1、 . . . 本科畢業設計（論文）題 目：基于51單片機的 公交車報站系統設計專 業： 電子信息工程班 級：姓 名：學 號：指導教師：職 稱：副教授完成日期：- 9 - / 43摘 要本設計主要是研究公交車報站系統的LED點陣顯示屏技術。本LED顯示屏能夠以動態掃描的方式同時顯示兩個3216點陣漢字，并能通過外接按鍵來更改顯示容，實現公交報站顯示。因為點陣顯示屏廣泛應用于醫院、機場、銀行等公共場所，所以本設計具有很強的現實應用性。本設計具體是使用STC51高速單片機作為主控制模塊，利用簡單的外圍電路來驅動3216的點陣LED顯示屏。利用STC12C系列高速單片機本身強大的功能和部E2PROM，

2、可以很方便的實現單片機與PC機間的數據傳輸與存儲，并能利用軟件方便的進行顯示容的多樣變化。因為采用串行傳輸方式，使本系統的可擴展性得到提升，便于多個顯示單元的級聯。本文從LED的顯示原理入手，詳細闡述了LED動態顯示的過程，以與硬件電路的設計、和軟件的設計等等。關鍵詞：公交報站系統；LED顯示屏；單片機；串行傳輸AbstractThis design is to study the LED Dot Matrix Display technolog of the bus stations system. The LED display can also show two (32 16 dot m

3、atrix) characters by the way of dynamic scanning, and it can change the display to achieve bus-stop display through an external button. Because the Dot Matrix Display are widely used in hospitals, airports, banks and other public places, so this design has a strong practical applicability.This desig

4、n uses specific High-Speed Microcontroller Family STC51 as the main control module, and using simple external circuit to drive the 32 16 Dot Matrix LED display. The STC12C High-Speed Single Chip , owns powerful function and internal E2PROM.So that it can easily realize data transfer and storage betw

5、een PC and MCU , and its easy to use software to display the contents of variety . And for the serial transmission, the scalability of the system be enhanced to facilitate cascading multiple display units.Key Words:Bus Auto-Reporting-Calling System;LED display screen; High-Speed Single Chip;Serial T

6、ransmission目 錄1 緒論- 1 -1.1前言- 1 -1.2 背景與意義- 1 -1.2.1 國外研究現狀- 1 -1.2.2 研究主要成果- 2 -1.2.3 發展趨勢- 3 -1.3 設計任務- 4 -2 總體方案的考慮分析- 5 -2.1 LED顯示屏的考慮- 5 -2.1.1 LED電子顯示屏的分類- 5 -2.1.2 LED點陣模塊結構- 5 -2.1.3 LED 顯示屏的選擇- 6 -2.2 控制器的比較與選型考慮- 6 -2.2.1常見的幾款單片機的介紹- 6 -2.2.2 STC單片機在條屏運用中的優越性- 8 -2.3 LED點陣顯示屏驅動方案- 9 -2.3.1

7、 LED顯示屏的工作原理- 9 -2.3.2串行控制驅動方式- 10 -2.3.3并行控制驅動方式- 11 -2.3.4高度集成專用芯片的應用- 11 -2.3.5 LED驅動方式的選擇- 11 -2.4 單片機軟件開發工具與語言- 12 -2.5 對于系統電源與通信電纜的考慮- 13 -2.5.1 對于LED顯示屏的電源要求- 13 -2.5.2 開關電源在條屏應用中的優勢- 13 -2.5.3 系統電源的選擇- 13 -2.6 系統總體方案設計框圖- 13 -3硬件電路設計- 15 -3.1單片機最小系統的設計- 15 -3.2列驅動電路設計- 15 -3.3行驅動電路設計- 16 -3.

8、3.1行驅動電路元件參數計算- 18 -3.4與上位機的通信電路設計- 19 -4軟件電路設計- 22 -4.1單片機軟件總體流程- 22 -4.2 LED顯示程序分析- 22 -4.3 LED漢字左移程序分析- 22 -4.4 漢字站號的按鍵選擇程序分析- 23 -5 系統調試- 24 -5.1系統的硬件調試- 24 -5.2 系統的軟件調試- 24 -6 結論- 25 -致- 26 -參考文獻- 27 -附錄原理圖- 28 -附錄元器件清單- 29 -附錄源程序清單- 30 -1 緒論1.1前言LED電子顯示屏（Light Emitting Diode Panel）是由幾百-幾十萬個半導體

9、發光二極管構成的像素點，按矩陣均勻排列組成。利用不同的半導體材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發已經達到了實用階段。 LED顯示屏是一種通過控制半導體發光二極管的亮度的方式，來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。 LED顯示屏分為圖文顯示屏和條幅顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；而條幅顯示屏則適用于小容量的字符信息顯示。LED顯示屏因為其像素單元是主動發光的，具有亮度高，視角廣、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和性能穩定等優點。因而被廣泛應用于車站、碼頭

