基于单片机的电子屏幕设计

辽宁石油化工大学继续教育学院论文I基于单片机的电子屏幕设计摘要近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。正文首先介绍本课题的背景、研究意义及完成的任务功能；接着简单描述设计过程中所用的一些主要元器件、方案的论证，以及介绍了系统硬件工作原理，并且附以系统硬件设计框图；其次阐述了PCB板的画质、制作、实物的完成、程序的编写和调试；最后对本设计进行了总结。本次毕业设计根据设计要求，基本达到预期的目的。即通过ATMEGA16单片机来控制16X8的贴片发光二极管矩阵显示，以中、明字符为例，分别可以实现“全亮”到字模“中”再到字模“明”到“全暗”的循环显示。用户可以按照自己的喜好选择不同的字模、显示方式。关键词单片机；ATMEGA16；发光二极管；霓虹灯辽宁石油化工大学继续教育学院论文IIABSTRACTINRECENTYEARS,WITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,SCMAPPLICATIONSARECONTINUALLYDEEPENING,WHILETHETRADITIONALCONTROLTESTDRIVERAPIDUPDATESINREALTIMEDETECTIONANDCONTROLOFTHEMICROCOMPUTERAPPLICATIONSYSTEM,THEMICROCONTROLLERISOFTENUSEDASACORECOMPONENT,ONLYTHEKNOWLEDGEOFMCUISNOTENOUGH,WEALSONEEDSPECIFICHARDWARESTRUCTUREANDAPPLICATIONSPECIFICCHARACTERISTICSOFTHESOFTWARETOGETHER,TOBEPERFECTTHETEXTINTRODUCESTHESUBJECTOFTHISISSUEBACKGROUND,SIGNIFICANCE,ANDCOMPLETEFUNCTIONALITYABRIEFDESCRIPTIONOFTHEDESIGNPROCESSUSEDINSOMEOFTHEMAJORCOMPONENTSOFTHEDEMONSTRATIONPROGRAM,ANDINTRODUCEDTHEPRINCIPLEOFTHESYSTEMHARDWARE,ANDATTACHEDTOTHESYSTEMHARDWAREDESIGNBLOCKDIAGRAMSECONDSECTIONDESCRIBESTHEPCBBOARDOFTHEDEFINITION,PRODUCTION,PHYSICALCOMPLETIONOFTHEPREPARATIONPROCESSANDDEBUGGINGFINALLY,ASUMMARYOFTHEDESIGNTHEGRADUATIONPROJECTACCORDINGTOSETREQUIREMENTS,ACHIEVESTHEDESIREDPURPOSEATMEGA16MICROCONTROLLERTOCONTROLTHROUGHTHESMDLEDS16X8MATRIXDISPLAYTOTHEMINGCHARACTER,FOREXAMPLE,WEREABLETOACHIEVEFULLLIGHTTOTHEFONTINTHENFONTOUTTOALLDARKCYCLEOFDISPLAYUSERSCANFOLLOWTHEIROWNPREFERENCESTOSELECTADIFFERENTFONT,DISPLAYKEYWORDSPCL；ATMEGA16；LUMINOUSDIODE；NEONLIGHT辽宁石油化工大学继续教育学院论文III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课程研究背景112课程研究的意义113课程研究的任务2第2章主要电子器件简介321AVRATMEGA16单片机简介322锁存器MC74HC373简介52316X8贴片发光二极管矩阵简介624稳压器AMS117简介6第3章基本原理831总体设计思路832方案的论证与比较9321显示部分设计方案与论证9322驱动部分设计方案论证与选择9323电源模块的选择10第4章设计过程1141单元电路的设计11411控制部分电路11412显示部分电路12413AMS117稳压电路1242软件设计1343制版做实物15431PROTELDXP简介15432实物制作17第5章遇到的问题及调试1851遇到的问题和解决方法18辽宁石油化工大学继续教育学院论文IV511硬件方面18512程序的调试1852各点电压以及波形测试1953结果分析2054材料清单20第6章结论21参考文献22致谢23附录24辽宁石油化工大学继续教育学院论文1第1章绪论11课程研究背景电子计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路到大（超大）规模集成电路弓四个阶段，既通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，单片机的应用越来越广泛，并逐渐发展成为一门关键的技术学科。单片机亦称微控制器,顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能微电脑型”，如智能型热水器等。