《单片机系统设计与制作》-任务7

任务导入本任务通过电子广告牌的设计与制作，使学生了解LED点阵的结构及原理;掌握51单片机控制LED点阵的接口电路及编程方法;掌握通过编程实现动态字符显示的软硬件设计方法;掌握单片机串口通信基本原理及应用。与此同时，在设计电路并安装印制电路板(或万能板)、进行电路元器件安装、进行电路参数测试与调整的过程中，进一步锻炼学生印制板制作、焊接技术等技能;加深对电子产品生产流程的认识。任务学习目标见表7.1。返回知识链接一、LED点阵显示器1.LED点阵显示器结构LED点阵显示器亦称LED点阵或LED矩阵板。它是以发光二极管为像素，按照行与列的顺序排列起来，用集成工艺制成的显示器件，具有亮度高且均匀、高可靠性、接线简单、拼装方便等优点。被广泛用于大屏幕LED智能显示屏、智能仪器等设备中。常见的有8x8点阵、16x16点阵，单色、彩色LED点阵显示器。图7.1所示为最常见的8x8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外形规格。

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号。下一页返回知识链接如5x7点阵显示器用于显示西文字母;5x8点阵显示器用于显示中西文;8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。2.LED点阵显示器显示方式LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态显示和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂。在实际应用中一般采用动态显示方式。动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。上一页下一页返回知识链接点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式。这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性，将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/s，人眼看起来就是一个完整的、相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大地缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。3.LED点阵与单片机的接口电路目前常见的是并行传输方式，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器(MCU)的通信速度要求较低。下面以51单片机控制8x8LED点阵显示数字0~9为例。上一页下一页返回知识链接LED点阵与51单片机的接口电路如图7.4所示，此电路核心件是MCS-51单片机ATS9C51，包括时钟电路、复位电路以及74HC245驱动电路。(1)汇编源程序上一页下一页返回知识链接上一页下一页返回知识链接上一页下一页返回知识链接(2)C语言源程序上一页下一页返回知识链接上一页下一页返回知识链接上一页下一页返回知识链接二、串行通信及其应用1.串行通信简介上一页下一页返回知识链接在计算机系统中，CPU和外部通信有两种通信方式:并行通信和串行通信。并行通信如图7.5所示，数据的各位同时传送，传送速度快，但传送距离短。串行通信如图7.6所示，数据和控制信息一位一位按顺序串行传送。特点是速度较慢，传送距离比并口通行的远。按照串行数据的时钟控制方式，可分为同步通信和异步通信两类。

(1)异步通信异步串行通信通常以字符(或者字节)为单位组成字符帧传送。字符帧由发送端一帧一帧地传送，接收端通过传输线一帧一帧地接收。字符帧由三个部分组成，分别是起始位、数据位和停止位，如图7.7所示。上一页下一页返回知识链接起始位位于字符帧的开头，占一位，为0(低电平)，表示发送端开始发送一帧数据。数据位紧跟起始位后，低位在前，高位在后，根据串行通信工作方式的不同，数据位可为8位或9位。停止位位于字符帧的末尾，占一位，为1(高电平)，表示一帧数据发送完毕。1)串行接收在串行接收数据时，当CPU允许接收(即串行口控制寄存器SCON中的REN位为1)时，外部数据通过引脚RXD(P3.0串行输入，数据低位在前，高位在后。上一页下一页返回知识链接一帧数据接收完毕，再并行送入接收缓冲器SBUF中，同时由硬件将接收中断标志位RI置1.2)串行发送在串行发送数据时，将发送数据并行写入发送缓冲器SBUF中，同时启动数据由TXD(P3.1)引脚串行发送。当一帧数据发送完毕(即发送缓冲器空)，由硬件自动将发送中断请求标志位TI置1.

