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点阵电子显示屏制作目录 摘 要41：方案论证与比较511控制器部分512 数据存储器513 亮度连续可调614 显示屏驱动电路的选择615 键盘的选择716 串行口的选择72系统的具体设计与实现721系统总框图722 硬件部分8221 采用16个LED8*8显示屏，构成16行*64列点阵显示8222 LED显示屏驱动电路9223亮度连续可调10224 刷新频率的计算10225 键盘1023 软件方面11231 主程序的流程图11232 按键程序12233 行列的扫描13234 人机交互143测试、结果及分析1531基本功能1532 发挥功能部分1533 其他发挥部分1534刷新频率的测试1535 按键的结果测试164总结16参考资料：16摘 要本设计使用ARM2138开发板作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16*64的点阵LED显示屏。利用ARM本身强大的功能和大容量的内部存储，可以很方便的实现ARM与PC机和SD卡等外围存储设备的数据传输，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。AbstractARM2138 used as a main controller design and use of simple external circuit to drive 16*64 the lattice LED display. ARM itself using powerful functions and capacity of internal storage, it is easy to realize the ARM and PC and SD card for external storage, data transmission equipment and the ability to use the software for the convenience of a variety of content changes, the other dot matrix display widely used in hospitals, airports, banks and other public places. Therefore, the design has a strong practical application.1、方案论证与比较11控制器部分方案一 采用常用的89C51控制。技术比较熟练，应用广泛，现在的51系列技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能。但是为了实现多组预存信息,必须外加具有掉电存储功能的EEPROM,这增加了系统的复杂程度。而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。下面是简单的用单片机处理的框图（图1）。图1方案二 应用ARM，ARM是一种功耗很低的高性能处理器，技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。方便、安全、高效。作为嵌入式领域中最为广泛使用的32位处理器结构体系，ARM已经成为多个应用领域的标准CPU。ARM处理器技术正在成为多数嵌入式高端应用开发的首选。ARM2138芯片具有高达32KB的内存作为数据的缓冲区，因此能够实现非常快的读取速度。并具有丰富的I/O资源，而且其外围电路简单,在片内即可实现所有控制。简化了整个系统的复杂程度.通过比较，我们选择方案二。12 数据存储器方案一 非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。方案二 选用SD卡，其利用记忆性半导体进行存储,具有大容量、高速度、非易失性、可在线擦写特性的存储器。而且具有成熟的SPI协议来实现与ARM的连接.很容易实现与ARM的数据交互传递,而且使用SD卡可以实现脱机使用与存储.在更新显示信息的时候,只需要用SD卡传递.而不需要连机,更新信息方便快捷,更加有利于实际应用。基于以上各种对比,我们选用方案二。13 亮度连续可调方案一 通过在软件中调节刷新频率。刷新频率高的时候,连续点亮的时间短,显示屏亮度低,当刷新频率调低时,连续点亮的时间延长,显示屏变亮。因此通过调节占空比来实现显示屏亮度的调整。但是由于软件调节亮度变化不连续.不能实现连续的亮度调节。并且会出现闪烁。调节的效果不明显，故不采用此方案。方案二 通过调节电位器来改变电压,实现亮度的调节。调节电位器实现线形电压调整,从而控制三极管使显示屏压降发生改变。从而达到连续调节亮度的目的。电位器的调节范围较大，因此用此方法来调节。 14 显示屏驱动电路的选择方案一 在禁止使用专用的LED控制芯片的情况下采用通用芯片74LS595，其具有8位锁存、串并移位寄存器和三态输出，可以用它的锁存功能实现硬件电路对数据的刷新。但是需要更多的控制信号，而且芯片的级联不方便。方案二 由于ARM提供了足够的内存来做为数据缓冲区对显示数据进行存储，我们可以用移位寄存器74HC164和译码器74HC138来实现LED点阵显示的行列控制.其特点是控制信号简单，级联方便，芯片数量少。综合考虑，我们采用方案二。15 键盘的选择方案一 采用专门的键盘芯片7289,其可用很少的接口来扩展更多的键盘，能够外接8个LED，64个按键。但是在本系统中只是使用较少的按键，而且ARM有丰富的I/O口资源，因此使用7289会浪费按键资源，增加成本。方案二 利用I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制.实现方便.又因为ARM有足够的I/O口资源.可使用独立式键盘。因此方案二为最佳方案。16 串行口的选择方案一 采用RS485来进行长距离（1200M）的传输，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用.但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障而且总线本身存在许多的局限性，效率低，实时性差，通信的可靠性低，应用不灵活。