10、、機場、商場、醫院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業企業管理和其它公共場所。 LED顯示屏的發展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高氣候耐受性、更高的發光密度、更高的發光均勻性，可靠性、全色化方向發展。1.2 背景與意義近年來，我國城市交通的現狀已引起了政府、公眾、社會各界的廣泛關注，有關專家學者和交通工程師們在吸取各國城市交通發展經驗的基礎上，找到了一條解決我國城市交通發展問題的有效途徑，即優先發展城市公共交通，以公共交通為杠桿降低城市交通需求總量，實現道路交通基礎設施發展與交通需求增長的均衡。實施“公交優先”是解決我國城市交通發展問題的有效途徑，也是我國目前城市交通發展的基本

11、政策。公交智能化是智能交通的一個重要的子領域，同時也是落實“公交優先”，使城市交通與社會經濟和諧發展的重要組成部分。實施公交智能化，必須提高公交服務質量，而到站后的準確、與時報站就是一個方面。當前國主要大城市的公交車大都采用人工報站,即每到一站由司機或者乘務員來進行報站。但有時由于受到各種因素如雨雪天路滑、車上擁擠、乘務員心情的變化等的影響,會出現報錯站,漏報站的情況,給乘客特別是不熟悉本市地形的乘客帶來了不必要的麻煩,從而影響到了一個城市的窗口形象工程建設。于是開發研制公交車報站系統成為必然。實現公共汽車自動報站是是公交智能化的一份子，是促進智能交通的一個不可缺少的步驟，同時也是落實“公交優

12、先”使城市交通與社會經濟和諧發展的重要組成部分。1.2.1國外研究現狀基于51單片機的公交車報站系統的設計主要研究方向是關于LED顯示屏的設計。所以下主要是關于LED顯示屏展開論述。我國LED顯示產業在規模發展的同時, 產品技術推門新、一直保持比較先進的水平，90年代初即具備了成熟的16級灰度256色視頻控制技術與無線遙控等國際先進水平技術，近年在全彩色LED顯示屏、256級灰度視頻控制技術、集群無線控制、多級群控技術等方面均有國先進、達到國際水平的技術和產品出現；LED顯示屏控制專用大規模集成電路也已由國企業開發生產并得到應用。LED顯示屏產業培養形成了一批LED顯示屏科技隊伍，在全國LED

13、顯示屏行業的從業人數6000人中，科技人員有2800人，將近50。LED顯示屏產業正成為我國電子信息產業的重要組成部分，也是平板顯示領域唯一立足國形成的民族高科技產業17。在作者郭兆正的LED點陣顯示屏系統設計中對國的LED的研究現狀有了大概敘述：LED 電子顯示屏是隨著計算機與相關的微電子、光電子技術的迅猛發展而形成的一種新型信息顯示媒體。它利用發光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環境適應能力強、性能價格比高、使用成本低等特點，在短短的10來年中，迅速成長為平板顯示的主流產品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用11。1.2.2研究主要成果通過查閱相關

14、的文獻期刊書籍，對LED顯示屏的一些研究成果如下：在作者梁純、王軍的基于MCS_51單片機的LED 點陣圖文顯示屏設計文章中把RS485 和硬件漢字庫技術應用到LED 點陣圖文顯示屏。在控制傳輸方面，通過RS485 總線連接顯示屏和上位計算機，具有分布靈活、擴展方便的優點。在顯示控制方面，LED陽極通過三極管8550 與電源相連，用單片機IO口控制行選通；LED 陰極通過達林頓管驅動，用74HC595來輸出列選通，實現漢字顯示。經作者實際應用驗證，以此作為信息顯示屏，工作穩定，字符清晰，字體美觀，亮度適中，根據需要可選擇靜止顯示和拉滾字幕效果 13 。在作者付浩的AT89C51單片機高速串行輸

15、出口設計文章中介紹了單片機高速串行同步移位輸出口的方法：在LED點陣顯示屏的應用系統中，一般都采用數據同步移位輸出方式，并使用移位寄存器芯片（如74LS595）擴展并行I/O口驅動LED點陣顯示。LED點陣顯示采用掃描方式，為不產生閃爍感，每秒需要傳送50屏點陣顯示數據，這就要求單片機能夠快速地輸出數據。AT89C51單片機的串行口在方式0工作狀態下，數據以fosc/12的波特率輸出，1個字節數據寫入SBUF后，需要檢查中斷標志位TI是否為”1”并清零TI或延時幾個機器周期后才能繼續寫入下一個數據，輸出速度慢。作者采用模塊化設計，給出基于TTL和PLD的兩種電路的實現方案，波特率提高到fosc

