孙晴楠环境参数采集与监控系统设计与实现——点阵屏设计与制作

1、江阴职业技术学院项目设计报告项目： 环境参数采集系统 - 点阵屏的设计与实现 专 业 应用电子技术专业学生姓名 孙晴楠 班 级 12应用电子(1)班学 号 12030240 指导教师 包老师 完成日期 2014年6月15日摘 要随着社会文化的不断发展，人们的消费标准不断提高，户外灯箱广告更是扮演着越来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股票交易市场，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，传统的霓虹灯广告亟待改进。LED 显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（文字、图形、动画、视频、电视画面等），是集光电子技术、微电子技术、计算

2、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。其次，LED 显示屏的像素采用LED发光二极管，将多个发光二极管以序列的形式构成LED显示阵列，这种显示屏具有耗电低、成本低、亮度和清晰度高、寿命长等优点，而且 LED 显示屏其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，是信息传播设施划时代的产品。再次，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，显示效果清晰稳定，越来越多的地方开始使用LED电子显示屏，有巨大的社会效益和经济效益。本次项目设计为32*64的液晶显示，用于显示终端层采集的温湿度，烟雾，火焰，气压等

3、等。关键词：LED液晶显示屏目 录摘 要I目 录II第一章 应用场合11.1 LED显示屏的应用场合1第二章 功能与性能指标22.1 功能描述22.2 性能指标2第三章 方案设计与选择33.1了解LED内部结构及扫描原理33.2方案对比53.3方案选择53.4数据传送的方法论证53.5串行通信的传送方式6第四章 关键器件选择与系统资源分配84.1 关键器件选择84.2单片机与上位机的通信：84.3单片机主机系统（STC12C5A60S2）94.4系统资源分配10第五章 硬件电路设计115.1 74HC245简介：115.3 LED点阵屏行驱动芯片74HC138的作用：【八位二进制译十进制译码器

4、。】155.4 LED点阵屏列驱动芯片74HC595的作用：LED驱动芯片，8位移位锁存器175.5 AMP4953205.6单片机主机系统（STC12C5A60S2）21第六章 软件设计246.1 总流程图246.2显示流程图256.3列处理26第七章 系统调试337.1 调试33第八章 课题展望348.1 展望34致 谢35参考资料361. 谭浩强参考C语言程序设计（第二版）362. 唐继闲51单片机应用与系统开发（实例精讲）363. 张永枫主编单片机应用实教程36第一章 应用场合 1.1 LED显示屏的应用场合（1） 汽车站，火车站，股票交易市场，还是学校都离不开它，LED 显示屏应用广

5、泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，显示效果清晰稳定。有巨大的社会效益和经济效益。它以其超大画面、超宽视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势。 (2) 本课题设计的是32*64的LED点阵屏用于物联网显示数据采集终端（也就是设备层），显示温湿度，空气质量，气压，火焰等。图1-1LED的应用场合第二章 功能与性能指标2.1 功能描述 （1） 数据汇总与通信调理器（中间层）自定协议终端参数采集系统（底层）采集到的数据打包发送给 数据汇总与通信调理器（应用层）， 数据汇总与通信调理器（应用层）终端参数采集系统再将数据取出来显示. （2） 能实时显示由终端参数采集系统（底层）资源采集到

6、的环境参数 如(温湿度、烟雾、光强、火焰、气压等)。2.2 性能指标1. 要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，文字稳定、清晰无干扰。可显示符号和文字。2. 可以显示符号和文字或文字显示有静止和移入移出等显示方式。3.通过串行口通讯的方式发送与接受命令，并将接受到的数据显示在LED液晶显示屏上。 第三章 方案设计与选择3.1了解LED内部结构及扫描原理（1） LED点阵屏的内部结构可以分为共阴型和共阳型5两种类型，本系统设计采用的是共阳型的LED点阵屏。 其硬件电路如（图1.1）所示，我们只选取了一个8*8的LED矩阵做模型，当行上有一行选通信号时，列选端四位数据为0的发光二极管便导

