基于单片机的多功能广告牌设计毕业论文.doc

本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 基于单片机的多功能广告牌设计题目 基于单片机的多功能广告牌设计 院院 系 系 电子信息工程学院 专专 业 业 电气工程及其自动化 班班 级 级 110411 学学 生 生 陈豪 学学 号 号 110411102 指导教师 指导教师 任晶鼎 2015 年 06 月 本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 基于单片机的多功能广告牌设计题目 基于单片机的多功能广告牌设计 院院 系 系 电子信息工程学院 专专 业 业 电气工程及其自动化 班班 级 级 110411 学学 生 生 陈豪 学学 号 号 110411102 指导教师 指导教师 任晶鼎 2015 年 06 月 基于单片机的多功能广告牌设计基于单片机的多功能广告牌设计 摘摘 要要 近年来随着科技的飞速发展 单片机的应用正在不断的走向深入 同时带 动传统控制及 LED 显示技术日新月异的更新 大型 LED 点阵广告牌与传统的 广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具 广泛应用于展览中心 金融市场 医院 体育场馆 机场 码头 车站 街道 高速公路等公共场所的信息显示 和广告宜传 本文提出一种基于单片机控制 LED 点阵显示屏实现的多功能广告 牌设计方案 该广告牌具备万年历显示功能 同时能够接收 PC 机命令并滚动 显示相应文字 此系统结构简单 操作方便 本方案利用 STC89C52 单片机为主控芯片 LED 点阵的行驱动电路由 74HC138 控制 列驱动电路由 74HC595 控制 LED 显示屏是由 8 8LED 点阵 模块组成 本系统内 LED 显示屏分辨率为 16 64 即需要 16 块 LED 基本模块 可同时显示 4 个汉字 时钟芯片采用 DS1302 可以实现万年历显示 按键模块 采用分时复用 实现显示模式的选择和万年历时间的调整 通讯模块采用 USB 转串口通讯 实现上位机与下位机的数据传输 关键字关键字 多功能广告牌 LED 点阵 万年历 STC89C52 The design of multi function billboard based on MCU Abstract In recent years with the rapid development of technology SCM applications are constantly deepening while driving the traditional control and LED display technology changing updates Large LED dot matrix billboard closely with traditional advertising has become a new media tools widely used in the exhibition center financial markets hospitals stadiums airports terminals railway stations streets highways and other public places information display and advertising propaganda This paper presents a microcontroller based control achieve multifunction LED dot matrix display billboard design The billboards have calendar display function while the PC is able to receive commands and scrolling display the corresponding text This system is simple easy to operate The scheme uses STC89C52 MCU control chip LED dot matrix line drive circuit controlled by the 74HC138 74HC595 controlled by a column driver circuit LED display is formed by 8 8LED dot matrix module Within the system LED display with a resolution of 16 64 which requires 16 LED basic module can display four characters clock chip DS1302 calendar display can be achieved key module using time division multiplexing to achieve the display mode Select and calendar adjustment time communication module uses USB to serial communication between