1、*大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目名稱：題目名稱：基于 51 單片機(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 年年 級(jí)：級(jí)： * 本科本科 學(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)： * 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： * 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：* 學(xué)生單位：學(xué)生單位： 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 技術(shù)職稱：助教技術(shù)職稱：助教 學(xué)生專業(yè)：學(xué)生專業(yè)： 通信工程通信工程 教師單位：信息工程學(xué)院教師單位：信息工程學(xué)院 * 大大 學(xué)學(xué) 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制 基于 51 單片機(jī)的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要：本文介紹了一款以單片機(jī) AT89S51 為控制器的 LED 點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中英文字

2、符的顯示和動(dòng)態(tài)特效顯示。并且可以通過級(jí)連的方式來擴(kuò)大 顯示屏幕的尺寸以達(dá)到增加顯示內(nèi)容的目的。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)送控制命令和上位機(jī)所存儲(chǔ)的顯示代碼，AT89S51 單片機(jī)接收并處理 PC 機(jī)的控制命令以及顯示代碼，由顯示驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)一個(gè) 1616 分辨率的 LED 點(diǎn)陣顯 示屏的掃描顯示。PC 機(jī)與單片機(jī)之間的通信采用 RS232C 通信標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。所選 用的 AT89S51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉程序?qū)懭敕奖愕奶攸c(diǎn)使得整個(gè)系統(tǒng)方便維護(hù)和檢 修。除此之外，該系統(tǒng)只占用了單片機(jī)少量的 I /O 口和內(nèi)存，為系統(tǒng)留下了功能擴(kuò) 展的空間。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字：AT89S51；LE

3、D 點(diǎn)陣顯示；串行通信 Desigen and Realization of the Lattice Screen of LED Based on MCS-51 Abstract: 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

4、show. And can be cascaded to expand the screen size to achieve increased content purposes. The 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 show

5、ed. Communication between PC and the microcontroller using RS-232C communications standards. the characteristics that AT89S51 microcontroller is cheap and could be coded conveniently makes the whole system Convenient to Maintenance and Repair. In addition, the system will take up only a small amount

6、 of the MCU I/O and memory,so that the system has functional space for expansion. Key words: AT89S51, lattice LEDs panel display, serial communication 目 錄 第 1 章 緒 論1 1.1 課題背景1 1.1.1 選題背景1 1.1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1 1.2 論文主要內(nèi)容3 第 2 章 方案論證與選擇4 2.1 系統(tǒng)硬件方案4 2.1.1 顯示屏主控制器4 2.1.2 通信系統(tǒng)6 2.1.3 LED 點(diǎn)陣顯示屏6 2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案

7、7 2.2 系統(tǒng)軟件方案8 2.2.1 單片機(jī)編程語言8 2.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹9 2.2.3 上位機(jī)控制傳輸軟件9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11 3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析11 3.2 控制單元設(shè)計(jì)12 3.2.1 AT89S51 簡(jiǎn)介12 3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)13 3.3 譯碼電路設(shè)計(jì)15 3.3.1 串并轉(zhuǎn)換器 74LS16415 3.3.2 鎖存器 74L373 16 3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)17 3.4.1 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)17 3.4.2 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)18 3.5 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18 3.6 電源設(shè)計(jì)19 3.7 級(jí)連大屏幕 LED 顯示屏 20 第 4 章 系統(tǒng)

8、軟件設(shè)計(jì)22 4.1 程序設(shè)計(jì)22 4.2 顯示程序的設(shè)計(jì)23 4.2.1 LED 顯示屏的顯示方式23 4.2.2 點(diǎn)陣數(shù)據(jù)表達(dá)方式24 4.2.3 顯示程序的設(shè)計(jì)25 4.3 通信程序的設(shè)計(jì)27 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試29 5.1 系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法29 5.1.1 短路與虛焊檢測(cè)30 5.1.2 上電測(cè)試30 5.1.3 串口調(diào)試30 5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法31 5.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果32 5.4 調(diào)試結(jié)果分析32 結(jié)論34 致謝35 參考文獻(xiàn)36 附錄 1 系統(tǒng)硬件原理圖37 附錄 2 設(shè)計(jì)程序38 附錄 3 系統(tǒng) PCB 圖46 第 1 章 緒 論 1.1 課題背景 1.1.1