方案二 采用RS232来进行串行的传输, 用串行通讯的好处是简单，抗干扰性强.由于本系统设有SD卡存储器,因此不需要远距离传输,因此RS232已经足够满足要求。并且可直接和PC机接口，不用外加协议转换电路。综上所述，方案二比较合理。2、系统的具体设计与实现21系统总框图点阵显示屏控制电路ARM （LPC2138） PC机SD卡 SPI串口键盘模块/指示灯图2整个系统以ARM(LPC2138)为控制中心如上图2所示,系统主要通过SPI协议来外接入SD卡存储器,实现数据存储量的扩展。通过ARM控制器发出的信号使LED矩阵驱动电路驱动LED点阵显示屏。通过键盘电路控制ARM输出数据的变化。通过RS232的串行口来实现ARM与PC上位机的通讯。整个电路由+5V的电源模块供电。22硬件部分221 采用16个LED8*8显示屏，构成16行*64列点阵显示点阵显示屏由16个88点阵LED显示模块。16片88点阵LED显示模块利用总线形组成一个1664的LED点阵，用于同时显示4个1616点阵汉字或8个168点阵的字母字符或数字。单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。222 LED显示屏驱动电路采用74HC138三-八译码器和74HC164移位寄存器。将从ARM里出来的列信号通过8个164级联而成的64位的信号输出端连接到16*64的点阵LED的输入端，作为点阵的行驱动信号。通过164移位这64位的信号，来控制显示内容的变化。再从ARM输出三个信号分别输入到2个级联的74HC138译码器，然后输出16位行信号，经过16个1K的电阻，再输入到16个PNP（8550）三极管的B极来进行对行信号的放大，其中所有的三极管的E极相连接+5V的电源，所有的C极接16个470欧姆的电阻，得到的信号作为点阵LED 的行输入信号。通过对138的三个输入信号进行控制，改变行信号。由138和164的信号，控制二极管的亮、灭来显示出所要求的字符、汉字。行驱动电路：每个LED管亮需要7mA的电流，那么64个同时亮就需要448mA的电流，所以我们要对列进行驱动，我们采用晶体管8550对列信号进行放大，使LED点阵能够正常显示。其驱动电路如下图3： 图3列驱动电路：此电路是由集成电路74HC164构成的，它具有一个8位串入并出的移位寄存器，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。电路图如图4。图4223亮度连续可调用一个10K的电位器和KSB834的三极管组成，可以对LED的压降进行调节，以到达连续改变亮度。此是作为对亮度的调节的方法。224 刷新频率的计算根据人眼的视觉的暂留特性，50HZ是适宜的刷新频率，所以CPU的刷新频率一般不低于60HZ，但是刷新频率太高的话，会使显示屏的亮度降低，所以刷新频率有最高值要求，本设计最高刷新频率为600HZ。225 键盘键盘是使用比较简单的独立式键盘，而且具有发光二极管指示功能模块电路图如图5： 图5键盘各项功能如下：显示模式键：键可以模式选择五种模式，预存汉字、预存符号、SD卡信息、时钟和PC数据显示。滚动模式键：可以控制二种滚动模式，在正常显示模式下实现左、右滚动。循环模式键：可以控制定时循环模式。时间调整键：即时间设定键，在时钟显示模式下，可配合加减键循环设置时、分、秒。定时键：按下时，显示当前的循环间隔的时间，可利用加减键进行间隔控制调整。刷新频率键：按下后，显示刷新频率，可利用加减键调整。滚动速度键：按下后可以显示当前的速度，利用加减键调节滚动速度。加、减键：配合其他键，在各种模式下，实现调整。复位键：复位系统。23软件方面本系统的显示处理采用动态扫描法，而键盘处理采用查询法并注意按键的消抖处理。整个程序可以分为键盘扫描、点阵行列的扫描、串口传输和SD卡的存储与读取。231 主程序的流程图见下图6。开始初始化寄存器、变量、I/O按键处理子程序模块是否按键按下？是否处理命令子程序模块是否收到串口命令？是否图6232按键程序本系统中的按键程序分为按键扫描子程序和按键功能执行子程序。而且在按键中使用了定时器Time0来实现按键消抖的功能。按键扫描子程序的流程图如图7：清中断按键扫描、读I/O口是否有键按下？计数器清0否是计数器加1计数器是否大于10？否置按键有效标志是中断结束图7按键子程序模块的流程图如图8：判断键值点亮相应的LED执行相应的模块清零按键有效标志图8233 行列的扫描本系统中利用ARM中的Time1来实现点阵显示屏的行列的扫描，其软件的流程图如下图9：清中断送扫描行数据扫描当前行行数加1中断结束图9234 人机交互在本系统中通过串口与PC机实现人机交互，通过PC机就可以控制系统的数据刷新。串口实现程序流程图如下图10：清中断标志接收命令存储判断命令包结束标志否是置有效命令标志中断结束图103、测试、结果及分析观察系统运行状况，并辅助示波器、万用表得到以下结果。31基本功能表1要实现的功能测试的结果LED显示实现了16*64的点阵显示显示屏无闪烁，亮度适中达到要求按键控制切换数字和字母实现了此功能能显示特定汉字和字符能实现32发挥功能部分表2功能是否实现？描述亮度连续可调实现滚屏显示能实现左右滚屏实时时间显示实现预存信息能扩展到10组（每组汉字8个或16个字符）掉电保护实现与PC机通信可用PC控制操作，参数设置33 其他发挥部分表3功能 是否实现？描述多字体显示 实现，非预置信息可选两种不同的字体滚屏显示 实现了上下滚屏阴阳字 实现混合显示 实现了字符汉字混合显示SD卡扩展存储器 实现了可脱机更新信息时钟实现本地时间调整循环实现了多条信息首尾相连，连续水平左滚动显示其他增加了一些参数的设置：速度、间隔、刷新频率34刷新频率的测试经调整，刷新频率范围从60HZ到600HZ，达到使亮度适中的刷新频率。35按键的结果测试经测试，结果和预先设定好的一致。4、总结本系统完成了LED点阵电子显示屏和控制器的制作。经调试，显示屏的显示亮度适中，并能实现持续可调，滚屏显示和实时时间显示。SD卡的扩展，是存储容量大大的增大，实现了海量存储，并具有掉电保护功能。通过和PC机的通讯，使显示的信息能实时的更新。也实现了显示屏的多字体显示。