基于单片机的点阵显示设计毕业论文.doc

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1、 基于单片机的点阵显示设计毕业论文目录 第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 论文设计要求11.3 设计容2第2章 方案论证与选择31.1 系统硬件方案32.1.1 显示屏主控制器32.1.2 通信系统42.1.3 LED点阵显示屏52.1.4 硬件设计方案62.2 系统软件方案72.2.1 单片机编程语言72.2.2 系统软件编译器介绍82.2.3 上位机控制传输软件8第3章 系统硬件设计93.1 硬件整体设计概述与功能分析93.2 控制单元设计103.2.1 AT89C51简介103.2.2 控制系统设计133.3 译码电路设计143.3.1 74HC154 4-6 线译码器143.3

2、.2 74HC154译码电路163.4 通信系统硬件设计163.5 电源设计173.6 大屏幕LED显示屏18第4章 系统软件设计204.1 程序设计204.2 显示程序的设计214.2.1 LED显示屏的显示方式214.2.2 点阵数据表达方式214.2.3 显示程序的设计224.3 通信程序的设计24第5章 仿真调试265.1 程序编写265.2 硬件仿真285.3 仿真结果30结 论31参考文献32附录1： 硬件原理图33附录2： 设计程序3434 / 36第1章 绪 论1.1 课题背景LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万至几十万个半导体发光二极管

3、像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。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。LED显示屏的应用涉与社会经济的许多领

4、域，主要包括：（1） 证券交易、金融信息显示。（2） 机场航班动态信息显示。（3） 港口、车站旅客引导信息显示。（4） 体育场馆信息显示。（5） 道路交通信息显示。（6） 调度指挥中心信息显示。（7） 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传与信息显示。（8） 广告媒体新产品等。1.2 论文设计要求针对设计题目的特点，对论文的设计容要求如下：（1） 利用单片机控制技术控制LED的显示，再结合单片机的程序作线路布置，即硬件设计。（2） 行列电路设计，分析电路图确定整个系统大概的规模。（3） 进行系统分析，通过系统分析，确定该系统该具有那些功能，有那些模块，各个模块之间是怎样联系的，以与怎样组

5、合的。（4） 确定所需的元器件，然后通过电路图进行连接。（5） 集合程序调试，调试整个的系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并找出程序中的错误，改正这些错误。（6） 最终能在LED电路板上显示所要的图形或汉字。1.3 设计容本设计在绪论里主要介绍LED显示的发展背景，设计容的要求，本设计的章节结构安排与使用的技术。把系统总体设计作为第二部分，在这部分里介绍了各种元器件以与芯片的选择； 第三部分是硬件电路的设计；主要对AT89C51芯片的具体介绍，时钟电路，复位电路，74HC154译码电路，点阵式汉字LED显示屏电路设计等一些硬件进行分析。这一部分是本设计的重点。第四部分是系统软件设计，主

6、要是用汇编语言对图形汉字编程设计；第五部分是程序仿真。第六部分是总结，参考文献和附录。第2章 方案论证与选择1.1 系统硬件方案大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。如图2-1所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统与PC机四部分组成。PC机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示容和显示方式。 PC机 通信部分 控制部分 显示部分 PC机 通信部分 控

7、制部分 显示部分图2-1系统硬件组成框图2.1.1 显示屏主控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、与EDA技术。几种设计方法比较各有其特点：（1）单片机单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样 CPU 从8，16，32到64位，多采用RISC 技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/ D，“ 看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等

8、，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS 过渡。供电电压由5V 降到3V，2V甚至到1V，工作电流由m A降至A ，这在便携式产品中大有用武之地。（2）DSP 芯片DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算与大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以与流水线结构。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进

9、行，以与流水线技术，这使得速度有了较大的提高。DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以与特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA 软件平台上，对用硬件描述语言HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合与优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等

10、。设计者只需用HDL 语言完成系统功能的描述，借助EDA工具就可得到设计结果,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，软件编写可以采用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠

11、。三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。2.1.2 通信系统 通信部分要满

12、足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。（1）并行通信并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。（2）串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机部的数据是并行的。因此，当计算机向外发送数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。反之，又必须将串行数据转换

