 串行输出,可用于多个设备的级联, 低功耗:TA =25时,Icc=4A(MAX)。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 12 图3-3 74HC595芯片管脚图 管脚
45、连接时要特别注意数据输入时钟线与输出锁存器时钟线不要接反。74HC595各个 管脚的使用方法如下表所示: 表3-1 74HC595管脚说明 管脚编号管脚名 说明 1、2、3、4、 5、6、7、15 QAQH 三态输出管脚 8GND 电源地 9SQH 串行数据输出管脚 10SCLR 移位寄存器清零端 11SCK 数据输入时钟线 12RCK 输出锁存时钟线 13OE 输出使能 14SI 数据线 15VCC 电源端 使用74HC595进行编程时可由真值表了解各个控制线路的高低电平状态,在结合时序 图进行分析、编程。 表3-2 74HC595真值表 输入管脚 SISCKSCLRRCKOE 输出管脚 X
46、XXXH QA-QH 输出高阻 XXXXL QA-QH 输出有效值 XXLXX 移位寄存器清零 L 上沿 HXX 移位寄存器存储 L H 上沿 HXX 移位寄存器存储 H 图形在电子显示屏上实现的设计 1313 X 下沿 HXX 移位寄存器状态保持 XXX 上沿 X 输出存储器锁存移位 寄存器中的状态值 XXX 下沿 X 输出存储器状态保持 32 系统使用的软件 此次设计使用的软件有 Keil C51 编程软件,proteus 仿真软件,还有 easy 51pro 软 件用于程序下载。 在制作 LED 点阵显示屏前,通过 Keil C51 编译产生 HEX 文件,将其导入到 proteus 中
47、仿真,仿真成功后利用 easy 51pro 下载软件将 HEX 文件导入到单片机中运行。 用 proteus 软件仿真图如下: 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 14 图 3-4 显示屏仿真图 下载软件我用的是 easy 51pro,该编程器下载简单,使用方便,如下图: 图 3-5 Easy 51Pro 软件 使用该软件进行编程时要注意硬件电路的连接于软件设置部分要吻合,并口引脚的 设置连接对应于软件接口,在 easy 51pro 下有个 EasyIsp.ini 文件,里面记录了引脚控 制线的接法,入下图: 图形在电子显示屏上实现的设计 1515 图 3-6 Easy 51Pro 软件控
48、制引脚与并口连接 图中单片机接口对应并口号的设置在硬件电路上的连接要特别注意,连接线接错很 容易导致无法识别,无法导入程序。 编程软件使用的是 Keil C51,如下图所示: 图 3-7 Keil 编程软件 第 4 章 系统设计的实现 41 电子显示屏的设计 411 电子显示屏硬件设计 LED 点阵显示使用的是数据串行输入, 器件为移位寄存器 74HC595, 门控和扫描信号 常以 16 点阵为一行进行并行处理。在点阵显示中以 88 个 L ED 点阵构成一个 L ED 显 示单元, 采用行共阳列共阴的编排方式。其驱动分为行列两部分, 分别来自于行译码器 74HC154 和列移位寄存器 74H
49、C595, 行数据是扫描数据, 16 行中每次只有一行被驱动, 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 16 采用逐行扫描方式, 列数据则为汉字的点阵码,列数据的输入是采用串行输入,通过移 位器存器后进行锁存,使数据显示出来。对于字符和图形显示也可以用点阵处理, 其显 示原理和方法相同。 行驱动芯片 74HC154 的输出是低电平有效,故在外加 PNP 三极管进行电压反向,增 加电位器用于限流,便于调节 LED 灯亮度。 图 4-1 LED 点阵显示屏原理框图列扫描部分 图形在电子显示屏上实现的设计 1717 图 4-2 LED 点阵显示屏原理框图行扫描部分 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 18 412 电子显示屏软件设计 (1)74HC154 驱动芯片中 G1、G2 为选通端,是低电平有效,通过软件可对其进行通 断控制。 (2)74HC595 移位寄存器中有 4 个口可以通过软件进行控制,移位数据 SI,数据输 入时钟线 SCK,输出存储器锁存时钟线 RCK,OE 输出使能端。通过了解 74HC595 时序图掌 握控制移位寄存器方法,方便程序的编写。74HC595 时序图如下: 图 4-3 74HC59
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