计算机是人类制造的用于信息处理的机器。这种机器只能在人的控制下，将输入的数据信息，按照人们的要求进行存储、分类、整理、判断、计算、决策和处理等操作。目前，微型计算机主要用在以下几个方面数值计算、数据处理与信息加工、计算机辅助功能、人工智能、计算机通信、多媒体、计算机检测和过程控制等。微型计算机在检测和过程控制方面的应用具有简便、快捷、准确、可靠等优点，便于实现各种生产过程自动化。在改造传统产业、节约能源、提高产品质量和生产效率、改善生产者劳动条件等方面，具有十分重要的作用。单片机具有一些突出优点体积小、重量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以在通信、家电、工业控制、仪器仪表、汽车等产品中都可以看到单片机的身影。12课程研究的意义流水灯在现代社会就有广泛的应用，大型电子广告牌、霓虹灯、指示牌和工辽宁石油化工大学继续教育学院论文2业控制的控制面板等等都有流水灯的应用。而且基于单片机的流水灯的控制系统利用了单片机的内部资源，如定时器、I/O口和寄存器等，完成了单片机系统开发的基本流程，因此具有典型的代表意义，是学习和开发单片机的基本实验之一。ATMEGA16单片机是可多次改写的可编程芯片，内部有16K的FLSAHRAM,含有32个通用I/O口线，用这种芯片构成的系统简单、可靠，性价比相当高，适合成为霓虹灯程序控制器的核心部件，结合锁存器MC74HC373实现的控制器功能，时间常数易修改，使用灵活，电路易实现，成本低，控制芯片更换方便。控制器的花样变化及速度调节能用软件方法实现，这样进一步提高了性价比。ATMEGA16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。13课程研究的任务本设计是以AVRATMEGA16芯片的电路为基础，通过软件程序来控制单片机内部的定时器来控制16X8的矩阵贴片发光二极管的明亮，显示不同的图案花样，形成霓虹灯控制器。实物以ATMEGA16为主控芯片，74HC373、AMS117构成电路，主要包括电源、控制电路、显示电路。对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。该软、硬件系统具有很好的通用性和一定的实际使用价值。本文研究内容包括如下几个单元（1）硬件电路设计以及PCB图的绘制；（2）硬件实物的调试、编写测试程序；（3）测试结果分析。辽宁石油化工大学继续教育学院论文3第2章主要电子器件简介21AVRATMEGA16单片机简介单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，它是由ATMEL公司生产的。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。高性能、低功耗的8位AVR微处理器先进的RISC结构，131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期，2个8位通用工作寄存器，全静态工作，工作于16MHZ时性能高达16MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。非易失性程序和数据存储器，16K字节的系统内可编程FLASH。擦写寿命10,000次，具有独立锁定位的可选BOOT代码区，通过片上BOOT程序实现系统内编程真正的同时读写操作，512字节的EEPROM，擦写寿命100,000次，1K字节的片内SRAM，可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。I/O和封装32个可编程的I/O口40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装。其引脚分布图如图21所示。AVR结构具有两个主要的存储器空间数据存储器空间和程序存储器空间。此外，ATMEGA16还有EEPROM存储器以保存数据。这三个存储器空间都为线性的平面结构。系统内可编程的FLASH程序存储器ATMEGA16具有16K字节的在线编程FLASH，用于存放程序指令代码。因为所有的AVR指令为16位或32位，故而FLASH组织成8KX16位的形式。用户程序的安全性要根据FLASH程序存储器的两个区引导（BOOT）程序区和应用程序区，分开来考虑。FLASH存储器至少可以擦写10,000次。ATMEGA16的程序计数器（PC）为13位，因此可以址8K字的程序存储器空间。辽宁石油化工大学继续教育学院论文4图21ATMEGA16引脚图引脚说明VCC数字电路的电源GND地端口A（PA7PA0）端口A做为A/D转换器的模拟输入端。为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B（PB7PB0）端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C（PC7PC0）端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。