LED显示系统设计毕业设计论文

1、led 显示系统设计 目 录 摘 要iii abstractiv 1 绪 论1 1.1 led 显示屏的广泛应用 1 1.2 最新的 led 显示屏技术1 1.3 本课题的主要内容 1 第 2 章 系统硬件方案论证与选择3 2.1 上位机部分方案选择 3 2.2 通信部分方案选择 3 2.3 控制部分方案选择 4 2.4 显示部分方案选择 4 2.5 最终确定硬件设计方案 6 第 3 章 系统硬件设计7 3.1 硬件整体设计概述及功能分析 7 3.2 控制单元设计 7 3.3 行驱动模块设计 9 3.4 列驱动模块设计 11 3.5 单片机 isp 下载编程器13 3.6 usb 电源接口 1

2、4 3.7 max232 串口通信电路14 3.8 系统总电路图 15 第 4 章 系统软件设计17 4.1 系统软件方案选择 17 4.2 系统软件程序设计 17 第 5 章 系统调试21 5.1 系统硬件部分调试 21 5.2 系统软件调试 21 5.3 系统联合调试及结果 22 5.4 调试结果分析 23 第 6 章 结 论24 参考文献25 附录 1： 硬件原理图26 附录 2： 设计程序27 附录 3： 系统仿真图33 致 谢34 ledled 显示系统设计显示系统设计 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

3、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 at89s51 为控制器的 led 点阵显示屏系统的设计。该系 统可实现汉字字符的显示和动态特效显示。系统采用 pc 机作为上位机，上位机向单片机 发送控制命令和上位机所存储的显示代码，at89s51 单片机接收并处理 pc 机的控制命 令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一个 1616 分辨率的 led 点阵显示屏的扫描显示。 pc 机与单片机之间的通信采用 isp 下载编程器来实现。除此之外，该系统只占用了单片 机少量的 i /o 口和内存，为系统留下了功能扩展的空间。 关键词：at89s51；led 点阵

4、显示；isp design of led display system 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 stations, docks, subway stations , various kinds of service window and so on . led industry has become a new an

5、d rapidly developing industry with a huge market space and foreground capacious. this paper introduces a design of the led lattice display system base on mcu at89s51. the system can display in both chinese and english characters of the show and from top to bottom and move around the magic show. the

6、pc sends control commands and displays code to microcontroller, at89s51 receives control commands from pc and shows the code. driver module drives a 1616-resolution led lattice leds panel display scan showed. communication between pc and the microcontroller using isp download programmer standards. i

7、n addition, the system will take up only a small amount of the mcu i/o and memory,so that the system has functional space for expansion. key words: at89s51; lattice leds panel display; isp 第 1 章 绪 论 1.1 led 显示屏的广泛应用 led 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用 于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 led 点阵显示屏以亮度高、

8、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。led 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包 括：（1）证券交易、金融信息显示。 （2）机场航班动态信息显示。 （3）港口、车站旅客 引导信息显示。 （4）体育场馆信息显示。 （5）道路交通信息显示。 （6）调度指挥中心信 息显示。 （7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 （8）广告 媒体新产品等。 1.2 最新的 led

9、 显示屏技术 随着液晶（lcd）产品价格的下降，lcd 显示器也呈现出多样化的发展趋势：尺寸越 来越大，宽屏逐渐成为消费热点，个性化产品层出不穷，多媒体应用需求已经显现，黑 插入技术取得进展，计算机应用向多媒体应用靠拢，平板显示器与若干视听设备相连的 技术需求增加，如高分辨多媒体接口 hdmi 等数字传输技术，已开始应用在 lcd 显示器上。 高分辨多媒体接口 hdmi（全称是 high-definition multimedia interface）是 2006 初年日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和 silicon image 等 7 家公司联合发布 的接口规范，包括高清晰支持、高速

10、传输以及与电脑的更简易的连接方法。hdmi 只需一 条线就可以传输数字音频和视频数据，使消费者能够方便地体验到高品质的家庭影院效 果。hdmi 接口技术引起了计算机行业的关注，因为 hdmi 定位于标准数字多媒体接口。在 应用方面，hdmi 与低电压交流电计算机的画面控制终端的连接更加简单和方便，有利于 计算机与消费电子类产品实现真正意义上的融合。目前许多高清数字电视生产商都在产 品中采用了 hdmi 接口，hdmi 也已经被运用到计算机媒体播放器、dvd 播放器、dvd 录音 设备、有线电视机顶盒、卫星电视机顶盒以及 a/v 接收器中，也被应用在游戏机和便携 式摄像机中。 1.3 本课题的主