9、 選題背景 LED 顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏 由幾萬甚至幾十萬個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。利用不同的材料可以 制造不同色彩的 LED 像素點(diǎn)。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍(lán)色和純綠 色 LED 的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。LED 顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖 形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶 顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 在短短的十來年中，LED 點(diǎn)陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小 型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息 顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED

10、的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更 高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。 LED 顯示屏的應(yīng)用涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括：（1）證券交易、金融信 息顯示。 （2）機(jī)場(chǎng)航班動(dòng)態(tài)信息顯示。 （3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。 （4）體 育場(chǎng)館信息顯示。 （5）道路交通信息顯示。 （6）調(diào)度指揮中心信息顯示。 （7）郵政、 電信、商場(chǎng)購(gòu)物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。 （8）廣告媒體新產(chǎn)品等。 1.1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) （1）我國(guó) LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干 企業(yè)。據(jù)不完

11、全統(tǒng)計(jì)，至 1998 年底，年度銷售總額在 1000 萬元以上的企業(yè)有 20 多 家，其銷售總額達(dá) 6 億元左右，占行業(yè)市場(chǎng)總額的 85%以上。全國(guó)從事 LED 顯示屏 的各類企業(yè)有 100 余家，從業(yè)人員近 6000 人，行業(yè)年度銷售總額近 8 億元人民幣， 1996 年、1997 年的增長(zhǎng)速度均保持 40%左右，1998 年略有回落。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上， 國(guó)產(chǎn) LED 顯示屏的市場(chǎng)占有率近 100%，國(guó)外同類產(chǎn)品基本沒有市場(chǎng)，四十三屆世 乒賽主會(huì)場(chǎng)天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機(jī)場(chǎng)、浦東機(jī)場(chǎng)等，均由 國(guó)內(nèi)代表企業(yè)中標(biāo)。技術(shù)水平相對(duì)領(lǐng)先,我國(guó) LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時(shí)， 產(chǎn)品技

12、術(shù)推陳出新，一直保持比較先進(jìn)的水平。90 年代初即具備了成熟的 16 級(jí)灰 度 256 色視頻控制技術(shù)及無線遙控等國(guó)際先進(jìn)水平技術(shù)，近年在全彩色 LED 顯示屏、 256 級(jí)灰度視頻控制技術(shù)、集群無經(jīng)線控制、多級(jí)群控技術(shù)等方面均有國(guó)內(nèi)先進(jìn)、 達(dá)到國(guó)際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)；LED 顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國(guó)內(nèi) 企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批 LED 顯示屏科技隊(duì)伍， 在全國(guó) LED 顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù) 6000 人中，科技人員有 2800 多人，將近 50%。LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng) 域唯一立足國(guó)內(nèi)形成的民族高科

13、技產(chǎn)業(yè)。 （2）LED 顯示屏的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代信息社會(huì)中，作為人一機(jī)信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā) 展，進(jìn)入二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)將是平板顯示的時(shí)代，LED 顯示屏作為平板顯示的 主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會(huì)有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀(jì)平板顯示的代表性主 流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍(lán)色及純綠色 LED 產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低， 已具備成熟的商業(yè)化條件?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。使 LED 全彩色顯示產(chǎn)品成本下降， 應(yīng)用加快。LED 產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達(dá)到比 較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時(shí)，由于全彩色顯示 屏價(jià)格性能比的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)