host computer and lower computer data transmission Keywords Multi billboards LED dot matrix calendar STC89C52 目目 录录 中文摘要中文摘要 I 英文摘要英文摘要 II 1 1 绪论绪论 1 1 1 选题的背景及意义 1 1 2 国内外相关发展情况 1 1 2 1 LED 的发展状况 1 1 2 2 广告牌的发展及控制 2 1 3 论文主要内容及论文结构 3 1 3 1 论文主要内容 3 1 3 2 论文结构 3 1 4 本章小结 4 2 系统的总体设计方案系统的总体设计方案 5 2 1 系统设计目标 5 2 2 系统方案 5 2 3 单片机的选型 6 2 4 时钟芯片的选型 6 2 5 按键模块 6 2 6 LED 显示屏 7 2 7 本章小结 8 3 3 多功能广告牌系统的硬件设计多功能广告牌系统的硬件设计 9 3 1 单片机最小系统 9 3 1 1 STC89C52 单片机 9 3 1 2 单片机最小系统设计 10 3 2 按键模块 11 i 3 3 LED 显示模块 12 3 3 1 8 8 LED 基本模块 12 3 3 2 行驱动电路设计 12 3 3 3 列驱动电路设计 14 3 4 时钟模块 15 3 5 USB 转串口通讯模块 17 3 6 电源模块 18 3 7 本章小结 18 4 多功能广告牌系统的软件设计多功能广告牌系统的软件设计 19 4 1 软件方案 19 4 2 系统主程序流程图 19 4 2 子程序介绍 20 4 2 1 时钟模块子程序 20 4 2 2 LED 显示驱动子程序 20 4 2 3 按键模块子程序 21 4 2 4 USB 转串口通讯模块子程序 22 4 3 本章小结 22 5 系统仿真和调试系统仿真和调试 23 5 1 硬件仿真 23 5 2 软硬件联调 25 5 2 1 系统搭建 25 5 2 2 软件调试 29 5 3 本章小结 32 6 6 总结与展望总结与展望 33 6 1 全文总结 33 6 2 本文的不足与展望 33 6 2 1 本文的不足 33 ii 6 2 2 展望 33 参考文献参考文献 34 致致 谢谢 36 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 37 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 38 附录附录 I 多功能广告牌系统硬件原理图 多功能广告牌系统硬件原理图 39 附录附录 II 多功能广告牌系统 多功能广告牌系统 PCB 图图 41 附录附录 III 程序清单程序清单 42 1 绪论 0 1 绪论绪论 1 1 选题的背景及意义选题的背景及意义 在现代化和信息化社会的高速发展过程中 LED 大屏幕点阵显示已经渗透 到各行各业的信息显示中 随着互联网的快速发展 数字化的多媒体内容已在 信息传递中占据主流 新型的大屏幕显示设备将替代传统电视机成为人们享受 信息和多媒体内容的中心 在各大商场 车站以及各类办事窗口等地方都装了 LED 点阵显示屏来发布一些通知或广告 随着信息产业的高速发展 LED 点阵 显示作为信息传播的一种重要手段 已成为一个飞速发展的新兴产业 市场空 间巨大 发展前景广阔 并已广泛应用于各种需要进行信息宣传的公众场所 单片机以其功能强大 体积小 可靠性高 造价低和开发周期短等优点 成为自 动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件 尤其在日常生活中也发挥 越来越大的作用 LED 点阵设计主要应用于 LED 点阵显示屏 它是利用发光二极管点阵模 块组成的平面式显示屏幕 由于它具有发光效率高 使用寿命长 节能 组态 灵活 色彩丰富 显示方式变化多样以及无电离辐射等优点 在国内外得到了 极为广泛的应用 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 针对本系统应用于停车场 车间 小型商店和居民社区等小型场所 显示 一些通知或小型广告以及万年历显示 因此 本文就基于单片机控制 LED 点阵 显示屏系统展开研究工作 1 2 国内外相关发展情况国内外相关发展情况 1 2 11 2 1 LEDLED 的发展状况的发展状况 发光二极管简称为 LED 它是半导体二极管的一种 可以把电能转化成 光能 常简写为 LED 发光二极管与普通二极管一样是由一个PN 结组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向电压后 从P 区注入到 N 区 的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子 在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电 子和 P 区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不同的半导体材料中电子和空 穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同 释放 出的能量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红光 绿光或黄光的二 极管 后来 LED 