辽宁石油化工大学继续教育学院论文5端口D（PD7PD0）端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。VCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。22锁存器MC74HC373简介74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，是八D锁存器（S,锁存允许输入有回环特性），常应用在地址锁存及输出口的扩展中，74H373是高速CMOS器件，功能与74LS373相同，两者可以互换。74LS373内有8个相同的D型（三态同相）锁存器，由两个控制端（11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE）控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号；如果G为低电平，则将地址信号锁存。工作原理74LS373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平，其引脚图为22所示。辽宁石油化工大学继续教育学院论文6图2274HC373引脚图2316X8贴片发光二极管矩阵简介16X8点阵共由128个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置0电平，某一列置1电平，则相应的二极管就亮；例如要将D1点亮，则R01脚接高电平LIN01脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则R01要接高电平，而LIN（0116）这些引脚接低电平，那么第一列就会点亮；如要将第一行点亮，则LIN01脚接低电平，而R（0108）接高电平，那么第一行就会点亮。24稳压器AMS117简介MS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过13V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到15的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT223，8引脚SOIC，和TO252（DPAK）塑料封装。参数如图23、引脚图如图24辽宁石油化工大学继续教育学院论文7图23参数图图24引脚图辽宁石油化工大学继续教育学院论文8第3章基本原理31总体设计思路利用AVRATMEGA16单片机设计一个霓虹灯控制器，控制128个发光二极管，利用二极管的闪烁形成各种图案和花样。控制部分主要由单片机完成，显示部分由单片机输出的信号经过放大后驱动二极管发光，形成图案。为了整体布局美观，实物采用印制PCB版，显示部分由128个贴片发光二极管组成16X8的矩阵。本产品采用以ATMEGA16单片机为核心芯片的电路来实现，主要由ATMEGA16芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路、16X8LBD点阵5部分组成。其中，ATMEGA16是一种带16KB闪烁可编程可擦除只读存储器（FALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY，FPEROM）的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写擦循环。他是一种高效微控制器，为很多嵌人式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。时钟电路由ATMEGA16的7，8脚的时钟端（XTAI1及XTAL2）以及12MHZ晶振X、电容C4、C6组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R12，电容C5，开关S1组成，分别接至ATMEGA16的RST复位输人端。LED点阵显示屏采用16X8的发光二极管点阵，可通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布。我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的图像了。我们在实际应用中是将LBD点阵的8条列线通过驱动电路接在PD口8条行线通过限流电阻接在PA、PC口，考虑到PD口必需设置上拉电阻，我们采用1K排电阻作为上拉电阻。图像显示的基本过程是这样的通电后由于电阻R12，电容C5的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C4、C6、X以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机ATMEGA16按照设定的程序在PA、PC、PD接口输出与内部图像对应的代码电平送至LBD点阵的行列线高电平驱动，从而选中相应的LBD点发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成图像的显示。电路总体方框图如图31所示。