单片机点阵LED电子显示屏设计--硬件设计.doc

华南农业大学珠江学院华南农业大学珠江学院 毕业论文 设计 毕业论文 设计 单片机点阵单片机点阵 LED 电子显示屏设计电子显示屏设计 硬件设计硬件设计 指导老师 系 信息工程系 年级专业 09 自动化一班 提交日期 2013 年 3 月 9 日 答辩日期 答辩委员会主席 签名 评阅人 签名 年 月 日 摘 要 在大型商场 车站 码头 地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用 LED 点阵显示图形和 汉字 LED 行业已成为一个快速发展的新兴产业 市场空间巨大 前景广阔 本文介绍了一款以单片机 STC89C52RC 为制器的 LED 点阵显示屏系统的设计 该系统可实现中英文字的显示和动态特效显示 系 统以 STC89C52RC 单片机控制 由显示驱动模块驱动一个 16 16 分辨率的 LED 点阵显示屏的扫描显示 关键字 单片机 LED 点阵显示 I Abstract Nowadays more and more places need to use LED dot matrix to display Chinese characters and graphics such as the large shopping malls railway statI Ons docks subway statI Ons varI Ous kinds of service window and so on LED industry has become a new and rapidly developing industry with a huge market space and foreground capacI Ous This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU STC89C52RC The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic show STC89C52RC receives control commands from PC and shows the code Driver module drives a 16 16 resolutI On LED lattice LED s panel display scan showed Key words MCU lattice LED s panel display II 设计说明 单片机点阵 LED 电子显示屏设计是在指导老师给出的任务书并在其指导下完成的 设计任务主要是 以 52 系列单片机为核心设计一个能显示 4 个 16 16 点阵图文 LED 显示屏 能左移显示 欢迎华南农业大 学罗 教授来校讲学 该单片机点阵 LED 电子显示屏设计系统主要硬件和软件组成 本人负责硬件系统设计及软硬的联合 调试 其有以下几点基本要求 1 硬件电路的设计 包含元器件的选择 2 PCB 设计与元件装配 针对上述要求 经过考虑 我们构思出具有自身特色的单片机点阵 LED 电子显示屏设计主要内容为 1 单片机最小系统模块 整个控制系统都是依靠单片机完成 从功能和价位以及本题目要求来看 我们选择 STC89C52RC 芯片作为本系统的控制核心 同时可以实现控制 显示 键盘等功能 电路设计 和制作比较简单 2 点阵显示模块 选择 74HC595 为驱动 74HC138 为数据选择 结合单片机来进行数据显示 实现左移 上移功能 在做本设计的过程中 本人查阅了很多的相关资料 其中主要的技术资料是各个芯片的资料 如 STC89C52RC 单片机资料 74HC595 芯片资料 74HC138 芯片资料 74HC04 芯片资料等 关键词 单片机 显示 软件 点阵 模块 III 目 录 1 引言 1 1 1 研究背景 1 1 2 研究目的和意义 1 1 2 1 国外研究情况 1 1 2 2 国内研究情况 2 1 3 论文主要内容 2 2 系统总体方案 4 2 1 系统总体方案 4 2 2 系统硬件方案选择 4 2 2 1 上位机部分选择 4 2 2 2 通信部分方案选择 5 2 2 3 控制部分方案选择 5 2 2 4 显示部分方案选择 6 2 2 功能要求 7 2 3 系统总结构 8 2 3 1 最终确定硬件设计方案 8 3 系统硬件设计 9 3 1 硬件整体设计概述及功能分析 9 3 2 控制单元设计 10 3 2 1 单片机最小系统设计 10 3 2 2 STC89C52RC 简介 10 3 3 LED 点阵显示设计 12 3 4 列驱动单元设计 13 3 4 1 列驱动系统设计 13 3 4 2 74HC138 简介 14 3 5 行驱动单元设计 15 3 5 1 行驱动 74HC595 15 3 5 2 74HC595 简介 16 IV 3 6 硬件显示仿真 17 3 7 单片机 ISP 下载编程器 19 4 系统调试 21 4 1 系统硬件部分调试方法 21 4 1 1 短路与虚焊检测 21 4 1 2 上电测试 21 4 2 系统联合调试及结果 22 4 3 调试结果分析 22 5 结论 23 参考文献 24 致谢 25 附录 26 附录 A 硬件原理图 26 附录 B 仿真程序 27 附录 C 设计源程序 29 附录 D 实物图 36 0 1 引 言 LED 点阵显示屏以亮度高 