1、本科論文介紹了一種基于AT89S51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以顯示中英文字符和動態(tài)特效。此外，顯示屏的尺寸可以級聯(lián)方式放大，以達(dá)到增加顯示內(nèi)容的目的。該系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)。上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送存儲在上位機(jī)中的控制命令和顯示代碼。AT89S51單片機(jī)接收并處理PC機(jī)的控制命令和顯示代碼。顯示驅(qū)動模塊驅(qū)動1616分辨率的發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示屏進(jìn)行掃描和顯示。PC機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用RS-232c通信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。AT89S51單片機(jī)具有價(jià)格低廉、程序編寫方便的特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)便于維護(hù)和檢修。此外，該系統(tǒng)只占用微控制器的少量輸入輸出端口和內(nèi)存，為系統(tǒng)擴(kuò)展其功能留有空間。關(guān)鍵詞：

2、AT89S51；發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示器；串行通信針對設(shè)計(jì)主題的特點(diǎn)，作者將論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排如下：(1)初步方案的論證和選擇收集主題相關(guān)信息，根據(jù)當(dāng)前常用的設(shè)計(jì)思路和方法，擬定幾套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較。最后，選擇了以PC機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加解碼電路和驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案。(2)方案實(shí)施根據(jù)設(shè)計(jì)方案，應(yīng)選擇合適的裝置來實(shí)現(xiàn)這一想法。應(yīng)從功能和電氣特性方面選擇和演示該設(shè)備。經(jīng)過比較，選擇AT89S51單片機(jī)作為核心控制器件，串并轉(zhuǎn)換器74LS164和鎖存器74LS373作為解碼電路器件，三極管8550和ULN2803作為驅(qū)動電路器件。文中列出了系統(tǒng)中詳細(xì)的設(shè)備參數(shù)和連接方法。(3)

3、軟件編寫根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件采用C語言編寫。根據(jù)功能，程序分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示和通訊等幾個(gè)相對獨(dú)立的模塊。然后逐個(gè)編寫和調(diào)試模塊，最后集成獨(dú)立的模塊。(4)驗(yàn)證和測試調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。在硬件調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足，驅(qū)動電路運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。軟件調(diào)試中會出現(xiàn)程序集成不協(xié)調(diào)等問題。通過分析，找出問題的原因并設(shè)法解決它。(5)結(jié)論設(shè)計(jì)完成后，總結(jié)設(shè)計(jì)中遇到的問題、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，以及自己的想法。第二章方案論證和選擇2.1系統(tǒng)硬件方案大多數(shù)發(fā)光二極管顯示器都在室外，因此對硬件的質(zhì)量要求非常高。為了便于檢修和維護(hù)，硬件電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用模塊化設(shè)計(jì)方法。硬件設(shè)

4、計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，既滿足了模塊本身的功能，又與整個(gè)系統(tǒng)兼容。如圖2-1所示，根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，確定系統(tǒng)硬件由四部分組成：顯示屏部分、控制部分、通信系統(tǒng)和上位機(jī)。上位機(jī)通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(zhí)行顯示指令，并在處理顯示代碼3后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示模式。圖2-1系統(tǒng)硬件組成框圖2.1.1顯示屏主控制器控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。其功能是與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并在控制指令處理后控制顯示部分顯示內(nèi)容。常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、數(shù)字信號處理器和EDA技術(shù)。幾種設(shè)計(jì)方法的比較有其自身的特點(diǎn)：(1)單片機(jī)微控制器是一個(gè)集成了中央處理器、只讀存

5、儲器、隨機(jī)存取存儲器和輸入輸出端口的微型計(jì)算機(jī)。它具有很強(qiáng)的接口性能，非常適合工業(yè)控制，所以又叫單片機(jī)。單片機(jī)有很多種類型，CPU數(shù)量從8位、16位、32位到64位不等。最常用的是RISC技術(shù)。片上輸入輸出非常豐富。一些單片機(jī)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器、“看門狗”、脈寬調(diào)制、顯示驅(qū)動器、函數(shù)發(fā)生器、鍵盤控制等。它們的價(jià)格也各不相同，這極大地滿足了開發(fā)商的選擇自由。此外，單片機(jī)還具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS單片處理器已經(jīng)被CMOS所取代，向HMOS的過渡已經(jīng)開始。電源電壓從5V降低到3V，從2V降低到1V，工作電流從mA降低到A，這在便攜式產(chǎn)品中非常有用4。(2)數(shù)字信號