显示发展为 LED 数码管 LED 数码管由多个发光二极管封装在 一起组成 8 字型的器件 引线已在内部连接完成 只需引出它们的各个笔划 西安工业大学毕业设计 论文 1 公共电极 数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的 加上小数点就 是 8 个 这些段分别由字母 a b c d e f g h 来表示 可显示不同的数字 而后 LED 大规模集成在一起就形成了 LED 点阵 以发光二极管为像素 它 用高亮度发光二极管芯阵列组合后 环氧树脂和塑模封装而成 这种一体化封 装的点阵 LED 模块 具有高亮度 引脚少 视角大 寿命长 耐湿 耐冷热 耐腐蚀等特点 LED 点阵规模常见的有 4 4 4 8 5 7 5 8 8 8 16 1 6 等 LED 点阵根据像素颜色的数目可分为单色 双基色 三基色等 像素颜色 不同 所显示的文字 图象等内容的颜色也不同 单色点阵只能显示固定色彩 如红 绿 黄等单色 双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色 发光二极管点亮组合方式决定 如红绿都亮时可显示黄色 如果按照脉冲方式 控制二极管的点亮时间 则可实现 256 或更高级灰度显示 即可实现真彩色显 示 1 2 21 2 2 广告牌的发展及控制广告牌的发展及控制 户外 LED 大屏幕广告是 21 世纪广告业发展的趋势 是具有音视频功能的 户内外广告展示设备 属国际领先的高科技产品 目前国际市场对全色屏的关 注与日俱增 在处理技术和制作工艺方面作出许多努力 解决了一系列影响图 象质量的问题 这里包括扫描变换 图象增强 噪声抑制 反伽马修正以及编 码压缩 通讯以及与接口的问题等 取得重要成果 我国的 LED 屏幕广告牌产业据不完全统计 至 2008 年底 年度销售总额 在 1 亿元以上的企业有 20 多家 其销售总额达 50 亿元左右 占行业市场总额 的 70 以上 全国从事 LED 显示屏的各类企业有 100 余家 我国 LED 屏幕广 告牌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 水平技术 近年在全彩色 LED 屏幕广告牌 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 屏幕广告牌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 现在 LED 显示屏高端产品主要是全彩色显示大屏幕 在上海世博会开幕 式上展示的全球最大户外全彩显示屏 受到了众人瞩目 规格大约是 300m 30m 而处于 中端的 LED 显示屏主要是应用在银行 车站等发布信息的地方 屏幕大小大约 是 3m 3m 主要是双基色显示屏 而处于低端的显示屏主要就是条形显示屏 尺寸不大 单色显示 制作工艺和制作成本也不高 实现显示功能有限 绝大多数 LED 显示屏都是由单片机控制的 但使用 8 位控制器有时远远不 能满足控制要求 所以才出现 DSP FPGA ARM PLC 等控制核心 现在部分 LE D 点阵已经开始使用无线控制方式 并有专业的 LED 无线控制卡 它们有基于 短信 GPRS CDMA 等不同形式 例如 LED 728 是驿唐公司 2014 年全新研制的 西安工业大学毕业设计 论文 2 一款无线 LED 信息发布一体卡 它是基于 GPRS 无线通讯的 如图 1 1 所示 与 LED 328 LED 528 一体卡相比 LED 728 带载面积更大 能控制 512 256 大 小的双色屏 该卡实现了 GPRS 无线通讯模块和 LED 控制模块的集成 性价比更 高 可以大幅度降低 LED 远程信息发布项目的设备采购成本 LED 728 性能更 稳定 调试 安装更方便 是当前十分先进的 GPRS 无线 LED 信息发送设备 图 1 1 LED 728 无线 LED 信息发布一体卡 1 3 论文主要内容及论文结构论文主要内容及论文结构 1 3 11 3 1 论文主要内容论文主要内容 本次毕业设计主要是利用 STC89 系列单片机为主控模块 来控制 LED 点 阵广告牌 要求该广告牌具备万年历显示功能 同时能够满足接受 PC 机命令 显示相应文字 并可以实现点阵图像的滚动显示 本文的主要研究内容如下 1 研究并实现下位机系统 下位机是单片机控制 LED 显示系统 它以 STC89 单片机为主控芯片 完成时钟检测 万年历显示和滚动显示文字功能 2 研究并实现 LED 显示屏上位机系统 利用 Visual Basic 6 0 开发 上位机系统管理软件给用户提供良好的界面 方便进行人机交流 实现滚动 显示文字及显示速度 方向等 3 完成串口通讯的设计 可以使上位机与下位机之间方便的通讯 实 现接收上位机所发的命令 4 汉字库的建立 国家标准字库中的每一个字均由 256 点阵来表示 因此可以把每个点理解为一个像素 而把每一个字的字形理解为一幅图像 汉字的笔画就分布在 16 16 的像素网格里面 如果像素网格中有笔画通过就 对应 1 否则对应 0 每一个网格均对应 1 或 0 把对应 1 的网格连起来看 就是汉字 汉字就是这样通过字节表示其点阵存储在字库中的 1 3 21 3 2 论文结构论文结构 本论文共六章 具体的章节安排如下 第 1 章绪论介绍了本课题的研究背景和意义 对相关领域的研究情况进行 了综述 分析了国内外 