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1、. . . . 1 绪论1.1 国外研究现状LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成平板显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。LED显示屏1的发展可分为以下几个阶段：第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。 第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。视频控制
2、技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国企业开发出来并得以应用。 第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国的大屏幕带入全彩时代。 随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色L
3、ED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。 就市场而言，中国加入WTO、申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的新契机。国LED显示屏市场保持持续增长，目前在国市场上，国产LED显示屏的市场占有率近95%。国际上LED显示屏的市场容量预计以每年30%的速度在增长。 LED显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地，我国LED
4、制造厂商出口的份额在其中微不足道。据不完全统计，世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有30家左右。 目前，经过中国政府对LED产业化的积极推动， 国LED显示屏的生产技术基本与世界同步，国知名品牌有：奥力兴（Apex Kolor)、远亮国际照明、恒宇光电、大眼界光电（TopVision)、元亨光电（yaham）、山木显示（skymax-display）、丽晶光电（Lightking）、洲明（Unilumin）、锐拓（Retop）、爱立德（aled）、联建光电（liantronics）、长方照明（cfled）、明尔杰（MejLed）、德彩光电（dicolor）、
5、联森（lenson）、良辉光电(lhgd)、通普（TOP)、仕兰、雅其光（Art）、金立翔、艾比森（absen）、艾斯威（aswei）、雷森（ledsun）、利亚德（leyard）、科美芯(SBC)、三思、奥科光电等。从LED显示屏的发展过程来看，首先出现的是以显示短小文字信息为主的条形图文显示屏，继而开发出灰度LED图像显示屏。全彩色视频显示屏把LED显示屏的地位提升到一个全新的高度，达到了其它类型显示屏难以匹敌的水平。LED点阵显示根据应用领域和要求不同可以分为很多种。常用的是采用单片机为控制核心的LED点阵显示，显示的数据预先存贮在ROM中，当程序运行时，单片机负责依序将ROM中存储的数
6、据进行读取、传输和显示。为了对显示数据的更新，可以通过RS-232串口，由上位机将要显示的数据传输给单片机，由单片机独立完成显示。1.2 课题研究目标和意义本课题研究目标就是实现单片机对16x64点阵LED显示屏2的显示进行控制，实现汉字、数字、字母的多样化显示，最终实现点阵显示屏的滚动显示。LED屏显示系统的应用领域十分广泛，从证券交易、金融信息显示到机场、港口、车站旅客引导信息显示，从道路交通信息显示到邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传与信息显示，这些地方都需要LED显示屏向人们传达信息。随着制造工艺不断提高，同时制造成本逐年快速降低，LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替
7、传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等产品。在现代信息社会中，LED显示屏作为甲板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展。1.3 本设计主要完成以下几方面的工作：（1）学习LED显示屏部硬件结构；（2）设计单片机最小系统；（3）设计16x64点阵LED显示屏的行驱动和列扫描电路；（4）编写软件部分，通过proteus软件实现单片机对16x64点阵LED显示屏的控制。2 LED点阵显示原理2.1 LED原理半导体发光器件3包括半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管与点阵式显示屏(简称矩阵管)等。事实上，数码管、符号管、米字管与矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。发光二极管是-族化合物，
8、如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。 如图2.1所示:图2.1 LED显示原理假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形
