基于51单片机的LED显示屏控制技术毕业设计.doc

摘要 本文针对某项目中工厂的实际需求，研究基于51单片机的LED显示屏控制技术，提出了一种基于RS-485总线的双向主从分布式远程多机LED显示屏控制系统。上位机通过串行端口为下位51单片机发送控制命令和要显示的字符信息，实现对多块显示屏的远程监控及显示内容的动态刷新;下位AVR单片机通过字模芯片把字符信息转化为字模信息，然后通过行驱动器、列驱动器可将字符通过LED显示屏显示出来;时无线智能手持智能终端通过终端上的LCD进行信息显示，并可通过终端上的键盘向上位机进行信息反馈。本文研制的LED显示屏系统使只有上位机向下位机发送与显示内容相关信息的传统LED显示系统发展成为上位机和下位机可以进行双向通信的通信系统，弥补了国内市场的空白，拓展了LED的发展空间。关键字:LED点阵显示单片机RS-485通信 ABSTRACT This paper discusses the technology of the LED lattice display system based on51microcontroller for the actual needs of a factory in a item, and developer a bidirectionalmaster/slave distributed multimachine long-range communication LED lattice displaycontrol system based on the RS-485 bus. The PC transmits the instructions and displayscode to AVR microcontroller, and all these instructions and display code must be pass the serial port.It can simultaneously monitor and control many LED lattice display system distributed in different distant places and dramatically refresh their display contents. The AVR microcontroller conveys the contents into matrix using matrix chip,and drives the row driver and column driver to display these matrix by form of LED lattice; At the same time,the wireless handheld intelligent terminal display the contents by LCD in the terminal,and feedback the information by keyboard in the terminal.This LED lattice display system develop the traditional LED display system in witch only does the PC transmit the code to AVR microcontroller into PC and microcontrollers can communicate each other.It fills the blank of the domestic market,and expand the space of the LED system.Keywords: LED lattice display MCU RS-485 communication in two-ways 第一章绪论 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，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统，广泛应用于广告、证券、交通、新闻发布等方面，迅速发展成一种电子广告媒体川，是当前国际上较为先进的显示媒体。目前，某些企业的生产工厂也希望引进LED大屏幕显示系统，以此实现指挥调度中心的各种信息发布，从而方便指挥调度中心和各车间的通讯。本课题即是针对某项目中工厂的实际需求，在考虑开发成本的基础上，提出了一种基于RS-485总线的双向主从分布式远程多机LED显示屏控制系统，解决了该工厂指挥调度中心和多个各车间双向通讯的难题，从而提高了企业的生产效率。1. 1 LED显示屏的发展现状及趋势 在现代信息社会，众多行业开始把面向大众的服务信息发布作为自身一项重要的服务内容。各类公司、金融企业、大型商场、体育场馆、医院、政府部门等各类有大量服务信息发布需求的场合，普遍要求以大屏幕信息显示设备作为与大众沟通的主要手段。