LED 点阵广告牌应用现状及前景 介绍了本文主要的研 西安工业大学毕业设计 论文 3 究内容以及本文的结构安排 第 2 章介绍了系统的总体设计方案 对硬件模块进行了选型 第 3 章介绍了 LED 广告牌的硬件设计 包括单片机 STC89C52 的介绍 LED 广告牌驱动电路的设计 时钟模块 独立按键及串口通讯的硬件设计 第 4 章介绍了 LED 广告牌的软件设计 针对各硬件模块采用模块化编程的 方法设计了相应的子程序 包括主程序 时钟模块子程序 按键模块子程序 LED 显示模块子程序和 USB 转串口通讯模块五个模块 第 5 章介绍了该系统的硬件仿真及软硬件联调 第 6 章总结了本文的研究内容的实现情况 并提出了本文中的不足以及展 望 1 4 本章小结本章小结 本章首先介绍了本课题的研究背景和意义 对相关领域的研究情况进行了 综述 分析了国内外 LED 点阵广告牌发展现状及展望 并对本文的主要内容与 论文结构安排做了说明 2 系统的总体设计方案 0 2 系统的总体设计方案系统的总体设计方案 为了对系统进行硬件搭建及后期程序仿真和调试 本章就系统设计目标 整体方案以及硬件模块选型进行了简单的介绍 2 1 系统设计目标系统设计目标 本系统的设计方案利用 STC89C52 单片机为主控芯片 来控制 LED 点阵显 示屏 使得该广告牌具备万年历显示功能 同时能够接收 PC 机命令并滚动显 示相应文字 本系统以 PC 机作为上位机 以 STC89C521 单片机作为下位机 下位机读 取时钟模块寄存器里数据 通过 LED 点阵显示 按键模块可以改变显示状态和 进行时间调整 同时也可以通过串口通信接收 PC 机的命名显示相应汉字 本系统需要具有以下功能 1 实时显示万年历 并且可以通过按键对时间进行调整 2 可以通过按键改变汉字滚动的方式 3 与上位机进行通讯 本系统可以通过串口通讯实现与上位机进行通讯 接收上位机发出的命令 并通过 LED 点阵显示相应文字 2 2 系统方案系统方案 多功能广告牌的系统是以 STC89C52 单片机为核心 它的功能包括万年历 显示 按键调整 广告文字显示 数据通讯等 其系统框图设计如图 2 1 所 示 图 2 1 多功能广告牌的系统框图 本系统采用 STC89C52 单片机为主控芯片 LED 点阵的行驱动电路由 74HC138 控制 列驱动电路由 74HC595 控制 LED 显示屏的分辨率为 16 64 西安工业大学毕业设计 论文 1 可同时显示 4 个汉字 时钟芯片采用 DS1302 可以实现万年历显示 按键模 块采用分时复用实现显示状态的改变和万年历时间的调整 通讯模块采用 USB 转串口通讯模块 实现上位机与下位机的数据传输 电源模块采用直流 5V 供给单片机 按键模块 复位电路 时钟模块和行列驱动器电路使用 2 3 单片机的选型单片机的选型 STC89C52 单片机是 MCS 51 系列单片机的派生产品 它的主要特性有 5V 工作电压 8K 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计数器 4 个外部中 断 全双工串行口 最高运作频率 35MHz 6T 12T 可选 它完全能够满足设 计要求和需要 并且市场货源充足 价格便宜 便于以后本广告牌成品的推 广 2 4 时钟芯片的选型时钟芯片的选型 目前市场上常用的时钟芯片有 X1203 和 DS1302 两种 1 X1203 是一 个带时钟 日历和两个闹铃的实时时钟芯片 该芯片以秒 分 时 星期 日 月和年为单位跟踪时间 具有闰年校正功能 并能对小于 31 的月份自动进行 调整 2 DS1302 是一种高性能 低功耗 带 RAM 的实时时钟芯片 它可 以对年 月 星期 日 时 分 秒进行计时 且具有闰年补偿功能 采用 三线串行数据接口与 CPU 进行同步通信 具有主电源 后备电源双电源引脚 通过对以上两种时钟芯片进行比较 本文选取 DS1302 作为系统时钟芯片 它电路结构简单 易实现软件编程 2 5 按键模块按键模块 按键模块按照键盘与 CPU 的连接形式可分为独立式按键和矩阵式按键 其各自特点如下 1 独立式键盘 独立式键盘是各按键相互独立 每个按键占用一个 I O 口 各个 I O 口 上的按键工作状态互不影响 独立式键盘电路比较简单 在按键数量较多时 I 0 口有可能出现不够用 而且电路结构会很复杂 因此独立式很适用于按 键数量较少的场合 2 矩阵式键盘 在键盘中按键数量较多时 为了减少 I 0 口的占用 通常将按键排列成 矩阵形式 在矩阵式键盘中 每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通 而 是通过一个按键加以连接 这样 一个端口就可以构成 4 4 16 个按键 比直 接用端口线连接键盘多出了一倍 而且线数越多 区别越明显 比如再多加 一条线就可以构成 20 键的键盘 由此可见 在需要的键数比较多时 采用矩 西安工业大学毕业设计 论文 2 阵法来做键盘是合理的 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些 识别 也要复杂一些 通过对以上两种键盘形式进行对比 结合本系统功能设计的需求 本文 选用四个独立式键盘 分别用于控制切换各种状态 调整万年历时间 其功 能的实现主要是对按键的扫描 体现在软件程序编写方面 根据不同的按键 值 执行不同的操作 在具体场合应用中可以将按键的功能重新定义 只要 