14、在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 LED 顯示屏在戶外廣告媒 體中會(huì)越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場(chǎng)館的顯示方面 全彩色 LED 屏更會(huì)成為主流產(chǎn)品。全彩色 LED 顯示屏的廣泛應(yīng)用會(huì)是 LED 顯示屏 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 未來 LED 顯示屏?xí)蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展2。 （3）選題意義 該設(shè)計(jì)課題使我們能夠掌握 LED 顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計(jì)方法，對(duì) LED 顯示屏這個(gè)行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識(shí)。并且對(duì)大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進(jìn) 行了實(shí)踐，使我們對(duì)所學(xué)過的理論知識(shí)有了新的認(rèn)識(shí)。并且通過該設(shè)計(jì)課題掌握了 51 單片機(jī)的的軟硬件開發(fā)工具的使用方

15、法，為以后從事相關(guān)行業(yè)的工作積累了實(shí)際 工作經(jīng)驗(yàn)。目前我國(guó)的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的 LED 顯示屏的 作用也越練越廣泛，相關(guān)的從業(yè)人員也會(huì)越來越緊缺。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我 國(guó)的 LED 技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還有一定的差距。因此此課題不論是 對(duì)自己的就業(yè)還是對(duì)我國(guó) LED 顯示技術(shù)的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實(shí)與積極的意義。 1.2 論文主要內(nèi)容 針對(duì)設(shè)計(jì)題目的特點(diǎn)，作者對(duì)論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排： （1）初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法擬定幾套設(shè)計(jì)方 案進(jìn)行分析比較。最終選定了以 PC 機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加

16、譯 碼電路和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。 （2）方案實(shí)現(xiàn) 以設(shè)計(jì)方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實(shí)現(xiàn)這一思想，選擇器件時(shí)要從功能 和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對(duì)比選擇選定 AT89S51 單片機(jī)為核心控制器 件，由串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373 為譯碼電路器件，三極管 8550 和 ULN2803 為驅(qū)動(dòng)電路器件。論文列出了詳細(xì)的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 （3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用 C 語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、 動(dòng)態(tài)顯示、通信等幾個(gè)功能上相對(duì)獨(dú)立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個(gè)編寫和 調(diào)試，最后將獨(dú)立的模塊整合起來。 （4）驗(yàn)證與測(cè)試

17、 調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進(jìn)行。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn) 有單片機(jī)端口驅(qū)動(dòng)能力不足、驅(qū)動(dòng)電路工作不穩(wěn)定等問題。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序 整合工作不協(xié)調(diào)等問題。通過分析，查找找出了問題原因并設(shè)法將其解決。 （5）結(jié)論 設(shè)計(jì)完成后對(duì)設(shè)計(jì)中所遇到的問題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、以及自己的想法進(jìn)行總結(jié)。 第 2 章 方案論證與選擇 2.1 系統(tǒng)硬件方案 大多數(shù)的 LED 顯示屏都在戶外，所以對(duì)硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修 和維護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)常常采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。硬件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)， 既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個(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)硬件由顯示

18、屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機(jī)四部分組成。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 令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式。 圖圖 2-1 系統(tǒng)硬件組成框圖系統(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，其功能為與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù) 據(jù)和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、 DSP、及 EDA 技術(shù)。幾種設(shè)計(jì)方法比較各有其特點(diǎn)： （1）單片機(jī) 單片機(jī)是集成了 CPU，ROM，RAM 和 I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口 性能，非常適合于工業(yè)控制,因此又叫微控制器(

19、MCU)。單片機(jī)品種齊全,型號(hào)多樣 CPU 從 8，16，32 到 64 位，多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐富，有的單片機(jī) 集成有 A/ D， “ 看門狗”，PWM，顯示驅(qū)動(dòng)，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價(jià)格 也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機(jī)還具有低電壓 和低功耗的特點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，NMOS 工藝單片機(jī)被 CMOS 代替， 并開始向 HMOS 過渡。供電電壓由 5V 降到 3V，2V 甚至到 1V，工作電流由 mA 降至 A ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地4。 （2）DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號(hào)處理器。顧名思義，DSP 主要用于

20、數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，非常 適合高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號(hào)處理?，F(xiàn)在已經(jīng)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 有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，使用 多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理 器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法,逐條執(zhí)行指令，速度慢。而 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘 法運(yùn)算，而且還具有專門的信號(hào)處理指令，如 TM320 系列的 FIRS ，LMS，MACD 指令等5。 （3）EDA