7、通点亮。根据这个原理，当我们需要某图形或文字时，只需要将要显示的文字或图形的编码作为列信号跟对应的行信号进行逐次扫描1，就可以逐行点亮点阵。当扫描速度大于24Hz，由于扫描时间很快，人眼的视觉有暂留效应，就可以看到显示的是完整的图形或文字，这样就达到了显示的效果。图3-2 LED液晶显示屏的内部结构 （2） 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以及LED点阵阵列三大部分图3-2系统总体框图3.2方案对比 方案一：从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种控制各个发光点同时

8、亮灭的方法称为静态驱动显示方法2。但从实际考虑可以知道，32*64的点阵共有2048个发光二极管，如果采用这种方法，显然单片机没有这么多端口。但如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，32*64的点阵需要256个锁存器。这个数字仍然很庞大，而且成本很昂贵，而我们仅仅是32*64的8个汉字点阵，但在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。显然这样做不能达到我们的要求，因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计方法。 方案二：而这里我们采用的是另外的一种叫做动态扫描10的方法。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行

9、（比如8行）的同名列共用一套列驱动器。具体就32*64的点阵来说，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，再去驱动这一列LED （共阳接法），每一列先送出对应第1行发光管对应的数据并锁存，再选通第1行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，再选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭第8行之后，又重新点亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（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了。3.3方案选择经过方案一二的对比，选择方案二动态扫描比较简单适合。3.4数据传送的方法论证 方案一:采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器

10、。显示数据通常存储在单片机的程序存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时只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行方式或串行方式。采用并行方式时，32*64的LED点阵有8列8*8的点阵，需要8*8=64个列数据输入口，而一般的单片机只有32个I/O接口，还要同时驱动行数据，根本不够用，并且从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，由此可以得出，当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。方案二:采用串行传输的方法，控制电路可以只用2根线：数据线、时钟线。将行数据一位一位传往行驱动器，在硬件方面无疑是

11、十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给行驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备传输和列数据显示两个部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用准备数据锁存的方法。即在显示本行数据的同时，传送下一行的数据。所以列数据的显示驱动电路就需要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能：对数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能

12、；对数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据输人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。所以综上所述，采取方案二串行传输的方法。3.5串行通信的传送方式在实际工作中，计算机的CPU与外部设备之间常常需要进行信息交换；一台计算机与其他计算机之间往往也需要交换信，所以这些信息交换都可称为数据通信。（1）数据通信的方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。（2）并行数据通信是指数据的各位同时经行传送的通信方式。其优点是传送速率快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线。（3）串行数据通信指数据

13、是一位一位顺序传送的通讯方式，它突出优点是只需要一对传送线。这样就大大降低了传送成本，特别适合于远距离通信。所以采用串行通信方式。第四章 关键器件选择与系统资源分配4.1 关键器件选择（1） 74HC138是8位二进制译十进制译码器。通过两片74HC138芯片级联实现四线十六线译码器，使用简单。而74HC154使用要比138多加一个非门。（2） 74HC595的作用是LED驱动芯片，串入并出带有锁存的具有一定驱动能力的8位移位锁存器。而TB62726使能输入其它功能与74HC595相似，只是TB62726是16位移位锁存器，并带输出电流调整功能，但在并行输出口上不会出现高电平，只有高阻状态和低

14、电平状态。74HC595并行输出口有高电平和低电平输出。二LED显示屏常见信号的了解CLK时钟信号：提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。在任何情况下，当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。（3） 74HC245 总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。另外，也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。（4） APM4953行驱动 4.

15、2单片机与上位机的通信：RS485采用差分信号负逻辑，+2V+6V表示“0”，- 6V- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通讯方式，两线制是半双工通讯方式。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：1. 接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。2. 传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps。3. 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式， 这种共地传输容易产生共模干扰，所

16、以抗噪声干扰性弱。4. 传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能 用在50米左右。针对RS-232-C的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：1. RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（26） V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（26）V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片， 且该电平与TTL电平兼容，可方便 与 TTL 电路连接。2. RS-485的数据最高传输速率为10Mbps3. RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。4. R

17、S-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达 3000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器， 即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。 因为RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。 4.3单片机主机系统（STC12C5A60S2）STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周 期（1T）的单片机，是高速

18、、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。1. 增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期2. 工作电压、1280字节RAM3. 通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉可设置成四种模式：4. 准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻开漏每个/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA5. 有EEPROM功能6. 看门狗7. 内部集成MAX810专用复位电路8、外部掉电检测电路9、时钟源：外部高精度晶体/

19、时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：1117MHz3.3V单片机为：812MHz10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T111、3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独波特率发生器可以在P1.0口输出时钟12、 外部中断I/O口7路，传统的下降沿断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.