辽宁石油化工大学继续教育学院论文9图31电路总体方框图32方案的论证与比较321显示部分设计方案与论证方案一、采用移位寄存器扩展I/O口。利用74HC595扩展单片机的输入输出口来接发光二极管，实现串行输入并行输出。电路图如33所示。此方案可扩展受控制的发光二极管的数量，但要控制128个LBD需要16个移位寄存器，需要芯片多，且PCB布局和布线不方便。方案二、采用矩阵式分布。利用单片机的PD口做行选信号，PA和PC口做列选信号，128个LBD构成16行，18列的矩阵。详细电路图见单元电路设计中。此方案能单独控制每一个LBD，也可单独控制每行或每列的LBD，可形成丰富的图案或花样，显示部分不需要格外的芯片，形成的电路简单，PCB的布局和布线也较容易和美观。综上所述，考虑到要求控制的LBD不是太多，又矩阵式能形成较丰富的图案，PCB板的布局和布线也较美观，选择方案二。322驱动部分设计方案论证与选择方案一、三极管一级驱动。由1个9012驱动一行16个LBD。正常发光时每个LBD的工作电流为1015毫安，16（1015160240毫安,这样大的电流一个三极管就能提供。当一行同时亮时能满足发光工作要求。当一个灯亮时，由于亮的时间非常短不会对LBD的工作造成影响。方案二、功率放大芯片。可以很好的实现放大和驱动，性能稳定，效果好，时钟电路复位电路PAATMEGA16PCPD三极管驱动电路74HC37374HC37316X8LBD点阵辽宁石油化工大学继续教育学院论文10但价格较三极管高，电路较方案一也明显复杂。综上所述，三极管驱动电路简单，性价比高，又能很好完成驱动作用，选择方案一。323电源模块的选择线性电源的原理线性电源主要包括工频变压器，输出整流滤波器，控制电路，保护电路，如图32所示。线性电源是先将交流点经过变压器变压，在经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调节输出电压，这种电源技术很成熟，可以达到很高的稳定度，纹波也很小，而且没有开关电源具有的干扰和噪。图32线性电路原理图由显示部分共128个放光二极管，寄存器扩展的电路如图33所示，每个LBD的工作电流为1015毫安，则当二极管全部工作时，大约需要122A。所以选用9V1A的直流电源作为工作电源，采用市场上出售的成品，不再另行设计。Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q015Q79/SCLR10SCK1RCLK12/G13SER14Q74HC595Q11Q22Q33Q44Q55Q66Q77Q015Q79/SCLR10SCK1RCLK12/G13SER14Q74HC595L1L2L3L4L5L6L7L8L1L2L3L4L5L6L7L8R110KR210KR310KR410KR510KR610KR710KR810KR2510KR2610KR2710KR2810KR2910KR3010KR3110KR3210KDATAN1N2N3图33寄存器扩展的电路图辽宁石油化工大学继续教育学院论文11第4章设计过程41单元电路的设计411控制部分电路控制部分主要是有单片机最小系统完成。采用了1个ATMEGA16单片机，2个74HC373锁存器，12M晶振和电阻、插座等等。驱动部分的8个8050三极管也在此部分内。单片机的PD07作为行的选通信号，PA07和PC07的16个输出信号作为列的控制信号，经过74HC373与二极管矩阵链接。输出信号经8050放大后驱动发光二极管。（1）时钟电路ATMEGA16单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHZ，C4、C6的电容值取30PF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路图如图41所示图41时钟电路（2）复位电路单片机有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，电路如图42所示。当上电时，C5相当于短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位键时单片机复位。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个去耦电容，则会得到很好的效果。辽宁石油化工大学继续教育学院论文12图42复位电路由于ATMEGA16相对89S51来说，已经有了内部的时钟电路和复位电路，那么，在焊机的时候，复位电路和时钟电路的原件不比标记上，但是为了区别以及提醒他们的相关作用，在画电路和绘制PCB板时，仍然标出电路。412显示部分电路显示部分主要由128个贴片发光二极管组成8X16的矩阵。每行16个LED的阳极连接在一起引出8行输出分别接单片机I/O口的PD0PD7口；每列8个LED的阴极连接在一起引出16列输出分别接单片机PA0PA7和PC0PC7口。从结构上可知，它的每一列共用一根列线，每一行共用一根行线。当相应的行接高电平，列接低电平时，对应的发光二极管被点亮。在显示过程中，多采用扫描方式，利用人的视觉暂停效应，只要刷新速率不小于25帧/秒，就不会有闪烁的感觉。点阵显示的原理就对点阵的每一列（或者每一行）进行快速的扫描（起到选择的作用），然后对相应的行或列进行赋值，如果在速度很慢的情况，可以看到列相应的点亮或灭，但当延时的时间足够短，人因视觉的上惰性，只看到就是一个个汉字的显示了。