9、成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区发光的，所以光仅在+近PN结面数u m以产生。理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁带宽度E g有关，即1240Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光780nm红光)，半导体材料的Eg应在326一-163eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿与蓝光发光二极管。2.2 LED显示器结构与分类通过发光二极管芯片的适当连接（包括串联和并联）和适当的光学结构。可构成发光显示器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号
10、管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。通常把数码管、符号管、米字管共称笔画显示器，而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器。 （一）LED显示器结构基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的。可实现09的显示。其具体结构有“反射罩式”、“条形七段式”与“单片集成式多位数字式”等;（1）反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳，将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上，每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在装反射罩前，用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好30m的硅铝丝或金属引线，在反射罩滴入环氧树脂，再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对
11、位粘合，然后固化。 反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂，较多地用于一位或双位器件。空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜，为提高器件的可靠性，必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶，这还可以提高光效率。这种方式一般用于四位以上的数字显示（或符号显示）。 （2）条形七段式数码管属于混合封装形式。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片，划成含一只或数只LED发光条，然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上，用压焊工艺连好引线，再用环氧树脂包封起来。 （3）单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上（大圆片），利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形，通过划片把合格芯片选
12、出，对位贴在印刷电路板上，用压焊工艺引出引线，再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字仪表中。 （4）符号管、米字管的制作方式与数码管类似。 （5）矩阵管（发光二极管点阵）也可采用类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作。 （二）LED显示器分类（1）按字高分：笔画显示器字高最小有1mm（单片集成式多位数码管字高一般在23mm）。其他类型笔画显示器最高可达12.7mm（0.5英寸）甚至达数百mm。 （2）按颜色分有红、橙、黄、绿等数种。 （3）按结构分，有反射罩式、单条七段式与单片集成式。 （4）从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种。 （三）LED显示器的参数由于LED显示器
13、是以LED为基础的，所以它的光、电特性与极限参数意义大部分与发光二极管的一样。但由于LED显示器含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数： 1发光强度比 由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不一样，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在1.52.3间，最大不能超过2.5。 2脉冲正向电流 若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。 2.3 LED优点LED18的在特征决定了它具有很多优点，诸如： (一)体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非
14、常小，非常轻。 (二)耗电量低LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，一样照明效果比传统光源节能80%以上。 (三)使用寿命长有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 (四)高亮度、低热量LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。 (五)环保LED是由无毒的材料作成，不像