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 1 1 1 研究背景 在大型商场 码头 车站 地铁站以及各种办事窗口等越来越多的场所使用 LED 点阵 显示图形和汉字 LED 行业已成为一个发展快速新兴的产业 市场空间巨大 前景广阔 随 着信息产业的高速发展 LED 作为信息传播的一种重要手段 已广泛应用于室内外需要进行 服务的内容和服务宗旨宣传的公共场所 1 2 研究目的和意义 现代 LED 的发展很快 很多研究领域非常已经深刻 很多相关的知识已经远远超出我 们在校学生的能力范围 我们选择 LED 作为我们的毕业设计是该设计课题能够使我们掌握 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法 对 LED 显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认 识 并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践 使我们对所学过的理论知识有了新的认 识 并且通过该设计课题掌握了 52 单片机的的软硬件开发工具的使用方法 为以后从事相 关行业的工作积累了实际工作经验 2 目前我国的信息行业发展迅速 作为主要平面显示媒介的 LED 显示屏的作用也越练越 广泛 相关的从业人员也会越来越紧缺 但同时应该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发 展迅速但和世界先进水平还有一定的差距 因此此课题不论是对自己的就业还是对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义 1 2 1 国外研究情况 自 20 世纪 80 年代后期开始 随着 LED 制造技术的不断完善 在国外得到广泛的应用 在国外点阵屏显示技术研究已经相当成熟 完善 并且已经开始研究新的大屏幕显示技术 但就目前来看 LED 点阵显示屏仍然市场前景依然广阔 他们在主要以下四方面有很好的优 势 一是紧抓重点 大力建设专利标准体系 二是控制成本 加速提升企业核心竞争力 三 1 规范市场 建立健全产品监督机制 四是合理引导 谨防投资过热与产能过剩 1 2 2 国内研究情况 与国外相比 国内 LED 点阵显示屏技术相比于国外仍旧落后 在我国改革开放之后 特别是进入 90 年代国民经济高速增长 都公共场合发布信息的需求日益强烈 LED 显示屏 的出现正好适应这一市场行势 因而在 LED 显示屏的设计制造技术与应用水平都得到迅速 的提高 主要发展可分为以下几个阶段 第一阶段为 1990 年到 1995 年 主要是单色和 16 级双色图文屏 用于显示文字和简单 图片 主要用在车站 金融证券 银行 邮局等公共场所 作为公共信息显示工具 第二阶段是 1995 年到 1999 年 出现了 64 级 256 级灰度的双基色视频屏 视频控制技 术 图像处理技术 光纤通信技术等的应用将 LED 显示屏提升到了一个新的台阶 LED 显 示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用 第三阶段从 1999 年开始 红 纯绿 纯蓝 LED 管大量涌入中国 同时国内企业进行了 深入的研发工作 使用红 绿 蓝三原色 LED 生产的全彩色显示屏被广泛应用 大量进入 体育场馆 会展中心 广场等公共场所 从而将国内的大屏幕带入全彩时代 3 1 3 论文主要内容 针对设计题目的特点 对论文的内容和结构将做如下安排 1 系统总体方案 搜集题目的有关资料 并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分 析比较 最终选定了以 PC 机为上位机 单片机为核心控制器件 外加译码电路和驱动电路 的设计方案 2 系统硬件设计 以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想 选择器件时要从功能和电气特 性两方面来选择和论证 经过对比选择选定 STC89C52RC 单片机为核心控制器件 由串并 转换器 74HC138 74HC595 为驱动电路器件 论文列出了详细的器件参数和在系统中的连 接使用方法 3 系统调试 调试分为硬件调试 软件调试和系统联合调试几步来进行 在硬件调试中发现有单片机 端口驱动能力不足 驱动电路工作不稳定等问题 在软件调试中出现程序整合工作不协调等 2 问题 通过分析 查找找出了问题原因并设法将其解决 4 结论 设计完成后对设计中所遇到的问题 经验教训 以及自己的想法进行总结 3 2 系统总体方案 2 1 系统总体方案 本设计以 STC89C52RC 单片机为核心 通过 74HC138 芯片为列驱动 74HC595 芯片为 行驱动 以 PC 机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令 传输到单片机系统 单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动 4 块 16 16LED 点阵模块构成的 16 64 的 LED 点阵显示屏显示出来 4 2 2 系统硬件方案选择 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 通信系统及上位机四部分组成 上位机通过通信部分向控制部分发送 