整个系统简洁，可靠性高，性能稳定。本系统达到了设计的基本要求和发挥部分的要求，并且在其他发挥项目中扩充了很多设计。经过本次设计，对ARM芯片功能有了更深层次的理解。设计中还有欠缺的方面，今后的学习工作中会加以注意。参考资料：1吴金戎 沈庆阳 郭庭吉 、8051单片机实践与应用 北京：清华大学出版社20022胡汉才、单片机原理及其接口技术 北京：清华大学出版社 19953马忠梅 籍顺心 张凯 马岩、单片机的C语言应用程序设计（第3版） 北京：北京航空航天大学出版社20034周立功 张华、深入浅出ARM7-PC213X/214X北京：北京航空航天大学出版社 20055王田苗、嵌入式系统设计与实例开发 北京：清华大学出版社 20056黄智伟 王彦等、全国大学生电子设计竞赛训练教程 北京：电子工业出版社张桂青教授点评：该参赛作品论文写作规范，方案具体、数据翔实，采用组委会推荐的ARM2138开发板作为主控制模块ARM实现题目的基本要求和发挥设计。原理图设计正确，测试步骤具体，测试结果真实可信。采用SD卡存储显示的信息是该设计的最大创新，有新意。现场测试发现，作品采用16*64点阵LED，做工精良，近似产品。近乎完美地实现了设计要求中的基本要求和发挥部分。尤其上位机软件设计也非常完善。可任意输入汉字或字符，有6种字体可设，实现阴阳字，滚动速度可控，远程读取控制器参数和数据等。作为学生短时间实现的作品，无论是工作量还是设计难度，都非常难得。点阵电子显示屏制作摘 要本系统是从实际应用角度出发，针对当前市场上流行的LED产品的应用领域而设计制作的多功能电子显示屏，可用于商场导购促销显示、新闻与广告显示、车站机场班次时间资讯显示等。本简易16行*64列LED电子显示屏根据题目设计要求，硬件部分主要包括SPCE061A单片机系统、16块8*8LED点阵显示模块构成16*64点阵、显示驱动电路、SPR4096存储器、PCF8563实时时钟电路、键盘输入控制器等部分，还外扩了液晶显示、温度实时检测、无线通讯、电机驱动屏幕旋转等电路，。本系统不仅能够实现数字、字母、汉字等预存信息的切换显示，同时还可以实现信息的定时循环、上下左右滚屏、LED显示亮度连续可调、实时时间显示、实时温度显示、无线遥控、显示屏旋转等扩展功能。另外，本系统可以和PC机通讯，通过PC机串口对显示信息进行更新。关键词：LED电子显示屏 SPCE061A 串行通信AbstractThe LED lattice display system is a kind of new information display media with the rapid development of the computer, micro-electronics, photoelectron technology.This 16*64 LED display system includes SPCE061A MCU system, sixteen 8*8 LED lattice modules, display driving circuit, SPR4096 memory module, PCF8563 as the real-time clock chip, keyboard controller et. In addition, it includes LCD circuit, real-time temperature detective, RF communication circuit. This system can display the numbers, letters, Chinese characters. It can display the information timely and circularly, up-rollingly, down rollingly left-rollingly, right-rollingly. The lightness of the displaying information can be adjusted continuously. Further more, this system can be remote controlled and communicate with PC by COM1 to update the display information.Keywords: LED lattice display system SPCE061A serial communication目 录一、方案比较41、控制系统42、点阵信息提取方案43、显示驱动电路5二、硬件设计与论证51、主控制单片机62、LED显示驱动电路63、数据存储器84、键盘液晶显示模块95、无线通信模块96、时钟电路的设计107、温度检测108、打印机的选择119、旋转底盘的设计11三、系统的软件设计111、主程序流程图122、点阵字模信息提取程序流程图123、LED各显示程序124、串行通信程序125、PC机客户程序12四、系统功能测试161、测试及制作中所用仪器162、键盘各键功能163、单元模块电路测试164、系统整体功能测试16五、总结17一、方案比较1、控制系统LED点阵电子显示屏的设计一般有两种方案：方案一：采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号。由于该系统不仅要实现信息的显示，还要具备键盘控制器、显示亮度连续可调、实时时钟显示、与PC机通讯等功能及其他发挥功能，这就要求需要用中大规模的PLD，设计多个接口电路，开发周期长，不易进一步扩展，同时系统的成本会急剧上升（相对于第二种方案）。因此，本设计并未采用这种方案。方案二：采用单片机系统来实现。鉴于SPCE061A单片机比传统的51系列8位单片机具有更加丰富的资源，而且数据处理速度快，同时“61板除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、复位电路等，体积小，可靠性高。本系统的设计采用双单片机系统，一个主要用于完成多功能显示控制功能，另一个主要用于实时时钟显示、实时温度检测显示、无线通讯以及其他的扩展发挥部分功能，这样提供了充足的内部空间和更多的外部接口；同时由于安装和调试工作可以并行进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间。