6、處理器芯片數(shù)字信號處理器也被稱為數(shù)字信號處理器。顧名思義，數(shù)字信號處理器主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度、重復(fù)運(yùn)算和大數(shù)據(jù)量的信號處理?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通信、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。DSP具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、多總線技術(shù)和流水線結(jié)構(gòu)。通過將程序與數(shù)據(jù)存儲器分離、使用多條總線、同時(shí)獲取指令和數(shù)據(jù)以及流水線技術(shù)，大大提高了速度。DSP區(qū)別于一般微處理器的另一個(gè)重要標(biāo)志是硬件乘法器和特殊指令。通用微處理器使用軟件來實(shí)現(xiàn)乘法，并逐個(gè)執(zhí)行指令，速度很慢。然而，數(shù)字信號處理器依靠硬件乘法器在單個(gè)周期內(nèi)完成乘法運(yùn)算，并且還具有特殊的信號處理指令，如TM320

7、系列的FIRS、LMS、MACD指令5。(3)電子設(shè)計(jì)自動化電子設(shè)計(jì)自動化是指電子設(shè)計(jì)自動化。它以計(jì)算機(jī)為工具，自動編譯、簡化、劃分、綜合和優(yōu)化邏輯，安排和路由邏輯，在EDA軟件平臺上模擬邏輯，并對特定目標(biāo)芯片進(jìn)行自適應(yīng)編譯、邏輯映射和程序下載。設(shè)計(jì)者只需要用HDL語言完成系統(tǒng)功能的描述，設(shè)計(jì)結(jié)果可以通過EDA工具獲得。編譯后的代碼可以下載到目標(biāo)芯片并在硬件上實(shí)現(xiàn)。由于FPGA/CPLD可以通過軟件編程重構(gòu)硬件的結(jié)構(gòu)和工作模式，修改軟件程序就相當(dāng)于改變硬件。軟件編寫可以采用自上而下的設(shè)計(jì)方案，多人可以并行工作，從而縮短開發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于在激烈的市場競爭中領(lǐng)先。此外，單片機(jī)和數(shù)字信號處理

8、器都是通過串行執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)特定的功能，這不可避免地導(dǎo)致速度較低，而FPGA/CPLD可以在硬件上實(shí)現(xiàn)并行工作，在實(shí)時(shí)測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的前景。另一方面，在功能開發(fā)中，F(xiàn)PGA/CPLP器件是用軟件實(shí)現(xiàn)的，但其物理機(jī)制與純硬件電路一樣可靠。與三種設(shè)計(jì)方法相比，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較低，開發(fā)成本較低，非常適合初學(xué)者學(xué)習(xí)和練習(xí)。目前市場上常用的有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中，使用最廣泛的單片機(jī)是英特爾的51系列。由于其合理的硬件結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化的教學(xué)體系和“悠久的生產(chǎn)歷史”,它具有先入為主的優(yōu)勢，經(jīng)常被用作單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。51系列輸入輸

9、出引腳的設(shè)置和使用都非常簡單。當(dāng)引腳用作輸入引腳時(shí)，僅引腳需要設(shè)置為高電平(復(fù)位時(shí)，所有輸入/輸出端口都設(shè)置為高電平)。當(dāng)引腳用作輸出引腳時(shí)，它可以是高電平或低電平平均值。因此，選擇51系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。通信系統(tǒng)通信部分的設(shè)計(jì)要求穩(wěn)定、快速、簡單、易于實(shí)現(xiàn)。由于顯示屏與上位機(jī)之間的距離通常不是很長，對通信距離的要求不是很高。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信。(1)并行通信并行通信時(shí)，每一位數(shù)據(jù)都是同時(shí)傳輸?shù)?，并且可以以字或字?jié)為單位并行執(zhí)行。并行通信速度快，但由于通信線路多、成本高，不適合長距離通信。(2)串行通信串行通信數(shù)據(jù)僅使用幾條通信線路按順序逐位傳輸。串行傳輸速