控制指令和显示内容代码 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 内容和显示方式 图 2 1 系统硬件组成框图 2 2 1 上位机部分选择 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内容 然后通过通信系统传 送到控制系统驱动显示 5 LED 显示上位机的内容一般有实时显示和存储显示两种方法 实时显示及上位机屏幕上 的内容同时显示在 LED 显示屏上 上位机上内容变化 LED 显示屏也跟着变化 存储显示是 将显示内容处理过后存储在上位机中通过通信系统传输到显示屏显示 两种显示方法相比较 实时显示屏幕能及时反应上位机内容的变化 显示的效果和内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 上位机通信部分控制部分 显示部分 4 实时性不高但硬件开销小 成本低廉 该设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示 屏尺寸不大同时显示的内容不多 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 显示屏的显示内容 2 2 2 通信部分方案选择 通信部分要满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 ISP In System Programming 在系统编程 通过下载电缆直接对安装在用户目标板上 的器件编程 给电子产品的设计和生产带来许多革命性的变化 6 目前 比较成熟的 ISP 下 载器大多是基于串口或者并口通信的 但是也存在着以下问题 1 用户 PC 机的主频 硬件和操作系统不同 可能会造成控制信号错误 2 不同的厂商提供不同的 ISP 下载器 互不兼容 给嵌入式开发带来不便 3 限于串 并口的通信协议 ISP 数据传输速率较低 影响嵌入式产品的开发 基于以上原因 本设计选择了一种将单片机和 USB 总线相结合 进行 ISP 下载的方法 2 2 3 控制部分方案选择 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内容 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 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 mA 降至 A 这在便携式产品中大有用武之地 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 52 AVR ARM PIC 等 其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 52 系列 由于产品硬件结构合理 指令系统规范 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 52 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 5 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 52 系列单片机作为控 制部分的核心器件 2 2 4 显示部分方案选择 显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏 以及驱动该显示屏的驱动电路 由于单片机的 I O 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 I O 口 进行扩展增加单片机并行输出的能力 7 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 8 8 16 16 等几种 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 16 16 的 LED 点阵屏选用四块 8 8 点阵模块 6 图 2 2 LED 点阵图 一个 16 16 的 LED 显示屏行和列各有 16 支引脚 不能单靠 52 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 74LS154 4 线 16 线译码器 74HC138 8 位串并转换器 74HC595 等 52 系列单片机端口低电平时 吸入电流可达 2 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 8 2 2 功能要求 本方案设计一个电子显示屏 具体要求满足以下条件 1 要求采用 52 单片机作为微控制器 2 通过四个 16 16 的点阵 LED 进行文字显示 3 在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀 充足 稳定 清晰无串扰 4 文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式 7 2 3 系统总结构 2 3 1 最终确定硬件设计方案 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内容用串行通信的方式将 