在这样的背景下，LED(LightEmittingDide，发光二极管)显示屏作为大屏幕显示设备家族中的重要一员也开始倍受关注。1. 1. 1 LED显示屏简介 发光二极管(LED)是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件。LED显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元【幻组成的显示屏幕。自20世纪80年代以来，LED显示屏凭借其自身优势己经成长为平板显示类设备的主流产品。与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点: (1)LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样(图形、文字、三维、二维动画、电视画面等)、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。 (2)LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。 (3)LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体，但就其性能看:如阴级管(ct)或石英管(dv)大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可;彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小;影象投影设备亮度小、清晰度差(画面受光不均匀);电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。而LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计显示屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。1. 1. 2 LED显示屏的发展概述 LED显示屏技术包括半导体光电技术、电子电路技术、图像信息处理技术信、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的技术。我国LED显示屏产业自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。早在90年代初，国产的 LED显示屏就具备了成熟的16级灰度、256色视频控制技术和无线遥控等代表了当时的国际先进水平的技术。近几年，在全彩色LED显示屏、256级灰度控制技术、级群控制技术等方面，国内企业均拥有了居行业先进技术水平的产品。国内的LED显示屏技术的发展主要经历了以下三个阶段: (1)LED显示屏的成长形成期 在1990年以前国外应用较广，但由于受到LED材料器件的限制，国内并没有广泛的使用。 (2)LED显示屏的迅速发展期 进入90年代后，在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。LED显示屏也经历了从单色、双色到全彩显示屏的发展过程。在这个时期，不论是在器件的性能还是控制器的设计上都取得了长足的进步。 (3)LED大屏幕的发展成熟期 进入21世纪后，由于LED器件成本的大幅下降。LED显示屏得到了空前广泛的应用。LED控制器的设计也日趋成熟。LED控制器设计和屏体设计开始渐渐分离，这时出现了一批专业设计提供LED大屏幕控制器的公司，它们在技术上也大大推动了LED产业的发展。LED控制器的设计趋于通用性。 目前LED大屏幕的显示向高亮度、更高的发光均匀性、更高的可靠性等方向发展。控制系统的运行，操作和维护也越来越向集成化、网络化、智能化等方向发展。 (1)高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮LED的出现，以及其成本的降低，使得LED全彩显示屏成本大大下降，使得其普及速度也大大加快。 (2)标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格基本均衡后，LED显示屏的标准化和规范化将为LED显示屏发展的一个趋势。行业规范和标准体系的形成，使得LED显示屏行业的发展趋于有序。 (3)产品结构多样化 随着社会的发展，LED显示屏的应用前景越来越广阔。LED屏幕从大型系统开始向大批量、小型化系统发展。 总之，在LED元件研制方面，单色、多色LED点阵模块产品已经发展得很熟。而在产品方面，LED大屏幕朝着标准化、大型化和小型化等方面发展。1. 1. 3 LED显示屏的分类 根据划分标准的不同，LED显示屏可以有很多种类。例如，按显示颜色分为:单色LED显示屏，双色LED显示屏和全彩色(三基色)LED显示屏;按显示内容分为LED图文显示屏、LED图像显示屏等。 