结合以上，总体的硬件电路图如图44所示。413AMS117稳压电路原先设计的时候没有考虑设计电源，采用的是市场上卖的9V10000MA的直流电源，但是单片机工作的电源一般稳定在5V左右，所以利用AMS117设计了一辽宁石油化工大学继续教育学院论文13个5V稳压电路。AMS117稳压电路的作用是把9V1A的直流电源稳压到5LV，然后提供给单片机和LBD矩阵使用，其电路图如图43。图43稳压电路1122334455667788DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA3DATE2010/6/2SHETOFFILED件TXTFUMINGSCHDOCDRAWNBYPB0XCK/T040PB1T141PB2AIN0/INT242PB3I1/OC043PB4S4PB5MOSI1PB6IS2PB7SCK3RESET4PD0RXD9P1T10PD2INT01P3IT112PD4OC1B13P5C1A14PD6ICP15P7OC216XTAL27TL18GND6PC0SCL19PC1SDA20PC2TCK21PC3TMS2PC4TDO23PC5TI24PC6TOSC125PC7TSC226AREF29VC27GND28PA7ADC730P6C631PA5ADC532P4C43PA3ADC334P2C235PA1ADC136P0C037VC5C1718C38GND39ATMEGA1616ACU2LIN1LI2LIN3LI4LIN5LI6LIN7LI8LIN9LI10LIN1LI12LIN13LI14LIN15LI16RISR1RISR2RISR3RISR4RISR5RISR6RISR7RISR8RISR9RISR10RISR1RISR13RISR14RISR15RISR16RISR17VCVCLINO1LI2LINO3LI4LINO5LI6LINO7LI8LINO9LI10LINO1LI12LINO13LI14LINO15LI16VCVCLIN1LI2LIN3LI4LIN5LI6LIN7LI8LIN9LI10LIN1LI12LIN13LI14LIN15LI16VCCAPC712XTALX1CAPC4CAPC6RISR12VCCAPC5SWITCHS112345678910HEADER5X2ISP1TRSTMOSISCKMISOVCMOSIISSCKTRSTVC10PFCAPPOL1C8IN3OUT2GND1OUT4AMS117U410PFCAPPOL1C10VSVCIN3OUT2GND1OUT4AMS117U5VS123PWRJ1CAPC9CAPC1CAPC13CAPC14CAPC128050Q18050Q28050Q38050Q48050Q58050Q68050Q78050Q8VCRISR18RISR19RISR20RISR21RISR2RISR23RISR24RISR25RO1RO2RO3RO4RO5RO6RO7RO8R1R2R3R4R5R6R7R8CAPC1VCCAPC3VCCAPC2VC1234567891011213141516171819202122324HEADER24P1LINO1LI2LINO3LI4LINO5LI6LINO7LI8LINO9LI10LINO1LI12LINO13LI14LINO15LI16R1R2R3R4R5R6R7R8RO1R2RO3R4RO5R6RO7R8LEDD19LEDD20LEDD21LEDD2LEDD23LEDD24LEDD25LEDD26LEDD27LEDD18LEDD17LEDD28LEDD29LEDD30LEDD31LEDD32LEDD35LEDD36LEDD37LEDD38LEDD39LEDD40LEDD41LEDD42LEDD43LEDD34LEDD3LEDD4LEDD45LEDD46LEDD47LEDD48LEDD51LEDD52LEDD53LEDD54LEDD5LEDD56LEDD57LEDD58LEDD59LEDD50LEDD49LEDD60LEDD61LEDD62LEDD63LEDD64LEDD67LEDD68LEDD69LEDD70LEDD71LEDD72LEDD73LEDD74LEDD75LEDD6LEDD65LEDD76LEDD7LEDD78LEDD79LEDD80LEDD83LEDD84LEDD85LEDD86LEDD87LEDD8LEDD89LEDD90LEDD91LEDD82LEDD81LEDD92LEDD93LEDD94LEDD95LEDD96LEDD9LEDD10LEDD101LEDD102LEDD103LEDD104LEDD105LEDD106LEDD107LEDD98LEDD97LEDD108LEDD109LEDD10LEDD11LEDD12LEDD15LEDD16LEDD17LEDD18LEDD19LEDD120LEDD121LEDD12LEDD123LEDD14LEDD13LEDD124LEDD125LEDD126LEDD127LEDD128LEDD3LEDD4LEDD5LEDD6LEDD7LEDD8LEDD9LEDD10LEDD1LEDD2LEDD1LEDD12LEDD13LEDD14LEDD15LEDD16LINO1LINO2LINO3LINO4LINO5LINO6LINO7LINO8LINO9LINO10LINO1LINO12LINO13LINO14LINO15LINO16RO1RO2RO3RO4RO5RO6RO7RO8OE1LE1D03Q021415D27Q263839D4Q4125515D67Q61678719VD20GND10MC74HC373ADWU3OE1LE1D03Q021415D27Q263839D413Q412514515D61Q61671719VD20GND10MC74HC373ADWU1图44整体硬件电路图42软件设计要实现的目的是汉字的显示，其功能为显示辽宁石油化工大学继续教育学院论文14灯“全亮字模中字模明全暗”程序的框图如图45所示图45程序框图汉字的点阵显示原理及字库代码获取方法我们以UCDOS中文宋体字库为例，每一个字由16X8的点阵组成显示。我们可以把每一个点理解为一个象素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在象素范围内的任何图形。汉字显示原理为了弄清楚汉字的点阵组成规律，首先通过行扫描方法获取汉字的代码。首先将16行分成8位的上、下两部分，把发光的象素位编为0不发光的象素位为1的十六进制代码。这样就把要显示的“中明”字编为如下代码中00,00,10,10,7C,54,54,7C,10,10,10,10,00,00,00,00,00明00,00,00,0E,0A,7A,5E,7A,5A,7E,0A,0A,0A,00,00,00,00由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出他的扫描代码从而显示在屏幕上。上述方法虽然能够让我们弄清楚汉字点阵代码的获取过程，但是依靠人工方法获取汉字代码是一件非常繁琐的事情。对于16X16十六进制数据的汉字代码，我们经常采用字库软件查找字符代码，软件打开后输入汉字，点“检取”，十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要的竖排数据复制到程序中即可，如图4所示。可见，汉字点阵显示一般有点扫描、行扫描和列扫描3种。为了符合视觉暂留要求，点扫描方法的扫描频率必须大于16641024HZ，周期小于1MS即可。行扫描和列扫描方法的扫描频率必须大于168128HZ，周期小于78MS即可，但是一次驱动一列或一行（8颗LBD）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。完整的程序代码请参看附录。辽宁石油化工大学继续教育学院论文1543制版做实物431PROTELDXP简介PROTELDXP2004是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、AUTOROUTER（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。PROTELDXP的一个界面如图46所示图46PROTELDXP软件界面制板步骤一般而言，设计电路板最基本的过程可以分为三大步骤（1）电路原理图的设计电路原理图的设计主要是PROTELDXP的原理图设计系统（SCHDOC）来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用PROTELDXP所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现我们的目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。（2）产生网络表网络表是电路原理图设计（SCH）与印制电路板设计（PCB）之间的一座桥梁，它是电路板自动的灵魂。网络表可以从电路原理图中获得，也可从印制电路板中辽宁石油化工大学继续教育学院论文16提取出来。（3）印制电路板的设计印制电路板的设计主要是针对PROTELDXP的另外一个重要的部分PCB而言的，在这个过程中，我们借助PROTELDXP提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的等工作。制版过程步骤一、制作原理图，制作结果如图47所示1122334455667788DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEA3DATE2010/6/2SHETOFFILED件TXTFUMINGSCHDOCDRAWNBYPB0XCK/T040P1T141PB2AIN0/INT242P3I1/OC043PB4S4P5MOSI1PB6IS2P7SCK3REST4PD0RXD9P1T10PD2INT01P3IT112PD4OC1B13P51A14PD6ICP15P7O216XTAL27TL18GND6PC0SCL19P1SDA20PC2TCK21P3TMS2PC4TDO23P5TI24PC6TOSC125P7TS226AREF29VC27GND28PA7ADC730P6631PA5ADC532P443PA3ADC334P2235PA1ADC136P0037VC5171838GND39ATMEGA1616ACU