基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕系統(tǒng)分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u7256基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕系統(tǒng)分析案例概述 164211.1系統(tǒng)功能分析 169181.2主控芯片的論證與選擇 242661.3顯示模塊的論證與選擇 4208711.4數(shù)據(jù)傳輸方式的論證 5115211.5字模提取軟件的論證與選擇 6基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕設(shè)計(jì)是隨著社會(huì)需求發(fā)展而出現(xiàn)的一種顯示模塊，該系統(tǒng)實(shí)用性高、操作簡便、功能強(qiáng)大、具有良好的穩(wěn)定性的同時(shí)也兼顧到了價(jià)格。參考了國內(nèi)外的LED點(diǎn)陣流水字幕設(shè)計(jì)的現(xiàn)階段發(fā)展前景，于是就有了本次設(shè)計(jì)的流水字幕系統(tǒng)。本次的設(shè)計(jì)可以非常優(yōu)秀的滿足現(xiàn)階段人們對點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)方便、快捷、便宜、性能的要求。1.1系統(tǒng)功能分析隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的進(jìn)步，傳統(tǒng)數(shù)碼管式液晶顯示器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足各種工業(yè)的需要，所以針對目前技術(shù)研究的現(xiàn)狀和現(xiàn)階段普遍存在問題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕系統(tǒng)。而且越來越多的國家和地方都需要使用應(yīng)用中的顯示功能。系統(tǒng)方框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)方框圖嚴(yán)格某種意義上來說，對于此次的流水字幕設(shè)計(jì)，想要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的顯示就只需要對那些需要發(fā)光的顯示節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同時(shí)控制圖案或者文字的每一顯示節(jié)點(diǎn)，讓其器件所處理的位置相同而適合的LED發(fā)光器件就能進(jìn)行靜態(tài)發(fā)光，這時(shí)就一定會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)出我們可以預(yù)期的顯示效果，這種器件能夠同時(shí)自動(dòng)控制各個(gè)顯示節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)發(fā)光指示燈的點(diǎn)亮和熄滅的顯示方式，則為靜態(tài)發(fā)光驅(qū)動(dòng)期間顯示的一種方式。此次設(shè)計(jì)的16×16點(diǎn)陣顯示屏實(shí)際上是由四個(gè)8×8的點(diǎn)陣構(gòu)成的，雖然單片機(jī)的鎖存器和輸出端口也夠用，但是在實(shí)際生活中我們往往見到的都是非常龐大的點(diǎn)陣顯示屏，尺寸甚至是鎖存器的上百上千倍，如果還是這樣設(shè)計(jì)使用鎖存器的話就會(huì)花費(fèi)非常龐大的成本，這是非常不劃算的。因此目前在實(shí)踐中人們使用的數(shù)字顯示屏幾乎都不是直接采用該處理技術(shù)直接進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，而是直接采用了另外一種被人們稱之為用于動(dòng)態(tài)圖像掃描的數(shù)字顯示處理技術(shù)。如果想要很多行和列都同時(shí)共用一套驅(qū)動(dòng)器的話，動(dòng)態(tài)掃描就可以很好的實(shí)現(xiàn)這樣的功能，這樣的動(dòng)態(tài)掃描可以很好的實(shí)現(xiàn)逐行燃亮。對于16×16的LED點(diǎn)陣模塊來看，對所處同一行與所處同一列的各行各列的發(fā)光管的控制的方法，就是把同一行陽極相連，并且同一列陰極相連，在將第一行的LED點(diǎn)陣亮滅送出之后立刻將其數(shù)據(jù)鎖存，然后選通讓其熄滅之前點(diǎn)亮些許時(shí)間；之后對第二行的數(shù)據(jù)進(jìn)行同樣的操作，對其余行也進(jìn)行同樣的操作直至第16行操作進(jìn)行之后再重新對第一行執(zhí)行此操作。