11、要内容 针对本课题的特点，对论文的内容和结构将做如下安排： （1）初步方案的论证和选择 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）方案实现 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 at89s51 单片机为核心控制器件，由串 并转换器 74hc138 和锁存器 74hc573 为译码电路器件，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。 （

12、3）软件编写 根据硬件特点和设计要求，软件选用 c 语言编写。程序按功能分为静态显示、动态 显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最 后将独立的模块整合起来。 （4）验证与测试 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 不协调等问题。通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。 （5）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。 第 2 章 系统硬件方案论证与选择 大多数的 led 显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常

13、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3。 上位机 上位机 通信部分 通信部分 控制部分 控制部分 显示部分 显示部分 图 2-1 系统硬件组成框图 2.1 上位机部分方案选择 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

14、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。 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9。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；存储显示虽实时性不高但硬件开销小，成本低廉。课题设计题目对显示的 实时性要求较低且

15、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 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。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

16、；（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。而 usb isp 完美地解决了这些问题，它具 有较强的易用性，可靠性和兼容性，数据传输速率也较快。 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。 2.3 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。 （1）单片机 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

17、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4。 （2）dsp 芯片 dsp 又叫数字信号

18、处理器。顾名思义，dsp 主要用于数字信号处理领域，非常适合高 密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和 便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，dsp 具有修正的哈佛结构， 多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据 同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。dsp 区别于一般微处理器的另 一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令， 速度慢。而 dsp 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令， 如 tm320 系列的 firs ，lms，

19、macd 指令等5。 两种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但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-51、avr、arm、pic 等。其中应用最广泛的单片机首推 intel 的 51 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 51 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 51 系列

20、单片机作为控制部分的核 心器件。 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 io 口进行扩展增加单片机并行输出的能力。 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 88、1616

21、 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 1616 的 led 点阵屏选用四块 88 点阵模块。 图 2-2 led 点阵图 一个 1616 的 led 显示屏行和

22、列各有 16 支引脚，不能单靠 51 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。51 系列单片机端口低电平时，吸入电流可达，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7。 2.5 最终确定硬件设计方案 最终方案如图 2-3 所示

23、，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 88led 点阵模块构成的 1616 的 led 点阵显示屏。题目将以 此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。 pc机 pc机 usb 通 信 usb 通 信 单 片 机 单 片 机 译 码 电 路 译 码 电 路 显 示 驱 动 电 路 显 示 驱 动 电 路 16*16led 显示屏 16*16led 显示屏 图 2-3 硬件设计方案 第 3 章 系统硬件设计 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

24、、通信系统、单片机系统、译码电路、显示驱动电 路和 1616 的点阵屏组成。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11。 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框图如图 3-1 所示： 电源电路 电源电路 at89s51 单片机 at89s51 单片机 74hc

25、138 控制行驱 动 74hc138 控制行驱 动 74hc595 控制列驱 动 74hc595 控制列驱 动 16*16led 点阵屏 16*16led 点阵屏 isp接口电 路 isp接口电 路 图 3-1 硬件原理框图 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

26、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 usb 接口完成与上位机的通信速度和数据传 的可靠性要达到显示要求。 3.2 控制单元设计 3.2.1 控制系统设计 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） 。at89s51 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 io 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

27、 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 0000hffffh） ，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。p1.5,p1.6,p1.7 分别接 isp 的 1，7，5 引脚，用 于向芯片烧写程序

28、。具体电路如图 3-2 所示： 图 3-2 控制部分电路图 3.2.2 at89s51 简介 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos8 位单片机，片内含 4k bytes 的可系统编程的 flash 只读程序存储器,器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性 存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器既可在线编程 （isp）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，atmel 公司的功能 强大，低价位 at89s51 单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制 领域。 at989s51 具有以下