21、 EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，它是以計(jì)算機(jī)為工 具，在 EDA 軟件平臺(tái)上，對(duì)用硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動(dòng)地邏輯編譯、 邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真，直至對(duì)于特定 目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用 HDL 語言完成系 統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片 就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。由于 FPGA/CPLD 可以通過軟件編程對(duì)該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方 式進(jìn)行重構(gòu)，修改軟件程序就相當(dāng)于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設(shè) 計(jì)方案，而且可

22、以多個(gè)人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時(shí)間，有利于 在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)。而且 MCU 和 DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)特 定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，在實(shí)時(shí)測(cè)控 和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面，F(xiàn)PGA/CPLP 器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的， 但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較 低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用。現(xiàn)在市場(chǎng)上常用的單片機(jī) 主要有 MCS-51、AVR、ARM、PIC 等。其中應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推 Intel 的 51

23、系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史“悠久”，有先入為主 的優(yōu)勢(shì)常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡(jiǎn)單，當(dāng)該 腳作輸入腳使用時(shí)，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時(shí)，各 I/O 口均置高電平） 。當(dāng) 該腳作輸出腳使用時(shí)，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選 定 51 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 2.1.2 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快速、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下顯 示屏和上位機(jī)的距離不會(huì)很遠(yuǎn)，所以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兩種方式。 （1）并行通信 并行通信時(shí)數(shù)據(jù)的

24、各個(gè)位同時(shí)傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通信 速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。 （2）串行通信 串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低， 但傳送的距離長(zhǎng)，因此串行適用于長(zhǎng)距離而速度要求不高的場(chǎng)合。在串行發(fā)送時(shí)， 數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(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)向 外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實(shí)現(xiàn)也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。單 由軟件實(shí)現(xiàn)會(huì)增加 CPU 負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實(shí)現(xiàn)。通用的通用 異步接收/發(fā)送器，簡(jiǎn)稱 U

25、ART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完 成這一功能的硬件電路。在單片機(jī)芯片中，UART 已經(jīng)集成在其中，作為其組成部 分，構(gòu)成一個(gè)串行口6。 綜上所述，題目設(shè)計(jì)已經(jīng)選定了單片機(jī)為開發(fā)方式而單片機(jī)的 UART 已經(jīng)集成 在單片機(jī)內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 2.1.3 LED 點(diǎn)陣顯示屏 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個(gè)漢字的顯示屏，以及驅(qū)動(dòng)該顯示屏的驅(qū) 動(dòng)電路。由于單片機(jī)的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅(qū)動(dòng) LED 顯示屏，所以需 要對(duì)單片機(jī) IO 口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。 LED 顯示屏是由

26、一個(gè)一個(gè)的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 LED 顯 示屏就需要多個(gè)發(fā)光二極管。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個(gè)的發(fā)光二極 管逐點(diǎn)連接起來，如圖 2-2 所示；二是選用一些由單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED 點(diǎn)陣 子模塊構(gòu)成大的 LED 點(diǎn)陣模塊。目前市場(chǎng)上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有 88、1616 幾 種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個(gè) 的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時(shí)只需更換一個(gè)二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連 接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線， 不過當(dāng)一個(gè) LED 出現(xiàn)問題時(shí)同在一個(gè)模塊的所有 LED 都必須

27、被更換。這就加大了 維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個(gè) LED 點(diǎn)陣顯示屏。為了 避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險(xiǎn)。所以構(gòu)建一 個(gè) 1616 的 LED 點(diǎn)陣屏選用四塊 88 點(diǎn)陣模塊。 圖圖 2-2 LED 點(diǎn)陣圖點(diǎn)陣圖 一個(gè) 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 51 單片機(jī)的端口 驅(qū)動(dòng)所以必須要對(duì)單片機(jī)的端口個(gè)數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（4 線-16 線譯碼器） 、 74LS164（8 位串并轉(zhuǎn)換器） 、74HC595 等。51 系列單