16、，數據輸出不需要等待或延時。這兩種方案在LED點陣顯示系統中都已經得到成功的應用1。在作者娟、高正明、艷麗的點陣式漢字電子顯示屏的設計制作文章中介紹了點陣式漢字電子顯示屏的硬件電路設計原理與軟件設計方案, 采用MCS- 51系列單片機芯片, 得到了一個能夠同時顯示4個漢字, 16 16的并可以根據需要擴展的LED 點陣式顯示屏。該系統通過跳線決定要顯示的容, 設計所需的部件較少, 原理簡單, 具有設計先進、顯示活潑、可動態滾動顯示漢字或圖案的能力。除此之外該系統還具有自檢功能,通過報警聲的不同識別不同的故障5。在作者游達章、黃勁的簡易LED 點陣漢字顯示控制模塊設計文章中根據LED 漢字顯示原

17、理，制作了由AT89S52 主控的LED 漢字顯示模塊，給出了硬件電路圖和控制軟件。詳細介紹了漢字碼到字模的轉化，以與到LED 顯示屏顯示漢字的過程。該模塊擴展柔性大，易于擴展字庫容量和LED 顯示屏數量，可以同時顯示多個漢字和字符， 另外成本較低，電路與控制方案簡潔明了，容易實現，具有應用推廣價值15。在作者紅、于平、程文播的基于單片機控制的LED 點陣顯示屏系統文章中給出了一個點陣顯示屏的硬件與軟件的整體設計，與其顯示的整體控制包括左移、右移、通訊、控制等。本系統的硬件與軟件均調試通過，具有可行性。而且成本低廉易于開發是一個方便實用的點陣顯示系統。其創新點是克服了原來固定顯示的缺點，可以通

18、過通訊模塊實現顯示容的實時更改。采用單片機控制克服了用電腦實現動態顯示成本高的缺點。在左移顯示模塊中采用移入半個漢字的方法克服了掃描時間不足而出現亂碼的現象16。1.2.3發展趨勢現代信息社會中，作為人機信息視覺傳播媒體的顯示產品和技術得到迅速發展，進入二十一世紀的顯示技術將是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導產品之一無疑會有更大的發展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產品2。 高亮度、全彩化藍色與純綠色LED產品自出現以來, 成本逐年快速降低, 已具備成熟的商業化條件。基礎材料的產業化，使LED全彩色顯示屏產品成本下降，應用加快。以全彩色戶外26顯示屏為例，1996年的

19、產品市場價格每平方米在12萬元左右, 1999年已降至7-8萬元人民幣/，LED產品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環境條件要求、同時, 由于全彩色顯示屏價格性能比的優勢，預計在未來幾年的發展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替傳統的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產品。全彩色的LED顯示屏的廣泛應用會是LED顯示屏產業發展的一個新的增長點3,4。 標準化、規化材料、技術的成熟從市場價格的基本均衡之后，LED顯示屏的標準化和規化將成為顯示屏發展的一個新趨勢。近幾年業的發展，市場

20、競爭在傳統產品條件下是以價格作為主要的競爭手段，幾番價格回落調整達到基本均衡，產品質量，系統的可靠性等成為主要的競爭因素。這就對LED顯屏的標準化和規化有了較高要求，業一此骨干企業已開始在企業實施ISO9000系列標誰。行業規和標準體系的形成、對產品的檢測有了相對統一的認識和評判依據，生產條件差、技術性不強、售后服務體系不完養的企業將受到市場的淘汰，預計今后幾年一批小規模LED顯示屏廠商會逐步淡出，行業的發展趨于有序6,10。 產業結構多樣化信息化社會的形成，信息領域愈加廣泛，顯示屏的應用前景更為廣闊。預計大型或超大型LED顯示屏的主流產品局面將會發生改變，適合于服務行業特點和專業性要求的小型

21、LED顯示屏會有較大提高，而向信急服務領域的LED顯示屏產品門類和品種體系將更加豐富，部分潛在的市場需求和應用領域將會有所突破, 如公共交通、停車場、餐飲、醫院等綜合服務方面的信息顯示屏需求量將有更大的提高，大批量、小型化的標準系列LED顯示屏在LED顯示屏市場總量中將會占有多數份額1214。1.3 設計任務本設計以AT89C51單片機為核心，用LED顯示屏顯示站名的即經濟、高效、直觀的公交車到站自動報站系統。該系統電路模塊主要包括單片機的選擇和外圍電路的設計模塊、按鍵電路的設計模塊、顯示與驅動電路的設計模塊、數據存儲器的設計模塊、串行通信電路的設計模塊。此外，還要以C語言為基礎進行編程，使系

22、統能夠正常穩定的完成報站功能。本設計的任務就是完成一個可以擴展的單色動態條幅屏。任務要求：（1）能同時顯示兩個簡體漢字（2）能實現漢字在LED顯示屏上反復滾動地顯示（3）能通過外接按鍵實現來控制顯示的容2 總體方案的考慮分析2.1LED顯示屏的考慮2.1.1LED電子顯示屏的分類l 按顏色分類可分為： 單基色顯示屏：單一顏色（紅色或綠色）。 雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。 全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。 l 按顯示器件分類 LED數碼顯示屏：顯示器件為7段碼數碼管，適于制作時鐘屏、利率屏等，顯示數字的