29、特点： 与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4.05.5v 的工作电压范围 全静态工作模式：0hz33mhz 三级程序加密锁 1288 字节内部 ram 32 个可编程 i/o 口线 2 个 16 位定时/计数器 6 个中断源 全双工串行 uart 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗（wdt）及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程（isp 字节或页写模式） at89s51 提供以下标准功能：4k 字节 flash 闪速存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，

30、看门狗（wdt） ，两个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断 结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89s51 可降至 0hz 的静 态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 cpu 的工作，但允许 ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 ram 中的内容，但 振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.3 行驱动模块设计 3.3.1 行驱动系统设计 行驱动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。两个 138 级联成 4 线-16 线译码

31、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。具体电路如图 3-3 所示： 图 3-3 行驱动电路图 3.3.2 串并转换器 74hc138 行译码采用的是芯片 74hc138。如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输出来控 制 1616 的 led 点阵屏显示，需要 32 个端口。而采用了译码电路后仅仅需要 79 个端 口便可实现控制显示。大大减少了 i/o 口的占用数目，为单片机扩展其他功能预留下来 了空间。 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） 。74h

32、c138 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。 表 3-1 74hc138 集成译码器功能表 3.4 列驱动模块设计 列驱动电路由 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

33、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。 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- 4 所示： 图 3-4 列驱动原理图 3.5 点阵显示模块设计 如图 3-5 所示，本设计采用了 4 个

34、 8*8 的点阵发光二级管模块，组成了 16*16 的 led 点阵显示屏。led 驱动显示采用的动态驱动扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，把 所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，先送出 对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其点亮一定的时间，然后熄灭； 再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其点亮相同的时间，然后熄灭；第十 六行之后，又重新点亮第一行，反复轮回。当这样的轮回速度足够快（每秒 24 次以上） ， 由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形。该方法能驱动较多的 led，控 制方式较灵活，而且节省单片机的资源。 图 3-

35、5 点阵显示电路 3.5 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，

36、在线编 程技术尤为重要。 设计 at89s51 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 at89s51 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 总线相结合，进行 isp 下载。 本设计中 isp 电路如图 3-6 所示： 图 3-6 is

37、p 下载电路 3.6 usb 电源接口 本设计除了可以用 isp 接口供电，还可以采用 usb 电源接口供电，开关 s1 连接了一 个发光二级管，用于指示电源的通断。 具体电路如图 3-7 所示： 图 3-7 usb 电源接口电路 3.7 max232 串口通信电路 本课题中还设计了另一种通信方式，当所采用控制芯片不为 at 系列，而是 stc 系列 时，采用 max232 串口通信。 具体电路如图 3-8 所示： 图 3-8 232 串口通信电路 max232 芯片是美信公司专门为电脑的 rs-232 标准串口设计的接口电路 ,使用 +5v 单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分

38、是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和-12v 两个电源，提供给 rs-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据 通道。其中 13 脚（r1in）、12 脚（r1out）、11 脚（t1in）、14 脚（t1out）为第 一数据通道。 8 脚（r2in）、9 脚（r2out）、10 脚（t2in）、7 脚（t2out）为第二 数据通道。ttl/cmos 数据从 t1in、t2in 输入转换成 rs-232 数据从 t1out、t2out 送到电脑 db9 插头；db9 插头的

39、 rs-232 数据从 r1in、r2in 输入转换成 ttl/cmos 数 据后从 r1out、r2out 输出。 第三部分是供电。 15 脚 gnd、16 脚 vcc（+5v）。 3.8 系统总电路图 a 1 b 2 c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 vcc 16 gnd 8 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u1 a 1 b 2 c 3 g2a 4 g2b 5 g1 6 vcc 16 gnd 8 y0 15 y1 14 y2 13 y3 12 y4 11 y5 10 y6 9 y7 7 u2 h1 16 h2 15 h3

40、14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled1 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled2 h1 16 h2 15 h3 14 h

41、4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled3 h1 16 h2 15 h3 14 h4 13 h5 12 h6 11 h7 10 h8 9 l1 1 l2 2 l3 3 l4 4 l5 5 l6 6 l7 7 l8 8 8*8led 1l 17 2l 18 3l 19 4l 20 5l 21 6l 22 7l 23 8l 24 dled4 q0 15 q1 1 q2 2 q3 3 q4