13、为并行数据输入计算机中。这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。单由软件实现会增加CPU负担，降低其利用率，故目前常采用硬件实现。通用的通用异步接收/发送器，简称UART（Universal Asynchronism Receiver/Transmitter）是完成这一功能的硬件电路。在单片机芯片中，UART已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口。 综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的UART已经集成在单片机，所以通信系统选择串行通信为通信方式。2.1.3 LED点阵显示屏显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以与驱动该显示屏的驱动电路。由于单片机的I/O

14、口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图2-2所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。目前市场上普遍采用的点阵模块有88、1616几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省

15、约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。这就加大了维修的成本。两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。所以构建一个1616的LED点阵屏选用四块88点阵模块。图 2-2 LED点阵图一个1616的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。常用的串并转换芯片有74HC154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。51系列单片机

16、端口低电平时，吸入电流可达，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路。2.1.4 硬件设计方案最终方案如图2-3所示，以PC机作为上位机存储和处理显示容用串行通信的方式将显示容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的容和指令通过端口译码扩展后驱动4块88LED点阵模块构成的1616的LED点阵显示屏。题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。图2-3硬件设计方案2.2 系统软件方案软件的设计除了满足设计功能外

17、还必须要满足易读写，方便下载和编译。设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种特效显示子程序，通信程序三个主要部分组成。具体结构如图2-4所示。 图2-4 软件功能结构框图软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种适宜的语言以与配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。2.2.1 单片机编程语言现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和C语言。两种语言相比较各有优点。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，是一种功

18、能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快，占存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植8。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有初步了解；寄存器分配、不同存储器的寻址与数据类型等细节可由编译器管理；程序有规的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化；将可变的选择与

19、特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；编程与程序调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。基于以上理由决定采用C语言为该显示系统的编程语言。2.2.2 系统软件编译器介绍C语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，编译器必不可少。支持MCS51用C语言编程的编译器主要有两种：Franklin C51编

20、译器和KEILC51编译器。目前在单片机开发中普遍都是使用KEIL C51来进行编译。因此软件设计最终方案为采用C语言为程序语言，KELC为编译工具按照控制、通信、显示等几个功能模块来编写程序。2.2.3 上位机控制传输软件其中系统采用现在已经非常普遍的PC机作为上位机，这样对该显示系统的硬件要求便降低了，增加了系统的通用性。上位机的作用是存储并处理显示容，然后通过通信系统传送到控制系统驱动显示。LED显示上位机的容一般有实时显示和存储显示两种方法。实时显示与上位机屏幕上的容同时显示在LED显示屏上，上位机上容变化LED显示屏也跟着变化。存储显示是将显示容处理过后存储在上位机中通过通信系统传输

21、到显示屏显示。两种显示方法相比较：实时显示屏幕能与时反应上位机容的变化，显示的效果和容的实时性好多用于新闻播报、实况转播用，但实时显示硬件开销大，对通信系统要求高，工艺复杂，成本高；存储显示虽实时性不高但硬件开销小，成本低廉。课题设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示屏尺寸不时显示的容不多，所以实时显示就没有必要。所以上位机选择存储显示的方法，控制LED显示屏的显示容。第3章 系统硬件设计3.1 硬件整体设计概述与功能分析显示系统具体设计主要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和1616的点阵屏六部分组成。具体工作流程为：上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示

22、代码容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示容。根据硬件的功能结构图选取适宜器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图3-1所示。LED大屏幕显示 AT89C5键盘时钟/复位电路74HC154AT89S51图3-1 硬件原理图 该系统所要实现的功能和要求有以下几点：（1）LED显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。并且显示要清晰。（2）驱动电路要能提供LED显示所需围的电压和

23、电流要求。（3）译码电路的高低电平的区分能力以与译码的输入输出频率必须满足单片机以与驱动电路的要求。（4）单片机要能接收上位机的指令和显示容且能够处理后控制LED显示屏的显 示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。执行频率要能达到扫描显示的最低要求。（5）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。（6）由串口完成单片机与上位机的通信，通信速度和数据传输的可靠性要达到显示要求。3.2 控制单元设计控制单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来和上位机通信处理上位机发送的控制指令和显示容。并且直接输出数据通过译码电路控制LED显示屏的显示容和显示状态。在5