对于不同种类的LED显示屏，其控制系统的设计也必然有所差异。例如，LED图文显示屏的控制相对简单，只要控制LED屏幕上各点的亮、灭即可。而LED图像显示屏的控制则相对复杂，它不但需要控制LED屏幕上各点是否发光还要控制它们的发光强度。 此外，LED图像显示屏的控制还要考虑所显示的图像是静止的还是运动的。对于动态图像，其图像的显示还要考虑动作连续、无闪烁等要求。这就对其控制系统的设计提出了更高要求。1. 1. 4 LED显示屏的控制技术概述 LED信息显示屏系统的主要功能是实现对显示信息的接收、处理、存储和显示。为达到功能设计要求目标，有很多技术路线和设计方案可供选择。例如，作为LED信息显示屏系统主体的主控模板可以是嵌入到LED显示屏驱动电路中的单片机系统，也可以是独立的微机系统或者是微机+单片机主从控制系统。在诸多设计方案中，目前比较流行思路是由微机和单片机共同构成主从控制系统。在此基础之上，LED显示屏的控制技术0主要分同步控制和异步控制两种类型。 同步控制技术在上位机(微机)与LED屏幕之间建立一个映射通道，将微机显示器上的内容，直接映射到LED屏幕上。这样，LED屏幕就可以显示上位机显示器上的内容(主要是动画、视频)。这种控制方式的突出优点就是显示内容可以更为丰富，缺点是显示屏控制系统的设计比较复杂，且难以实现对多个显示屏的集群控制。 异步控制则通过通讯接口(一般是串口)将显示信息发送到显示屏系统，并且存储到其存储器上。然后，显示屏系统再根据控制命令管理这些信息，使之显示在LED屏幕上。显然，由于受本身信息处理能力和存储空间的限制，采用异步控制方式的控制系统一般不具备显示复杂信息的能力。因此，异步控制方式主要用于文字和静态图形信息的显示。异步控制方式的优点是系统设计相对简单，且容易实现多个屏幕的集群控制。 在实际应用当中，以文字信息以及静态图形为主的LED信息显示屏系统多采用异步控制方式，以视频显示以及动态图形为主的LED信息显示屏系统则多采用同步控制技术。1. 2本课题研究的背景和意义1.2.1项目需求 随着信息化进程的不断深入，市场对LED信息显示设备的需求量越来越大，对LED信息显示设备的功能要求也呈现出多样化的趋势。 某工厂某生产线上有12个生产车间，各生产车间和指挥中心距离长达近千双向米，这给指挥中心和生产车间的通讯带来了极大的不便，严重的影响了车间的生产效率。并且这些车间的工作环境都属于强噪音环境，想用对讲机、电话等通讯方式进行通讯难度非常大，因此工厂决定采用12个LED大屏幕构成远程通讯系统来实现指挥中心和各个车间的通讯。该系统既能实现指挥中心对各个生产车间的LED屏进行产量信息发布和通知信息发布，又能实现各个生产车间通过LED屏对指挥中心反馈信息，反馈信息由车间主任通过一部无线手持智能终端输入和控制。 该系统要求具有如下的功能: (1)LED屏的信息显示功能 每块LED屏长约1.8米宽约1.0米，悬挂于生产车间前方墙上。大屏幕的显示效果如下图: 图1.1 LED显示屏的显示效果 如图1.1所示，LED屏的信息显示功能有: 实时显示时间和产量信息:车间所有人员(车间主任和工人)都可以从大屏幕上看到时间、产量信息，指挥中心可以随时对显示屏的时间进行校正，对产量信息进行刷新;LED屏还可以自动对时间信息进行实时刷新。 实时显示指挥中心发送的通知信息:车间所有人员都可以从LED屏上看到滚动显示的从指挥中心发布的通知信息。 工人可以从通知信息栏里看到车间主任向指挥中心反馈的信息。 工人可以从通知信息栏里看到车间主任在车间内部发布的信息，车间主任向车间里工人发布的信息会在信息前注明:“内部信息”。(2)LED屏的通讯功能 指挥中心和LED屏构成双向多机通讯系统。12块大屏幕LED显示屏通过一台上位机和RS-485总线构成双向主从分布式多机控制系统，不仅指挥中心可以控制12块LED屏显示各种不同的通知信息，并且各下位机控制系统可以向指挥中心反馈信息。 车间主任可以通过无线手持智能终端控制LED屏的显示。手持智能终端可以通过LCD显示指挥中心向LED屏发送的通知信息，可以输入向指挥中心进行反馈的信息和向车间发布的内部信息，并向LED屏发送这些信息和控制LED屏显示这些信息。 指挥中心和车间构成远程通讯系统，通讯距离长达100()米。 (3)指挥中心控制软件 为了方便指挥中心工作人员控制十二个生产车间的LED显示屏的信息发布和信息通讯，必须有方便的用户操作界面。 用户登录界面，必须包含用户名和密码，只有在输入的用户名和密码正确的情况下，方可进入。 通讯控制界面，对十二路LED屏进行选择，可以对任意一个、几个或全部LED屏发送信息，并接收LED屏的信息反馈。 通讯详情查询界面，可以对通讯的历史记录进行查询，通讯记录的详细情况按时间顺序排列。 通过灵活方便的使用这些功能，实现LED显示系统和双向通讯系统的结合，真正实现基于LED屏的双向多机通信。让指挥中心与强噪音环境下的生产车间方便快捷的通讯，以提高工厂的生产效率。