显示内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内容和指令通过端口译 码扩展后驱动 4 块 8 8LED 点阵模块构成的 16 16 的 LED 点阵显示屏 9 题目将以此方案 为指导思想展开具体的硬件电路设计 该系统的组成结构如图 2 3 所示 图 2 3 系统组成结构图 PC 机 串行通信 译码电路 16x16LED 显 示屏 单片机 显示驱动电路 8 3 系统硬件设计 硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路 列驱动电路和行驱动电路三部分 3 1 硬件整体设计概述及功能分析 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 16 16 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 指令和显示代码内容 单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示内容通过 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内容 10 根据硬件的功能结构图选取合适器件 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 复位电路 时钟电路 STC89C52R C 单片机 行驱动 列驱动 16 64LED 点阵屏 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 显示所需范围内的电压和电流要求 3 译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及驱 动电路的要求 4 单片机要能接收上位机的指令和显示内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 9 3 2 控制单元设计 3 2 1 单片机最小系统设计 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 指单片机 的可以的最小配置系统 STC89C52RC 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 I O 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 在该系统中 P0 各口主要用作 LED 显示数据的行控制输出 具体接法为 P0 4 P0 5 P0 6 分别接 74HC138 的 A 端 B 端 C 端向 74HC138 送入串行数据经过其转换后 并行输出 P0 3 P0 7 接 138 芯片的使能控制端 当为低电平使允许输出 P0 0 P0 1 P0 2 接 595 的 SH CP 端 ST CP 端 DS 端控件系统的列输入 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地 址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 因为没有扩展外部程序存储器所以 将 EA 置为高电平 11 图 3 2 控制部分电路图 3 2 2 STC89C52RC 简介 STC89C52 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 STC89C52 使用经典的 MCS 52 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统 52 单片 机不具备的功能 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使得 10 STC89C52 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 具有以下标准功能 8k 字节 Flash 522 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 一个 7 向量 4 级 中断结构 兼容传统 52 的 5 向量 2 级中断结构 全双工串行口 另外 STC89X52 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 STC89C52RC 具有以下特点 1 增强型8052单片机 6时钟 机器周期和12时钟 机器周期可以任意选择 指令代码 完全兼容传统8052 2 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 3 工作频率范围 0 40MHz 相当于普通8052的0 80MHz 实际工作频率可达 48MHz 4 用户应用程序空间为 8K 字节 5 片上集成522字节 RAM 6 通用 I O 口 32个 复位后为 P0 P1 P2 P3是准双向口 弱上拉 P0口是漏极开 路输出 作为总线扩展用时 不用加上拉电阻 作为 I O 口用时 需加上拉电阻 7 ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真器 可通过串口 RxD P3 0 TxD P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 