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1、 本科毕业设计(论文)题目：基于单片机的多功能广告牌设计 院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 电气工程与其自动化班 级： 110411学 生： 豪 学 号： 110411102 指导教师： 任晶鼎 2015年 06月54 / 68本科毕业设计(论文)题目：基于单片机的多功能广告牌设计 院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 电气工程与其自动化班 级： 110411学 生： 豪 学 号： 110411102 指导教师： 任晶鼎 2015年 06月基于单片机的多功能广告牌设计摘 要 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断的走向深入，同时带动传统控制与LED显示技术日新月异的更新。大型L
2、ED点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、街道、高速公路等公共场所的信息显示和广告宜传。本文提出一种基于单片机控制LED点阵显示屏实现的多功能广告牌设计方案。该广告牌具备万年历显示功能，同时能够接收PC机命令并滚动显示相应文字。此系统结构简单，操作方便。本方案利用STC89C52单片机为主控芯片，LED点阵的行驱动电路由74HC138控制，列驱动电路由74HC595控制，LED显示屏是由8*8LED点阵模块组成。本系统LED显示屏分辨率为16*64，即需要16块LED基本模块，可同时显示4个汉字；时钟芯片采用DS
3、1302，可以实现万年历显示；按键模块采用分时复用，实现显示模式的选择和万年历时间的调整；通讯模块采用USB转串口通讯，实现上位机与下位机的数据传输。关键字：多功能广告牌；LED点阵；万年历；STC89C52The design of multi-function billboard based on MCUAbstractIn recent years, with the rapid development of technology, SCM applications are constantly deepening, while driving the traditional contr
4、ol and LED display technology changing updates. Large LED dot matrix billboard closely with traditional advertising has become a new media tools, widely used in the exhibition center, financial markets, hospitals, stadiums, airports, terminals, railway stations, streets, highways and other public pl
5、aces, information display and advertising propaganda. This paper presents a microcontroller-based control achieve multifunction LED dot matrix display billboard design. The billboards have calendar display function, while the PC is able to receive commands and scrolling display the corresponding tex
6、t. This system is simple, easy to operate.The scheme uses STC89C52 MCU control chip, LED dot matrix line drive circuit controlled by the 74HC138, 74HC595 controlled by a column driver circuit, LED display is formed by 8 * 8LED dot matrix module. Within the system LED display with a resolution of 16
7、* 64, which requires 16 LED basic module, can display four characters; clock chip DS1302, calendar display can be achieved; key module using time division multiplexing to achieve the display mode Select and calendar adjustment time; communication module uses USB to serial communication between host
8、computer and lower computer data transmission.Keywords: Multi billboards; LED dot matrix; calendar; STC89C52目 录中文摘要(I)英文摘要(II)1 绪论.（1）1.1选题的背景与意义(1)1.2国外相关发展情况(1)1.2.1 LED的发展状况(1)1.2.2 广告牌的发展与控制(2)1.3论文主要容与论文结构(3)1.3.1论文主要容（3)1.3.2论文结构（3）1.4本章小结（4）2 系统的总体设计方案(5)2.1 系统设计目标（5）2.2 系统方案（5）2.3 单片机的选型（6）2
9、.4 时钟芯片的选型（6）2.5 按键模块（6）2.6 LED显示屏（7）2.7 本章小结（8）3 多功能广告牌系统的硬件设计（9）3.1 单片机最小系统（9）3.1.1 STC89C52单片机（9）3.1.2 单片机最小系统设计（10）3.2 按键模块（11）3.3 LED显示模块（12）3.3.1 8*8*LED基本模块（12）3.3.2 行驱动电路设计（12）3.3.3 列驱动电路设计（14）3.4 时钟模块（15）3.5 USB转串口通讯模块（17）3.6 电源模块（18）3.7 本章小结（18）4 多功能广告牌系统的软件设计（19）4.1 软件方案（19）4.2 系统主程序流程图（1