1.2.2课题的主要内容 第一，本文根据项目需求，在综合分析目前LED大屏幕信息显示系统技术不足的基础上，对本LED显示系统进行需求分析、确定系统的基本功能。 第二，在需求分析的基础上，确定了符合项目设计要求的通讯方案。本文选取了目前比较成熟的PC机+单片机6的LED信息显示屏控制技术，在此基础上，引入RS-485总线通讯技术，设计了显示和通讯相结合的远程多机双向通讯的LED显示系统。 第三，下位机系统硬件部分选择了Mega128作为主控制芯片，进行了包括下位机控制系统、LED显示屏驱动系统、无线手持智能终端的信息反馈系统、上位机和下位机的基于RS-485总线的通讯系统、下位机和无线手持智能终端的无线通信系统、存储器扩展系统、字模提取系统、时钟系统、声光报警系统等的硬件电路设计和PCB板开发。 第四，确定通讯协议。 第五，在硬件设计基础上进行硬件部分的软件开发，选用C语言进行开发。 第六，上位机软件选取了目前比较流行的VC进行开发。1.2.3课题的意义 随着LED显示屏的显示技术和控制技术的飞速发展，LED显示屏的应用范围越来越广，更多的场合对LED显示屏提出了更多更新更高的要求，例如本文所研制的LED通讯屏就是国内市场上的一大空白。 目前几乎所有的LED屏都只作为显示屏而存在，只有上位机向下位机发送与显示内容相关的信息，而上位机并不能得到下位机的信息反馈，即上位机和下位机不能实现双向通讯。 本课题不仅解决了该项目中指挥中心和生产工厂通讯难的问题，也为同样需要LED显示系统作为远程双向多机的通讯系统的场合提供了解决思路，弥补了国内市场的空白，拓展了LED屏的发展空间。1.3小结 本章在介绍LED显示屏控制系统发展现状的基础上，针对某项目中的某工厂在强噪音环境中需要指挥调度中心与多个生产车间进行产量信息发布和通知信息发布反馈的难题，提出了一种基于RS-485总线的双向主从分布式远程多机LED显示屏控制系统，从而很好地解决该工厂指挥调度中心和各车间通讯难的问题。 第二章系统的组成及总体设计2. 1系统的组成及功能2.1.1本系统的硬件系统组成 本文所设计的LED大屏幕显示系统的硬件系统组成如下图所示，由三大部分组成:一台上位工控机、12台下位机和通信部分。图2.1系统组成框图 如图2.1所示，下位机硬件部分主要包括包括下位机控制系统，LED屏点阵驱动系统，无线手持智能终端，另外还有字模信息提取及存储系统，时钟芯片和声光报警部分。其中每台下位机的控制系统采用两片单片机。单片机1控制系统负责控制LED的时间和产量的静态显示，无线手持智能终端和报警部分。其中手持智能终端包括液晶显示屏、键盘、SD卡三部分。单片机2控制系统负责通知信息的字模信息提取及存储，以及通知信息的动态显示。 通信部分包括两部分:上位机和下位机间采用基于RS-485总线的通讯系统、下位机和无线手持智能终端间采用基于SPI总线的无线通信系统。2. 1. 2本系统的软件系统组成 软件部分包括上位机软件和下位机软件。 (1)上位机软件 上位PC机作为整个系统的控制中心，负责向12台下位机发送显示信息，轮询命令，和接收下位机反馈信息。通过制定相应通信协议，可以向不同的下位机系统发送不同信息，可以接收各下位机反馈的信息。 (2)下位机软件 单片机1控制软件要完成如下功能:控制时钟芯片对LED显示屏的时间进行实时刷新;接收上位机发送的时间校正命令和产量信息;显示时间和产量;通过无线端口把通知信息发送给手持智能终端，智能终端把通知信息显示在LCD上，通过键盘输入向上位机进行信息反馈，并在大屏上动态显示;所有上位机和本机的通信信息都存储在SD卡中，并可以取出来插入电脑的读卡器进行随时查阅。 单片机2控制软件要完成如下功能:当通知到来时发出声光报警信号;接收上位机发送的通知信息的机内码，通过机内码在字库中查询通知信息的字模，并存储在扩展存储器中;完成通知信息的动态显示。2. 2系统的整体设计2. 2. 1系统的硬件设计 系统的硬件电路主要由以下几部分部分组成:下位机控制部分电路、LED屏点阵显示驱动电路，上位机和下位机的通信电路，字模信息提取及存储系统，手持智能终端电路，时钟电路，声光报警电路。下面分别对每一部分的总体设计进行论述。2.2.1.1下位机控制部分电路选择 采用AT89C51单片机7，为控制器，AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，辅以外围电路，完成串行通讯、外部存储器读取、通过上位机的命令将硬件字库的内容调出并进行显示等功能。但是这种方案需要单片机具有较多的I/O口以进行扩展，并且要求单片机的运行速度较高，否则点阵显示屏无法正常刷新，AT89C51单片机在晶振为11.0592MHz的时候，单周期指令执行速度为lus，传送一个字节至少需要8个周期，一个汉字的大小为32x24点，屏的大小为24x256点，若显示50个汉字字模码所需的时间至少为(50 X Bus X 24 X 32 )干8=38.4ms，并且其他指令的执行时间还并没有计算在内。