15、荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源 （六)坚固耐用LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体也没有松动的部分，使得LED不易损坏。（七）多变幻LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256256256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果与各种图像。 （八）技术先进与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技
16、术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。 2.4 LED 缺点LED发光二极管已被全球公认为最高效的人造照明技术。虽然国还有不少人在商家误导下认为LED是用来替代LCD液晶的显示技术，但实际上这种高能效照明技术从上世纪六七十年代就已经开始应用，如今从各种指示灯、路灯、节日彩灯再到笔记本、电视背光都在广泛采用LED照明。由于其高能效，人们普遍认为用LED灯取代传统的灯泡、荧光灯是一种非常环保的做法。 然而，近日由美国加州大学艾尔文分校进行的一项调查却显示，使用LED的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵
17、消。在该校社会生态学系和公共健康项目共同进行的这项研究中，他们分析了市场上常见的圣诞树彩灯组中的红色、黄色、绿色和蓝色的LED灯，其中既包括高亮度LED，也包括低亮度产品。 结果显示，这些LED灯中包含有锑、砷、铬、铅以与其他多种金属元素。其中，部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。比如在低亮度红色LED灯中，研究人员发现其铅含量超标达到8倍，镍含量也超标2.5倍。 实际上在美国加州法律中，绝大多数LED灯都已经被明确定义为有毒垃圾，如果使用普通填埋的办法处理将会污染土壤和地下水。而如果LED灯破碎，还可能会对直接接触的人体健康造成损害。但至今，无论各国政府还是民众都对LED
18、灯的环境和健康危险知之甚少。 该报告表示，LED中的砷、铅、镍和铜元素对人体和环境的影响最为严重，未来应当进行更为细致深入的调查，以促进政府对LED产品的安全使用和回收处理制定规。简单的说，大家应该清楚，虽然LED的能效非常高，但它绝非完全环保的选择，只是蕴含的潜在危险和其他照明技术不同罢了。 此外，LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。所以LED灯的散热一定要好。2.5 1664点阵LED与构成原理1664点阵LED4由88单色LED显示模块拼接而成。图2.2是一种88的LED点阵单色行共阳模块的部结构图，
19、其单点工作电压Uf为1.8 V，正向电流IF为810 mA。当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮；而当其某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应这一行的点全部为暗。图2.2 88单色LED显示模块例如用四个88点阵显示可构成1616点阵显示器，其连接方法如图3所示。图中，将(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分别对应相连，同时将(A)和(C)的8行、(B)和(D)的8行分别对应相连。即可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的1616点阵显示器，可将这256个点称为一页，这样，显示字符时，只要对一
20、页中对应的亮灭进行控制即可。也可以把4个1616点阵显示器相连从而构成1664的点阵显示器。图 2.3 1616点阵显示器连接图总之，要构成1664点阵LED，需要16个88点阵显示模块。3 系统硬件设计3.1 系统整体框架图 3.1系统总体框图本设计的系统5整体框架如图3.2所示。系统采用AT89C55单片机为控制器，整个电路主要由单片机控制与其接口电路、行列驱动显示电路、时钟振荡电路、复位电路和电源电路等。要显示的汉字、字符等可以通过上位机转换为相应的点阵显示数据，然后通过RS-232串口传输给单片机进行显示。3.2 Altium Designer6.0简单介绍图3.2 Altium De
21、signer6.0 工作界面图系统中硬件设计部分采用Altium公司的Altium Designer 6.0软件6进行绘制，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化 PCB 设计、可编程器件（如 FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以与嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。 这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在的先前一系列
22、版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和 SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以与嵌入式设计集成在一起。 首先，在PCB部分，除了Protel2004中的多通道复制；实时的、阻抗控制布线功能；SitusTM自动布线器等新功能以外，Altium Designer 6.0还着重在：差分对布线，FPGA器件差分对管脚的动态分配， PCB和FPGA之间的全面集成，从而实现了自动引脚优化和非凡的布线效果。还有PCB文件切片，PCB多个器件集体操作，在PCB文件中支