23、電子顯示屏。 LED點陣圖文顯示屏：顯示器件是由許多均勻排列的發光二極管組成的點陣顯示模塊，適于播放文字、圖像信息。l 按使用場合分類 室顯示屏：發光點較小，一般3mm-8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。 室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在下工作，具有防風、防雨、防水功能。 l 四、按發光點直徑分類： 室屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm 室外屏發光的基本單元為發光筒，發光筒的原理是將一組紅、綠、藍發光二極管封在一個塑料筒共同發光增強亮度。2.1.2 LED點陣模塊結構八十年代以來出現了組合型LED

24、點陣顯示器模塊，以發光二極管為像素，它用高亮度發光二極管芯陣列組合后，環氧樹脂和塑模封裝而成。這種一體化封裝的點陣LED模塊，具有高亮度、引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等特點。LED點陣規模常見的有44、48、57、58、88、1616等等。根據像素顏色的數目可分為單色、雙基色、三基色等。像素顏色不同，所顯示的文字、圖象等容的顏色也不同。單色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單色，雙基色和三基色點陣顯示容的顏色由像素不同顏色發光二極管點亮組合方式決定，如紅綠都亮時可顯示黃色，如果按照脈沖方式控制二極管的點亮時間，則可實現256或更高級灰度顯示，即可實現真彩色顯示。圖2-1示出最常

25、見的88單色LED點陣顯示器的部電路結構和外型規格，其它型號點陣的結構與引腳可試驗獲得。圖2-1 88單色LED模塊部電路LED點陣顯示器單塊使用時，既可代替數碼管顯示數字，也可顯示各種中西文字與符號如5x7點陣顯示器用于顯示西文字母58點陣顯示器用于顯示中西文，8x8點陣可以用于顯示簡單的中文文字，也可用于簡單圖形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構成大屏幕顯示器，但這類實用裝置常通過PC機或單片機控制驅動。2.1.3LED 顯示屏的選擇基于成本和顯示亮度的考慮，使用紅色的LED點陣塊作為基本顯示單元。所以顯示一個簡體漢字，至少需要1616點陣來描述。為了在較遠距離處獲得清晰的視覺效果，本設計采

26、用4個88點陣，像素直徑5mm的LED模塊拼接成1616點陣的LED陣列。這樣每個1616漢字能夠獲得1212cm的顯示尺寸，因此在50米處仍能清晰閱讀。本設計要求整個屏幕能同時顯示兩個漢字，則至少需要用8個88的LED模塊拼接成3216的矩陣。2.2 控制器的比較與選型考慮2.2.1常見的幾款單片機的介紹l PIC系列單片機：PIC單片機采用精簡指令使其執行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機具有獨特的RISC結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結構，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多于8位的數據位數，這與傳統的采用CISC結構的8位單片機相比，可以達到

27、2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。PIC有優越開發環境。PIC在推出一款新型號的同時推出相應的仿真芯片，所有的開發系統由專用的仿真芯片支持，實時性非常好。其引腳具有防瞬態能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便。PIC以熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復熔絲的可能性極小。自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。l AVR系列單片機：是一種新型的單片機。運行速度快，一個時鐘周期執行一條指令。硬件應用哈佛(Harvard)結構，具有預取指令功能，即在

28、執行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期執行。AVR單片機是多累加器型，數據處理速度快。超功能精簡指令，具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。相當多的單片機只有一個累加器，就像一條獨木橋，所有事都要通過累加器，速度慢。AVR單片機系列中有128B4KB的SRAM靜態隨機數據存儲器，可靈活使用指令運算、存放數據，中斷響應速度快。AVR像8051一樣，有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷。高級C語言編程效率高。從高級語言C代碼完成同一任務實例來比較，8 MHz AVR單片機的速度相當于224 MHz的80C51單片機，AVR比80C51快28

29、倍。AVR是低功耗單片機，具有休眠省電功能(Power Down)與閑置(Idle)低功耗功能。一般耗電在12.5 mA；對于典型功耗情況，WDT關閉時為100 nA，更適用于電池供電的應用設備。有的器件最低1.8 V即可工作。可多次燒寫的Flash，且具有多重密碼保護鎖死(Lock)功能。I/O口功能強、驅動能力大，具有輸入/輸出、三態高阻輸入，也可設定部拉高電阻作輸入端的功能，以便于應用到各種所需的場合(多功能I/O口)。l 51系列單片機：51系列是指是兼容Intel公司51指令集的單片機系列的統名稱。這種單片機所包括的硬件資源有：（1）一個8位的微處理器；（2）片數據存儲器RAM，用以