人眼的视觉暂留时间一般为为O.OSs至0.2s，要想使人清晰的看到稳定的LED显示，刷新率至少应在SOHz以上，即20ms，所以，AT89C51单片机的刷新速度较难满足要求。从串口通讯方面来说，可以使用两片AT89C51单片机，一片负责与上位机的通讯和键盘显示等，另一片只负责驱动屏幕显示，但这种方案使单片机资源分配不合理，且AT89C51的I/O口有限，不能满足需要，并且升级能力极为有限，同时单片机的编程、调试难度增加，开发周期长，不宜采用此方案。 下位机的控制部分采用AVR系列单片机中的ATmega128单片机作为控制器。AVR系列单片机的是目前广泛应用单片机。ATmega128具有128K字节的系统内可编程Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW), 4K字节的EEPROM,4K字节的SRAM, 53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器等丰富的片上资源。所以本系统采用ATmega 128不论是在速度上还是扩展方面均能满足要求。2. 2. 1. 2 LED显示屏驱动部分的选择 发光二极管，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，可以产生可视的光9o LED显示屏的像素点采用LED发光二极管，将许多发光二极管以点阵方式排列起来，构成LED阵列，进而构成LED屏幕。 单片机驱动LED显示的方法。，有很多，按显示方式可以分为静态显示和动扫描驱动显示。 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制LED，直到下一次显示时再传送一次新的数据。只要当前显示的数据没变化，就无须理睬数码显示单元。静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。在静态显示中，每一个显示器都要占用单独具有锁存功能的I/O口，这样单片机只要把显示的字型数据代码发送到接口电路，该字段就可以显示要发送的字型。要显示新的数据时单片机再发送新的字型码。静态显示的优点是CPU占用时间较少，缺点是占用I/O口较多，且耗电量较大。 动态扫描驱动”是通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。LED显示屏是将发光灯按行或按列布置的，驱动时也就按行或按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制;也可以按列扫描，按行控制。 所谓“行扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不问这一行的哪一列的LED器件是否应该点亮，某一列的LED器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。 实现行扫描方法是用其接口电路把所有显示单元的列信号端连在一起，而每一个显示单元的行选端各自独立接受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受相同的字型码，但究竟使能哪一位则由I/O线决定。动态扫描用分时的方法轮流控制每个显示单元(8X8)的行选端，使每个显示单元的各个行轮流点亮。在轮流点亮过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一幅完整的画面tz。优点是占用1/0口较少，耗电量较少，缺点是占用CPU时间较多。本课题采用的就是这种按行扫描按列控制的驱动方式。2.2.1.3上位机和下位机的通信总线的选择 1 RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准13设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒S0,75, 100, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。综上所述，虽然PC机的口都采用RS-232总线标准，但考虑到本系统的双向远程多站通信系统，因此本文不易采用RS-232总线标准作为通信方式。 在工业控制及测量领域RS-485通信接口是广泛采用的方式，在解决多站、远距离通信距离为几十米到上千米时的问题时，广泛采用RS-485串行总线标准，。这种通信接口可以十分方便地将许多设备组成一个控制网络。从目前解决单片机之间中长距离通信的诸多方案分析来看，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。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。