24、1系列单片机中选定一款适宜的机型来作为控制单元的主控芯片。根据题目的要求该芯片必须要具有的就是方便的编程能力，因为在软件设计时方便的程序下载对程序的验证和编写非常有用。还有就是为了提高LED显示屏的扫描速度，单片机的执行速度要尽可能的快。根据这两点要求，选择美国ATMEL公司生产的AT89C51为控制单元的主控芯片。3.2.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4 kB闪烁可编程可擦除只读存储器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL公司高密度非

25、易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1 000次写擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。其主要参数与引脚图与其功能如下：主要性能参数：1）与MCS-51产品指令系统完全兼容2）4k字节可重擦写Flash闪速存储器3）1000次擦写周期4）全静态操作：0Hz24MHz5）三级加密程序存储器6）128*8字节部RAM7）32个可编程I /O口线8）低功耗空闲和掉电模式9）6个中

26、断源图3-2 AT89C51结构图AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash 存储器单元，置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，

27、也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。管脚说明：VCC:供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向1/0口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在Flash编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高. P1口:P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接出4TTTL门电流.P1口管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外

28、部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时，P2口管脚被外部拉底，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在Flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管

29、脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD （串行输入口）P3.1 TXD （串行输出口） P3.2 /INT0 (外部中断0 ) P3.3 /INT1 （外部中断1） P3.4 T0 （记时器0外部输入）P3.5 T1 （记时器1外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校

30、验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在Flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用做对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用做外部存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN

31、:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET：当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在Flash编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1： 反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。 XTAL2： 来自反向振荡器的输出。3.2.2 控制系统设计控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统

32、（指单片机的可以的最小配置系统）。AT89C51的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的IO口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-2所示。图3-3 控制部分电路图3.3 译码电路设计3.3.1 74HC154 4-6 线译码器74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC154译码器可承受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。该使能

33、门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。图3-4 74HC154引脚图74HC154特性： 16线多路分配功能 电压围 2.06.0V 驱动电流 +/-5.2mA 4位二进制码输入译码至16个互斥输出 兼容JEDEC标准no.7A 温度围 o -40+85 o -40+125 ESD保护 HBM EIA/JESD22-A114D超过2000 V MM EIA/JESD22-A115-A超过200 V将4个二进制编码输入译成16个彼独立的输出之一将数

34、据从一个输入线分配到16个输出的任意一个而实现解调功能输入箝位二极管简化了系统设计与大部分TTL和DTL电路完全兼容3.3.2 74HC154译码电路译码采用的是芯片74HC154。如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输出来控制1616的LED点阵屏显示，需要32个端口。而采用了译码电路后仅仅需要79个端口便可实现控制显示。大大减少了I/O口的占用数目，为单片机扩展其他功能预留下来了空间。74HC154这种单片4 线16 线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。当两个选通输入G1 和G2 为低时, 它可将4 个二进制编码的输入译成16 个互相独立的输出之一。实现解调功能的方法是：用4 个输

35、入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。图3-5译码电路原理图3.4 通信系统硬件设计AT89C51单片机具有全双工串行UART通道，支持单片机进行数据的串行传输。除了单片机要与PC机制定通信协议，确定发送速率外还需要解决的问题就是信号电平问题。RS-232C标准规定了PC机发送数据总线TXD和接收数据总线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时传输线上的电平在315V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在315之间。但单片机串行口采用正逻辑TTL电平，即数字“1”时为5V数字“0”时为-5V，所以单片机与计算机不能直接

36、相连进行通信必须将RS-232C与TTL电平进行转换。在通用的电平转换芯片中MAX232系列的芯片以集成度高，单5V电源工作，只需外接5个小电容即可完成RS-232C与TTL电平之间的转换而成为单片机系统中的常用芯片。在该显示系统中，MAX232为通信系统中最重要的硬件组成部分15。电路如图3-6所示：图3-6 串口通信系统电路图3.5 电源设计在系统中MAX232、74LS164、74LS373、AT89S51都需要5V的供电电压，在系统开发过程中可以使用电脑USB供电。在实际的大屏幕LED显示屏设计中，用电脑USB供电明显不切实际。此时需要对民用的220V进行降压整流为5V直流电压为显示系