在程序中重新编写就可以 比较方便 2 6 LED 显示屏显示屏 鉴于本系统应用在停车场 车间等小型场所 因此 LED 显示屏选用分辨 率为 16 64 的点阵 可同时显示 4 个汉字 市场上的 LED 点阵种类繁多 按点阵数可以分为 4 4 8 8 和 16 16 等规 格的显示屏模块 最常用的是 8 8 的点阵模块 8 8LED 点阵单块使用时 既 可代替数码管显示数字 也可显示各种中西文字及符号 如图 2 2 所示 图 2 2 8 8 点阵示意图 其中一个 LED 灯的直径为 3 5mm 点阵外围边长为 38mm 采用 8 8 的基 本模块构成 16 64 的点阵 需要 16 块这样的点阵 形成如图 2 3 所示的效果 图 总尺寸大小为 79mm 304mm 西安工业大学毕业设计 论文 3 图 2 3 16 64 点阵效果图 LED 点阵显示系统中各模块的显示方式 有静态和动态显示两种 静态 显示原理简单 控制方便 但硬件接线复杂 在实际应用中一般采用动态显 示方式 动态显示采用扫描的方式工作 由峰值较大的窄脉冲电压驱动 从 上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通 同时又向各列送出表示图形或 文字信息的列数据信号 反复循环以上操作 就可显示各种图形或文字信息 本系统 LED 显示屏采用动态扫描显示方式 这种显示方式巧妙地利用了 人眼的视觉暂留特性 将连续的几帧画面高速的循环显示 只要帧速率高于 24 帧 秒 人眼看起来就是一个完整的 相对静止的画面 这种动态扫描显 示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量 因此在 LED 显示技术中被广泛 使用 2 7 本章小结本章小结 本章主要介绍了系统总体设计方案 分别对单片机 时钟芯片 按键模 块及 LED 显示屏进行了选型 为硬件电路搭建提供了依据 3 多功能广告牌系统的硬件设计 4 3 多功能广告牌系统的硬件设计多功能广告牌系统的硬件设计 本章节介绍了多功能广告牌系统的单片机最小系统 按键模块 LED 显示 模块 时钟模块 USB 转串口通讯模块及电源模块的硬件电路 3 1 单片机最小系统单片机最小系统 3 1 13 1 1 STC89C52STC89C52 单片机单片机 89C52 系列的各单片机的生产厂商和型号的不同 导致其 ROM RAM 中断系统 外围功能模块以及处理器速度等方面有一定的不同 但是其基本结 构相同 均包括算术逻辑单元 ALU 片内 RAM I 0 端口 定时器 中断系统 等基本的功能单元 STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 8K 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计数器 4 个外部中断 全 双工串行口 另外 STC89C52 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 最高运作频率 35MHz 6T 12T 可选 STC89C52 单片机的引脚图如图 3 1 所示 图 3 1 STC89C52 引脚图 它有 40 个引脚 包括 8 位的 I O 口四个 P0 P1 P2 和 P3 共 32 个引 西安工业大学毕业设计 论文 5 脚 电源引脚 VCC 和 GND 外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2 控制信号引脚 RST ALE PSEN 和 EA 复位电路通过上电复位和手动复位两种形式 外接晶 振选择 24MHz 的晶振 输入 输出端口 P0 Pl P2 和 P3 每个 P 口都有八位 其中 P0 口是准 双向口 作为输出口的时候 要先向该口写入 1 P0 口的内部不包含内部上 拉电阻 因此在对 P0 口操作的时候要在其外部电路加入上拉电阻 P3 口具 有第二功能 具体功能详见表 3 1 P2 口可以用在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器时 P2 口送出的是高 8 位地址 P0 口提供低 8 位地 址 P0 口可分时提供 8 位数据总线 控制信号引脚 RST ALE PSEN 和 EA RST 是单片机的复位引脚 外接 硬件电路可以实现单片机的复位操作 ALE 是地址锁存允许信号引脚 高电 平有效 当单片机访问外部存储器时 ALE 输出信号作为锁存低 8 位地址的 控制信号 PSEN 是程序存储允许输出信号端 主要应用在对片外存储器的操 作方面 EA 是外部程序存储器地址允许输入端 固化编程电压输入端 主要 应用在访问外部 ROM 在实际应用时 保持该引脚是高电平即可 晶振连接引脚 XTAL1 和 XTAL2 通过这两个引脚在芯片外接晶振和两个 电容 就构成了振荡电路 电源引脚 VCC 为电源端 接 5V 电压源 GND 是接地端 接电源地 复位电路 单片机复位电路通常是上电复位电路和手动复位电路组合在 一起使用 表 3 1 P3 口特殊功能表 I O 口引脚说明 P3 0 RXD 串行数据接收端 P3 1 TXD 串行数据发送端 P3 2 外部中断 0 请求端0INT P3 3 外部中断 1 请求端1INT P3 4 T0 定时器 计数器 0 P3 5 T1 定时器 计数器 1 P3 6 外部数据存储器写选通信号WR