10、9）4.2 子程序介绍（20）4.2.1 时钟模块子程序（20）4.2.2 LED显示驱动子程序（20）4.2.3 按键模块子程序（21）4.2.4 USB转串口通讯模块子程序（22)4.3 本章小结(22)5 系统仿真和调试(23)5.1 硬件仿真(23）5.2 软硬件联调（25）5.2.1系统搭建（25）5.2.2 软件调试（29）5.3 本章小结（32）6 总结与展望（33）6.1 全文总结（33）6.2 本文的不足与展望（33）6.2.1 本文的不足（33）6.2.2 展望（33）参考文献（34）致 （36）毕业设计（论文）知识产权声明（37）毕业设计（论文）独创性声明（38）附录I：
11、多功能广告牌系统硬件原理图（39）附录II：多功能广告牌系统PCB图（41）附录III 程序清单（42）1 绪论1.1选题的背景与意义在现代化和信息化社会的高速发展过程中，LED大屏幕点阵显示已经渗透到各行各业的信息显示中。随着互联网的快速发展，数字化的多媒体容已在信息传递中占据主流，新型的大屏幕显示设备将替代传统电视机成为人们享受信息和多媒体容的中心。在各大商场、车站以与各类办事窗口等地方都装了LED点阵显示屏来发布一些通知或广告。随着信息产业的高速发展，LED点阵显示作为信息传播的一种重要手段，已成为一个飞速发展的新兴产业，市场空间巨大，发展前景广阔，并已广泛应用于各种需要进行信息宣传的公
12、众场所。单片机以其功能强大、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点,成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。LED点阵设计主要应用于LED点阵显示屏，它是利用发光二极管点阵模块组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光效率高、使用寿命长、节能、组态灵活、色彩丰富、显示方式变化多样以与无电离辐射等优点，在国外得到了极为广泛的应用。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。针对本系统应用于停车场、车间、小型商店和居民社区等小型场所，显示一些通知或小型广告以与万年历显示。因此，
13、本文就基于单片机控制LED点阵显示屏系统展开研究工作。1.2国外相关发展情况1.2.1 LED的发展状况发光二极管简称为LED。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。后来LED显示发展为LED数码管
14、，LED数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,h来表示，可显示不同的数字。而后LED大规模集成在一起就形成了LED点阵，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有44、48、57、58、88、1616等。LED点阵根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜
15、色不同，所显示的文字、图象等容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示容的颜色由像素不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。1.2.2 广告牌的发展与控制户外LED大屏幕广告是21世纪广告业发展的趋势，是具有音视频功能的户外广告展示设备，属国际领先的高科技产品。目前国际市场对全色屏的关注与日俱增，在处理技术和制作工艺方面作出许多努力，解决了一系列影响图象质量的问题，这里包括扫描变换、图象增强、噪声抑制、反伽马修正以与编码压缩、通讯以与与接口的问题
16、等，取得重要成果。我国的LED屏幕广告牌产业据不完全统计，至2008年底，年度销售总额在1亿元以上的企业有20多家，其销售总额达50亿元左右，占行业市场总额的70%以上。全国从事LED显示屏的各类企业有100余家。我国LED屏幕广告牌产业在规模发展的同时，产品技术推出新，一直保持比较先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术与无线遥控等国先进水平技术，近年在全彩色LED屏幕广告牌、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国先进、达到国际水平的技术和产品出现。LED屏幕广告牌控制专用大规模集成电路也已由国企业开发生产并得到应用。现在LED显示屏高端
17、产品主要是全彩色显示大屏幕，在世博会开幕式上展示的全球最大户外全彩显示屏，受到了众人瞩目，规格大约是300m *30m；而处于中端的LED显示屏主要是应用在银行、车站等发布信息的地方，屏幕大小大约是3m *3m，主要是双基色显示屏；而处于低端的显示屏主要就是条形显示屏，尺寸不大，单色显示，制作工艺和制作成本也不高，实现显示功能有限。绝大多数LED显示屏都是由单片机控制的，但使用8位控制器有时远远不能满足控制要求，所以才出现DSP、FPGA、ARM、PLC等控制核心。现在部分LED点阵已经开始使用无线控制方式，并有专业的LED无线控制卡，它们有基于短信、GPRS、CDMA等不同形式，例如LED-
18、728是驿唐公司2014年全新研制的一款无线LED信息发布一体卡，它是基于GPRS无线通讯的，如图1.1所示。与LED-328/LED-528一体卡相比，LED-728带载面积更大，能控制512*256大小的双色屏。该卡实现了GPRS无线通讯模块和LED控制模块的集成，性价比更高，可以大幅度降低LED远程信息发布项目的设备采购成本；LED-728性能更稳定，调试、安装更方便，是当前十分先进的GPRS无线LED信息发送设备。图1.1 LED-728无线LED信息发布一体卡1.3论文主要容与论文结构1.3.1论文主要容本次毕业设计主要是利用STC89系列单片机为主控模块，来控制LED点阵广告牌。要