23、持多国语言 （中文、英文、德文、法文、日文）,任意字体和大小的汉字字符输入，光标跟随在线信息显示功能，光标点可选器件列表，复杂BGA器件的多层自动扇出，提供 了对高密度封装（如 BGA）的交互布线功能, 总线布线功能，器件精确移动，快速铺铜等功能。交互式编辑、出错查询、布线和可视化功能，从而能更快地实现电路板布局,支持高速电路设计，具有成熟的布线后信号完整性分析工具. Altium Designer 6.0 对差分信号提供系统围的支持，可对高速连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目部定义的LVDS信号的物理设计 进行自动映射。 LVDS 是差分信号最通用的标准，
24、广泛应用于可编程器件。Altium Designer 可充分利用当今FPGA 器件上的扩展I/O管脚。 其次，在原理图部分，新增加“灵巧粘帖”可以将一些不同的对象拷贝到原理图当中，比如一些网络标号， 一页图纸的BOM表，都可以拷贝粘帖到原理图当中。原理图文件切片，多个器件集体操作，文本筐的直接编辑，箭头的添加，器件精确移动，总线走线，自动网标选择等！强大的前端将多层次、多通道的原理图输入、VHDL开发和功能仿真、布线前后的信号完整性分析功能。在信号仿真部分，提供完善的混合信号仿真,在对 XSPICE 标准的支持之外，还支持对Pspice模型和电路的仿真。对FPGA设计提供了丰富的IP核，包括各
25、种处理器、存储器、外设、接口、以与虚拟仪器 。 第三，在嵌入式设计部分，增强了JTAG器件的实时显示功能，增强型基于FPGA的逻辑分析仪，可以支持32位或64位的信号输入。除了现有的多种处理器核 外，还增强了对更多的32位微处理器的支持，可以使嵌入式软件设计在软处理器，FPGA部嵌入的硬处理器，分立处理器之间无缝的迁移。使用了 Wishbone 开放总线连接器允许在FPGA上实现的逻辑模块可以透明的连接到各种处理器上。Altium Designer 6.0支持 Xilinx MicroBlaze，TSK3000 等32位软处理器，PowerPC 405 硬核，并且支持AMCC 405和Shar
26、p BlueStreak ARM7 系列分立的处理器。对每一种处理器都提供完备的开发调试工具。其具体工作环境如图3.2所示。3.3 AT89C55介绍为了满足系统需求，本设计采用了Atmel公司的AT89C55，它是一种低功耗，高性能8位CMOS单片机，具有20K字节可重复擦写FLASH闪速存储器，该设备是采用Atmel的高密度非易失性存技术，并与80C51指令集和引脚兼容。其主要性能参数如下：(1)与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；(2)20K字节可重擦写FLASH闪速存储器；(3)1000次擦写周期(4)全静态擦写周期：0Hz33Hz(5)三级加密程序存储器(6)256*8字节部RAM
27、(7)32个可编程I/O口线(8)三个16位定时/计数器(9)低功耗空闲和掉电模式3.4 AT89C55最小系统3.4.1 复位电路图3.3复位电路图单片机系统7要正常工作首先得保证有构成最小系统的各个电路19模块。单片机复位的原理是，在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。在实际应用中，采用外部复位电路来进行单片机复位，一般在RST引脚保持10ms以上的高电平，保证单片机能够可靠地复位
28、20。单片机的复位电路可以有上电复位、手动上电复位、看门狗复位，以与一些复杂的复位电路。本系统选用手动上电复位电路，如图3.3所示。3.4.2 振荡时钟电路图3.4时钟振荡电路图AT89C55和其他系列单片机一样，其部包含一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片反相放大器的输入端口和输出端口，其工作频率为0-33MHz。当单片机工作于部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或瓷振荡器，并接两个电容后接地即可，如图3.4所示。3.4.3 电源电路图3.5电源滤波电路图系统所需要的+5V电源，通过外部稳压电源提供，J1是电源输入接线端子，C1和
29、C2起滤波作用，L1是电源指示灯，具体连接方式如图3.5所示。3.5 1664点阵行驱动电路3.5.1 74LS154功能介绍由于1664点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口8，本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它们的管脚示意图如图3.6所示。把74LS154的G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四脚为输入端，就会形成16种不同的输入状态，分别为00001111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。如果一行64点全部点亮，则通过74LS154的电流将达640 mA，而实际上，74LS154译码器提供不了足够的
30、吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与1664点阵显示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大，本文选用的是达林顿三极管TIP127。这样，74LS154某一输出脚为低电平时，对应的三极管发射极为高电平，从而使点阵显示器的对应行也为高电平。其引脚如图3.7所示。图3.7显示了74LS154的输入输出逻辑关系图。图3.6 74LS154引脚图图3.7 74LS154逻辑功能图3.5.2 行驱动电路设计上面已经论述过行扫描原理，下图3.8显示了行驱动电路的具体连接方式，图中只画出了两行的驱动电路，但足以-题。74LS154的输入引脚A、B、C、D分别和