3)数据传送速率串行通信的速率用波特率来表示，所谓波特率就是指一秒钟传送数据位的个数。每秒钟传送一个数据位就是1波特，即1波特=1b/s(位/秒)。上一页下一页返回知识链接在串行通信中，数据位的发送和接收分别由发送时钟脉冲和接收时钟脉冲进行控制。时钟频率高，则波特率高，通信速度就快;反之，时钟频率低，波特率就低，通信速度就慢。(2)同步通信同步通信是一种连续串行传送数据的通信方式。在数据开始传送前，用同步字符(通常为1个或2个)来指示数据的开始，并由时钟来实现发送端和接收端同步，即检测到规定的同步字符后，就连续按顺序传送数据，直到数据传送结束。同步传送时，字符与字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位。同步传送格式如图7.8所示。同步通信的数据传输速率较高，通常可达56000b/s或更高，其缺点是要求发送时钟和接收时钟必须保持严格同步。上一页下一页返回知识链接(3)串行通信的制式在串行通信中，数据是在两个站之间进行传送的。按照数据传送方向，串行通信可分为单工、半双工和全双工三种制式。在单工制式下，通信线的一端接发送器，一端接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送。在半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，数据能从A传送到B，也可以从B传送到A，但是不能同时在两个方向上传送，只能一端发送，一端接收。全双工通信系统的每端都有发送器和接收器，可以同时发送和接收，即数据可以在两个方向上同时传送。上一页下一页返回知识链接一般情况下常用半双工制式，因为该制式简单、实用。2.MCS-51的串行接口的结构51系列单片机串行口主要由两个数据缓冲器SBUF、一个输入移位寄存器、一个串行控制寄存器SCON及一个波特率发生器组成，其结构框图如图7.9所示。发送和接收缓冲寄存器采用同一个地址99H，其寄存器名也同样为SBUF。CPU通过不同的操作指令来区别这两个寄存器，所以不会因地址和名称相同而产生错误。在发送和接收数据前，先设置好波特率(设置好PCON中的SMOD位和T1方式2的初值，注意发送和接收端的波特率要相同)，并设置好SCON中的相应控制位;上一页下一页返回知识链接发送时向SBUF中写入要发送的数据，串行口自动启动数据发送，串行数据从TXD(P3.1)引脚输出，当一帧数据发送完毕时，将TI位置1，供CPU采用中断或查询方式进行串行发送处理;接收时串行数据从RXD(P3.0引脚输入，当一帧数据接收完毕时，将RI位置1，通知CPU将接收到的数据取走，并进行相应的接收处理;无论采用中断方式还是查询方式，在相应的处理程序中都要用指令将TI位和RI位清零。串行通信主要是由串行口控制寄存器SCON控制，其主要用于串行通信的工作方式(串行移位工作方式、双机通信工作方式和多机通信工作方式)控制、多机通信时传送数据或地址的控制、是否允许接收数据控制、串行数据接收或发送完毕控制等。上一页下一页返回知识链接

(1)串行口控制寄存器SCONSCON是51系列单片机的一个可位寻址的专用寄存器，用于串行通信方式选择、接收和发送控制，串行口状态指示等。单元地址为98H，位地址为98H~9FH。寄存器的内容及位地址见表7.2。1)SM0,SM1串行口工作方式选择位这两位用于选择串行口的4种工作方式，其状态组合和对应工作方式见表7.3

。

2)SM2,TB8,RB8多机通信控制位在方式2和方式3时，TB8是发送数据的第9位，RB8是接收数据的第9位，由用户用指令进行置1或清零。TB8和RB8是对应的，在发送端的TB8位就是接收端的RB8位。上一页下一页返回知识链接方式2和方式3用于多机通信时，在发送端，若TB8=1，则表示发送的为地址帧;若TB8=0，则表示发送的为数据帧。接收端若SM2=1，表示地址接收状态，若接收到的RB8=1,即接收的为地址帧时，将接收到的地址送入接收SBUF中，并置位RI产生中断请求;若RB8=0,即接收到的为数据帧时，RI不置1，同时将接收到的数据帧丢弃。若SM2=0，表示数据接收状态，则不论RB8=1或RB8=0，都将接收到的数据送入接收SBUF中，并产生中断请求。在方式2和方式3用于双机通信时，TB8,RB8可作奇偶校验位用。在方式1中，当SM2=0时，RB8为接收到的停止位;当SM2=1时，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。而串行口工作在方式0中，SM2必须清零，不用TB8和RB8位。上一页下一页返回知识链接