具有 EEPROM 功能 9 具有看门狗功能 10 共3个16位定时器 计数器 即定时器 T0 T1 T2 11 外部中断4路 下降沿中断或低电平触发电路 Power Down 模式可由外部中断低 电平触发中断方式唤醒 12 通用异步串行口 UART 还可用定时器软件实现多个 UART 13 工作温度范围 40 85 工业级 0 75 商业级 11 3 3 LED 点阵显示设计 四个16 16的点阵构成一个16 64的点阵 行和列的交叉处有一个 LED 共由1024个 LED 构成 如果 LED 的阳极与行相连 而阴极与列相连 那么只要给该 LED 对应的行以高 电平 列以低电平 那么对应的 LED 就发光 12 图3 3画出了室内直插式8 8点阵双基色 LED 模块实物图 这种模块由64个发光 LED 芯 片以8 8的形式构成一个正方形模块 然后用2列8针引脚将内部电路接口引出 供驱动电路 使用 图3 3 LED 点阵显示实物图 LED 数码管结构简单 价格便宜 本文所述的是 LED 的数据显示方式 这种方式通常 使用 8 段 LED 或者 16 段 LED 在实际应用中 点亮 LED 数码管的方式有静态和动态 2 种 方法 本文以 16 段 LED 作为示例来论证方案 1 静态显示方式 静态显示方式 即 16 段 LED 数码管在显示某一个数码时 加在数码管上的段码保持不 变 直至换显其他数码为止 这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制 每显示以为数 码需要 8 根输出线 当 N 位显示则需 N 16 根输出控制线 占用较多 I O 资源 2 动态显示方式 为解决静态显示占用较多 I O 资源的问题 在多位显示时通常采用动态显示方式 动态 显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起 由一个 16 位的输出口控制 每位数码管的 公共端分别出一位 I O 线控制 显示不同数码时 由位线控制各位轮流显示 位线控制某位 选通时 该位应显示数码的段码同时加在段码线上 即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮 的 当轮流显示的速度较快 每秒 24 次以上 由于人眼的视觉暂留现象 看起来就像所有 12 位同时显示一样 这时 我们就能看到稳定的图像了 13 由于单片机的特性 我们将采用方案 2 动态显示方式 采用动态显示方式进行显示时 每一行有一个行驱动器 各行的同名列共用一个驱动器 显示数据通常存储在单片机的存储 器中 按 8 位一个字节的形式顺序排放 显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱 动器上去 这就存在一个显示数据传输的问题 从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用 并列方式或串行方式 3 4 列驱动单元设计 3 4 1 列驱动系统设计 译码电路的功能是为了解决单片机 I O 端口不足 行译码所用器件为串并转换器 74HC138 和锁存器 74HC595 两个 138 级联成 4 线 16 线译码器 三级管 Q1 Q16 接显示屏 H1 H8 解决了显示屏供电不足的问题 14 具体电路如图 3 4 所示 图 3 4 列驱动电路图 13 3 4 2 74HC138 简介 74HC138 是一款高速 CMOS 器件 74HC138 引脚兼容低功耗肖特基 TTL LSTTL 系 列 74HC138 译码器可接受 3 位二进制加权地址输入 A0 A1 和 A2 并当使能时 提供 8 个互斥的低有效输出 Y0 至 Y7 74HC138 特有 3 个使能输入端 两个低有效 E1 和 E2 和一个高有效 E3 除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高 否则 74HC138 将保持所有输出为 高 利用这种复合使能特性 仅需 4 片 74HC138 芯片和 1 个反相器 即可轻松实现并行扩 展 组合成为一个 1 32 5 线到 32 线 译码器 任选一个低有效使能输入端作为数据输入 而把其余的使能输入端作为选通端 则 74HC138 亦可充当一个 8 输出多路分配器 未使用 的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态 74HC138 与 74HC238 逻辑功能一致 只不过 74HC138 为反相输出 74HC138 的功能表如表 3 1 所示 表 3 1 74HC138 集成译码器功能 14 74HC138 引脚图如图 3 5 所示 图 3 5 74HC138 引脚图 3 5 行驱动单元设计 3 5 1 行驱动 74HC595 行驱动电路由 74HC595 构成 它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出 锁存器 而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的 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 达到重叠处理的目的 数据在 SH CP 的上升沿输入 在 ST CP 的上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 