2、点阵信息提取方案要用LED点阵来显示数字、字母和汉字等信息，首先要能够提取出其字模数据，即一个16*8的点阵数字、字母的字模数据共有16个字节，一个16*16的点阵汉字的字模数据共有32个字节。首先要确定点阵信息提取方案。方案一：固定汉字显示，就是将要显示的语句中全部汉字的字母数据依次提取出来，按顺序存放在存储器中，当有显示任务时，直接取出字模数据送至显示器即可。这种方法占用空间少，程序实现简单，显示速度快。本系统中对10组预存信息的点阵信息的提取和存储就是采用这种方案。但是，要想显示大量的汉字信息或直接对显示信息进行更新，则几乎是不可能的事。因此，要实现这样的功能就要采用第二种方案。方案二：将标准的点阵信息字模数据的字库文件（本系统中采用汉字库文件HZK16、ASCII码库文件ASC16）装入外扩ROM存储器，采用与PC机相同的编码（机内码），先进行基于PC机的预处理，提取需显示内容的机内码，通过串口发给单片机，单片机首先进行判断，若是ASCII码，则直接计算出起始地址，在ASC16文件中指定位置取出连续的16个字节即为其字模信息；若为汉字，单片机将机内码转换为区码和位码，再计算出起始地址，在HZK16文件中指定位置取出连续的32个字节即为其字模信息，然后送到显示器去显示。另外，PC机与单片机之间串口通信只是传输机内码，而不是传输字模信息，传输信息量小，不需要复杂的通信协议。这样既可以减轻单片机的负担，而且可以根据要求随时改变显示内容，非常简单灵活。3、显示驱动电路常用的显示驱动方式有三种：方案一：串行控制驱动，这种方式的好处是单元内的线路连接简单，给印刷电路板的设计带来方便，减少了布线的密度，方便以后的制作与调试，而且相对提高了每个单元的可靠性；方案二：并行控制驱动，将显示数据通过并行(一般为8位)方式送入驱动电路，这样的好处是：相对于串行控制而言，数据的刷新速度快，在处理同等数量的数据时，对处理速度要求可以大大降低，从而提高了系统的稳定性，但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂，布线后的排错难度大大增加；方案三：采用专用集成电路（ASIC）直接驱动，由于这种专用集成电路是集行控制、列控制和外围驱动于一体，使系统的稳定性更为可靠，特别适合户外的大型或者超大型显示屏。因为这种类型的显示屏对图像显示要求高，不仅要保证图像的一致性，而且要保证图像的稳定、高亮。本次设计的显示屏仅为16行*64列，更适合采用串行控制这种方式，这样做既省去了并行控制驱动在制版过程中十分复杂的布线，又因为没有采用专用集成电路在一定程度上降低了整个系统的成本。二、硬件设计与论证根据以上的系统方案比较与分析，本设计的系统总体组成框图如图1所示：SPCE061A2#实时时钟温度检测存储器打印机显示驱动电路LED显示屏SPCE061A1#MAX232键盘LCDPC机无线通讯光电传感器图1 系统的总体组成框图系统整体由三大部分构成：以单片机1#为核心的模块一：包括16*64LED点阵、驱动电路、STR4096存储器、无线数传模块、旋转底盘、光电传感器、音箱、打印机。实现功能：主要用来实现点阵的显示，包括特定标语库内容的显示，适时时间显示、适时温度显示，并实现上下左右滚屏等各种花样显示；存储器用来存储汉字和ASCII码的点阵库，并实现掉电不丢失功能；无线模块实现标语库更新和接受设置信息；底盘可实现显示屏的左右转动，摆动幅度可调；在商场导购中，光电传感器用于检测人员进出，可与自动门配合使用，音箱播放“欢迎光临”等语音信息；在广告牌应用中，打印机用于名片打印。以单片机2#为核心的模块二：包括4*4键盘、液晶、无线数传模块。实现功能：该部分实现遥控器的功能，可以遥控设置显示屏的滚动模式，选择标语库，设置时间，设置摆头幅度；实现标语库的更新。（键盘使用说明见附录一）以上位PC机为核心的模块三：包括上位机软件和MAX232。实现功能：上位机主要实现标语库的数据更新，上位机软件通过MAX232将更新内容（汉字或者ASCII码的机内码）送到单片机2#，然后无线传输到单片机1#实现数据更新。以下是各单元电路的具体设计：1、主控制单片机采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及LED点阵显示所需数据的存储要求；CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足刷新速度要求。另外，“61板”功能较强、性价比高，具有体积小、集成度高、易扩展、功耗小等优点，简化主控制系统的硬件电路设计，可靠性高，而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。2、LED显示驱动电路本次设计中16行*64列LED电子显示屏的制作以及其显示驱动电路的设计制作都是非常关键的部分。下面主要介绍一下显示驱动电路的设计。本LED点阵屏采用动态扫描的方式显示，即逐行扫描，工作时先将一行点阵字模通过列驱动输出，然后运用译码器选中对应行，使该行得以显示，接着再送下一行数据，再选中下一行有效，直到16行全被扫描一遍。至此，一幅完整的文字信息就显现出来。然后在反复扫描这16行直至显示新的信息。采用这种方式的优点是耗电少，成本低，寿命长，但是也存在显示亮度及内容显示稳定的问题。根据视觉滞留原理，根据视觉滞留原理，每屏的完整的显示时间应控制在20ms之内，即50Hz，人眼看上去才不会觉得闪烁。由于要扫描16 行的点阵，所以每行的时间绝不能超过20ms16=1.25ms，同时也不是每行的扫描时间越短越好，因为LED的亮度同电流的大小和维持时间的长短有关。LED点阵块的单点静态电流一般在10mA左右，由于占空比是1/16，所以单点的动态电流最大可以达到160mA。在维持时间恒定的情况下，电流越大（不超过额定电流），点阵亮度也越亮，而在电流恒定的情况下，需要一段维持时间来保持亮度。试验表明当输入LED的电流为15mA时，维持时间至少需要1ms，否则LED呈微亮状态。由于设计时设置SPCE061A单片机的时钟频率为24MHz，而每次传送移行的字模数据有64位，经计算传输所需的时间小于1ms，这样就能充分利用列驱动74HC595的锁存功能，即在它接收下一行待显示的数据，还没有锁存新数据的这段时间来显示本行的内容，这样就不需要额外加延时来增加显示屏的亮度。