42、 4 q5 5 q6 6 q7 7 mr 10 vcc 16 ds 14 sh_cp 11 st_cp 12 qt 9 gnd 8 oe 13 u4 q0 15 q1 1 q2 2 q3 3 q4 4 q5 5 q6 6 q7 7 mr 10 vcc 16 ds 14 sh_cp 11 st_cp 12 qt 9 gnd 8 oe 13 u5 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 h8 h9 h10 h11 h12 h13 h14 h15 h16 l1 l2 l3 l4 l5 l6

43、 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 vccvcc data clk latch clk latch 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp3 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp4 330 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 l8 l9 l10 l11 l12 l13 l14 l15 l16 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 1

44、3 12 11 10 9 rp1 10k a b c d g vcc vcc vcc vcc a b c d g 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 rp2 10k q1 9012 q2 9012 q3 9012 q4 9012 q5 9012 q6 9012 q7 pnp1 h1 h2 q8 9012 h3 h4 h5 h6 h7 h8 vcc q9 9012 q10 9012 q11 9012 q12 9012 q13 9012 q14 9012 q15 9012 q16 9012 h9 h10 h11 h12 h13 h14 vcc h15 h1

45、6 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale 30

46、ea 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u6 at89s51 y1 12mhz c4 30p c330p +5 r3 10k +5 +5 s1 r2 1k c5 10uf latch clk data a c d g b 74hc138 74hc138 74hc595 74hc595 74hc138 16*16 vcc 1 d- 2 s 5 d+ 3 s 6 gnd 4 j1 usb-b +5 d1 led r4 1k

47、 + c2 usb c1 0.1uf s1 c1+ 1 v+ 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 v- 6 t2out 7 r2in 8 r2out 9 t2in 10 t1in 11 r1out 12 r1in 13 r1out 14 gnd 15 vcc 16 u5 max232 c11 474 c12 474 c13 474 c9 474c10 474 p30 p31 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j0 db9 t2out t2out r2in r2in 232 vcc 12 34 56 78 910 jp9 isp p1.5 p1.7 p1.6 rst rst p1.5 p1

48、.6 p1.7 vcc 第 4 章 系统软件设计 4.1 系统软件方案选择 软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。软件的编 写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件 之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所 选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。 4.1.1 单片机编程语言选择 现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和 c 语言。两种语言相比较各有优点。 汇编语言(assembly language)是面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序 设计语言，也是利用计算机所有

49、硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快， 占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的 机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植8。 c 语言是一种源于编写 unix 操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代 码。c 语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。c 可以进行许多机器级函数控 制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要 求对 51 的存储器结构有初步了解；寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可 由编译器管理；程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化；将 可变的选择与特殊操

50、作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；编程及程序调试时间 显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； 已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。c 语言作为一种非 常方便的语言而得到广泛的支持，c 语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做 修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。 基于以上理由决定采用 c 语言为该显示系统的编程语言。 4.1.2 系统软件编译工具选择 c 语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。 因此在系统软件设计中，编译器必不可少。支持 mcs51 用 c 语言编程的编译器主要有

51、两种：franklin c51 编译器和 keilc51 编译器。目前在单片机开发中普遍都是使用 keil c51 来进行编译。 因此软件设计最终方案为采用 c 语言为程序语言，kelc 为编译工具按照控制、通信、 显示等几个功能模块来编写程序。 4.2 系统软件程序设计 设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示程序两大部分。 4.2.1 主程序设计 系统软件采用 c 语言编写，按照模块化的设计思路设计。首先分析程序所要实现的 功能，程序要实现静态显示，动态显示两大功能。其通信程序接收上位机数据，交给主 程序处理再通过控制程序选择不同的显示程序进行显示。 主程序的工作流程如

52、图 4-1 所示： 系统初始化 从显示数组读取 数据到显示寄存 器 读取显示控制 命令选择显示 方式 调用相应显示程序 ri=1? 起始位？ 接收显示数据及控制命令 将显示数据移入显示数组将 控制命令赋值给控制字符 n n y y 开 始 中断开始 中 断 返 回 图 4-1 主程序流程图 程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：中断优先级的 设定，中断初始化，通信方式的选择和波特率的设定，各 io 口功能的设定等。初始化完 成后程序进入待机状态等待中断的发生，该程序中主要用到了两个外部中断源和串行中 断。外部中断源由按键的电平变化触发，外部中断主要功能是选择 led 点阵