寄存器早一个脉冲 移位寄存器有一个串行移位输入 DS 和一个串行输出 Q7 和一 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 当使能 OE 时 为低电平 存储寄存器的数据输出到总线 15 工作顺序 单片机先送 1 个 8 位数据到第一个 595 的内部移位寄存器 然后数据会送到 内部的输出寄存器 输出 当 MR 10 引脚 为高电平 OE 13 引脚 为低电平时 数据在 SHCP 上升沿进入移位寄存器 在 STCP 上升沿输出到并行端口 具体电路如图 3 6 所示 15 图 3 6 行驱动原理图 3 5 2 74HC595 简介 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件 兼容低电压 TTL 电路 遵守 JEDEC 标准 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个存储器 三态输出功能 移位寄存器和 存储器是 分别的时钟 数据在 SHcp 的上升沿输入到移位寄存器中 在 STcp 的上升沿输入到存储 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寄存器早一个脉冲 移 位寄存器有一个串行移位输入 Ds 和一个串行输出 Q7 和一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 当使能 OE 时 为低电平 存储 寄存器的数据输出到总线 16 8位串行输入 输出或者并行输出移位寄存器 具有高阻关断状态 三态 74HC595的外形及内部结构如图3 7所示 图 3 7 74HC595 结构图 16 74HC595 引脚图如图 3 8 所示 图 3 8 74HC595 引脚图 它的输入侧有 8 个串行移位寄存器 每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器 引 脚 SI 是串行数据的输入端 引脚 SCK 是移位寄存器的移位时钟脉冲 在其上升沿发生移位 并将 SI 的下一个数据打入最低位 74HC595 功能见表 3 2 表 3 2 74HC595 集成译码器功能表 输入管脚 SI SCKSCLRRCKOE 输出管脚 X X X X H QA QH 输出高阻 X X X X L QA QH 输出有效值 X X L X X 移位寄存器清零 L 上沿 H X X 移位寄存器存储 L H 上沿 H X X 移位寄存器存储 H X 下沿 H X X 移位寄存器状态保持 X X X 上沿 X 输出存储器锁存移位寄存器中的状态 值 X X X 下沿 X 输出存储器状态保持 3 6 硬件显示仿真 硬件仿真主要用 proteus 软件仿真 Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的 EDA 工具软件 它不仅是模拟电路 数字电路 模 数混合电路的设计与仿真平台 更是目前世界上最先进 最完整的多种型号微控制器 P4 系统的设计与仿真平台 具有丰富的元器件模型库 激励源 17 虚拟仪器和图表仿真 打开 proteus 的 ISIS 窗口如图 3 9 所示 图 3 9 ISIS 窗口图 该窗口有两个基本功能一是当你在元件列表中选择一个元件时 它会显示该元件的预览 图 二是当你的鼠标焦点落在原理图编辑窗口时 即放置元件到原理图编辑窗口后或在原理 图编辑窗口中点击鼠标后 它会显示整张原理图的缩略图 并会显示一个绿色的方框 你 可用鼠标改变绿色的方框的位置 从而改变原理图的可视范围 在左边的元件框中选出所需 要的元件放在右边的框图上 然后根据芯片资料进行连线 硬件显示仿真是检验硬件逻辑正确与否的重要依据 作为芯片引脚逻辑输入输出的重要 参考 可以引导我在 PCB 板上做布局同时可以使我减少在焊线中出现不必要的错误 我在 本次设计中用 proteus 软件做硬件仿真 在了解各芯片引脚功能后 在 proteus 软件上连接好 线路 在单片机上写入一段小程序点亮一块 16 16 点阵如图 3 10 所示 这说明了 proteus 软 件显示部分没错 在以后的工作中继续采用该办法来检验硬件仿真的正确性 给后面的 proteus 调试带来了很好的经验 图 3 10 部分仿真图 18 显示江字的部分程序如下 uchar code ziku table 0 xFB 0 xFF 0 xF7 0 xFF 0 x37 0 xC0 0 xFF 0 xFD 0 xEE 0 xFD 0 xED 0 xFD 0 xF5 0 xFD 0 xF7 0 xFD 0 xF7 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 xF8 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 x0B 0 x80 0 xFB 0 xFF 0 xFF 0 xFF 江 0 uchar data disp buff 14 显示江字原理框图如图 3 11 所示 图 3 11 显示江字原理框图 89C52 单片机的 P0 引脚接到 74HC138 列驱动上 P1 6 和 P1 7 接到 74HC595 行驱动上 具体接线见附录 A 硬件原理图 3 7 单片机 ISP 下载编程器 