应用RS-485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器其总线性能见表2-l o RS-485由于使用了差分电平传输信号，传输距离比RS-232更长，最多可以达到3000 m，因此很适合工业环境下的应用。与CAN总线等更为先进的现场工业总线相比，虽然RS-485总线存在一些缺点，但由于它的线路设计简单，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线，加之其价格低廉、控制方便，只要处理好细节，在某些工程应用中能发挥良好的作用。其处理错误的能力还稍显逊色，所以在软件部分还需要进行特别的设计，以避免数据错误等情况发生。表2-1 RS-485总线电气性能 本文由于系统对实时性要求不是非常高，系统的数据冗余量也不很大，并且下位机之间不需要通信，因此不需要选择如CAN总线.7的高速和带宽，RS-485己能满足本文的设计需求。在综合考虑成本和设计复杂程度的基础上，最后选择RS-485总线标准作为通信方式。2. 2. 1 .4字模信息提取及存储系统 计算机内部处理的信息.B，都是用二进制代码表示的，汉字也不例外。我国标准总局1981年制定了中华人民共和国国家标准G 82312-80信息交换用汉字编码字符集一基本集，即国标码。国标码字符集中收集了常用汉字和图形符号7445个，其中图形符号682个，汉字6763个。 区位码是国标码的另一种表现形式，把国标G 82312-80中的汉字、图形符号组成一个94x94的方阵，分为94个“区”，每区包含94个“位”。区位码是一个十进制的四位数字，其中前两位是“区”号，后两位是“位”号，用确定的区位码即给定“区”值和“位”值，就可以确定唯一的一个汉字或图形符号。区位码一共有94个区号和94个位号，可以表示94x94=8836个汉字和图形符号，其中7445个汉字和图形字符中的每一个占一个位置后，还剩下1391个空位，这1391个位置空下来保留备用。 根据国标码的规定，每一个汉字都有了确定的二进制代码，但是这个代码在计算机内部处理时会与ASCII码发生冲突，为解决这个问题，把区位码的每一个字节的首位上加1。由于ASC“码只用7位，所以，这个首位上的，1”就可以作为识别汉字代码的标志，计算机在处理到首位是，1”的代码时把它理解为是汉字的信息，在处理到首位是”的代码时把它理解为是ASCII码。经过这样处理后的区位码就是机内码。 汉字的机内码、国标码和区位码之间的关系是: (汉字机内码前两位)16 =国标码前两位)16+80H=(区码)16+AOH (汉字机内码后两位)16二(国标码后两位)16+80H=(位码)16+AOH 把用十六进制表示的机内码的前两位和机内码的后两位连起来，就得到完整的用十六进制表示的机内码。在微机内部汉字代码都用机内码，在磁盘上记录汉字代码也使用机内码。 字形码，是汉字的输出码，输出汉字时都采用图形方式，无论汉字的笔画多少，每个汉字都可以写在同样大小的方块中。为了能准确地表达汉字的字形，对于每一个汉字都有相应的字形码，目前大多数汉字系统中都是以点阵的方式来存储和输出汉字的字形。所谓点阵就是将字符(包括汉字图形)看成一个矩形框内一些横竖排列的点的集合，有笔画的位置用黑点表示，没笔画的位置用白点表示。在计算机中用一组二进制数表示点阵，用0表示白点，用1表示黑点。一般的汉字系统中汉字字形点阵有16x16, 24x24, 48x48几种，点阵越大对每个汉字的修饰作用就越强，打印质量也就越高。通常用16x16点阵来显示汉字，每一行上的16个点需用两个字节表示，一个16x16点阵的汉字字形码需要2x16=32个字节表示，这32个字节中的信息是汉字的数字化信息，即汉字字模。 计算机中汉字的存储是用机内码，而在LED显示屏上显示需要的是字型码，因此，当下位机接收到上位机发送来的信息机内码后，需要在下位机内进行机内码向字型码的转化，得到信息的字型码后传输给LED显示屏，方可在LED显示屏上进行显示。因此，需要加入字库芯片，在字库中每个汉字是以汉字字模的形式存储，输入汉字的机内码可以得到汉字的字模信息。这里选用是一款支持GB2312字符集的芯片GT20L32S4W 1-T。 当字模数据量较大而AVR的内部存储器容量无法满足要求时，还需要外扩一片存储器来保存字模数据，因此，还需要加入扩展存储器。这里选用高性能CMOS静态RAM，可存储32768个8位字节的存储器芯片HM62256 02. 2. 1. 5无线手持智能终端系统的选择 为了方便车间主任对LED显示屏显示内容的控制，和对上位机进行反馈信息的输入及反馈信息的发送，本文的信息反馈系统设计为手持智能终端，整体体积和外形类似一个手机，外形如图2.2。并且由于车间主任在工厂里的位置是不固定的，为了使车间主任在工厂任何地方都可以方便地进行操作，手持智能终端和屏的通信方式设计为无线通信方式“，在离LED屏200米的距离内，都可以对屏进行控制。 图2.2手持智能终端外观 无线手持智能终端要实现的功能主要有:与LED屏进行通信，存储通知信息，显示通知信息，和键盘输入反馈信息。