28、片機(jī)端口低電平時(shí)，吸入電流 可達(dá)，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力；而為高電平時(shí)，輸出電流僅數(shù)十 甚至更 ?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形成的） ，基本上沒有驅(qū)動(dòng)能力，所以單片機(jī)不能 直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示屏顯示。在單片機(jī)和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的 驅(qū)動(dòng)電路7。 2.1.4 硬件設(shè)計(jì)方案 最終方案如圖 2-3 所示，以 PC 機(jī)作為上位機(jī)存儲(chǔ)和處理顯示內(nèi)容用串行通信的 方式將顯示內(nèi)容和控制指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)傳輸來的內(nèi)容和 指令通過端口譯碼擴(kuò)展后驅(qū)動(dòng) 4 塊 88LED 點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的 1616 的 LED 點(diǎn)陣顯示 屏。題目將以此方案為指導(dǎo)思想展開具體的硬件電路設(shè)計(jì)。 16

29、 16LED PC 圖圖 2-3 硬件設(shè)計(jì)方案硬件設(shè)計(jì)方案 2.2 系統(tǒng)軟件方案 軟件的設(shè)計(jì)除了滿足設(shè)計(jì)功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設(shè)計(jì) 目標(biāo)和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效 顯示子程序，通信程序三個(gè)主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示。 圖圖 2-4 軟件功能結(jié)構(gòu)框圖軟件功能結(jié)構(gòu)框圖 軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機(jī) 中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。 最后還要選擇一款與所選單片機(jī)的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機(jī) 中執(zhí)行。 2.2.1 單片機(jī)編程語言 現(xiàn)

30、在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語言為匯編語言和 C 語言。兩種語言相比較各有優(yōu) 點(diǎn)。 匯編語言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，是一種功能很強(qiáng)的 程序設(shè)計(jì)語言，也是利用計(jì)算機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。其具有執(zhí) 行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點(diǎn)，但在編寫復(fù)雜程序時(shí)具有明顯的局限性，匯編語 言依賴于具體的機(jī)型，不能通用，也不能在不同機(jī)型之間移植8。 C 語言是一種源于編寫 UNIX 操作系統(tǒng)的語言，它是一種結(jié)構(gòu)化語言，可產(chǎn)生 壓縮代碼。C 語言結(jié)構(gòu)是以括號(hào) 而不是子和特殊符號(hào)的語言。C 可以進(jìn)行許多機(jī) 器級(jí)函數(shù)控制而不用匯編語言。與匯編相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)單片機(jī)的指令系

31、統(tǒng)不 要求了解，僅要求對(duì) 51 的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)有初步了解；寄存器分配、不同存儲(chǔ)器的尋址 及數(shù)據(jù)類型等細(xì)節(jié)可由編譯器管理；程序有規(guī)范的結(jié)構(gòu)，可分為不同的函數(shù)。這種 方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力，改善了程序的 可讀性；編程及程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率；提供的庫包含許多標(biāo)準(zhǔn)子 程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹?便的模塊化編程技術(shù)。C 語言作為一種非常方便的語言而得到廣泛的支持，C 語言 程序本身并不依賴于機(jī)器硬件系統(tǒng)，基本上不做修改就可根據(jù)單片機(jī)的不同較快地 移植過來。 基于以上理由決定采用 C 語言為該顯示系統(tǒng)的編程語言。

32、 2.2.2 系統(tǒng)軟件編譯器介紹 C 語言編寫的程序并不能被單片機(jī)直接執(zhí)行還需要編譯為單片機(jī)可執(zhí)行的機(jī)器 語言。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。支持 MCS51 用 C 語言編程的 編譯器主要有兩種：Franklin C51 編譯器和 KEILC51 編譯器。目前在單片機(jī)開發(fā)中 普遍都是使用 KEIL C51 來進(jìn)行編譯。 因此軟件設(shè)計(jì)最終方案為采用 C 語言為程序語言，KELC 為編譯工具按照控制、 通信、顯示等幾個(gè)功能模塊來編寫程序。 2.2.3 上位機(jī)控制傳輸軟件 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)該顯示系統(tǒng)的硬 件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。上位機(jī)的