而由于我們使用人眼平時(shí)能夠捕捉到的圖像中在閃爍時(shí)的頻率通?？梢灾苯舆_(dá)到每秒24張以上的閃爍速度,我們就經(jīng)常會(huì)基于視覺暫留的現(xiàn)象來控制觀看顯示屏上所有的圖像并出現(xiàn)流暢的閃爍畫面。當(dāng)我們所經(jīng)常使用的自動(dòng)掃描圖像顯示軟件模塊就是為了對之后掃描圖形增加行列的時(shí)候，只需要使用每行每列的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器就足以使得各行相同文件名稱下的列都會(huì)共享一個(gè)行或列驅(qū)動(dòng)器。單片機(jī)的文字?jǐn)?shù)據(jù)排放存儲(chǔ)器一般都指的是直接存儲(chǔ)著屏上顯示的文字?jǐn)?shù)據(jù)。在傳送顯示數(shù)據(jù)過程中你需要把每一列中所有的顯示數(shù)據(jù)都直接從行傳送出來給在每一行中所有相應(yīng)的一個(gè)列數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器。由一個(gè)控制電路向一系列驅(qū)動(dòng)器端口傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)信號(hào)，可以自由選擇進(jìn)行并列或者串行。1.2主控芯片的論證與選擇方案一：AT公司推出的AT8051系列，片內(nèi)含有FLASH存儲(chǔ)器則為此系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)，在我們使用用途上帶來很大的便利，正是因?yàn)橛写颂攸c(diǎn)的原因，所以對程序代碼的修改從在開發(fā)之初就可以進(jìn)行，于是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的時(shí)間周期就極大的縮短了，但是即使設(shè)計(jì)時(shí)間周期縮短了卻不影響整體的工作性能，開發(fā)過程中能最大限度的準(zhǔn)確保存重要信息，以至于如果遭遇了意外停電或電源損壞都不會(huì)對內(nèi)部信息的儲(chǔ)存造成影響。CPU就相當(dāng)于單片機(jī)的大腦，還可以完成對指令的提取、解碼和執(zhí)行等一系列復(fù)雜操作。而且AT單片機(jī)系列大多用的是ISP下載方式，并且內(nèi)部沒有自帶EEPROM存儲(chǔ)空間，但是雖然此系列單片機(jī)可以在開發(fā)過程中很容易的進(jìn)行代碼的改寫，但是AT只能用編程器燒錄，十分的不方便后期的修改，基于本次設(shè)計(jì)的考慮此次不使用此系列的單片機(jī)。方案二：使用89C51單片機(jī)，此種單片機(jī)分別配備4K字節(jié)閃存存儲(chǔ)器和2K字節(jié)快閃存儲(chǔ)器，它們都具有一個(gè)功耗低但是性能高的特點(diǎn)，是可編程可擦寫只讀存儲(chǔ)器的微控制器，同時(shí)，它的EEPROM可以重復(fù)擦除上千次。在整個(gè)單片機(jī)市場行業(yè)中，51單片機(jī)目前具有非常大的技術(shù)優(yōu)勢。STC等產(chǎn)品基本上是完全兼容AT的各型號(hào)產(chǎn)品，可以做到pintopin兼容，方便原本使用AT產(chǎn)品的方案直接替換成STC的產(chǎn)品。STC還進(jìn)行了諸多改進(jìn)，批量價(jià)格也相當(dāng)有優(yōu)勢。STC單片機(jī)內(nèi)置有帶2K字節(jié)的EEPROM字節(jié)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)空間，AT該單片的主機(jī)沒有內(nèi)置的帶字節(jié)EEPROM字節(jié)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)空間。STC多用于串口數(shù)據(jù)的下載，而AT則多用ISP下載方式。STC的外設(shè)功能更多一點(diǎn)，其次編程方式有區(qū)別，STC支持ISP，AT只能用編程器燒錄，工作電壓也有區(qū)別，STC范圍更廣一些：3.3~5.5V；STC內(nèi)存要大一些；STC定時(shí)器比AT多一個(gè)，有3個(gè)。方案三：使用89C52單片機(jī)，盡管89C51系列單片機(jī)和AT系列單片機(jī)相比已經(jīng)有很大的優(yōu)勢了，且本款單片機(jī)和51單片機(jī)同屬一類，但確實(shí)是51單片機(jī)的改型和加強(qiáng)版，51單片機(jī)所具有的功能和資源，本次所使用的單片機(jī)也同樣具備。