与LED屏进行的通信包括接收通知信息，发送反馈信息和需要在LED屏上显示内部命令。 手持智能终端以Atrnel的Mega16L作为控制器，通过一个3*6的键盘来实现菜单操作及文字(中英文及数字、字符等)输入等功能。考虑智能终端的体积，显示屏选用PCD8544为控制器的48 X 84点矩阵液晶显示屏。系统内部使用一个SD卡以记事本的形式来按时间存储通讯记录信息，并存储字模以供LCD显示用。整个终端通过高性能嵌入式无线收发模块PTR8001)来实现手持智能终端与LED显示屏控制器的通讯。手持终端系统采用3.3 V供电，使用一块Li+电池，整机具有休眠模式，以减少功耗。手持智能终端结构如图2.3 0 图2.3手持智能终端结构图2.2.1.6时钟部分电路 由于LED大屏幕显示屏上需要实时刷新时间信息，因此需要使用时钟芯片，这里选用的是是PHILIPS公司推出的一款工业级，内含IZC,总线接口功能的，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片PCF8563o2.2.1.7报警器电路 报警电路选用可以发出闪烁和报警声音的的报警灯。2.2.2上位机软件设计 上位机软件设计主要是要在Windows下实现串口通讯。 采用VC+编程实现串口通信，有两种方法，一种是通过MSComm(MicrosoftCommunicationsControl)控件控制串行端口进行传输和接收数据，为应用程序提供串行通信功能。另外一种方法就是利用Windows的通信机制，即Windows APIe进行编程，而不用对硬件进行操作。前者的主要优点在于串口编程时非常方便，不用去花时间了解较为复杂的API函数，而且在Visual C+, VisualBasic, Delphi等语言均可使用。接口数据传输一般采用较为简单实用的MSComm控件19实现串口通信功能，基本使用流程和直接使用API函数类似，通过控件来调用API函数完成串口通信。2.2.3下位机软件设计 下位机软件采用C语言进行开发20，采用AVR常用的编译器ICC AVRI进行编译。ICC AVR编译器是一种使用ANS I标准C语言来进行开发AVR系列单片机程序的一个很好的C编译器工具，它是一个综合了编译器和工程管理器的集成工作环境，可以在WIN98, WINNT, WINXP下运行，源文件全部组织到工程之中，文件的编辑和工程构建也在IDE环境中完成。并采用AVR Studio进行仿真调试。2. 3小结 本章根据项目的设计要求，从系统的硬件和软件件两方面分别对系统的组成进行阐述，并进行总体设计和可行性论证。 第三章硬件的详细设计 本章将从下位机控制系统，LED点阵驱动系统，手持智能终端控制，串口通信模块，字模信息提取及存储，时钟芯片，报警器七个部分进行详细设计，并说明工作原理。3. 1下位机控制系统3.1.1单片机1控制系统 单片机1的控制系统框图如下图3.1单片机1的控制系统框图 如图3.1所示，单片机1控制系统采用控制器ATMega128，包括工作电路(晶振电路，复位电路，电源电路)，JTAG仿真接口电路，并设有RS-485总线通信接口，时钟芯片PCF8563接口，手持智能终端的无线接口，LED显示屏接口1和LED显示屏接口2，和报警器控制接口。 ATmega128是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的，片内ISP Flash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。它的芯片引脚图如图3.2所示。 图3.2 ATmega128芯片引脚图3.1.2单片机2控制系统 单片机2的控制系统框图如下: 图3.3单片机2的控制系统框图 如图3.3所示，单片机1控制系统也采用控制器Mega128，包括工作电路(晶振电路，复位电路，电源电路)，JTAG仿真接口电路，并设有RS-485总线通信接口，LED显示屏接口，字模提取及存储系统接口。 通过ATmega128进行系统的控制，具有结构简单，应用灵活，且易于扩展的待点。3. 2 LED屏点阵驱动系统 本系统的LED驱动电路采用扫描方式进行显示，每行有一个行驱动器22，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对个行进行扫描。根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通，接通的列，就在该行该列点亮相应LED，未接通的列所对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。全部各行都扫描一遍后，又从第一行开始进行下一个周期的扫描，屏体框图如图3.4。只要一个扫描周期时间比人眼的暂留时间短(1/25秒)，就感觉不出闪烁。 图3.4显示屏屏体原理框图3. 2. 