P3 7 外部数据存储器读选通信号RD 3 1 23 1 2 单片机最小系统设计单片机最小系统设计 根据此单片机的引脚图 复位电路和晶振模块 组成单片机最小系统如 图 3 2 所示 西安工业大学毕业设计 论文 6 图 3 2 单片机最小系统 3 2 按键模块按键模块 按键采用独立式按键 分别控制切换各种状态 时间 按键接口 P1 4 P1 7 接四个按键 各个按键功能依次如下 1 LEFT K 键 使 LED 显示屏中的内容向左移动 2 RIGHT K 键 使 LED 显示屏显示的内容向右移动 3 UP K 键 使 LED 显示屏的内容向上移动 4 KEY4 键 在显示状态和调整时间两种功能下进行切换 若没有按键按下 继续循环检测按键是否按下 按键模块电路图如图 4 所 示 西安工业大学毕业设计 论文 7 图 3 3 按键模块 3 3 LED 显示模块显示模块 3 3 13 3 1 8 8 LED8 8 LED 基本模块基本模块 LED 显示屏是由一个一个发光二极管组成的阵列 在物理连接上分共阴极 连接和共阳极连接 单一发光二极管的正向导通电压是 0 7V LED 显示屏基础 模块的每一行的阴极连接在一起 每一列的阳极共同连接在一起 对于 8 8 的 LED 模块 保证基础模块字符显示正常同时导通的电压为 5V 左右 其中 LED 模 块的结构原理图如图 3 4 所示 图 3 4 8 8LED 结构图 当给某一列送高电平的时候 选中的是整列 而当给某一行送低电平的时 候 改行即被选中 因此如果让某一点亮就需要行列交叉点是要被点亮的点就 可以 在购买一块 8X8 规格的点阵模块时 为了检验引脚控制的行列问题 还 有引脚应该接高电平还是低电平的问题 就可以将万用表量程的旋钮调到二极 管测量的档 然后将红表笔接任意一个引脚 将黑表笔依次接到其他引脚 并 观察模块中是否有极管点亮和第几行第几列点亮 检查时做好记录 如此就可 以检验一个模块引脚的控制电平 和行列排列问题 3 3 23 3 2 行驱动电路设计行驱动电路设计 由于单片机的接口有限 所以需要译码器扩展 其中最常用的行驱动芯片 是 74HC 138 芯片 3 8 译码器 选用 74HC138 译码器需要两片驱动一个 16 行的 LED 屏 74HC138 译码器允许三个高有效的二进制地址输入 输出互相排斥的 8 个 低有效位 两个使能输入端 可以控制 74HC138 的选通与截止 防止输出错误 的编码 也可以用来扩展译码器 本设计就是利用它的使能端将两个 74HC138 扩展成 16 行驱动 74HC 138 有如下的特点 1 8 行多路输出功能 西安工业大学毕业设计 论文 8 2 3 个二进制代码输入 译码成 8 路多路输出 3 2 个使能输入端 用来控制芯片工作或停止工作 或者用来扩展输出 4 标准输出 中规模集成电路 74HC 138 是具有 16 引脚的集成芯片 它的封装方式有贴片式和直插式 其引脚图如图 3 4 所示 图 3 5 74HC138 引脚图 本系统采用的 74HC138 作为 LED 点阵的行驱动扩展口 LED 显示屏的大小 是 16X64 因此要用到两片 74HC138 通过该芯片的使能端控制芯片输出 16 位 行驱动电路原理图如图 3 5 所示 单片机的 P0 0 P0 3 口连接 74HC138 译码器 的 LA LD 输入端 根据译码器的工作原理输出端依次选中显示屏的第一行至第 十六行 单片机的 P0 4 口同时接至 74HC138 1 和 74HC138 2 的使能端 保证了行扫描的扫描方法的实现 西安工业大学毕业设计 论文 9 图 3 6 行驱动电路原理图 3 3 33 3 3 列驱动电路设计列驱动电路设计 本系统列驱动电路选用 74HC595 芯片 74HC595 是 8 位串行输入并行 串行 输出移位寄存器 它包含一个存储寄存器 串行移位寄存器 并且高电平 低 电平和高阻态三态输出 移位寄存器和存储寄存器是分时钟控制的 74HC595 的工作原理是当脉冲信号作用时 将移入引脚的数据移入芯片内部的移位寄存 器 当移满 8 位数据以后 第 8 位的数据就会出现在串行输出引脚上 再给一 个脉冲信号 这一位数据就会被移出 同时又有新的数据移入 当数据储存信 号有效时 芯片内部的移位寄存器就将 8 位数据锁存到 8 个数据输出引脚上 从而实现数据的并行输出 74HC595 就有如下的特点 1 8 位串行输入 2 8 位串行或者并行输出 3 存储寄存器三态输出 4 移位寄存器具有直接清零功能 5 移出频率 100MHz 6 静电放电保护 74HC595 共有 16 个引脚 引脚结构图如图 3 6 所示 西安工业大学毕业设计 论文 10 图 3 7 74HC595 引脚图 Q0 Q7 数据并行输出引脚 Q7 数据串行输出端 DS 数据串行输入端 SH CP 移位寄存器时钟输出端 ST CP 存储寄存器时钟输入端 MR 主复位端 低有效 OE 输出使能端 低有效 VCC 电源电压 5V GND 电源地 OV LED 点阵一共有 64 列 每片 74HC595 可控制显示屏 8 列 因此需要 8 片 74HC595 所有的 74HC595 采用串联方式将时钟控制信号连接在一起 上一片 74HC595 的 Q7 引脚接下一片的数据输入端 DS 这样当并行输出脉冲有效时所 有列信号同时发出 每一个汉字由 16 行 16 列的点阵组成显示 本系统采用的 是行扫描 所以横向取字模代码 每个汉字的代码在利用 