33、作用是存儲(chǔ)并處理顯示內(nèi)容，然 后通過通信系統(tǒng)傳送到控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)顯示。 LED 顯示上位機(jī)的內(nèi)容一般有實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)顯示兩種方法。實(shí)時(shí)顯示及上位 機(jī)屏幕上的內(nèi)容同時(shí)顯示在 LED 顯示屏上，上位機(jī)上內(nèi)容變化 LED 顯示屏也跟著 變化。存儲(chǔ)顯示是將顯示內(nèi)容處理過后存儲(chǔ)在上位機(jī)中通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏 顯示。兩種顯示方法相比較：實(shí)時(shí)顯示屏幕能及時(shí)反應(yīng)上位機(jī)內(nèi)容的變化，顯示的 效果和內(nèi)容的實(shí)時(shí)性好多用于新聞播報(bào)、實(shí)況轉(zhuǎn)播用，但實(shí)時(shí)顯示硬件開銷大，對(duì) 通信系統(tǒng)要求高，工藝復(fù)雜，成本高；存儲(chǔ)顯示雖實(shí)時(shí)性不高但硬件開銷小，成本 低廉。課題設(shè)計(jì)題目對(duì)顯示的實(shí)時(shí)性要求較低且所設(shè)計(jì)的顯示屏尺寸不大同時(shí)顯示 的

34、內(nèi)容不多，所以實(shí)時(shí)顯示就沒有必要。所以上位機(jī)選擇存儲(chǔ)顯示的方法，控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 硬件整體設(shè)計(jì)概述及功能分析 顯示系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)主要由上位機(jī)，通信系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū) 動(dòng)電路和 1616 的點(diǎn)陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位 PC 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)接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼 將顯示內(nèi)容通過 I/O 口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由 顯示驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電壓和電流的處理以達(dá)到 LED 顯示屏的顯示電流，電壓要求進(jìn)而 使顯示屏顯示內(nèi)容。 根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件

35、，器件不但要求能實(shí)現(xiàn)所要求的功能還要 能兼容至整個(gè)系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對(duì)比最終的硬件原理圖如圖 3-1 所示。 74LS373 PC 74LS164 AT89S51 ULN2803 MAX232 74LS164 74LS164 74LS164ULN2803 74LS373 48 8 16 16LED LED LED 8550 圖圖 3-1 硬件原理圖硬件原理圖 該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求有以下幾點(diǎn)： （1）LED 顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個(gè)漢字的標(biāo)準(zhǔn)。并且顯示要清晰。 （2）驅(qū)動(dòng)電路要能提供 LED 顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。 （3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸

36、出頻率必須滿足單片機(jī)以及 驅(qū)動(dòng)電路的要求。 （4）單片機(jī)要能接收上位機(jī)的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制 LED 顯示屏的顯 示，并且端口驅(qū)動(dòng)能力要足以驅(qū)動(dòng)譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達(dá)到掃描顯示的 最低要求。 （5）單片機(jī)由 ISP 下載線下載程序和供電，可不設(shè)立專用供電電源。 （6）由串口完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_(dá)到顯示 要求。 3.2 控制單元設(shè)計(jì) 控制單元是整個(gè)顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用 51 系列單片機(jī)為核心器件，用 來和上位機(jī)通信處理上位機(jī)發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯 碼電路控制 LED 顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。 在 51 系列單片機(jī)

37、中選定一款合適的機(jī)型來作為控制單元的主控芯片。根據(jù)題目 的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因?yàn)樵谲浖O(shè)計(jì)時(shí)方便的程序下 載對(duì)程序的驗(yàn)證和編寫非常有用。還有就是為了提高 LED 顯示屏的掃描速度，單片 機(jī)的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點(diǎn)要求，選擇美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S51 為控制單元的主控芯片。 3.2.1 AT89S51 簡(jiǎn)介 AT89S51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi) 含 4k bytes 的可系統(tǒng)編程的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令