30、存放可以讀/寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以欲顯示的數據等；（3）片程序存儲器ROM/EPROM，用以存放程序、一些原始數據和表格；（4）四個8位并行I/O接口P0P3，每個口可以用作輸入，也可以用作輸出；（5）兩個（或三個）定時器/計數器，每個定時器/計數器都可以設置成計數方式，用以對外部事件進行計數，也可以設置成定時方式，并可以根據計數或定時的結果實現計算機控制；（6）五（或六個）個中斷源的中斷控制系統；（7）一個全雙工UART接口（通用異步接收發送器）的串行I/O，用于實現單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；（8）片振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容須要外接。可以看出M

31、CS-51系列單片機也是一款功能強大的單片機。l STC89C51系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/ 高速/ 低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051 單片機，12 時鐘 / 機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本部集成MAX810專用復位電路。特點如下：（1）.增強6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU；（2）工作電壓：5.5V3.4V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V單片機）；（3）工作頻率圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz實際工作頻率可達48MHz；（4）用戶應用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字節；（

32、5）片上集成1280字節/512字節RAM；（6）通用I /O口（32/36個）復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8 051傳統I /O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I /O 口用時，需加上拉電阻；（7）ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器/仿真，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片；（8）EEPROM功能；（9）看門狗；（10）部集成 MAX810 專用復位電路（D 版本才有），外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路；（11）共3 個16位定時器/計數器，其中定時器0還可

33、以當成2個8位定時器使用；（12）外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒；（13）通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART；（14）工作溫度圍：075/40+85；（15）封裝：PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。2.2.2 STC單片機在條屏運用中的優越性對于單色動態條幅屏的應用需要，STC12C5412AD單片機有以下突出的優點：較高的處理速度和時鐘頻率，能輕松的實現條屏的各種移動算法。有SPI和UART兩個串行口，能實現與字庫芯片或PC機之間的數據交換。有部E2PROM，可用于掉電存放條屏的各種

34、設置參數、漢字碼等數據。 ISP/IAP功能，使芯片可以不脫板下載程序，便于產品的軟件升級。部看門狗，使條屏可以工作在惡虐的電磁環境下。寬電壓圍，條屏的負載端電壓的波動不會影響其正常運行。豐富的I/O口，可以代替LED行掃描用的行選通譯碼器器，降低產品成本。小型封裝，便于PCB的緊湊化設計。從以上幾種型號單片機的比較中可以看出，PIC單片機、AVR單片機雖然在很多方面都有其特點，如在運行速度上，部資源的配置等。但因其價格高，開發工具不與使用51系列單片機齊全，再考慮本系統對CPU的要求并不是很高，綜合考慮還是選用已經普與的51核的單片機。2.3 LED點陣顯示屏驅動方案2.3.1LED顯示屏的

35、工作原理LED點陣顯示系統中各模塊的顯示方式： 有靜態和動態顯示兩種。靜態顯示原理簡單、控制方便，但硬件接線復雜，在實際應用中一般采用動態顯示方式，動態顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數據信號，反復循環以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。點陣式LED漢字廣告屏絕大部分是采用動態掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續的幾幀畫面高速的循環顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態掃描顯示

36、方式極大的縮減了發光單元的信號線數量，因此在LED顯示技術中被廣泛使用。以88點陣模塊為例，說明一下其使用方法與控制過程。圖2-1中，紅色水平線Y0、Y1Y7叫做行線，接部發光二極管的陽極，每一行8個LED的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行線間絕緣。同樣，藍色豎直線X0、X1X7叫做列線，接部每列8個LED的陰極，相鄰兩列線間絕緣。在這種形式的LED點陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用“1”表示），在某列線上施加低電平（用“0”表示）。則行線和列線的交叉點處的LED就會有電流流過而發光。比如，Y7為1，X0為0,則右下角的LED點亮。再如Y0為1，X0到X7均為0，則最上面一行8個LED全點

37、亮。現描述一下用動態掃描顯示的方式，顯示字符“B”的過程。其過程如圖2-2圖2-2 用動態掃描顯示字符“B”的過程假設X,Y為兩個8位寬的字節型數據，X的每位對應LED模塊的8根列線X7-X0，同樣Y的每位對應LED模塊的8根行線Y7-Y0。在這個示例中，Y叫行掃描線，行掃描線在每個時刻只有一根線為“1”即有效行選通電平，X叫列數據線，其容就是點陣化的字模數據的體現。下面用偽代碼描述動態顯示的過程。（1）Y=0x01,X=0xFF，如圖 2.2第一幀；（2）Y=0x02,X=0x87，如圖 2.2第二幀；（3）Y=0x04,X=0xBB，如圖 2.2第三幀；（4）Y=0x08,X=0xBB，如