2LIN1LI2LIN3LI4LIN5LI6LIN7LI8LIN9LI10LIN1LI12LIN13LI14LIN15LI16RISR1IS2RISR3IS4RISR5IS6RISR7IS8RISR9IS10RISR1IS13RISR14IS15RISR16IS17VCVCLINO1LI2LINO3LI4LINO5LI6LINO7LI8LINO9LI10LINO1LI12LINO13LI14LINO15LI16VCVCLIN1LI2LIN3LI4LIN5LI6LIN7LI8LIN9LI10LIN1LI12LIN13LI14LIN15LI16VCCAP712XTALX1CAPC4CAPC6RIS12VCCAP5SWITCHS112345678910HEADER5X2ISP1TRSTMOSISCKMISOVCMOSIISSCKTSTVC10PFCAPPOL1C8IN3OUT2GND1OUT4AMS117U410PFCAPPOL1C10VSVCIN3OUT2GND1OUT4AMS117U5VS123PWRJ1CAP9CAP1CAP13CAP14CAP128050Q18050Q28050Q38050Q48050Q58050Q68050Q78050Q8VCRIS18IS19RIS20IS21RIS2IS23RIS24IS25RO1RO2RO3RO4RO5RO6RO7RO8R12R34R56R78CAP1VCCAP3VCCAP2VC1234567891011213141516171819202122324HEADER24P1LINO1LI2LINO3LI4LINO5LI6LINO7LI8LINO9LI10LINO1LI12LINO13LI14LINO15LI16R12R34R56R78RO12RO34RO56RO78LEDD19LEDD20LEDD21LEDD2LEDD23LEDD24LEDD25LEDD26LEDD27LEDD18LEDD17LEDD28LEDD29LEDD30LEDD31LEDD32LEDD35LEDD36LEDD37LEDD38LEDD39LEDD40LEDD41LEDD42LEDD43LEDD34LEDD3LEDD4LEDD45LEDD46LEDD47LEDD48LEDD51LEDD52LEDD53LEDD54LEDD5LEDD56LEDD57LEDD58LEDD59LEDD50LEDD49LEDD60LEDD61LEDD62LEDD63LEDD64LEDD67LEDD68LEDD69LEDD70LEDD71LEDD72LEDD73LEDD74LEDD75LEDD6LEDD65LEDD76LEDD7LEDD78LEDD79LEDD80LEDD83LEDD84LEDD85LEDD86LEDD87LEDD8LEDD89LEDD90LEDD91LEDD82LEDD81LEDD92LEDD93LEDD94LEDD95LEDD96LEDD9LEDD10LEDD101LEDD102LEDD103LEDD104LEDD105LEDD106LEDD107LEDD98LEDD97LEDD108LEDD109LEDD10LEDD11LEDD12LEDD15LEDD16LEDD17LEDD18LEDD19LEDD120LEDD121LEDD12LEDD123LEDD14LEDD13LEDD124LEDD125LEDD126LEDD127LEDD128LEDD3LEDD4LEDD5LEDD6LEDD7LEDD8LEDD9LEDD10LEDD1LEDD2LEDD1LEDD12LEDD13LEDD14LEDD15LEDD16LINO1LINO2LINO3LINO4LINO5LINO6LINO7LINO8LINO9LINO10LINO1LINO12LINO13LINO14LINO15LINO16RO1RO2RO3RO4RO5RO6RO7RO8OE1LE1D03Q021415D27Q263839D4Q4125515D67Q61678719VD20GND10MC74HC373ADWU3OE1LE1D03Q021415D27Q263839D413Q412514515D61Q61671719VD20GND10MC74HC373ADWU1图47电路原理图步骤二、产生网络表，如图48所示图48电路原理图产生的网络表辽宁石油化工大学继续教育学院论文17步骤三、画PCB板，主体电路及如图49所示图49电源电路PCB板432实物制作1PCB版的制作以下是转载相应资料的制作PCB版的方法以及步骤（1）分别打印顶层和底PCB图到转印纸上。（2）将顶层与底层PCB图对齐，中间插入PCB空板，将转印纸固定在PCB空板上。（3）用热转印机转印贴有PCB图的PCB空板。（4）转印完后，待PCB板冷却后，除去转印纸。（5）将PCB板放入腐蚀液中，腐蚀完后，用清水冲洗表面同时用细砂纸擦去粉墨层，用纸擦干表面，切割PCB板。（6）用钻孔机过孔径这个部分因为考虑到设备的因素，以及自身的能力问题，并没有自己动手，所以是选择给工厂代印制，花费时间12天。2元件的焊接焊接所需要的器件主要由电烙铁、锡丝、松香、镊子、万用表、吸锡器。焊接之前焊接前检查电烙铁的焊头是否被氧化，若出现氧化需将氧化部分的氧化物用小刀刮去，然后涂上焊锡，用于隔离空气，防止焊头再次氧化。对于焊接部位被氧化的元器件或被氧化的焊盘，也需要清除其氧化层。