单片机系统传统的编程方式是将单片机先从电路板上取下 放入专用的编程器进行编程 再放人电路板进行调试 其缺点是频繁的拔插器件容易损坏器件的引脚 如果频繁的调试程 序 必须重复拔插 大大降低了开发效率 ISP 技术是未来发展的方向 其优势是无需编程 器就可进行单片机的实验和开发 单片机器件可直接焊接到电路板上 调试结束即为成品 免去调试时由于频繁插入取出对器件和电路板造成的损坏和带来的不便 ISP 可降低研发成 本 缩短从设计 制造到现场调试的时间 简化生产流程 大大提高工作效率 在试验新品 或学生试验等常需用不同的程序调试器件的场合中 在线编程技术尤为重要 设计 STC89C52RC 单片机开发板 采用 ISP 下载线实现在 Keil C 软件开发环境下调试 的汇编语言程序机器码能即时下载到 STC89C52RC 单片机片内 Flash 中 并可在线修改 在系统可编程 ISP In System Programmable 指电路板上的空白器件可编程写入最终用 户代码 而无需从电路板取下器件 已编程的器件也可用 ISP 方式擦除或再编程 ISP 的提 出改变了传统硬件系统开发的流程 大大方便了开发者 加快了开发速度 将单片机和 USB 89C52 单片机 74HC595 行驱动 74HC138 列驱动 16X16 点阵显 示 19 总线相结合 进行 ISP 下载 如图 3 10 所示 图 3 10 ISP 下载电路图 20 4 系统调试 软件硬件完成后开始进行调试 调试可分为硬件调试 软件调试和系统联合调试 4 1 系统硬件部分调试方法 硬件调试又分为 proteus 调试和硬件部分调试 Proteus 调试主要是调试连接的线路逻辑 是否正确 根据各芯片的资料在 proteus 软件连接好电路图后 写入程序 让点阵中进行显 示 结果显示达到预期的效果 这说明 proteus 调试成功 硬件部分调试主要是调试各部分的焊接是否合格和各芯片的输出输入电压是否符合设计 要求 最后测试各硬件部分能否完成设计功能 因此把硬件调试按照以下四部分分步来进行 1 测试所有焊点是否有短路和虚焊的现象存在 2 通电测试所有硬件芯片的输入输出电压是否在设计要求的范围内 3 测试 ISP 下栽线的功能是否能够实现 4 测试串口系统的通信功能是否能够实现 由于最重要的显示系统功能的测试需要软件配合所以在硬件调试部分只测试单片机复位 电平 功能部分测试放在系统联合调试部分来完成 4 1 1 短路与虚焊检测 检测工具为万用表 使用万用表的短路报警功能 逐个测试相临的两个焊点检测是否短 路 按照电路图检测需要连接的两点是否短路来检测是否已经连接上 以此来检测虚焊的情 况 检测和修改完成后为下一步通电检测排除了短路的危险和由于虚焊引起检测结果不真实 的麻烦 4 1 2 上电测试 由于系统测试时是采用适配器为系统电源 所以电源输入都为 5V 显示系统中单片机 译码器 锁存器 驱动电路的电源电压均要求为 5V 所以可同时直接接入 上电后首先观察电路是否有过热 异味 冒烟的现象出现 经过观察 没有这些现象出 现 然后测试各器件的电源 接地及一些电平应该固定的端口的电压 测试的结果为 各器 件电源端在 4 3V 4 8V 之间满足器件的电源电压要求 单片机端口在未接负载时端口电压 为 4 5V 21 4 2 系统联合调试及结果 经过硬件调试和软件调试 排除了硬件的连接问题和验证了串口功能的可实现性 其余 功能的软件便可以在此基础上调试验证其功能的正确性 联合调试的具体方法如下 1 编写一个逐点扫描的显示程序 再结合硬件电路运行 这样做的目的在于检测各 器件是否能够正常运行和显示屏的各个 LED 灯是否有损坏 结果显示显示屏中只有边角出 有一个 LED 灯被烧坏 其他器件逻辑功能运行正常 2 将静态显示子程序与各种动态显示程序结合硬件电路进行调试 系统运行时显示 如图 4 1 所示 显示图像比较清晰 各动态显示效果也能够实现 但显示存在两个问题 一 是发光点的下方会出现一个很微弱的亮点 影响了整体的显示效果 二是同一列的 LED 灯 被点亮的数量与其亮度出反比 即如果同一列的灯都被点亮则亮度比只点亮几个时要暗一点 3 将串口通信 显示 硬件联合调试 按照设定的通信协议 先由 PC 机向单片机发 送起始控制字 s 接着再发送 32 比特的显示数据 最后发送控制显示方式的显示控制字 再 发送不同的显示数据和显示控制字 观察各种显示方式的运行情况和各种显示方式之间的切 换情况 结果是显示屏执行显示控制指令 显示所发送的内容 4 3 调试结果分析 对调试中出现的问题进行了分析 得出以下原因和修改办法 1 硬件的工作表现出不稳定 主要是表现在 LED 显示屏的驱动电路部分和单片机系 统部分 具体表现为单片机接负载后电压被拉低值 1 7V 左右 无法满足译码电路的输入要 求 显示时会有一些行驱动的输出不够设计指标 导致所驱动的那一行在显示屏上表现为 选定的点不能够很好区分 图像出现模糊 分析造成这一现象的原因为 焊接时三极管 9012 遭到了高温损坏以致工作不稳定和焊接的电路不够牢靠 还有就是 9012 的 e 端所接电压过 高 修改办法为将单片机输出端口外接 74HC04 芯片 替换三极管 2 虚点的产生与软件和 04 芯片电压有关 修改办法是将软件中的延时时间调至恰当值 经过调试和修改 系统实现了题目所要求的中文显示 动态显示及上位机通信与控制的 要求 最终实物图见附录 D 22 5 结 论 本文设计的一个用 16 64 的点阵 LED 图文显示屏 能够在目测条件下 LED 