3)REN—允许接收位由指令置1或清零，REN=1时，允许接收数据;REN=0时，禁止接收数据。4)TI—发送中断标志位在方式0时，发送完第8位数据后，该位由硬件置1。在其他方式下，在发送停止位之初，由硬件置1.因此，TI=1表示帧发送结束，其状态既可供软件查询使用，一也可用于请求中断。TI在查询方式或中断方式下都必须由指令清零。5)RI—接收中断标志位在方式0时，接收完第8位数据后，该位由硬件置1。上一页下一页返回知识链接在其他方式下，在接收停止位的中间，该位由硬件置1。因此，RI=1表示帧接收结束，其状态既可供软件查询使用，也可用于请求中断。同样，RI在查询方式或中断方式下都必须由指令清零。

(2)电源控制寄存器PCONPCON不可位寻址，字节地址为87H0PCON主要是为CHMOS型51系列单片机的电源控制而设置的专用寄存器，其各控制位的符号见表7.4。与串行通信有关的只有D7位(SMOD),该位为波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口波特率增加一倍;当SMOD=0时，串行u波特率为设定值。当系统复位时，SMOD=0.上一页下一页返回知识链接

GF1,GF0,PD和IDL位为电源控制位，其中GF1和GF0为通用标志位，由指令置1或清零。PD和IDL位为低功耗方式控制位，其中PD位为掉电方式控制位，PD=1时，进入掉电工作方式;IDL位为待机方式控制位，IDL=1时，进入待机工作方式。3.串行口的四种工作方式51系列单片机串行通信有4种工作方式，由SCON中的SMO和SM1位确定。

(1)方式0串行口工作在方式0时，作同步移位寄存器使用，以8位数据为一帧，无起始位和停止位。串行数据由RXD(P3.0)端输入或输出，同步移位脉冲由‘PXD(P3.1)端输出。上一页下一页返回知识链接

1)数据发送当数据写入SBUF后，从RXD端输出，在移位脉冲的控制下，逐位移入74LS164，由74LS164完成数据的串并转换。当8位数据全部输出后，由硬件将TI置1，发出中断请求。数据由74LS164并行输出，其接口电路如图7.10所示。RXD端接74LS164的串行输入端A,B,TXD接74LS164的时钟脉冲输入端CLK,P1.0接74LS164的清零端。由该电路可知，通过外接74LS164,串行口能够实现数据的并行输出。2)数据接收要实现接收数据，必须首先把SCON中的允许接收位REN置1。当REN为1时，数据在移位脉冲的控制下，从RXD端输入。上一页下一页返回知识链接当接收完8位数据时，将接收中断标志位RI置1发出中断请求。数据由74LS165并行输入，其接口电路如图7.11所示。RXD接74LS165的数据输出端CLK,TxD接74LS165的时钟脉冲输入端CLK,Pl.0接移位/置数端。由该电路可知，通过外接74LS16s,串行口能够实现数据的并行输入。(2)方式1方式1为10位异步串行通信方式。其帧格式为1个起始位、8个数据位和1个停止位，其波特率可调。1)数据发送数据写入SBUF后，就启动发送器开始发送，此时由硬件加入起始位和停止位，构成一帧数据，由TXD串行输出。上一页下一页返回知识链接发送完一帧数据后，将TI置1，通知CPU可以进行下一个数据的发送。2)数据接收REN=1且接收到起始位后，就开始接收一帧数据。当停止位到来后，把停止位送入RB8中，并置位RI，通知CPU接收到一个数据，将其从SBUF中取走。3)波特率确定工作在方式1时，其波特率是可变的，波特率的计算公式为上一页下一页返回知识链接当定时器1作波特率发生器使用时，选用工作方式2(即自动重装初值方式)，可以避免因程序反复装入定时初值所引起的定时误差，使波特率更加稳定。设T1初值为X，则溢出周期为溢出率为溢出周期的倒数，则波特率的计算公式为上一页下一页返回知识链接T1的初值为(3)方式2方式2为11位异步串行通信方式。其帧格式为1个起始位、9个数据位和1个停止位。与方式1相比增加了一个第9位数据位(D8)，其功能由用户确定，是一个可编程位。1)数据发送发送前先根据通信协议用指令设置好SCON中的TB8(发送端发送的第9位数据，双机通信时作奇偶校验位;多机通信时作地址/数据标识位，TB8为1时发送的为地址，TB8为0时发送的为数据)，上一页下一页返回知识链接然后将要发送的数据(D0~D7)写入SBUF中，而D8位的内容则由硬件电路从TB8中直接送到发送移位寄存器的第9位，并以此来启动串行发送。一帧发送完毕，将TI位置1。其他过程与方式1的相同。2)数据接收方式2的接收过程也与方式1的基本类似，所不同的只在第9位数据上，串行口把接收到的前8位数据送入SBUF，而把第9位数据送人RB8。在接收前先将REN位置1，将RI位清零。然后根据SM2的状态和接收到的RB8的状态，决定串行口在数据到来后是否使RI置1，如RI置1，则接收数据，否则不接收数据。当SM2=0时，单片机处于数据接收状态。不管RB8为0还是为1,RI均置1，此时串行口将接收发送来的数据。上一页下一页返回知识链接当SM2=1时，单片机处于地址接收状态。如接收到的RB8为1时，表示接收到的为地址，此时RI置1,串行口接收发来的地址;如接收到的RB8为0时，表示接收到的为数据，因本机当前处于地址接收状态，所以该数据不能被接收，RI不置1，此数据为发送给其他单片机的数据。3)波特率确定方式2的波特率是固定的，由晶振频率及SMOD的值确定。用公式表示为上一页下一页返回知识链接(4)方式3方式3同方式2相似，只不过方式3的波特率是可变的，由用户来确定。其波特率的确定同方式1.4.串行口初始化编程串行口初始化时，主要对波特率发生器T1,串行口控制寄存器SCON及电源控制寄存器PCON中的波特率倍增位SMOD进行设置，串行口初始化编程格式如下。上一页下一页返回知识链接5.RS-232C接口RS-232C是EIA(美国电子工业协会)1969年修订的RS-232C标准。RS-232C定义了数据终端设备(DTE)与数据通信设备(DCE)之间的物理接口标准。RS-232C(阳头)接口规定使用9针连接器，连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。RS-232C外形及指针排布如图7.12和图7.13所示。上一页返回任务实施一、任务分析1.总体方案设计本任务要求设计与制作一个基于51单片机的LED点阵显示屏系统，实现一组汉字或图形(本任务以箭头为例)的滚动显示。单片机通过串口发送数据到2片8x8点阵屏滚动显示。本任务要求用Keil,Proteus等作开发工具，进行调试与仿真，并在万能板或PCB板上进行电路元器安装、电路参数测试与调整，下载程序并测试好，实物如图7.15所示，最后需完成任务设计总结报告。2.硬件电路设计下一页返回任务实施系统采用AT89C51单片机为控制器，整个电路主要由AT89C51单片机、LED点阵驱动显示电路、时钟电路、复位电路、串口通信电路、8x8点阵屏和电源电路等组成。系统的结构框图如图7.16所示。根据图7.16的总体设计框图，设计出LED点阵显示屏的总体硬件电路图，如图7.17所示。单片机通过串口发送数据到2片8x8点阵屏，其中通过串口发送数据到3片串入并出芯片74LS595，前2片分别发送两块电子屏的行码，第3片负责两块点阵屏的列码。