STC89C52RC是宏晶公司的增強(qiáng)型MCS-51單片機(jī)，此單片機(jī)與51單片機(jī)相比較的話，不但有著較大的RAM和存儲(chǔ)器，并且其高強(qiáng)度計(jì)算使用了MCS-51內(nèi)核，并且為了可以與更多的外部設(shè)備和驅(qū)動(dòng)相連接其擁有32個(gè)I/O口，8K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器可以讓其擁有非常多的計(jì)算緩存，而其反應(yīng)速度也因?yàn)橛?21字節(jié)的RAM也極大的提高了。并且此單片機(jī)的燒錄過程十分簡便，只需使用TX與RX口，采用與其相對應(yīng)的編譯器就可以快速的將程序燒錄進(jìn)去。是一款價(jià)格低廉、使用簡便并且性能很高的單片機(jī)。綜上所述，通過這三種芯片的綜合比較，最終選擇方案三的單片機(jī)作為此次系統(tǒng)的主控芯片，既能使用功能較多的最小系統(tǒng)，也能達(dá)到最好的效果。STC89C52實(shí)物圖如圖1.2所示。圖1.2STC89C52實(shí)物圖1.3顯示模塊的論證與選擇而16×16就是通過直接利用四個(gè)8×8點(diǎn)陣的圖形顯示屏模塊來對它進(jìn)行圖形拼接。只需要將各行各列的高低電平分別與此次設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣各陽極與陰極相連接，這樣也是因?yàn)槲覀內(nèi)绻枰刂聘餍懈髁械尿?qū)動(dòng)器的話就需要依賴單片機(jī)的特性來進(jìn)行，通過賦予行列不同的高電平，并且需要對一個(gè)相對應(yīng)的行列進(jìn)行低電平，那么這個(gè)相對應(yīng)的高電平LED就是顯示發(fā)光，就可以很好地實(shí)現(xiàn)了我們在設(shè)計(jì)中想要能夠讓顯示模塊所需要顯示的內(nèi)容。而在實(shí)際應(yīng)用中點(diǎn)亮LED的操作過程中通常每次都會(huì)遇到兩種不同的顯示模式，它們分別是靜態(tài)掃描顯示方式與動(dòng)態(tài)掃描顯示方式這兩種。方案一：采用靜態(tài)顯示方式，我們?nèi)绻胍O(shè)計(jì)的點(diǎn)陣陣列進(jìn)行顯示的話就可以通過以一種靜態(tài)掃描顯示的方式來利用單片機(jī)的程序控制的各種特性來點(diǎn)亮陣列。所以事實(shí)上不管最終我們想要電路顯示我們想要的文字或者圖案，僅通過控制顯示的圖形或字幕在電路上的交叉點(diǎn)就足以達(dá)到我們的目的，目前對這種方法我們叫做靜態(tài)顯示，但此種控制系統(tǒng)還仍然存在著許多的技術(shù)缺點(diǎn)，由于目前采用單片機(jī)的兩個(gè)I/O口顯示控制系統(tǒng)資源相對較少，所以當(dāng)目前顯示系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)中的LED點(diǎn)陣式靜態(tài)顯示屏龐大時(shí)，單片機(jī)卻根本沒有什么辦法能夠保證能有足夠多的I/O口同時(shí)用來進(jìn)行顯示控制。而此次基于八位單片機(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕設(shè)計(jì)共有256個(gè)放光二極管組成，僅依靠單片機(jī)的端口的話此次就需要32個(gè)鎖存器，這樣的設(shè)計(jì)是不合理的，我們在日常生活中經(jīng)常能看到各種各樣的又薄又大的顯示屏，如果都采用這樣的設(shè)計(jì)那么需要的鎖存器數(shù)量巨多，顯然這樣設(shè)計(jì)非常的不合理，此次設(shè)計(jì)也不例外的選擇來另一種更為合理的設(shè)計(jì)方式。方案二：本設(shè)計(jì)使用一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)掃描點(diǎn)陣顯示的設(shè)計(jì)方式，因?yàn)榇舜蔚幕趩纹瑱C(jī)的LED點(diǎn)陣流水字幕系統(tǒng)所有的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣模塊序列數(shù)量均設(shè)定為16×16設(shè)計(jì)，此次的LED顯示設(shè)計(jì)中需要的點(diǎn)陣模塊相對于普通顯示設(shè)計(jì)來說數(shù)量比較多，所以就必須充分依靠這個(gè)芯片來快速擴(kuò)展整個(gè)基于單片機(jī)的顯示終端，為了非常有效的解決現(xiàn)階段點(diǎn)陣顯示中靜態(tài)掃描在各種工業(yè)設(shè)計(jì)中占用較多的I/O口以及資源的復(fù)雜問題，此次的動(dòng)態(tài)掃描已經(jīng)非常有效的解決了靜態(tài)掃描所帶來的各種問題。