显示屏各点 亮度均匀 充足 可显示图形和文字 显示图形和文字应稳定 清晰无串扰 图形或文字显 示有静止 移入移出等显示方式 本系统具有硬件少 结构简单 容易实现 性能稳定可靠 成本低等特点 总结本文的研究工作 主要做了下面几点较突出的工作 一 通过查阅大量的相关资料 详细了解了 LED 的发光原理和 LED 显示屏的原理 了 解了 LED 的现状 清楚地了解了 LED 显示屏与其它显示屏相比较有那些优点 明确了研究 目标 二 本文设计的 LED 显示屏能够实现在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀 充足 可显示图形和文字 显示图形和文字应稳定 清晰无串扰 图形或文字显示有静止 移入移 出等显示方式 三 文章给出了系统具体的硬件设计方案 硬件结构电路图与调试等方面 四 在这次毕业设计的过程中学会了 Proteus99 的基本使用 感到 Proteus99 对自动化 专业的同学来说是一门很有用的课程 五 通过这次毕业设计 重新复习并进一步学习了 MCS 52 熟练掌握了 WORD 软件 的使用 23 参考文献 1 沈晶 汉字字模的拾取及其在 LED 显示系统中的应用 J 陕西科技大学学报 2004 06 23 32 2 关积珍 陆家和 我国 LED 显示屏技术和产业发展及展望 J 现代显示 2004 02 34 37 3 Robert C Hutchison programming using the C language M 1988 210 214 4 缪思恩 LED 大屏幕显示电路设计 J 电子技术应用 1996 08 56 77 5 王亭 李瑞涛 宋召清 在 Windows 下 PC 机和单片机的串行通信 J 微型机与应用 2000 1 25 27 6 陈新忠 基于 RS232 总线的单片机多机通信软件设计 J 现代电子技术 2002 03 56 78 7 卢弥坚 主从分布式 LED 大屏幕显示系统 J 电脑与信息技术 1997 04 6 13 8 芮晓飞 朱维涛 LED 屏幕点阵字符显示系统应用研究 J 仪器仪表学报 2004 01 108 120 9 文哲雄 用单片机控制 LED 显示屏 D 佛山 佛山科学技术学院 1995 10 彭宁 只佩华 单片机对 LED 大屏幕显示的控制系统 J 河北大学学报 自然科学版 1993 13 3 86 89 11 陈玉华 王铭霞 LED 大屏幕显示电路的设计 J 大连海事大学学报 1997 03 55 56 12 郑刚 李宇成 LED 大屏幕显示系统的设计 J 北方工业大学学报 2001 03 43 47 13 范海富 张瑞 一种大屏幕 LED 显示系统的设计 J 电气传动自动化 2001 01 1 7 14 王宏民 LED 点阵显示屏驱动方案 J 信息技术 1999 05 367 380 15 ATMEL 8 bit Microcontroller With 8K Bytes Flash AT89C52 M 1999 34 54 16 Dave Jackson 关于 DSP 芯片的问与答 J 今日电子 1998 12 1 7 24 致 谢 岁月如梭 我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声 离别在即 站在人生的又一个转 折点上 心中难免思绪万千 一种感恩之情油然而生 生我者父母 感谢生我养我 含辛茹 苦的父母 是你们 为我的学习创造了条件 是你们 一如既往的站在我的身后默默的支持 着我 没有你们就不会有我的今天 谢谢你们 我的父亲母亲 在这四年中 老师的谆谆教导 同学的互帮互助使我在专业技术和为人处事方面都得到 了很大的提高 感谢珠江学院在我四年的大学生活当中对我的教育与培养 感谢珠江学院信 息工程系的所有专业老师 没有你们的辛勤劳动 就没有我们今日的满载而归 感谢大学四 年曾经帮助过我的所有同学 在制作毕业设计过程中我曾经向老师和同学们请教过不少的问 题 老师的热情解答和同学们的热心帮助才使我的毕业设计能较为顺利的完成 在此我向你 们表示最衷心的感谢 25 附 录 附录 A 硬件原理图 硬件原理如图 A 所示 图 A 硬件原理图 26 附录 B 仿真程序 仿真的程序如下 include include define uint unsigned int define uchar unsigned char define NOP nop sbit EN port P1 3 sbit DA in port P1 2 sbit CLK port P1 1 sbit Latch port P1 0 define ABCD port P1 HC138 ABCD 端口定义 sbit D port P1 7 sbit C port P1 6 sbit B port P1 5 sbit A port P1 4 uchar code ziku table 0 xFB 0 xFF 0 xF7 0 xFF 0 x37 0 xC0 0 xFF 0 xFD 0 xEE 0 xFD 0 xED 0 xFD 0 xF5 0 xFD 0 xF7 0 xFD 0 xF7 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 xF8 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 xFB 0 xFD 0 x0B 0 x80 0 xF