(1)单片机最小系统单片机最小系统包括AT89C51单片机、复位电路和时钟电路，其中复位电路采用上电复位。上一页下一页返回任务实施在该系统中，单片机串口RXD端接第1片74LS595的DS端，P3.2接74LS595的ST_CP端，控制串入并出芯片的工作状态。

(2)LED点阵驱动电路本设计的核心是利用单片机读取显示字形码，通过驱动电路对8x8LED点阵进行动态列扫描，以实现汉字的滚动显示。为了解决单片机I/O端口不足，行译码所用器件为串入并出芯片74LS595驱动。74LS595是一个八位串行输入、三态并行输出的移位寄存器。

(3)LED点阵显示屏系统显示屏采用8x16LED点阵显示屏，可用2块8x8点阵显示屏构建一块8x16点阵显示屏。上一页下一页返回任务实施

(4)串口通信电路为了方便地更新8x16点阵LED显示数据，系统设计了串行接口，通过串入并出芯片74LS595发送数据到2块8x8点阵显示屏。

(5)电源电路在系统中AT89S51,74LS595都需要5V的供电电压，故系统电源可由7805构成的三端稳压器输出5V直流电压为显示系统供电。3.软件设计系统软件采用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，即串口通信、静态显示和动态显示三大功能。上一页下一页返回任务实施通信程序接收单片机发送的数据，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。