1行信号驱动电路 行选通信号来源于单片机按照时序要求所给出的二进制行号，为在一行显示时间内保持行号的稳定，行号需经锁存器锁存。采用译码器方案z,，保证同一时刻选通一条行线，达到显示的稳定性。 以大小为64X32点的屏体为例，行扫描驱动电路基本由2片74HC245, 4片74HC138译码器和16片APM4953组成。 74HC245是一片双向收发器，引脚图如图3.5。引脚AO-A7 BO-B7是数据引脚，DIR决定数据的发送方向，DIR引脚为低电平时数据由A到B，为高电平时数据由B到A o /OE为片选使能端。从单片机引脚输出的信号经74HC245带载能力加强。 图3.5 74HC245芯片引脚图 74HC138是TTL数字逻辑芯片，其功能是三输入八输出译码器，其逻辑引脚图如图3.6，其真值表如表3-1。当4, S脚为低电平，6脚为高电平时，1, 2, 3脚输入有八种变化，则15, 14, 13, 12, 11, 10, 9, 7 (Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5,Y6, Y7 ) 8个Z脚中的某一个会产生对应为低电平信号，即表示该脚译码选通。 图3.6 74HC138内部逻辑引脚图表3-1 74HC138真值表 APM4953是双P沟道增强型MOSFET, S1和S2分别接电源，G1和G2是控制端,D1和D2分别驱动两个行信号。其引脚图见图3.70 图3.7 APM4953芯片引脚图J曰.碑.，.J1，压一tZ.J.矛.J.，1 Jiirrw 屏幕各个显示单元(8X8)的行线全部连接在一起，行地址译码电路的基本作方法是通过4片3-8译码器74HC138产生32个行选信号，控制16片APM495驱动整个显示屏的行显示。3.2.2列信号驱动电路 显示屏分为上下两部分，各为16行，上半部分对应列的列信号全部连接在一起分别由74HC595控制。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出I能74HC595是一个八位的串行输入三态并行输出的移位寄存器，能直接驱动LEl发光管，传输频率高达100MHZ，而且可以级联，非常适合LED显示屏上数据白高速传输240 移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SHcp的上升沿输入，在STcp的升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储R存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入(DS)，和一个串行输出(Q7t和-个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当侧能OE时(为低电平)，存储寄存器的数据输出到总线。 74HC595各个引脚的功能: 表3-2引脚功能描述功能管脚擎功能oEMR DsVCCQ 1-7并行数据输出口储寄存器的数据输出口串行输出口，接SPI总线的MISO接口存储寄存器的时钟脉冲输入口移位寄存器的时钟脉冲输入口Pin 5Pin10Pin14Pin16非输出使能端Pin12Pinll非芯片复位端串行数据输入电源 Q口脚n 7n管Pi卜Pi 显示数据存储按8位一个字节的形式顺序排放，显示时把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器中。系统采用串行传输的方法，首先，单片机从存储器中读出8bit并行数据进行并串转换，按顺序一位一位的输出给列驱动器。与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，当一行的各列数据都己经传输到位，这一行的各列才能并行的进行显示。硬件采用74HC595移位寄存器，其具有一个8bit串入并出的移位寄存器和一个8bit输出锁存器结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，对于列数据准备来说，其能够实现串入并出的移位功能，对于列数据的显示来说，具有并行锁存的功能。每当SHcp上升沿到来时，Ds引脚当前电平值在移位寄存器中左移一位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移一位，同时Q7，也会串行输出移位寄存器中高位的值，这样连续进行8次，就可以把数组中每一个数(8位的数)送到移位寄存器;然后当STcp上升沿到来时，移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里，并从Q1-7引脚输出。这样本行已经准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示，其时序图如图3.8 0袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