采用这个方法就不要再增加LED的列驱动器件，从而使整个硬件结构更简化，成本降低。行信号的处理是由四十六译码器CD4514来完成译码，输出为高。由于显示屏行的组成是多个模块并联而成的，因而行驱动得功率要求比较大，而且我们进行行扫描时需要所选行为低，故加反相驱动器ULN2803来满足要求。列信号的处理列信号的处理主要由8片8位带锁存的串入并出移位寄存器74HC595来完成。从单片机IO口串行输出的64位点阵数据随着移位时钟的作用逐位移动到对应位置，在接收到锁存信号后，将数据并行输出至LED的列线，最后在行驱动信号作用下点亮一行LED象素。显示扫描电路的电路图如图2所示。图2 LED显示扫描驱动电路3、数据存储器设计题目要求能增大到10组预存信息，且显示信息具有掉电保护功能，同时考虑到要把汉字点阵字库文件HZK16（261K字节）和ASCII码点阵字库文件ASC16（4K字节）装入到ROM存储器中，以便根据机内码在字库中寻址，找到对应的字模，提取后再送到点阵显示屏显示。因为SPCE061单片机的内存Flash只有32K，还要存放程序，因此需外扩数据存储器。我们选择了凌阳“61板”的配套模组SPR4096。SPR4096是一个高性能的4M-bit（512K字节）FLASH，分为256个扇区，每个扇区为2K字节。SPR4096串行接口的工作频率可达5MHz，数据存取速度和存储容量都能够达到我们的要求。硬件图连接如图3所示：图3 SPR4096硬件连接图4、键盘液晶显示模块为使用键盘作为显示屏控制器，实现多功能显示控制，我们使用智能型键盘显示控制芯片HD7279A作为4*4键盘与单片机之间的接口，其与微处理器仅需4条接口线，采用串行通信方式，占用CPU端口少，同时HD7279得到键盘码后通过中断服务程序把按键信息送给单片机，使单片机可以腾出更多时间质性其他操作。设计中我们需要用液晶模块显示遥控单片机菜单的各信息。在本系统中选用了OCM48C模块，可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能，既可采用并行接口，又可采用串行接口，连线较为方便。HD7229、OCM48C与单片机连接原理图如图4所示。5、无线通信模块在本设计中，我们采用了两块61板，1#板主要用于完成控制LED显示屏，2#板主要用于键盘液晶控制、实时时钟、实时温度检测显示、与PC机通讯以及其他的扩展发挥部分功能。两板之间采用无线通讯进行数据传输。为满足系统的要求我们选择了SRWF-1型微功率无线数传模块，该模块的特点是：高抗干扰能力和低误码率、完善的通讯协议、数据实时同步、看门狗实时监控、传输距离远、低功耗及休眠功能高可靠性，体积小、重量轻。图4 键盘显示电路SRWF-1型模块提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485接口（用户只需拔/插短路器再上电即可改变接口类型）。SRWF-1提供的两个串口，在使用时注意以下事项：（1）对于空中接收的数据，SRWF-1通过串口转送给终端设备时，COM1和COM2同时输出，即用户如果在COM1和COM2各连接了1个设备，他们都可同时收到数据；（2）对于由终端设备送来，准备向空中发射的数据，SRWF-1只能正确接收COM1或COM2其中1个串口送来的数据，否则将造成数据通讯混乱。如终端设备在向COM1发送1个0x12（数据正在传送）时，再向COM2发送1个0x34，模块将收到一个数据串0x12，0x34。RXDB(RX)VCCSLEEPTXDSGNDRESETCOM2COM1A(TX)GND91SGNDRXD/TLLTXD/TLLA(RX)B(TX)SLEEP SingnalRESET SignalSRWF-1 接口用户设备接口图5 SRWF-1与用户设备接口电路注：没有使用的引脚可以悬空不连。但不能连接长悬空线，以免引入干扰。6、时钟电路的设计系统要求实现实时时间的显示，这里我们选用串行日历时钟芯片PCF8563，与单片机的连线大为减少，极大的节省了单片机的系统资源。PCF8563与单片机的接口电路如图6所示。而且该部分电路还加了掉电保护功能，在主供电系统意外断电时，即Vcc为0V时，D1截止， 3.6V备用电源通过D2继续给PCF8563供电,保证8563的正常运行。图6 PCF8563时钟电路7、温度检测本系统扩展了实时温度检测显示功能，选用DS18B20一线式数字温度传感器，通过单片机读取当前环境温度可通过键盘切换显示时间和温度。图6 DS18B20与单片机的接口电路8、打印机的选择本系统还扩展了打印机功能，在广告牌应用中用来打印名片等相关信息。我们选择了北京市兴伟机电应用技术研究所研制的微型热敏/针打打印机。通过通用的ESC/P打印命令实现字符的打印。图7 打印机接口控制时序图9、旋转底盘的设计针对应用的需要，系统扩展了显示屏旋转功能，用普通小型直流电机提供动力，由变速箱减速并加大驱动能力，实现显示屏幕左右摆动，并且幅度可调。图8 直流电机驱动电路三、系统的软件设计本系统的软件部分主要包括主程序、点阵字模信息提取程序、LED各显示程序、串行通信程序以及PC机客户程序等。1、主程序流程图见图8。2、点阵字模信息提取程序流程图见图9。3、LED各显示程序LED显示屏的显示方式有静止、上下滚屏、左右滚屏等多种方式。其中上下滚屏显示程序类似，左右滚屏显示程序类似，其他多花样的显示方式程序都是在此基础上进行改动而来的。因此主要给出静态显示、上移显示、左移显示这三种典型方式的程序流程图，见图10、图11、图12。4、串行通信程序每当向PC机客户程序里输入新显示内容并发送给单片机时，单片机就产生串行中断，接受待显示信息的机内码，然后再利用点阵字模信息提取程序得到点阵数据送到LED显示屏显示。单片机接受数据采用中断的方式。串行中断程序流程图见图13。5、PC机客户程序本系统的PC机客户程序是采用Visual Basic 6.0进行开发的，主要利用其串行通信控件MSComm，其主要流程图及运行效果见图14、图15。 