37、统供电。电路图如图3-7所示。图3-6 电源原理图如下图，用220V转12V的变压器进行降压后再通过一个桥式整流电路将交流电整流为直流电。最后通过5V三端稳压模块LM7805得出稳定的5V输出。3.6 大屏幕LED显示屏随着科学技术的高速发展，各种新型信息媒体，信息相关设备与手段不断涌现。LED电子显示屏由于具有所显容信息量大，外形美观大方，操作方便灵活，是近年来得到广泛应用的重要信息设备，大致有以下几类：（1）、条形显示屏 该系列可用于显示文字、表格、符号和简单图形等，控制系统体积较小，嵌入在显示屏替部，一般采用红色高亮度点阵模块，表面可外履深红色遮光薄膜，适用于多种场合发布通知、广告等信息

38、。（2）、图文显示屏 该产品主要用计算机控制，具有处理速度快、存储容量大等特点，适合显示面积较大的图文信息，可适时显示系统当前日历、时间、文件等，被广泛运用在商场、街道、广场、车站等人群或流动量大的场合。（3）、256级灰度视频显示屏该系列具有256级灰度控制功能，使没种基色可达256种颜色，图象显示细腻、柔和、颜色丰富、层次感强等特点。该系列显示屏可显示真彩色图象、电脑动画和电视机、录象机、影碟机等视频节目信息，图象清晰稳定，无噪点和闪烁感。本文介绍一种实用的汉字显示屏的制作，考虑到电路元件的易购性，没有使用8*8的点阵发光管模块，而是直接使用了256个高量度发光管，组成了16行16列的发光

39、点阵，显示屏为256级灰度视频显示屏。同时为了降低制作难度， 仅作了一个字的轮流显示，实际使用时可根据这个原理自行扩充显示的字数。构建大屏幕LED显示屏的另一种方法是将以较小的LED显示系统做为模块进行级连。由独立的LED显示系统组成一个大的LED显示系统。其中各子显示系统之间在功能和控制上都是相互独立的，将一幅大屏幕画面拆分为几块小画面再分别送入到各子系统中，各子系统同步显示便可以得到一幅大的画面。使用这种级连的方法可以避免51单片机晶振频率低的弱点，更容易实现大屏幕的显示。但这种方法仍然存在难点，一是各独立的子系统的通信和协调性要求更高了，如果要实现显示容的实时性必须需要上位机不断更新显示

40、容则增加了上位机的通信数据量，逐个的单片机传送数据也会影响整个画面的更新速度；二是成本提高了。详细硬件原理图见附录1。第4章 系统软件设计4.1 程序设计系统软件采用C语言编写，按照模块化的设计思路设计。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现串口通信，静态显示，动态显示三大功能。其功能结构如图4-1所示。通信程序接收上位机数据，交给主程序处理再通过控制程序选择不同的显示程序进行显示。 主程序的工作流程如图4-1所示：调用显示程序序调用发送字节程序发送第一个字显示汉字延时调用发送字节程序发送第二个字调用发送字节程序发送第三个字完毕开始图4-1 主程序流程图程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其

41、中初始化的容包括：中断优先级的设定，中断初始化，串行通信时通信方式的选择和波特率的设定，各IO口功能的设定等。初始化完成后程序进入待机状态等待中断的发生，该程序中主要用到了两个外部中断源和串行中断。外部中断源由按键的电平变化触发，外部中断主要功能是选择LED点阵显示屏的控制方式是由按键控制还是上位机控制和显示状态是静态显示还是动态显示。串行中断包括发送中断和接收中断都是由软件触发。中断产生后由预先初始化时设定跳转执行中断子程序。中断程序设定了LED点阵显示屏所要显示的容和显示的方式，最后执行的是各种显示程序。按照设定的方式和容显示出所需要的容。4.2 显示程序的设计4.2.1 LED显示屏的显