20、3PWM2路14、 A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S15、 通用全双工异步串行口（UART）16、 双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.317、工作范围：-40854.4系统资源分配 1. 74HC138行选通的A,B,C，D控制线分别接单片机的P3.3，P3.4，P3.5,P1.2 脚。EN使能端接P1.7脚。2. 74HC595列驱动R1，R2数据输入线分别接单片机的P1.0，P1.1脚SCK时钟信号接单片机引脚的P1.6，LT锁存信号接单片机P1.5脚RXD接收端接单片机P3.0。3. MAX485通讯部分TXD发送端接单片机的P3.1脚，TR收发控

21、制接P3.2脚。 第五章 硬件电路设计5.1 74HC245简介： 总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。由于单片机等CPU的数据地址控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。图5-1 74HC245的引脚图图5-2 74HC245的实物图 第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。第2-9脚“A”信号输入输出端，A1=B1、A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输

22、出，其它类同。第11-18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。第10脚GND，电源地。第20脚VCC，电源正极。 Control Inputs控制 输入Operation 运行GDIRLLB 数据到A 总线LHA 数据到B 总线HX 隔开图5-3 74HC245的真值表5.3 LED点阵屏行驱动芯片74HC138的作用：【八位二进制译十进制译码器。】图5-4 74HC138的引脚图第8脚GND，电源地。第16脚VCG，电源正极、第13脚ABC二进制输入脚。第4

23、6脚片选信号控制，只有在45脚为“0”6脚为“1”时，才会被选通，输出受ABC信号控制。其它任何组合方式将不被选通，且Y0Y7输出全为“1”。通过控制选通脚来级联，使之扩展到十六位。例：G2A=0，G2B=0，G1=1，A=1，B=0，C=0，则YO为“0”Y1Y7为“1”。图5-5 74HC138与APM4953在硬件电路5.4 LED点阵屏列驱动芯片74HC595的作用：LED驱动芯片，8位移位锁存器图5-5 74HC595的引脚图第8脚GND，电源地。第16脚VCC，电源正极第14脚DATA，串行数据输入口，显示数据由此进入，必须有时钟信号的配合才能移入。第13脚EN，使能口，当该引脚上

24、为“1”时QAQH口全部为“1”，为“0”时QAQH的输出由输入的数据控制。第12脚STB，锁存口，当输入的数据在传入寄存器后，只有供给一个锁存信号才能将移入的数据送QAQH口输出。第11脚CLK，时钟口，每一个时钟信号将移入一位数据到寄存器。第10脚SCLR，复位口，只要有复位信号，寄存器内移入的数据将清空，显示屏不用该脚，一般接VCC。第9脚DOUT，串行数据输出端，将数据传到下一个第1517脚，并行输出口也就是驱动输出口，驱动LED。图5-6 74HC595的真值表图5-7 74HC595在硬件电路中图5-6 AMP4953的引脚图5.5 AMP4953其内部是两个CMOS管，13脚VC

25、C，24脚控制脚，2脚控制78脚的输出，4脚控 56脚的输出，只有当24脚为“0”时，7856才会输出，否则输出为高阻状态。图5-7 AMP4953的外部及内部图 5.6单片机主机系统（STC12C5A60S2）图5-8 STC12C5A60S2的引脚图管脚说明：（1） P0.0P0.7 P0：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0A7，数据线D0D7 （2） P1.0/ADC0/CLKOUT2 标准IO口、ADC输入通道0、独

26、立波特率发生器的时钟输出（3）P1.1/ADC1 （4）P1.2/ADC2/ECI/RxD2 标准IO口、ADC输入通道2、PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端 （5）P1.3/ADC3/CCP0/TxD2 外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端（6）P1.4/ADC4/CCP1/SS非SPI同步串行接口的从机选择信号（7）P1.5/ADC5/MOSI SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的输出)（8）P1.6/ADC7/SCLK SPI同步串行接口的主入从出（9）P2.0P2.7 P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作