31、单片机的四个I/O口相连，单片机控制I/O口产生16种不同的输入状态，进而使得74LS154分别驱动1664点阵LED的16行。图3.8 行扫描示意电路图3.6 1664点阵列扫描电路3.6.1 74HC595介绍系统采用74HC5959作为数据锁存。74HC595是一个八位串行输入三态并行输出的移位寄存器，其部结构原理如图3.9所示。其引脚如图3.10所示包括：A串行数据输入端口；LATCH CLOCK存储寄存器的输入时钟；SHIFT CLOCK移位寄存器的输入时钟；OUTPUT ENABLE对输入数据的输出使能控制；串入数据的输出；-是串入数据的并行输出。从A口输入的数据可在移位寄存器的S
32、HIFT CLOCK脚上升沿的作用下输入到74HC595中，并在LATCH CLOCK脚的上升沿作用下将输入的数据锁存在74HC595中，这样，当OUTPUT ENABLE为低电平时，数据便可并行输出。为了避免与PC机串口输入的数据相互干扰，系统使用模拟串口P1.4P1.7来分别输出串行数据、移位时钟SHIFT CLOCK、存储信号LATCH CLOCK和并行输出的使能信号OUTPUT ENABLE。图3.9 74HC595功能结构图图3.10 74HC595引脚图3.6.2 列扫描电路设计列扫描电路10的实现是将8片74HC595进行级连，通过共用一个移位时钟SHIFT CLOCK与数据锁存
33、信号LATCH CLOCK。这样，当第一行需要显示的数据经过88=64个SHIFT CLOCK时钟后便可将其全部移入74HC595中，此时还将产生一个数据锁存信号LATCH CLOCK将数据锁存在74HC595中，并在使能信号OUTPUT ENABLE的作用下，使串入数据并行输出；同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高，显然，第一行LED管的亮灭就取决于74HC595中的锁存信号；此外，在第一行LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管点亮，以此类推
34、，当第十六行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像。图3.11 列扫描电路原理示意图具体列扫描电路连接方式如图3.11所示，为了说明问题，上图只画了两片74HC595级联控制16列点阵LED显示，对于1664点阵的64列扫描电路，同样是由8片74HC595级联而成，这8片74HC595有同一个SHIFT CLOCK移位寄存器的输入时钟、同一个LATCH CLOCK存储寄存器的输入时钟和同一个OUTPUT ENABLE对输入数据的输出使能控制端。3.7 串口通信电路图3.12 RS-232串口扩展电路图为了方便地更新1664点阵LED显示数据，系统设计了专门
35、和上位机进行通信的RS-232串行接口1112（图3.12）。采用美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232芯片,其主要特点有：（1）、符合所有的RS-232C技术标准 （2）、只需要单一 +5V电源供电 （3）、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- （4）、功耗低，典型供电电流5mA （5）、部集成2个RS-232C驱动器 （6）、部集成两个RS-232C接收器 （7）、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。其引脚功能如下：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v
36、两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5
37、v）。4 系统软件设计与仿真结果4.1 软件开发平台与开发语言介绍4.1.1 Keil开发平台Keil C5113是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。使用独立的Keil仿真器时，要注意以下事项：（1）仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用
38、户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。 （2）仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。 （3）仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。其工作环境如图4.1所示。图4.1 Keil工作界面图4.1.2 proteus开发软件Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为风标电子技术）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还
39、能仿真单片机与外围器件。它是目前最好的仿真单片机与外围器件的工具14。广泛受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。其主要功能模块包括：（1）智能原理图设计（ISIS）；（2）完善的电路
40、仿真功能（Prospice）；（3）独特的单片机协同仿真功能（VSM）；（4）实用的PCB设计平台。具体仿真实验就是在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX，这样可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。其工作环境如图4.2所示。图4.2 Proteus工作界面图4.1.3 单片机C语言介绍C语言是一种面向过程的计算机程序设计语言，它是目前众多计算机语言中举世公认的优秀的结构程序设计语言之一。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小与微型机上。C语言发展如此迅速，而且成为最受欢迎的语言