42、示方式LED点阵屏显示方式主要由静态显示和动态扫描显示两种。 对静态显示来说，每一个发光二极管都需要一套驱动电路，一帧画面输入以后便可一劳永逸地显示，除非我们改变了显示容，需要重新输出新的点阵数据这种方式系统原理相对简单一些，但所需的译码驱动装量很多，引线多而繁杂，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也较低另一种动态扫描显示是把整个LED屏幕分成若干部分，每一幅画面的显示是显示完一部分后，又显示第二部分直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部分，重复循环进行在重复扫描速度足够快的情况下，我们看到的就是一幅稳定的画面也就是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新在这种方式下其显示驱动电路可重复利

43、用，引线也大大减少，从而使硬件成本降低，且屏幕上的发光二极管轮流发光，使用时的耗电量大大降低大屏幕的制造、维护要容易许多，可靠性也增加了两种显示方式的比较再结合51单片机IO口数量有限的原因决定采用动态扫描的方式进行显示。4.2.2 点阵数据表达方式该显示系统的显示数据采取纵向取模方向正向的数据存储方式如图4-2，图4-2 点阵数据原理图 即数据是纵向的，一个像素对应一个位。8个像素对应一个字节，字节的位顺序是上高下低，比如从上到下8个点的状态是“*-*-”(*为黑点，-为白点)，则转换的字模数据是0x82(B1000_0010)。如图(4-3)所示，一幅1616的点阵画面点阵数据按照B1B2

44、B3B31B32存储。所以一幅画面的数据量为32字节。画面显示时选通的第i列对应的数组元素为第i和i+16个元素。4.2.3 显示程序的设计 显示程序分为静态显示程序、左移显示、右移显示、上移显示、下移显示五种种显示方式。其中上下左右移动程序都调用了静态显示程序为子程序。如以下图静态显示程序NY移位次数是否为16 开始读入显示数组 显示数组元素在数组中左右移一位NY 开始读入显示数组 显示数组元素在数组中上下移一位移位次数是否为16图4-3 左右移/上下移程序流程图 动态显示程序流程如图4-3所示，根据显示数据的存储原理通过改变实际LED列与数据逻辑列的方法来实现程序的左右移动。显示数据与列的

45、对应关系为：第i列对应的数据为数组中i和第2i个数据。所以当74HC154选通时，而送入后一列的数据则相当于画面左移移位，同理送入前一列数据相当于右移一位。如此循环则产生一幅稳定运动的画面。 显示数组中，第1至16个元素的第8至第1位LED显示屏中的第1至第8行。同理第17至32个元素的第8至第1位LED显示屏中的第9至第16行。所以将元素数据进行逻辑位移便能产生上下移动的效果。4.3 通信程序的设计系统采用串行中断的方式进行通信。MCS-51单片机的五个中断源两种类型：一类是外部中断源；另一类是部中断源，包括两个定时器/计数器（T0和T1）的溢出中断和串行口的接收和发送中断。MCS-51单片

46、机设置了4个专用寄存器用于中断控制，分别为定时器控制寄存器（TCON），串行口中断控制器（SCON），中断允许控制寄存器（IE），中断优先级控制寄存器（IP）。编程时通过设置其状态来管理中断系统。在编辑中断程序时首先是将中断控制寄存器（IE）初始化。其控制位分布如表。EA为中断允许总控制位，EA=1时CPU开发中断；EA1时。CPU屏蔽所有中断。ES、ET、EX1、ET0、EX0为对应的串行口中断、定时器/计数器1中断、外部中断1中断、定时器/计数器0中断、外部中断0中断的中断允许位。对应位为1时允许其中断，对应位为0时，禁止其中断。表4-1 中断允许寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0EAESET1EX1ET0EX0 所以初始化时设定中断允许寄存器初值为0XFF，指令为 IE=0XFF。程序设计时还要考虑到中断优先级的问题。因为不同的中断同时产生而CPU响应的顺序取决于部查询顺序。设置串口工作方式1，波特率96