595 进行控制时先由 单片机的 P0 5 口串行输出 8 位汉字的第一列至第八列的数据 高位在前低位在 后 单片机的 P0 7 口输出移位时钟 P0 5 口每输入一位数据 P0 7 口的电平 就由低电平到高电平变化一次 595 的移位寄存器里的内容就由高位向低一位 移动一次 当第 9 位数据送给 595 的 DS 端时 595 的 Q7 就将串行输出移位寄 存器里的第 1 位数据送给下一片 595 的第一位 新进来的数据送给第 8 位 当第 1 列至第 64 列的数据准备结束后 P0 6 口产生一个上升沿脉冲送给 595 的 ST CP 引脚 将级联的 595 芯片并行输出时钟引脚串联在一起同时由 P0 6 控制 这样当输出时钟到来的时候 每片 595 的列数据同时输出 列驱动 电路如图 3 7 所示 西安工业大学毕业设计 论文 11 图 3 8 列驱动电路原理图 3 4 时钟模块时钟模块 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能 低功耗 带 RAM 的实时时 钟芯片 它可以对年 月 日 周 时 分 秒进行计时 具有闰年补偿功能 工作电压为 2 5V 5 5V 采用三线串行数据接口与 CPU 进行同步通信 具有主 电源 后备电源双电源引脚 DS1302 共 8 个引脚 有双列直插封装方式和方形 封装方式 图 3 9 DS1302 引脚图 DS1302 的引脚结构图如图 3 9 所示 其中各个引脚的功能分别如下 Vcc1 Vcc2 电源供给引脚 Vcc1 主电源 Vcc2 备份电源 X1 X2 32 768KHz 晶振引脚 为 DS 1302 提供工作所需的时序 计数脉 冲 GND 地线 RST 复位引脚 是三线连接中的一线 对时钟芯片读写的时候必须保证该 引脚是高电平 I O 数据输入 输出引脚 当对 DS1302 进行读写的时候 三线中的一线 用来将数据写入或者读出 每次一位 SCLK 串行时钟输入引脚 为 DS 1302 提供工作时钟 SCLK 控制上升沿和 下降沿转换的先后次序的不同 可以实现 I O 引脚时钟数据的读出和写入 是 三线中的一线 西安工业大学毕业设计 论文 12 RST 输入高电平将使所有数据传输都初始化 RST 输入有两种功能 首先 它打干控制逻辑 这种逻辑控制地址 命令数据移入寄存器的脉冲 其次 RST 信号提供了停止单字节或者多字节数据传送的方法 时钟周期是一系列下降沿 紧跟着上升沿 对于数据输入 数据必须在时钟的上升沿期间有效 在时钟的 下降沿输出数据位 如果 RST 输入低电平 所有数据传输都终止 I 0 引脚呈 现高阻态 数据传输的时序图如图 3 9 所示 在电压由 0V 升高的过程中 RST 必须保持逻辑 0 直到工作电压升高到 2 0V 同时 RST 在由低电平到高电 平的过程中 SCLK 必须保持在逻辑 0 写 命令字经过八个 SCLK 周期高低电平变化后被输入 在下八个 SCLK 周期的上升沿到来时写入数据的一个字节 数据是由低位 0 位开始输入 多余 的 SCLK 周期会自动被忽略 经过 8 个 SCLK 时钟周期 写入一个字节 读 命 令字 在下一个 SCLK 时钟周期到来的上升沿输出一位数据 执行 8 个周期 注 意第一个数据位被发送是紧跟着命令字最后一个位写完的下降沿的时候 只要 保持 RST 高电平 SCLK 附加的时钟周期就会重复发送数据字 这种控制方法可 以应用到突发模式持续的读 写数据 同时 I 0 脚的三种状态是根据 SCLK 每个 上升沿而变化的 数据从低位开始输出 即 0 位 图 3 10 数据传输时序图 时钟模块电路图如图 3 10 所示 图 3 11 时钟模块 西安工业大学毕业设计 论文 13 3 5 USB 转串口通讯模块转串口通讯模块 USB 转串口通讯模块的核心芯片是 CH340 CH340 是一个 USB 总线的转 接芯片 CH340 芯片内置了 USB 上拉电阻 UD 和 UD 引脚应该直接连接到 USB 总线上 CH340 芯片支持 5V 电源电压或者 3 3V 电源电压 其数据传输引 脚包括 TXD 引脚和 RXD 引脚 通过 TXD 和 RXD 两个引脚与单片机的 P3 0 和 P3 1 口 然后 USB 总线接口接在 PC 机的 USB 接口 就这样单片机可以实 现在硬件接口上与计算机连接 再通过设置波特率 就可以实现两者之间的通 信 本设计主要应用串口传送字符和汉字的字模编码 并且是结合上位机联合 设计的 并且通过串口可以给 STC 系列的单片机下载程序 可以将编译好的程 序生成的 HEX 文件加载到单片机内 串口通讯模块电路图如图 3 12 所示 图 3 12 USB 转串口通讯模块 3 6 电源模块电源模块 本系统需要 5V 直流电源 直流电源采用交直流电源从电源插座输入 交流 220V 通过工频 25 1 的变压器降到交流 9V 再由整流电路和滤波电路可 得到稳定的 5V 直流电源 并且供单片机 按键 掉电保护 时钟芯片 驱 动器模块使用 整流电路选用 4 个 1N4007 组成桥式不可控整流电路 将交 流 9V 整流成 8V 直流 再经 LM7805 三端稳压管和滤波电路变成 5V 直流 电源模块电路图如图 3 13 所示 西安工业大学毕业设计 论文 14 图 3 13 电源模块 3 7 本章小结本章小结 本章介绍了多功能广告牌的硬件设计 并系统的介绍了 STC89C52 单片机 按键模块 LED 