图8 主程序流程图 图9 点阵字模信息提取程序流程图 图10 静态显示程序流程图 图11 上移显示程序流程图图12 左移显示程序流程图 图13 串行中断程序流程图 图14 PC机客户程序流程图图15 PC机客户控制程序的界面四、系统功能测试1、测试及制作中所用仪器GDS-820C型双踪数字示波器、UNT-T型台式数字万用表、SK1731SL2A直流稳压电源、F10型数字合成函数信号发生器、联想PC、烙铁等2、键盘各键功能1234567890./+C/-确定上下取消 “09” ：数字键；“. /+” ：小数点/数据加1；“C/-” ： 删格/数据减1；“确定” ：进入菜单，保存设置“取消” ：返回上一级菜单“上” ： 菜单上翻，插入点左移“下” ： 菜单下翻，插入点右移3、单元模块电路测试1）LED点阵测试：用程序实现所有点阵全部点亮，显示部分点阵块无法完全点亮，更换点阵块后显示正常。2）无线数传测试：由单片机#2无线发送1000字节数据，单片机#1接收并存储，通过开发环境查看接收数据，发送一百次，成功接收100次，经测试系统稳定；3）与上位机通信测试：上位机循环发送1000字节数据，单片机接收并校验，接受成功后送液晶显示，然后停止发送，经测试接收时间相对于人的反映时间可以忽略。测试20次，成功接受20次。4）键盘液晶测试：用键盘控制菜单进出，上下翻页，键盘无抖动，液晶无闪烁。4、系统整体功能测试各单元模块整合后，系统上电,显示屏上显示预存信息,通过2#机上的键盘可以成功控制1#机上的显示,包括预存信息切换显示、翻页、上下滚屏、左右滚屏、对流、展开等各花样显示方式、LED显示屏亮度连续可调，能成功地显示出字母、数字、汉字等信息，通过按键可以控制显示实时时间、实时温度等信息，而且断电后，重新开机，预存的显示信息与时间均可掉电保护。通过PC机的客户程序发送需更新信息数据到2#机，由2#机通过无线数传模块发送给1#机，可以成功地更新显示内容。经过多次测试，整个系统工作稳定可靠，能够实现上述所有功能。五、总结我们制作的这套LED点阵电子显示屏系统不仅完成了题目要求的基本功能和发挥功能，还在实时温度检测显示、无线遥控、显示方式等方面有所创新。本系统以凌阳16位单片机SPCE061A为核心部件，最终完成了竞赛题目中要求的各项任务，包括可以控制16*64LED点阵显示屏实现信息的左右滚屏、显示屏亮度连续可调、实时时间和实时温度的显示等，在设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件在编程方面灵活的特点，来满足系统设计的要求。在竞赛的过程中，我们遇到了许多突发性的不太好解决的问题，例如，在整个系统的调试过程中，我们体会到无论是硬件还是软件的调试都要注意模块化，要从最底层开始，逐级通过后才能进行下一步的工作；同时在联合调试的过程中，应注意各模块之间的时序配合问题，有时都是正确的模块程序却因为按照不恰当的顺序来执行从而导致程序运行结果完全出错。通过这次比赛，我们深深的体会到了团队间的共同协作的重要性，提高了自己的动手能力和解决问题的能力。15 目 录第一部分 摘要 .3第二部分1.设计任务.41.1基本要求.41.2发挥部分.41.3创新部分.42方案论证与比较52.1 显示部分.52.2 数字时钟.52.3 温度采集部分.62.4 芯片选择.62.5 闹铃方式的选择.62.6 止闹方式的选择.62.7 串口通讯芯片的选择.63. 总体方案.73.1 工作原理.73.2 总体设计.74系统硬件设计74.1 AT89S52单片机最小系统.84.2 温度测量模块.84.3 时钟模块.84.4 键盘模块.94.5 LED点阵显示模块.104.6 电源的选择.114.7 PC机通讯124.8 整体电路.125系统软件设计.75.1 主程序流程.135.2 扫描子程序.145.3 时间程序.155.4 PC机串口通讯程序155.5 亮度调节程序165.6 温度程序.176测试与结果分析.176.1 基本部分测试与分析.176.2 发挥部分测试与分析.186.3 创新部分测试与分析.187设计总结.188参考资料.18附录18例程.18摘要 LED大屏幕显示系统，以AT89S52单片机为核心，由键盘显示、录放音模块、光电开关、温度采集、定时闹铃、LED大屏幕显示等功能模块组成。基于题目基本要求，本系统对时间显示和大屏幕显示进行了重点设计。此外，扩展单片机外围接口、温度采集、非接触式止闹、滚动屏幕显示、语音报时等功能。本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。本系统不仅成功的实现了要求的基本功能,发挥部分也得到完全的实现,而且有一定的创新功能。 关键字：单片机 LED大屏幕 滚屏显示 Abstract This large LED display screen system ,based on chip microcomputer AT89S52,is composed by the following functional modules : keyboard displaying ,sound phonating. photoelectricity untouched switch，temperature gathering ,timing bell, According to the basic requirements of the subject ,our system stresses on the realization of time displaying and large screen displaying ,Furthermore ,we also extend the primary function ,adding new functions ,such as the single chip peripheral ports ,temperature gathering ,untouched ring-stop, scroll screen display, sound timing .and so on. Adopting the idea of hardware-to-software, most of those functions are realized by softwares, which makes the electrocircuit more concise and the system more stable ,The design achieved and even exceeded all the required basic technical indexes Key words: chip microcomputer large screen display system scroll screen display1任务设计1.1 基本要求：设计并制作LED电子显示屏和控制器。