10、度低，但傳輸距離長。因此，串行通信適用于低速要求的長距離場合。在串行傳輸中，數(shù)據(jù)是一點(diǎn)一點(diǎn)地按順序進(jìn)行的，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，然后發(fā)送出去。相反，串行數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并輸入計(jì)算機(jī)。這種轉(zhuǎn)換可以用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。單純的軟件實(shí)現(xiàn)會增加CPU的負(fù)擔(dān)，降低其利用率，所以目前經(jīng)常使用硬件實(shí)現(xiàn)。通用異步接收器/發(fā)送器，簡稱UART，是實(shí)現(xiàn)這一功能的硬件電路。UART已經(jīng)集成到單片機(jī)的芯片中，作為它的組成部分，它形成了一個(gè)串口6。綜上所述，本課題設(shè)計(jì)選擇了單片機(jī)作為開發(fā)模式，單片機(jī)的UART已經(jīng)集成到單片機(jī)中，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信作

11、為通信模式。2.1.3發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示屏顯示部分包括能夠顯示至少一個(gè)漢字的顯示屏和用于驅(qū)動顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機(jī)的輸入輸出端口有限，必須直接使用輸入輸出端口來驅(qū)動發(fā)光二極管顯示屏，因此有必要擴(kuò)展單片機(jī)的輸入輸出端口，以提高單片機(jī)的并行輸出能力。發(fā)光二極管顯示屏由一個(gè)個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)陣組成。要形成大屏幕發(fā)光二極管顯示屏，需要多個(gè)發(fā)光二極管。有兩種方法可以形成一個(gè)發(fā)光二極管屏幕。一種是逐點(diǎn)連接各個(gè)發(fā)光二極管，如圖2-2所示。二是選擇一些由單個(gè)發(fā)光二極管組成的發(fā)光二極管點(diǎn)陣子模塊，形成大的發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊。目前，市場上常用的點(diǎn)陣模塊有88種和1616種。兩種屏幕構(gòu)造方法各有其缺點(diǎn)。顯示屏用單

12、個(gè)發(fā)光二極管優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)單個(gè)發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時(shí)，只需要更換一個(gè)二極管，維護(hù)成本低，缺點(diǎn)是連接電路復(fù)雜；另一方面，點(diǎn)陣模塊構(gòu)造的方法正好相反。模塊結(jié)構(gòu)節(jié)省了大量電線，但是當(dāng)一個(gè)發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時(shí)，同一模塊中的所有發(fā)光二極管都必須更換。這增加了維護(hù)成本。通過對兩種方法的比較，決定采用模塊化結(jié)構(gòu)制作發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇網(wǎng)格數(shù)較小的模塊來降低這個(gè)問題的風(fēng)險(xiǎn)。因此，選擇了四個(gè)88點(diǎn)陣模塊來構(gòu)建1616發(fā)光二極管點(diǎn)陣屏幕。圖2-2發(fā)光二極管位圖1616發(fā)光二極管顯示器每行每列有16個(gè)引腳。它不能僅由51單片機(jī)的端口驅(qū)動，因此必須擴(kuò)展單片機(jī)的端口數(shù)量。常用的端口擴(kuò)展方法是使用串并

13、轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行解碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片包括74LS154(4線-16線解碼器)、74LS164(8位串并轉(zhuǎn)換器)、74HC595等。當(dāng)51系列單片機(jī)端口處于低電平時(shí)，吸電流可達(dá)20mA，具有一定的驅(qū)動能力。在高電平時(shí)，輸出電流只有幾十 A或更小(電流實(shí)際上是由腳的上拉電流形成的)，基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動發(fā)光二極管顯示屏顯示。為了功能放大，還需要在單片機(jī)和顯示屏之間增加一個(gè)驅(qū)動電路7。2.1.4硬件設(shè)計(jì)方案如圖2-3所示，最終方案使用PC機(jī)作為上位機(jī)存儲和處理顯示內(nèi)容，并通過串行通信將顯示內(nèi)容和控制指令發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸?shù)膬?nèi)容和指令，經(jīng)過解碼和擴(kuò)展后，驅(qū)動由