38、系統(tǒng)及引腳。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既 可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中， ATMEL 公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合， 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 AT989S51 具有以下特點(diǎn)： 與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k 字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 4.05.5V 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz 三級(jí)程序加密鎖 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行 UART 通

39、道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) 看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在系統(tǒng)編程（ISP 字節(jié)或頁寫模式） AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，看門狗（WDT） ，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器， 一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e 方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工 作。掉電方式保存

40、 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直 到下一個(gè)硬件復(fù)位。 3.2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制電路設(shè)計(jì)中采用的是單片機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須要是工作在一個(gè)最小系統(tǒng) （指單片機(jī)的可以的最小配置系統(tǒng)） 。AT89S51 的最小系統(tǒng)包括了外界時(shí)鐘電路和 復(fù)位電路，選定一定數(shù)量的 IO 口作為控制口控制外部的各種器件和數(shù)據(jù)的輸出。根 據(jù)功能選擇一定的單片機(jī)端口添加外圍的器件，具體電路如圖 3-2 所示。 在該系統(tǒng)中，P1 各口主要用作 LED 顯示數(shù)據(jù)的控制輸出。由于端口的驅(qū)動(dòng)能 力有限所以該端口外接了 5K 的上拉電阻來提高驅(qū)動(dòng)能力。其中 P1.5P1.6P1.7 還復(fù) 用為 ISP 下

41、載功能口。具體接法為：P1.0，P1.1，P1.4，P1.5 分別接四塊 74LS164 的 A 端，向 74LS164 送入串行數(shù)據(jù)經(jīng)過其轉(zhuǎn)換后并行輸出；P1.2 和 P1.6 分別接列 和行的 74LS164 的 CLOCK 端，產(chǎn)生移位脈沖是串行數(shù)據(jù)并行輸出；P1.3 和 P1.7 接 列和行的 CLEAR 端，在一組數(shù)據(jù)完成串并轉(zhuǎn)換后清除 164 芯片中的內(nèi)容轉(zhuǎn)換新的 數(shù)據(jù)；其中 P1.5P1.6P1.7 還復(fù)用為 ISP 下載功能口。P2.0 接 164 芯片的使能控制端， 當(dāng)為高電平使允許輸出；P2.2 和 P2.3 接鎖存器 74LS373 的 OE 和 LE 端控制鎖存器 的工

42、作狀態(tài)。 端口 30，EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址 為 0000HFFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。因?yàn)闆]有擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器 所以將 EA 置為高電平。 圖圖 3-2 控制部分電路圖控制部分電路圖 由于 P3 口是特殊功能口，在該系統(tǒng)中基本是采用其第二功能。其第二功能和實(shí) 際運(yùn)用如表 3-1 所示： 表表 3-1 AT89S51P3 口第二功能的應(yīng)用口第二功能的應(yīng)用 端口第二功能實(shí)際作用 P3.0RXD（串行輸入口）與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸入口 P3.1TXD(串行輸出口)與上位機(jī)通信的數(shù)據(jù)輸出口 P3.2外部中斷 0做按鍵中斷，控制顯示狀

43、態(tài) P3.3外部中斷 1做按鍵中斷，控制運(yùn)行模式 AT89S51 單片機(jī)的 P1 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分 時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，P2 口在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。所以 P1 和 P2 口留為外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展用，以備內(nèi)部存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器不夠用的情況時(shí)使用12。 3.3 譯碼電路設(shè)計(jì) 譯碼電路的功能是為了解決單片機(jī) I/O 端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換 器 74LS164 和鎖存器 74LS373。具體電路如圖 3-3 所示 圖圖 3-3 行譯碼電路圖行譯碼電路圖 3.3.1 串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 列譯碼采用的是芯片 74LS164。如果不采用譯碼電路完全依靠單片機(jī)的端口輸 出來控制 1616 的 LED 點(diǎn)陣