53、显示屏的控 制方式是由按键控制还是上位机控制和显示状态是静态显示还是动态显示。串行中断包 括发送中断和接收中断都是由软件触发。中断产生后由预先初始化时设定跳转执行中断 子程序。中断程序设定了 led 点阵显示屏所要显示的内容和显示的方式，最后执行的是 各种显示程序。按照设定的方式和内容显示出所需要的内容。 4.2.2 显示程序的设计 显示程序分为静态显示程序、左移显示 2 种种显示方式。其中左移动程序调用了静 态显示程序为子程序。 对静态显示来说，每一个发光二极管都需要一套驱动电路，一帧画面输入以后便可 一劳永逸地显示，除非我们改变了显示内容，需要重新输出新的点阵数据这种方式系 统原理相对简单

54、一些，但所需的译码驱动装量很多，引线多而繁杂，不便于大屏幕的制 造，成本高，其可靠性也较低 另一种动态扫描显示是把整个 led 屏幕分成若干部分，每一幅画面的显示是显示完 一部分后，又显示第二部分直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部分，重复 循环进行在重复扫描速度足够快的情况下，我们看到的就是一幅稳定的画面也就是 说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新在这种方式下其显示驱动电路可重复利 用，引线也大大减少，从而使硬件成本降低，且屏幕上的发光二极管轮流发光，使用时 的耗电量大大降低大屏幕的制造、维护要容易许多，可靠性也增加了 两种显示方式的比较再结合 51 单片机 io 口数量有限的原因决

55、定采用动态扫描的方 式进行显示。 动态扫描分为行扫描和列扫描两种方式区别在于选通端和数据输入端分别是行还是 列。在该显示系统中扫描显示的工作原理如图 4-2 所示，先选通列然后再从行送入对应 列的数据，这样从第 1 列到第 16 列循环往复，只要切换的速度足够的快利用人眼的延时 特性就可以看见一幅稳定的画面。 1 2 1 16 2 16 16 16led16 16led16 16led led 16 led 1 led 2 图 4-2 扫描显示程序原理图 显示采用的是列扫描的显示方式，选通一列后按照列与数据元素的对应关系第 i 列 对应的行数据为数组中的第 i 和第 i+16 个元素。将对应元

56、素的由低至高位依次从端口输 出具体做法为将元素向右逻辑移位后再与 0x01 相与，所得结果通过单片机端口输出到串 并转换器的 a 端，锁存在锁存器里完成一列数据移位后再将其输出。如此依次循环选通 各列来显示所需画面17。 开始 读入显示数组 显示 显示数组元素逻辑左移一位 移位次 数是否 为 16 n y 图 4-5 左移程序流程图 动态显示程序流程如图 4-5 所示，根据显示数据的存储原理通过改变实际 led 列与 数据逻辑列的方法来实现程序的左移。显示数据与列的对应关系为：第 i 列对应的数据 为数组中 i 和第 2i 个数据。显示数组中，第 1 至 16 个元素的第 8 至第 1 位 l

57、ed 显示 屏中的第 1 至第 8 行。同理第 17 至 32 个元素的第 8 至第 1 位 led 显示屏中的第 9 至第 16 行。所以将元素数据进行逻辑位移便能产生左移动的效果18。 第 5 章 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。 5.1 系统硬件部分调试 硬件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 i

58、sp 下载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。 5.1.1 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。 5.1.2 上电测试 由于系统测试时是采用 usb 电源为系统电源，所以电源输入都为 5v。显示系统中单 片机、译码

59、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 4.3v4.8v 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。 5.2 系统软件调试 由于已经进行了硬件调试，所以软件调试主要是软件编译和将各功能块程序分别写 入以验证其功能的可实现性。在进行功能调试前必须用 keil c 对所有程序进行编译，编 译成功生产可执行的.hex 后将程序烧入芯片中。如图 5-1,5-2 所示 图 5

60、-1 生成.hex 图 5-2 将程序烧入芯片 5.3 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程序的可实现性。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动态显示程序结合硬件电路进行调试。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 l