(1)程序流程图程序开始时必须先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、串行通信时通信方式的选择和波特率的设定、各I/O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点阵显示屏的控制方式，是由按键控制还是上位机控制，以及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。上一页下一页返回任务实施中断产生后，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。主程序流程图如图7.18所示。(2)C语言程序上一页下一页返回任务实施上一页下一页返回任务实施上一页下一页返回任务实施上一页下一页返回任务实施4.电路仿真利用Proteus仿真软件对系统进行电路仿真，仿真结果如图7.19所示。箭头向上滚动显示。二、安装与调试1.任务所需设备、工具、材料任务所需设备、工具、材料见表7.5。2.系统安装把显示屏电路和显示屏驱动电路分别做在两块电路板上，显示屏电路的行扫描信号输出管脚和列显示信号数据输出管脚分别由两排16针的排针引出，排针长的那一头接到电路板的底层，以方便插入驱动电路的插槽中。上一页下一页返回任务实施同样在驱动电路用两排16脚的插槽将行扫描信号输出管脚和列显示信号数据输出管脚引出，在画PCB时，应当注意屏电路PCB中两排排针之间的距离要与驱动电路PCB中两排插槽之间的距离一样，才能保证能正确地将显示屏电路板排到驱动电路板上方。在画PCB时，注意双面电路板的做板规则，特别要注意以下几个方面:①双面电路板的过孔比较大，一般在80mil以上。②定位孔的放置。③要在顶层焊接时，应注意在顶层插上元器件后是否会影响到焊接，如芯片等管脚比较短的元器件，当插在电路板后要在顶层焊接其管脚是比较困难的。安装电路后，可将程序烧到AT89C51中，将AT89C51插入驱动电路。上一页下一页返回任务实施3.系统调试(1)硬件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几步来进行: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，逐个测试相邻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。上一页下一页返回任务实施

2)上电测试由于系统测试时采用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4.3~4.8V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。3)串口调试上一页下一页返回任务实施串口部分的作用为建立单片机与74LS595机之间的通信，要检查硬件是否正常工作，可以采用将单片机输出口与输入口直接相连的办法来测试。功能上表示将单片机的输出日与输入口直接相连，单片机收到数据的同时就将数据发送回PC机。如果发送的数据能够被接收，则证明串口通信部分的硬件是正常的。将串口电脑COM1相接，通过串口调试助手发送不同位数的数据再把发送的数据与接收数据相比较。

(2)软件调试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对所有程序进行编译，编译成功生成可执行的.hex文件后方可进行功能测试。软件调试主要是在系统软件编写时体现的，一般使用Keil进行软件编写和调试。上一页下一页返回任务实施进行软件编写时，首先要分清软件应该分成哪些部分，不同的部分分开编写和调试是最方便的。如果硬件电路检查后没有问题，却实现不了设计要求，则可能是软件编程的问题。首先应检查初始化程序，然后是读温度程序、显示程序以及继电器控制程序，对这些分段程序，要注意逻辑顺序，调用关系，以及涉及的标号，有时会因为一个标号而影响程序的执行。除此之外，还要熟悉各指令的用法，以免出错。还有一个容易忽略的问题就是，源程序生成的代码是否已烧入单片机中，如果这一过程出错，则不能实现设计要求也是情理之中的事。其中测试串口程序的功能是否完善，不但要连接单片机系统，还要借助串口调试工具。上一页下一页返回任务实施串口调试工具选用的是串口调试助手，其功能是按照设定的串口、波特率向单片机发送数据和接收单片机向PC机发送的数据，并且能把发送和接收的数据内容显示在状态栏内。因此只要设定PC机向单片机发送的内容和单片机向PC机发送的内容，就可以通过串口调试助手验证串口通信是否准确，是否满足功能要求。(3)软、硬件联调在硬件调试正确和软件仿真也正确的前提下，就可以进行软硬件联调了。首先，将调试好的程序通过下载器下载入单片机，然后上电看结果。观察系统是否能够实现所要的功能。如果不能，就先利用示波器观察单片机的时钟电路，看是否有信号，因为时钟电路是单片机工作的前提，所以一定要保证时钟电路正常。上一页下一页返回任务实施如果不能分析出是硬件问题还是软件问题，就重新检查软硬件。一般情况下，硬件电路可以通过万用表等工具来检测，如果硬件没有问题，则必然是软件问题，就应该重新检查软件。用这种方法调试系统直至完全正确。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，显示屏中只有边角处有一个LED灯被烧坏，其