38、圖 2.2第四幀；（5）Y=0x10,X=0x87，如圖 2.2第五幀；（6）Y=0x20,X=0xBB，如圖 2.2第六幀；（7）Y=0x40,X=0xBB，如圖 2.2第七幀；（8）Y=0x80,X=0x87，如圖 2.2第八幀；（9）跳到第（1）步循環。如果高速地進行（1）到（9）的循環，且兩個步驟間的間隔時間小于1/24秒，由于視覺暫留。LED顯示屏上將呈現出一個完整的“B”字符。這就是動態掃描的原理。只不過實際運用的時候，列線和行線通常不止8位，還要根據列線和行線的數量來決定是用行線或列線來做掃描線。例如0601條屏（每行6個漢字，共1行），行線有16根，列線有96根。如果用列線來做

39、掃描線，則每列LED在每96次循環掃描中只可能亮一次，則其發光視覺平均亮度為直流亮度的1/96。如果用行線來做掃描線，則每16次循環，每行LED就能亮一次，其發光視覺平均亮度為直流情況下的1/16。可見，用行線做掃描線，因為其發光周期的占空比較大，其視覺亮度是用列線做掃描線的6倍。因而發光效率比前者高。在實際運用的時候，還要在每兩幀之間加上合適的延時，以使人眼能清晰的看見發光。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。比如先將掃描線全部設置為無效電平，送下一行的列數據后再選通掃描線，避免出現尾影。2.3.2串行控制驅動方式所謂串行控制驅動方式就是顯示的數據是通過串行方式送入點(列)驅動電路。其特點是

40、單元的線路連接簡單,這給印刷電路板的設計帶來了方便。同時也減少了印刷電路板的布線密度,從而為生產和調試帶來了有利的一面。當然,單元的可靠性也相應的提高了。串行控制驅動方式可選用的芯片有:MC4094、74LS595、74HC595、6B595、9094等等。其中MC4094、74HC595均為CMOS芯片,應與功率芯片結合使用;例如使用2803驅動芯片。建議采用6B595或9094(74LS595也可用),因為這幾種芯片都具有一定的驅動能力可直接驅動LED發光管而無須另外添加驅動芯片。同時,串行移位并行功率輸出的芯片(6B595、9094)自身具有級聯功能,為單元的級聯提供了支持。關于行的控制

41、和驅動是相對容易的,因為行的工作方式是分時順序工作的。由于行的組成是幾個模塊并聯形成的,因此驅動的功率要比較大的。行的驅動一般是采用PNP(用于共陽方式)功率三極管,行的邏輯控制可選用三八譯碼方式和直接行線控制方式。譯碼方式是應用三條行控制線控制一個三八譯碼器(如74LS138等),八選一順序控制八條行線。直接行線控制方式是比較簡單的,這里就不贅述了。在應用串行控制驅動系統時,盡管串行移位芯片具有級聯功能,但設計時要考慮時鐘信號、STR信號、行控制信號的級聯驅動問題。另外為提高單元的多級級聯的數量,設計時要考慮到每個信號的傳輸延遲,以保證控制時序的正確運行。2.3.3并行控制驅動方式并行控制驅

42、動方式就是顯示的數據是通過并行(8位)方式送入點(列)驅動電路。每送入一個字節就完成了一個模塊的一個行的數據置入,其優點是數據的刷新速度塊,這就減輕了上一級控制系統的壓力。在同樣的數據處理量的前提下,對處理速度要求的降低,就意味著對系統投入的降低。同時處理速度的降低也相應地提高了系統的穩定性。在并行控制驅動方式下,我們可以選用74LS374這樣一類鎖存芯片,采用首尾相連的方式將控制、驅動一并形成。也可以將這一方式稱其為并行移位鎖存方式。這一設計方案的特點是設計線路簡潔,控制方便快速。系統的整體投入成本比較低,這一設計方案將大提高系統的性能價格比。關于在并行控制驅動方式下的行控制驅動的設計可參照

43、串行控制驅動方式設計。并行控制驅動方式的缺點是:由于數據是并行輸入的,這就使得單元的線路連接復雜。由此增加了單元的印刷線路板的設計難度。同時提高了印刷線路板的密度,對生產加工和調試提出了較高的要求。但設計難度的加大僅僅是一次性的,而生產和調試的難度是可以提高生產的手段和使用先進的儀器設備加以克服的。由于并控制驅動方式的自身特點,使得單元的級聯不成問題。只要設計時對控制信號的級聯驅動加以注意就可以了。并行控制驅動方案中也可采用總線式結構,即選用的八位鎖存器不是首尾級聯方式而是共用總線方式。但這種方式將增加控制邏輯的投入,也就是說每個鎖存器都要有一個獨立的鎖存控制時鐘。因此,這一方式一般不采用。2