只需對各行各列的點(diǎn)陣模塊進(jìn)行快速的循環(huán)點(diǎn)亮這個(gè)操作就可以非常迅速并且高效的使得每一個(gè)點(diǎn)陣都可以共用一列行驅(qū)動(dòng)器和一列列驅(qū)動(dòng)器。對于此次的16×16點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來說，將使在LED點(diǎn)陣的每個(gè)列與行和列與主驅(qū)動(dòng)器的行相接。將兩個(gè)74HC138聯(lián)成4線-16線的點(diǎn)陣編譯器可以作為一個(gè)行列的點(diǎn)陣譯碼器，鎖存器74HC595接74HC138的使能端，實(shí)現(xiàn)對74HC138的使能控制，達(dá)到鎖存功能。行的每個(gè)驅(qū)動(dòng)通過編譯器在其中將所選中的這一列中每個(gè)點(diǎn)陣16個(gè)發(fā)光二極管亮燈消滅的正常情況。以此結(jié)果為計(jì)算依據(jù)依次類推，這樣反復(fù)地多次點(diǎn)亮，由于屏幕出現(xiàn)了一個(gè)人眼的局部視覺瞬間停留運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象(每秒24次以上)，只要屏幕運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的速度能夠達(dá)到規(guī)定足夠快，這樣我們就已經(jīng)完全能夠清晰地直接看到該顯示屏所需要呈現(xiàn)出的穩(wěn)定而又清晰的文字信息內(nèi)容。綜上所述，最終本次設(shè)計(jì)采用的顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示方式，這樣的設(shè)計(jì)方式可以解決此次設(shè)計(jì)LED點(diǎn)陣數(shù)目較多的問題。1.4數(shù)據(jù)傳輸方式的論證方案一：采用并行傳輸數(shù)據(jù)，指的是在傳輸過程中有很多數(shù)據(jù)位同時(shí)在各種設(shè)備之中同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，一般一個(gè)字符是由很多二進(jìn)制數(shù)表示，如用ASCII碼編碼的符號(hào)是由8位二進(jìn)制數(shù)表示的，則并行傳輸ASCII編碼符號(hào)就需要8個(gè)傳輸信道，使表示一個(gè)符號(hào)的所有數(shù)據(jù)位能同時(shí)沿著各自的信道并排的傳輸。這種傳輸方式優(yōu)點(diǎn)是發(fā)送速度快，但是缺點(diǎn)是傳輸距離短，并且資源占用多。很明顯這種傳輸方式一方面大大的增加了此次設(shè)計(jì)的成本，在一般數(shù)量很小的點(diǎn)陣中可以使用這樣的傳輸方式，可是本次如果使用這樣的傳輸方式就會(huì)造成資源浪費(fèi)、并且行列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量使用量非常大，十分的不合理，所以此次采用另外一種更為合理的方式。方案二：采用串行傳輸數(shù)據(jù)，此傳輸方式大大彌補(bǔ)來并行傳輸?shù)牟蛔?，一方面使用串行傳輸這種方式可以大大契合74HC595的元件特點(diǎn)，這樣的話如果想要傳輸數(shù)據(jù)就非常便捷，只需一根連接單片機(jī)某個(gè)I/O口就可以一次性的將一位一位傳送到行驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)據(jù)在檢測到上升沿之后瞬間輸出數(shù)據(jù)，就輕松實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)陣的控制，大大節(jié)約了成本。但是其也有很大的缺點(diǎn)，就是每行的數(shù)據(jù)只能等待全部傳送結(jié)束之后才開始顯示。這樣傳輸?shù)臅r(shí)間就極大的增加來，所以在編寫代碼和掃描周期都足夠的狀態(tài)下這樣的傳輸方式會(huì)最終使得LED顯示屏的亮度不能達(dá)到預(yù)期的效果，所以為了解決準(zhǔn)備和顯示階段時(shí)間跨度較長的問題此次設(shè)計(jì)采用來重疊處理的解決辦法，在前一行點(diǎn)亮顯示的時(shí)候就立刻傳輸下一行的數(shù)據(jù)，這樣極大的縮短了傳輸時(shí)間較長的問題。而此次選擇的74HC595也同時(shí)擁有鎖存器的功能，并且串行輸入并行輸出，這也使得重疊處理的方