14、4個(gè)88發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊組成的1616發(fā)光二極管點(diǎn)陣顯示屏。話題w軟件設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外，還必須滿足易于讀寫、便于下載和編譯的要求。當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定后，軟件可分為三個(gè)主要部分：主程序、顯示子程序、各種特效顯示子程序和通信程序。具體結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4軟件功能框圖軟件的編譯需要軟件編輯器和編譯軟件的幫助，編譯完成后，軟件還需要下載到單片機(jī)中執(zhí)行。在編寫軟件之前，必須首先選擇一種合適的語言及其相關(guān)的編輯器和編譯軟件。最后，選擇一個(gè)下載器或下載軟件與選定的單片機(jī)下載程序到單片機(jī)執(zhí)行。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件總體設(shè)計(jì)概述和功能分析顯示系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)主要由六部分組成：上位機(jī)

15、、通信系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、解碼電路、顯示驅(qū)動電路和1616點(diǎn)陣屏。具體工作流程如下：上位機(jī)通過通信系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容；單片機(jī)接收到控制指令后，執(zhí)行控制指令處理顯示代碼，通過輸入輸出端口串行輸出顯示內(nèi)容，并控制解碼電路完成串并轉(zhuǎn)換和并行輸出；最后，顯示驅(qū)動電路執(zhí)行電壓和電流處理以實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管顯示屏的顯示電流，并且電壓要求進(jìn)一步使顯示屏顯示內(nèi)容11。根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖，選擇合適的設(shè)備，不僅需要實(shí)現(xiàn)所需的功能，還需要與整個(gè)系統(tǒng)兼容。通過查閱數(shù)據(jù)和對比，最終的硬件原理圖如圖3-1所示。圖3-1硬件原理圖3.2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，它必須在一個(gè)最小的系

16、統(tǒng)中工作。AT89S51的最小系統(tǒng)包括外部時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。選擇一定數(shù)量的輸入輸出端口作為控制端口，以控制各種外部設(shè)備和數(shù)據(jù)的輸出。根據(jù)功能，選擇某個(gè)單片機(jī)端口添加外圍設(shè)備。具體電路如圖3-2所示。在該系統(tǒng)中，P1端口主要用作發(fā)光二極管顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于端口驅(qū)動能力有限，端口外部連接一個(gè)5K上拉電阻，以提高驅(qū)動能力。其中，1.5P1.6P1.7還被復(fù)用為互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商下載功能端口。具體的連接方式是：將P1.0、P1.1、P1.4、P1.5分別連接到四個(gè)74LS164的A端，串行數(shù)據(jù)發(fā)送到74LS164，轉(zhuǎn)換后并行輸出。P1.2和P1.6分別以列和行連接到74LS164的時(shí)鐘端，并且產(chǎn)

17、生的移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出。P1.3和P1.7連接列和行的CLEAR端，在一組數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換完成后，清除164個(gè)芯片的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新數(shù)據(jù)；其中，1.5P1.6P1.7還被復(fù)用為互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商下載功能端口。P2.0連接到164芯片的使能控制端，并使能高電平輸出。P2.2和P2.3連接到鎖存器74LS373的OE和LE端子，以控制鎖存器的操作狀態(tài)。30號端口，東亞/VPP:允許外部訪問。為了使中央處理器只訪問外部程序存儲器(地址：0000小時(shí)-ffffh)，必須將電子分析終端保持在低電平(接地)。因?yàn)闆]有擴(kuò)展的外部程序內(nèi)存，所以EA設(shè)置為高。圖3-2控制部分電路圖由于P3端口是一個(gè)特殊的功能端口，其第二個(gè)功能基本上被系統(tǒng)采用。第二種功能和實(shí)際應(yīng)用如表3-1所示。表3-1 at89s 51p 3端口第二功能的應(yīng)用港口第二功能實(shí)際效果P3.0RXD(串行輸入)用于與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入端口P3.1TXD(串行輸出)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出端口P3.2外部中斷0進(jìn)行按