44、.3.4高度集成專用芯片的應用隨著微電子技術的不斷發展,以與大型電子顯示屏應用的日益廣泛,一種高度集成的LED顯示屏控制驅動專用芯片出現了,例如:ZQL9701芯片。ZQL9701芯片是集行控制、列控制和一些外圍驅動電路于一身的高度集成控制驅動芯片。采用ZQL9701芯片將會使單元的控制、驅動更為簡單,高度的集成化也使系統的穩定性更為可靠。另外,ZQL9701芯片在單元的級聯方面也提供了充分的支持。采用ZQL9701芯片將使系統的顯示灰度達到256級。采用ZQL9701芯片設計顯示單元時,由于ZQL9701芯片是表面封裝器件,這就需要用專用的生產設備進行生產。這對一般的生產單位是要考慮的問題。

45、總之,采用專用芯片設計的顯示單元的性能得到極大的提高。但系統的成本也要提高,在應用中要給予重視。2.3.5 LED驅動方式的選擇從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所在位置相對應的LED器件發光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時控制各個發光點亮滅的方法稱為靜態驅動顯示方式。1616的點陣共有256個發光二極管，顯然單片機沒有這么多端口，如果我們采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，1 616的點陣需要256/8=32個鎖存器。這個數字很龐大，因為我們僅僅是1616的點陣，在實際應用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數字。

46、因此在實際應用中的顯示屏都不采用這種設計，而采用另一種稱為動態掃描的顯示方法。動態掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅動電路就可以實現多行(比如16行)的同名列共用一套列驅動器。具體就1 616的點陣來說，把所有同l行的發光管的陽極連在一起，把所有同一列的發光管的陰極連在一起(共陽的接法)，先送出對應第1行發光管亮滅的數據并鎖存，然后選通第l行使其燃亮一定的時間，然后熄滅；再送出第2行的數據并鎮存，然后選通第2行使其燃亮一樣的時間，然后熄滅；第16行之后，又重新燃亮第1行，腹輪回。當這樣輪回的速度足夠快(每秒24次以上)，由于人眼的視覺暫留現象，就能看到顯示屏上穩定的圖形了。采用掃描

47、方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。顯示數據通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數據都傳送到相應的列驅動器上去，這就存在一個顯示數據傳輸的問題。從控制電路到列驅動器的數據傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅動器的線路數量大，相應的硬件數目多。當列數很多時，并行傳輸的方案是不可取的。采用串行傳輸的方法，控制電路可以只用一根信號線，將列數據一位一位傳往列驅動器，在硬件方面無疑是十分經濟的。但是，串行傳輸過程較長，數據按順序一位一位地輸出給列驅動器，只有當一行的各列數據都已傳輸到位之后，這一行

48、的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數據準備(傳輸)和列數據顯示兩個部分。對于串行傳輸方式來說，列數據準備時間可能相當長在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時，傳送下一行的列數據。為了達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有鎖存功能。經過上述分析，可以歸納出列驅動器電路應具備的主要功能。對于列數據準備來說，它應能實現串人并出的移位功能；對于列數據顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進行顯示時，

49、串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會影響本行的顯示。從成本和功能上考慮，選擇74HC595串行轉并行鎖存器芯片作為列驅動器是一個不錯的選擇，本設計便考慮使用它作為列驅動器。而行驅動器傳統是使用兩個74LS138三八譯碼器芯片來進行行掃描，本設計便考慮使用74LS154四十六譯碼器芯片作為行驅動器。2.4 單片機軟件開發工具與語言本系統的處理器是兼容8051指令集的高速單片機STC12C5412AD。為此，首選Keil Vision作為其開發工具。Keil Vision是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統。其功能強大，生成的代碼緊湊，是目前世界上

50、使用最廣的51系列兼容單片機開發工具。本設計中，單片機軟件是采用C51語言編寫，C51語言是ANSI C的擴展集，其語法結構、關鍵字等與ANSI C絕大部分是一樣的。與匯編相比，C51語言在功能上、結構性、可讀性、可移植性、可維護性上有明顯的優勢。2.5 對于系統電源與通信電纜的考慮2.5.1 對于LED顯示屏的電源要求本系統沒有設置獨立的5V穩壓器件，因此要求外部能對其提供相對穩定的電壓。為保證單片機等集成電路的穩定工作，要求電源電壓的最大波動圍在4.85.2V之間。本系統的工作電流隨著顯示容的不同有很大變化。在LED全滅的狀態下，耗電電流為60mA左右；在LED全亮的情況下，工作電流可以達

51、到3A；在滾動顯示漢字的時候，耗電約為500mA左右。因此，要求供電電源在負載電流變化較大的情況下能保持相對穩定的電壓輸出。同時，條屏一般是全天候工作，對電源系統的長時間工作的穩定性要求較高。考慮到上述因素，本設計采用功率容量75W，輸出5V/10A的成品單端反激式開關電源來為條屏系統供電。10A的電流容量對于條屏系統3A的滿負荷電流仍有較大的余量。這保證了長時間使用穩定性。2.5.2 開關電源在條屏應用中的優勢使用開關電源，相對于線性電源來說，有以下幾個明顯的優勢。成本低廉：同等電壓和電流容量的開關穩壓電源的成本，是傳統的工頻變壓器線性穩壓電源的30%左右。因此，在許多場合，開關電源已逐步取