1.1.1 自制一台简易16行*32列点阵显示的LED电子显示屏；1.1.2 自制显示屏控制器，扩展键盘和相应的接口实现多功能显示控制，显示屏显示数字和字母亮度适中，应无闪烁。 1.1.3 显示屏通过按键切换显示数字和字母；1.1.4 显示屏能显示4组特定数字或者英文字母组成的句子，通过按键切换显示内容；1.1.5 能显示4组特定汉字组成的句子，通过按键切换显示内容。1.2发挥部分：1.2.1自制一台简易16行*64列点阵显示的LED电子显示屏；1.2.2 LED显示屏亮度连续可调。1.2.3 实现信息的左右滚屏显示，预存信息的定时循环显示；1.2.4 实现实时时间的显示，显示屏数字显示： 时分秒（例如 183859）；1.2.5增大到10组（每组汉字8个或16个数字和字符）预存信息，信息具有掉电保护；1.2.6实现和PC机通讯，通过PC机串口直接对显示信息进行更新（须做PC机客户程序）；1.3 创新部分1.3.1 室温的测量1.3.2 定时闹铃1.3.3 整点报时1.3.4 非接触止闹 2、方案论证2.1 显示部分: 显示部分是本次设计最核心的部分，对于LED8*8点阵显示有以下两种方案：方案一：静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0 和1 表示,若为0 ,则表示L ED 无电流,即暗状态;若为1 则表示二极管被点亮。若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有L ED 的状态保持到下一幅画。对于静态显示方式方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。方案二：动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。动态显示方式方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。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. 我们通过实验发现, 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.。 鉴于上述原因, 我们采用方案二 2.2数字时钟数字时钟是本设计的重要的部分。根据需要，可利用两种方案实现。方案一：本方案完全用软件实现数字时钟。原理为：在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将时字节清零。该方案具有硬件电路简单的特点，但当单片机不上电，程序将不执行。且由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。方案二：本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS1302。该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。2.3 温度采集部分能进行温度测量是本设计的创新部分，由于现在用品追求多样化，多功能化，所以我们决定给系统加上温度测量显示模块，方便人们的生活，使该设计具有人性化。方案一：采用热敏电阻，可满足 40 摄氏度至 90 摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于 1 摄氏度的信号是不适用的。 方案二：采用温度传感器DS18B20。DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。基于DS18b20的以上优点，我们决定选取DS18b20来测量温度。2.4 芯片的选择方案一：采取并口输入，占用大量I/O口资源方案二：选取串口输入，使用较少。所以我们选用串口输入。串口输入我们可以选用芯片有74HC595、74LS164、TPIC6B595。但是74HC595和74LS164两种芯片必须加驱动才能驱动LED，而TI 公司的DMOS 器件TPIC6B595 , 除具有TTL 和CMOS 器件中移位寄存器595 的逻辑功能外, 其最大的特点是驱动功率大, 可直接用作LED的驱动。综合以上比较，我们选取TPIC6B595来驱动LED点阵。2.5 闹铃方式的选择方案一：采用蜂鸣器闹铃，当到设定时间时，单片机向蜂鸣器送出高电平，蜂鸣器发生。采用蜂鸣器闹铃结构简单，控制方便，但是发出的闹铃声音单一。方案二：采用录音放音芯片1420闹铃，先对录放音设备录入一段音乐，当到设定时间时，单片机控制录放音设备放音。采用录放音电路铃声可以自己预先设定一段自己喜欢的音乐，符合电器设备人性化的要求。且1420芯片可以分段录音，还具有语音报时功能。基于录音放音芯片1420的以上优点，我们决定采用录放音设备闹铃。 2.6 止闹方式的选择一般钟表都具有闹钟功能，到设定时间，便自动启动闹钟，发出音乐提醒人们，再由人按下止闹按钮停止闹钟工作。 一般每天只能设置一次闹钟、并要由人按下按钮止闹，使用不是很方便。智能处理器应用可改变这种状况，一天可按自己需要设置闹钟的开关、多次闹钟设置并可用非接触方式止闹。方案一：采取远程红外遥控止闹，遥控器发出特定红外信号时，单片机接受到信号，向发音设备发出停止信号止闹。红外遥控止闹控制距离远，但是价格昂贵，增加了制造成本。方案二：采取光电传感器，当用一物体遮挡光电传感光电传感器向单片机接口送出一个低电平，单片机立即向发音设备发出停止信号止闹。光电传感器价格便宜，线路简单，易于控制。基于以上比较我们决定采用光电传感器止闹。