27、为高8位地址总线使用。（10）P3.0/RxD 标准IO口、串口1数据接收端（11）P3.1/INT0非外部中断0，下降沿中断或低电平中断（12）P3.3/INT1 （13）P3.4/T0/INT非/CLKOUT0 定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出A/D转换器的结构 第六章 软件设计6.1 总流程图图6-1主流程图 应用层通信机制：应用层处于环境参数采集系统的最上层，和中间层通信采用主从式通信方式。流程描述：1、应用层发送请求上传数据命令2、中间层收到后响应并回传数据3、应用层发布数据4、中间层无响应时不做任何处理5、数据请求周期为2S一次 6.2显示流程图图

28、6-2 显示流程图为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐。/*显示函数*/void display(unsigned char x)unsigned int i,p;p=0;for(i=0;i<16;i+) /是否满16次SeioutOff();LT=0;LT=1;Seiout(p+x*256);EN=1; /送列数据Selectone(i);EN=0; /行选通LT=0;LT=1; p+; /指针回到起始位置6.3列处理图6-3列处理流程图/*送列数据*/void Seiout(unsigned int p)unsigned char k,i,tmp1

29、,tmp2;for(i=0;i<8;i+) /指针指向显示数组的首地址tmp1=dispbufp;tmp2=dispbufp+128;for(k=0;k<8;k+) SCK=0;R1=(tmp2&0x80); R2=(tmp1&0x80);tmp1<<=1;tmp2<<=1;SCK=1; /送时钟信号 p+=16;图6-4 74HC138的行处理/*行扫扫描 函数*/void Selectone(unsigned char line)ID=line/8;line=line%8;line<<=3;INPORT=(INPORT&

30、;0xc7)|line|0x03;/保证串行口P30，P31为1|0x03图6-5列数据流程图 void SeioutOff()/关显示unsigned char k,i;for(i=0;i<8;i+) /指针指向显示数组的首地址for(k=0;k<8;k+) SCK=0;R1=1;R2=1;SCK=1; /送时钟信号 图6-6串口中断流程图/*串口中断*/void Uart1() interrupt 4 unsigned char *p;EA=0;if(RI)/每接收一个字节进行判断p=(unsigned char*)&rcvbuf;/指针的地址p+=pRcv;/地址随着

31、接收字节的增加而增加*p=SBUF;pRcv+; /接收字节数if(pRcv=1)if(*p!=0xf7)pRcv=0; if(pRcv=3)/完成3个字节的接收（起始符、地址的判断）if(rcvbuf.flag!=0xf77f)|(rcvbuf.address!=machine_address)pRcv=0;/计数器归零if(pRcv=sizeof(sendbuf)rcvOK=1;pRcv=0;/memcpy(&sendbuf,&rcvbuf,sizeof(rcvbuf);RI=0;EA=1; void send_deal()mand=0x01;sendbuf.address

32、=0x01;send_data();void timer0() interrupt 1static unsigned char num;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;num+;if(num=20)sendflag=1;num=0;图6-7汉字字模处理流程图/*字库循迹*/void seek()unsigned int i,k,b;unsigned int j;for(i=0;i<48;i+)if(msg1i>0x7f) /判断是否为汉字j=*(unsigned int *)&msg1i;/指向显示缓冲区中某个字的地址

33、 b = compare(j);/汉字所在字库中的位置for(k=0;k<32;k+)/将汉字的32个字节放在数组中dispbufi*16+k=(hzdotb*32+k);i+;elseb = msg1i-0x20; /ASCII的位置for(k=0;k<16;k+)dispbufi*16+k=(chardotb*16+k); /将ASCII的16字符放在数组中/*字库比较*/unsigned char compare(unsigned int a)unsigned char i;for(i=0;i<sizeof(hzIndex)/2;i+) /将汉字与字库索引对比if(a=*(unsigned int*)&hzIndex2*i)return i;/返回汉字在索引中对应的位置return -1;第七章 系统调试7.1 调试（1）由于本次项目32* 64的LED点阵屏，行