52、代線性電源。高效率：體現在極高的轉換效率和極低的調整損耗上，開關電源的換能器是工作在開關狀態下，因此轉換的效率極高，長時間滿負荷工作也不會引起電源過熱。正好滿足條屏的應用場合。功率密度大：開關電源能夠輕松地提供10A以上的電流。在同等輸出功率下，開關電源的體積只有線性電源的四分之一，重量為線性電源的十分之一。功率越大，其優勢越明顯。對于通信電纜的選擇，本設計是將通信線和電源輸入合并在一個DB9連接器上。外部電纜使用多芯屏蔽電纜。這樣的設計，緊湊美觀，堅固耐用。2.5.3 系統電源的選擇本設計使用低壓差線性穩壓集成電路開關穩壓器LM2940元件為LED顯示屏、行驅動器、列驅動器和單片機供電。因為

53、開關穩壓控制器，是控制輸出電壓穩定的設備。所有的穩壓器，都利用了一樣的技術實現輸出電壓的穩定輸出電壓通過連接到誤差放大器（Error Amplifier）反相輸入端（Inverting Input）的分壓電阻（Resistive Divider）采樣（Sampled），誤差放大器的同相輸入端（Non-inverting Input）連接到一個參考電壓Vref。 參考電壓由IC部的帶隙參考源(Bandgap Reference)產生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此，它提供負載電流以保證輸出電壓穩定。2.6系統總體方案設計框圖通過前面對各種方案的比較與分析，初步構建硬件系統框圖如圖2

54、-3。在圖2-3中，X0、X1為顯示單元。每個顯示單元由一個1616點陣的LED模塊和l兩個8位寬的移位鎖存器（串行并行轉換器）構成。所有顯示單元的16根行線均連接到公共的行掃描驅動電路。而每個顯示單元的列數據則由8位移位鎖存器并行輸出口提供。中央微處理器MCU負責與所有外圍設備的協調通信，以與各種算法的處理。MCU用通用I/O口來驅動行掃描驅動電路。用通用I/O口模擬同步串行接口以實現和列數據鎖存器（移位鎖存器）之間的單向通信。PC機（上位機）的RS-232C電平經過轉換后，通過UART接口與MCU進行雙向通信。電源則為各個模塊提供穩定的電壓以與足夠的電流。圖2-3總體硬件系統框圖3 硬件電

55、路設計3.1單片機最小系統的設計STC51單片機的最小系統設計如圖3-1。.圖3-1 單片機最小系統圖51單片機的最小系統由單片機、晶振電路、復位電路和P0的上拉電阻組成。其介紹如下： 晶振電路為單片機提供時序使單片機能夠正常工作，在圖3-1中采用單片機部振蕩方式。此時，只要接上兩個電容和一個晶振即可。電容的大小影響著振蕩的穩定性和起振的快速性，通常選擇1030pF的相等的兩個瓷片電容。 C1和R2構成了復位電路。剛開始上電時時，C1瞬間相當于短路，C1兩端保持0V電壓，VCC的電源電壓就都加在了R2上，因此在單片機9腳RST上變成了高電平，此后C1上逐漸充電，即在C1上出現電壓，R2上的電壓

56、開始下降，最后單片機9腳RST上變成了低電平。在此過程中只要滿足單片機9腳RST上的高電平持續24個振蕩周期即可使單片機復位。3.2列驅動電路設計本設計中，每個1616點陣的列驅動電路由兩個串聯的8位移位鎖存器74HC595構成。74HC595，是為Motorola的SPI總線開發的一款串并轉換芯片。由于74HC595的輸入輸出電平兼容LSTTL,NMOS,CMOS電平，且具有較強的輸出負載能力，而被廣泛地運用于MCU（微控制器）、MPU（微處理器）的I/O口擴展。74HC595在5V供電的時候能夠達到30MHz的時鐘速度，每個并行輸出端口均能承受20mA的灌電流和拉電流。這個特點保證了不用增加額外的擴流電路即可輕松的驅動LED。它輸入端允許500nS的上升（下降）時間，對嚴重畸形的時鐘脈沖仍能檢測。這樣就可以容納較大的傳輸線對地電容，使本設計的抗干擾能力增強。74HC595并行輸出端與LED模塊列線之間通過20的電阻連接，這里電阻起到分壓，去除紅色LED的并聯嵌位作用。使紅綠兩組LED均能正常發光。由于LED顯示屏的工作電流時刻在變化，造成了系統電壓的波動。這種電壓波動有高頻成分，也有低頻成分。輕則對周圍無線電環境造成電磁污染，重則使系統時鐘紊亂，邏輯錯誤。為避免此，在每個74HC595的電源VCC和GND旁邊都并聯了兩個電容，用于濾波和