2.7 串口通讯芯片的选择AT89S52串行口采用的是TTL电平，因此必须的有电平转换电路，可以选择1488，1489，MAX232A.方案一：采用1488或1489芯片实现电平转换，但在使用中发现这两种芯片可靠性不高，且需要正负12V电源，使用麻烦。方案二：采用单电源电平转换芯片MAX232A可以使电路变得简单，可靠。基于以上分析，我们选用方案二，选用芯片MAX232A2.8 电源模块 方案一：采用干电池作为LED点阵系统的电源，由于点阵系统耗电量较大，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。点阵系统要悬挂在墙上，电池总量大，使用会有较大安全隐患。 方案二：采用200W/5V直流稳压电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠 基于以上分析，我们决定采用方案二3、总体方案3.1 工作原理: 利用单片机AT89S52单片机作为本系统的中控模块。单片机可把由DS18B20、DS1302读来的数据利用软件来进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历的显示。点阵LED电子显示屏显示器为主要的显示模块，把单片机传来的数据显示出来,并且可以实现滚动显示。利用光电传感器来实现非接触止闹功能。在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。3.2DS1302DS18B204*4键盘录放音模块光电传感器LED大屏幕显示图1 系统框图8255AT89S52 总体设计设计总体框图如图14、系统硬件设计（单元电路设计及分析）4.1 AT89S52单片机最小系统：最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。图2为AT89S52单片机的最小系统。图2 最小系统电路图4.2 温度测量模块:温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器，测温范围为-55125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625，采用寄生电源工作方式， CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路。接口电路如图3所示。图3 DS18B20测量电路4.3 时钟模块时钟模块采用DS1302芯片，DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK串行时钟时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信DS1302 工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW，其接线电路如图4图4 时钟电路4.4 键盘模块键盘、状态显示模块：为了使软件编程简单，本设计利用可编程芯片8255。接法如表1所示。PA口接按键，PC口则用于控制状态显示所用LED点阵。每个按键都通过一个10K的上拉电阻接电源+Vcc,按键的另一端接地。当有键按下时，与该键相连的PA口的相应位变为低电平，单片机检测到该变化后即转到相应的键处理程序，同时在程序中点亮LED点阵。模块电路如图5图5 键盘电路 4.5 LED显示模块点阵数据串行输入, 器件为 移位寄存器TPIC6B595595, 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48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、列移位寄存器, 行数据是扫描数据, 16 行中每次只有一行被驱动, 采用逐行扫描方式, 列数据则为汉字的点阵码。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.电路如图6 图6 LED显示电路4.6电源选择： 200W/5V的直流稳压电源更加安全电路图如图7 图7 电源电路4.7 PC机通讯 MAX232是标准的串口通信接口，对于一般的双向通讯，只需要使用串行输入口RXD(第3脚)、串行输出TXD(第2脚)和地线（第7脚）。MAX232逻辑电平的规定如表2.表 2 逻辑电平表逻辑值电平幅值 (v)03+1513-15图8 串口通讯4.8整体电路系统整体电路如下：图9 整体电路5、系统软件设计5.1主程序如图105.2显示子程序流程如图 11开始查找显示汉字数据放入RAM中将数据串行传入TPIC6B595行扫描32行是否扫完返回图11 显示子程序流程5.3 显示时间子程序流程如图12开始DS1302初始化从DS1302中读数据，并放入RAM调用显示子程序显示时间图12 时间子程序流程图5.4 与PC串口通讯程序开始串口通讯初始化等待PC机发联络信号是否接受到信号将接受到的数据放到指定区域数据发送是否完毕返回图13 串口通讯程序5.5 LED亮度调节开始键盘扫描“亮度”键是否按下LED显示当前亮度等级键盘扫描“+”键按下“”键按下内部RAM中2AH单元所存数据加1内部RAM中2AH单元所存数据减1返回NY图 14 LED亮度调节5.6温度测量流程图如图15开始DS18B20初始化从DS18B20中读出数据，放入RAM在LED点阵中显示温度返回 图15 温度测量程序流程图6、测量及其结果分析6.1 基本部分测试与分析6.11 测试仪器： 秒表 、温度表、万用电表、WAVE仿真器6.12基本要求部分的测试与分析：（1）系统上电后，全屏点亮，没有暗点。接着显示时间。按“#”键后时扫描键盘，当有110键按下时，分别显示十段设定的数字、英文或汉字。（2）显示时间时通过与秒表对比，测试的系统时间准确。6. 2 发挥部分测试与分析：(1) 当按下#后在按下进入亮度调节，按下“+”键时，亮度增加。按下“”键时，亮度变弱。(2) 可以实现文字左右移动(3) 按下“设置时间”键，观察到“钟表” 二极管点亮，此时可对时间进行设置。按下“时间设置“进入时调试，按“+”键时间加。在按
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