点阵的行列驱动芯片及原理图 时钟芯片和 USB 转串口通讯 模块 并根据所选择的硬件搭建了多功能广告牌的实物模型 为下一步软件设 计和调试提供了实验平台 完整的系统电路原理图见附录 PCB 图见附录 4 多功能广告牌系统的软件设计 15 4 多功能广告牌系统的软件设计多功能广告牌系统的软件设计 硬件设计是多功能广告牌系统的躯体 那么软件就是多功能广告牌系统的 灵魂 软件的的设计采用模块化编程 使用 Keil uVision4 的 C51 编译环境完 成 STC89C52 的软件设计 4 1 软件方案软件方案 软件编程采用模块化编程 模块化程序设计就是把一个复杂的系统设计分 解为若干个功能子程序 每个子模块执行单一的功能 并且具有单输入单输出 结构 在此系统中 软件总共包含以下五个模块 主程序模块 时钟模块 LED 显示模块 按键模块 USB 转串口通讯模块 软件功能结构图如图 4 1 所示 图 4 1 软件功能结构图 4 2 系统主程序流程图系统主程序流程图 系统实现的是 LED 显示屏的中文汉字 预先将汉字代码存放在单片机的程 序存储器中 程序运行后的代码将以数组的形式存储在程序的初始化中 程序 的编写主要体现的是模块化 将每个功能分别用独立的子函数编写 然后再调 用主函数调用子程序 实现相应的功能 其中子函数包括按键扫描子函数 实 时时钟读取子函数以及延时子函数 程序首先初始化所有宏定义和全局变量 以及存储在 ROM 里的数据 然后是 DS1302 的初始化 按 DS1302 的工作时序读 取实时时钟 并送给 LED 显示屏显示 执行按键扫描程序 如果有键按下 则 单片机的 P0 口产生一个低电平 并执行按键消抖程序 使系统的误差变小 按 键功能依次为 LEFT K 键使 LED 显示屏中的内容向左移动 RIGHT K 键使 LED 显 示屏显示的内容向右移动 UP K 使 LED 显示屏的内容向上移动 KEY4 键可以切 西安工业大学毕业设计 论文 16 换文字显示和万年历显示两种状态 若没有按键按下 若没有按键按下 继续 循环检测按键是否按下 系统主程序流程图如图 4 2 所示 图 4 2 主程序框图 4 2 子程序介绍子程序介绍 4 2 14 2 1 时钟模块子程序时钟模块子程序 DS1302 时钟程序是系统整体中的子函数 并且时钟函数也是模块化编程 该子函数具体包括时钟读字节函数 时钟写字节函数 读取一个字函数 写一 个字函数 数值转换函数和延时函数 读取时钟是按照 DS1302 的时序图 对时 钟经行读取的 并将读取的时间旧历做数值转换处理 转换成十进制数 调用 对应的字模代码 并送给 LED 显示屏显示 时钟子程序如图 4 3 所示 4 2 24 2 2 LEDLED 显示驱动子程序显示驱动子程序 显示子程序在进入中断后首先要对定时器重新赋初值 以保证显示屏刷新 频率的稳定 其次 显示子程序查询当前点亮的行号 从显示缓存区内读取下 一行的显示数据 并通过串口发送给移位寄存器 为消除在切换行显示数据时 产生的拖尾现象 子程序先要关闭显示屏 即消隐 等显示数据输入输出锁存 器后 再输出新的行号 重新打开显示 显示子程序流程图如图 4 4 所示 西安工业大学毕业设计 论文 17 图 4 3 时钟子程序 图 4 4 显示子程序 4 2 34 2 3 按键模块子程序按键模块子程序 执行主函数时不断的扫描键盘 如果有键按下 程序就转去执行判断键值 并执行相应的程序 KEY4 作为功能转化按键 可以在文字显示状态和万年历 显示之间进行切换 在两种不同状态下 当 K1 K4 键按下时 变量 m n 的值 被分别赋予 1 4 这样在执行具体的按键值时全局变量的变化就实时查询 可以 中断当前的显示状态 执行正在按键的状态显示 两种状态下的按键模块子程 序的流程图分别如图 4 5 和 4 6 所示 图 4 5 文字显示按键子程序 西安工业大学毕业设计 论文 18 图 4 6 万年历显示按键子程序 4 2 44 2 4 USBUSB 转串口通讯模块子程序转串口通讯模块子程序 进入中断后 对 CH340 内各个参数初始化 再通过设置波特率 检测通讯 端口是否打开 若打开就可以实现两者之间的通信 反之打开通讯端口后 再 进行数据传输 USB 转串口通讯模块流程图如图 4 7 所示 图 4 7 USB 转串口通讯模块子程序 4 3 本章小结本章小结 本章系统的介绍了多功能广告牌系统的软件设计 对软件的各子程序根据 软件流程图给出了详细的解释 多功能广告牌系统的软件设计采用模块化编程 这样条例清晰 易于管理 便于调试 完整程序见附录 III 5 系统仿真和调试 19 5 系统仿真和调试系统仿真和调试 前面的章节分别介绍了多功能广告牌系统的选型 硬件设计 软件设计 本章主要介绍该系统的硬件仿真及软硬件联调 5 1 硬件仿真硬件仿真 Proteus 是一种电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件 它可以仿真 分析各种模拟电路与集成电路 而且器件库还在不断的更新中 软件提供了大 量模拟与数字元器件及外部设备 各种虚拟仪器 特别是它具有对单片机及其 外围电路组成的综合系统的交互仿真功能 使得设计 仿真 编程 调试和测 试于一体 节省时间 Proteus 主要由 ISIS 和 ARES 两部分组成 ISIS 的主要功能是原理图设计及 与电路原理图的交互仿真 在 ISIS 环境下绘制的原理图可以直接用来仿真 而 且绘制原理图的操作也比较简单