41、之一，主要因为它具有强大的功能，归纳起来C语言17具有下列特点：(1)语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。(2)运算符丰富。(3)数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。(4)具有结构化的控制语言(如ifelse语句、while语句、dowhile语句、switch语句、for语句)。(5)语法限制不太严格，程序没计自由度大。(6)C语言能进行位(bit)操作。(7)生成目标代码质量高，程序执行效率高。(8)用C语言写的程序可移植性好(与汇编语言相比)。C51是一种专门针对51系列微处理器的C开发工具，它提供了丰富的库函数，具有很强的数据处理能力，编程中对8051寄存器和存储器的分配均由编译器
42、自动管理，因而通常用C51来编写主程序。当然，有时也需要在C程序中调用一些用汇编A51编写的子程序。例如，以前用汇编语言编写的子程序、要求较高的处理速度而必须用更简练的汇编语言编写的特殊函数或因时序要求严格而不得不使用灵活性更强的汇编语言编写的某些接口程序等等。另一方面，在以汇编语言为主体的程序开发过程中，如果涉与到复杂的数学运算，往往需要借助C语言工具所提供的运算库函数和强大的数据处理能力，这样就要求在汇编中调用C函数。4.2 系统软件流程图4.2.1 主程序流程图图4.3 主程序流程图图4.3显示了系统正常工作的主要流程。4.2.2 串行中断子程序流程图图4.4串行中断子程序流程图图4.4
43、显示了系统的串行中断子程序流程。4.2.3 显示程序流程图图4.5 显示模块子程序流程图图4.5显示了系统显示模块子程序流程图。4.3 PctoLCD2002取模软件PCtoLCD2002是一款使用十分方便的字模软件，其取模选项、输出格式都十分丰富，支持所有的windows字体，可以对文字、图形取模也可以对手绘图形取模。处理后的字模数据可用于点阵液晶、LED显示等领域。其主要功能如下：（1）能生成中英文数字混合的字符串的字模数据。（2）可选择所有的windows字体，并且可独立调整文字的长和宽，生成任意形状的字符。具有大量文字处理和导入TXT文本文件功能，并且可以去除文本中的空白和重复字符，可
44、以对文本进行排序，适合于生成小字库。（3）图形模式下可任意用鼠标作画，左键画图，右键擦图。（4）支持文字、图像的各种旋转，翻转，平移等功能。（5）任意调整输出点阵大小，并任意调整字符在点阵中的位置。（6）字模数据输出可自定义各种格式，系统预设了C语言和汇编语言两种格式，并且可自己定义出新的数据输出格式；每行输出数据个数可调。（7）支持阴码(亮点为1)，阳码(亮点为0)取模。（8）输出数据可选16进制或10进制。（9）可生成索引文件，用于在生成的大量字库中可快速检索到需要的汉字。（10）动态液晶面板彷真，可调节彷真面板象素点大小和颜色。（11）加入新的字模数据格式调整项，允许用户更自由的定制自己
45、需要的数据格式。实际工作环境如图4.6所示。图4.6 PctoLCD2002工作界面图4.4 proteus仿真结果为了验证系统硬件设计的合理性和软件设计的可执行性，采用了proteus软件进行实验的仿真，软件设计的基本思想就是采用行扫描方式，首先将点亮64列点阵所需要的8个字节数据发送到8片74HC595中，然后让第一行为低电平，同时输出刚才锁存的64位数据，这样顺序将16行都显示出来，只有扫屏速度足够，就可以形成人们看到的静态图像。仿真实验中在16*64点阵LED中显示四个汉字“中北大学”，每个汉字通过PctoLCD取模软件设置为16*16大小，同时选为行列式取模方式。得到的代码如图4.7
46、所示，可以保存为TXT格式。程序中调用PctoLCD2002生成的数据进行显示，仿真结果如图4.7所示。图4.7 取模结果图图4.8实验仿真结果图5 系统可靠性分析与设计5.1 复位电路的可靠性系统采用的单片机的复位是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个振荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平，单片机就实现初始化状态复位。为了保证系统可靠的复位，在设计复位电路时，要使RST引脚保持10ms以上的高电平。5.2 时钟电路抗干扰时钟电路产生CPU的工作时序脉冲15是正常工作的关键。时钟信号被干扰后将导致CPU的工作时序发生紊乱，使得系统不能正常工作。时钟信号不仅是对
47、噪声干扰最敏感的部位，同时也是单片机系统的主要噪声源。单片机的时钟信号为频率很高的方波，由与其频率一样的正弦基波和其倍频正弦波叠加而成。频率越高，越容易发射出去成为噪声源。此外，时钟频率越高，信息传输线上信息变换频率也越高，致使线间串扰、反射干扰以与公共阻抗干扰加剧。因而，在满足系统功能的前提下，应尽量降低时钟频率，这对降低系统的电磁发射，提高系统的抗干扰性能极为有利。单片机系统时钟电路的抗干扰设计主要有以下几点：(1)时钟脉冲电路尽量靠近CPU，引线尽量短而粗。(2)用地线包围振荡电路，晶体外壳接地。(3)晶振电路电容性能稳定，容量准确且远离发热元件。(4)印刷电路板上大电流信号线、电源变压器远离晶振信号的连线。(5)对于外部时钟源电路，对其芯片电源采取滤波措施。(6)时钟电路为其他芯片提供时钟信号时，采用隔离和驱动措施。5.3 电源线和地线设计(1)电源线设计电源线宽度设定为2mm，并使