辽宁石油化工大学继续教育学院论文18第5章遇到的问题及调试51遇到的问题和解决方法511硬件方面1焊接过程中所遇到的问题（1）由于是贴片元件，都非常小，容易造成焊接不牢，虚焊。（2）发光二极管正负极的确定。（3）单片机引脚过密、细小，容易造成引脚之间的相通焊接。（4）焊接过久，元件过热导致损坏。2针对以上遇到的问题，主要采取了一些办法来解决（1）对于大部分的元件，先在右侧的焊盘上上锡，再用镊子夹住元件，利用电烙铁焊接固定住元件，最后在左侧上锡。（2）可以利用万用表，调到二极管档测元件，发亮时红笔为正黑笔为负。（3）这个实际上是整个焊接过程最关键也是困难的部分，如果焊接的不好，那么接下来的工作将很难进行。焊接单片机，首先是引脚对正焊盘，这个过程需要仔细，多花点时间也是值得的，对正后镊子固定住；接着把锡上到电烙铁再上到其中一边脚的焊盘上，此时不用考虑引脚相连的问题；然后依次把其余的各边引脚上锡，均不考虑引脚相连的问题；最后为了使单片机能正常工作，要对引脚去掉多余的锡，方法是用烙铁头蘸上松香，然后去吸掉引脚多余的锡，此时引脚上的锡会被吸到烙铁头上，重复几次直到吸完多余的锡。这个过程有点繁琐，需要的就是耐心。（4）焊接时时间不要过长，用可调温度的电烙铁，温度控制在380度以内。贴片发光二极管的选择最先选择的是红绿两种颜色各64个，按照隔一列同种颜色的方式排列矩阵，即红绿红绿红绿红绿。但是在测试时发现绿色二极管相对红色要暗很多，显示不出原本所需要的图像，故最后全部替换为红色的二极管。512程序的调试程序调试时用到的硬件为AVRISPMKII下载器，上位机软件采用的是AVR辽宁石油化工大学继续教育学院论文19STUDIO。程序采用的是C语言编写，其原理参看“软件设计”部分，调试时遇到的问题（1）LBD不停闪烁或者图形变换时有重影。分析跟人的视觉暂停有关，闪烁时因为扫描的频率低于25帧/S，重影是扫描间隙太短，解决的办法是选择适合的扫描频率和间隙，最后选择的是100次/S。（2）全亮的程序烧写后，有中间四行的LBD不亮。分析最开始认为是74HC373芯片在焊接的时候坏了，用万用表检测后为正常工作电压，又检查了一遍程序，确定无误。怀疑可能是烧写步骤出现了差错，重头检查，最后是上位机熔丝位设置的复选框选择不正确，修改后LBD正常工作。（3）设计的汉字不能正确显示。分析因为采用的是行扫描的办法，把每行各点组成的二进制转换为16进制，原先采用汉字软件辅助，后发现不适合16X8的矩阵，便更改为手动转换，所以不免出现一些错误，导致汉字不能正确显示。最后是逐个重新计算，确保每个汉字对应的16进制是正确的。（4）图像之间不能正常变换。分析FOR循环语句不正确，检查后发现CASE语句后未加BREAK修正后字模图形之间能正常变换。52各点电压以及波形测试单片机引脚的波形测试，如图51所示。图51单片机引脚的波形各元件主要点电压以及整机电流测试供电电源电压895V辽宁石油化工大学继续教育学院论文20稳压后的电压504VTMEGA16单片机正常工作脚电压498V74HC373正常工作脚电压487V发光二极管工作电压156V三极管电压398V53结果分析通过测试以上各个主要集成芯片引脚的电压以及电流值，以及整个调试的过程设计出的实物也能正常工作，各项指标都均正常，而且也能实现了本设计目标“全亮字模中字模明全暗”的循环显示，达到了预期的效果，因此本设计基本上成功。用户可以按照自己的喜好选择不同的字模、显示方式，并将其转化成机器码存入单片机的存储器中；也可以按照自己的意愿，将发光二极管进行不同的样式排列以及不同颜色的选择，再对程序加以修改就可以组成各种各样的漂亮花纹图案。对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。该软、硬件系统具有很好的通用性和一定的实际使用价值。54材料清单清单如表51。表51材料清单器件名称型号规格数量单片机ATMEGA161锁存器74HC3732贴片发光二极管LBD128三极管80508电解电容220UF2电容30PF,01UF1,9电阻10K20217电阻1K1038电压调节器AMS1172电源，接口9V1A1，1下载口1辽宁石油化工大学继续教育学院论文21辽宁石油化工大学继续教育学院论文22第6章结论本设计涉及模拟电路、数字电路、单片机、嵌入式系统、检测理论、虚拟仪器、信号处理、误差理论等，对实际动手能力有一定的要求，因此需要实验设备。目前我校各种实验设备能够完成传感器实验、模/数电子实验、单片机实验、光电实验和虚拟仪器实验等。本文重点阐述该系统主控单元、各单元连接方式以及功能定义，所有模块用可拆卸方式装配，既可以用到本平台的模块，又可以在此基础上对不同模块进行自行开发，所有软、硬件均可根据需求任意改动，能够最大限度调动同学们创造性，同时又可满足低层次的简单需求，设计的设计思想，原理和软件设计较简单，难点在于PCB板的布局和布线以及美观的效果。采用了矩阵式布局，可以较好的解决这一难题，但是受单片机I/O口的限制，能控制每一个LBDD的数量有限。大型的设计可以采用扩展I/O口和矩阵式相结合的方式。通过系统整体测试，本设计还存在些问题，下面我举例一些（1）显示部分用的128个LBD，照此设计实际上可以直接购买两块8X8的LED点阵来完成，不比大费周章，所以