19、求该广告牌具备万年历显示功能，同时能够满足接受PC机命令显示相应文字，并可以实现点阵图像的滚动显示。本文的主要研究容如下：（1）研究并实现下位机系统。下位机是单片机控制LED显示系统，它以STC89单片机为主控芯片，完成时钟检测、万年历显示和滚动显示文字功能。（2）研究并实现LED显示屏上位机系统。利用Visual Basic 6.0开发上位机系统管理软件给用户提供良好的界面，方便进行人机交流，实现滚动显示文字与显示速度、方向等。（3）完成串口通讯的设计，可以使上位机与下位机之间方便的通讯，实现接收上位机所发的命令。（4）汉字库的建立。国家标准字库中的每一个字均由256点阵来表示。因此可以把每
20、个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。汉字的笔画就分布在16*16的像素网格里面，如果像素网格中有笔画通过就对应1，否则对应0，每一个网格均对应1或0，把对应1的网格连起来看，就是汉字。汉字就是这样通过字节表示其点阵存储在字库中的。1.3.2论文结构本论文共六章，具体的章节安排如下：第一章 绪论介绍了本课题的研究背景和意义，对相关领域的研究情况进行了综述，分析了国外LED点阵广告牌应用现状与前景。介绍了本文主要的研究容以与本文的结构安排。第二章 介绍了系统的总体设计方案，对硬件模块进行了选型。第三章 介绍了LED广告牌的硬件设计，包括单片机STC89C52的介绍、LED广告牌驱
21、动电路的设计、时钟模块、独立按键与串口通讯的硬件设计。第四章 介绍了LED广告牌的软件设计，针对各硬件模块采用模块化编程的方法设计了相应的子程序。包括主程序、时钟模块子程序、按键模块子程序、LED显示模块子程序和USB转串口通讯模块五个模块。第五章 介绍了该系统的硬件仿真与软硬件联调。第六章 总结了本文的研究容的实现情况，并提出了本文中的不足以与展望。1.4本章小结本章首先介绍了本课题的研究背景和意义，对相关领域的研究情况进行了综述，分析了国外LED点阵广告牌发展现状与展望，并对本文的主要容与论文结构安排做了说明。2 系统的总体设计方案 为了对系统进行硬件搭建与后期程序仿真和调试，本章就系统设
22、计目标、整体方案以与硬件模块选型进行了简单的介绍。2.1 系统设计目标 本系统的设计方案利用STC89C52单片机为主控芯片，来控制LED点阵显示屏，使得该广告牌具备万年历显示功能，同时能够接收PC机命令并滚动显示相应文字。 本系统以PC机作为上位机，以STC89C521单片机作为下位机，下位机读取时钟模块寄存器里数据，通过LED点阵显示，按键模块可以改变显示状态和进行时间调整，同时也可以通过串口通信接收PC机的命名显示相应汉字。本系统需要具有以下功能： （1）实时显示万年历，并且可以通过按键对时间进行调整。 （2）可以通过按键改变汉字滚动的方式。 （3）与上位机进行通讯。本系统可以通过串口通
23、讯实现与上位机进行通讯，接收上位机发出的命令。并通过LED点阵显示相应文字。2.2 系统方案 多功能广告牌的系统是以STC89C52单片机为核心，它的功能包括万年历显示、按键调整、广告文字显示、数据通讯等，其系统框图设计如图2.1所示。图2.1 多功能广告牌的系统框图本系统采用STC89C52单片机为主控芯片，LED点阵的行驱动电路由74HC138控制，列驱动电路由74HC595控制，LED显示屏的分辨率为16*64，可同时显示4个汉字；时钟芯片采用DS1302，可以实现万年历显示；按键模块采用分时复用实现显示状态的改变和万年历时间的调整；通讯模块采用USB转串口通讯模块，实现上位机与下位机的
24、数据传输；电源模块采用直流+5V供给单片机、按键模块、复位电路、时钟模块和行列驱动器电路使用。2.3 单片机的选型 STC89C52单片机是MCS-51系列单片机的派生产品。它的主要特性有：5V工作电压，8K字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。它完全能够满足设计要求和需要，并且市场货源充足、价格便宜，便于以后本广告牌成品的推广。2.4 时钟芯片的选型目前市场上常用的时钟芯片有X1203和DS1302两种。（1）X1203是一
25、个带时钟/日历和两个闹铃的实时时钟芯片。该芯片以秒、分、时、星期、日、月和年为单位跟踪时间。具有闰年校正功能，并能对小于31的月份自动进行调整；（2）DS1302是一种高性能，低功耗，带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、星期、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能。采用三线串行数据接口与CPU进行同步通信，具有主电源/后备电源双电源引脚。通过对以上两种时钟芯片进行比较，本文选取DS1302作为系统时钟芯片。它电路结构简单，易实现软件编程。2.5 按键模块按键模块按照键盘与CPU的连接形式可分为独立式按键和矩阵式按键，其各自特点如下： (1)独立式键盘 独立式键盘是各按键相互独立，每个按
26、键占用一个I/O口，各个I/O口上的按键工作状态互不影响。独立式键盘电路比较简单，在按键数量较多时，I/0口有可能出现不够用，而且电路结构会很复杂，因此独立式很适用于按键数量较少的场合。 (2)矩阵式键盘在键盘中按键数量较多时，为了减少I/0口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16个按键，比直接用端口线连接键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些
27、，识别也要复杂一些。通过对以上两种键盘形式进行对比，结合本系统功能设计的需求，本文选用四个独立式键盘，分别用于控制切换各种状态、调整万年历时间。其功能的实现主要是对按键的扫描，体现在软件程序编写方面，根据不同的按键值，执行不同的操作，在具体场合应用中可以将按键的功能重新定义，只要在程序中重新编写就可以，比较方便。2.6 LED显示屏鉴于本系统应用在停车场、车间等小型场所，因此LED显示屏选用分辨率为16*64的点阵，可同时显示4个汉字。 市场上的LED点阵种类繁多。按点阵数可以分为4*4、8*8和16*16等规格的显示屏模块，最常用的是8*8的点阵模块。8*8LED点阵单块使用时，既可代替数码
28、管显示数字，也可显示各种中西文字与符号如图2.2所示。图2.2 8*8点阵示意图其中一个LED灯的直径为3.5mm，点阵外围边长为38mm。采用8*8的基本模块构成16*64的点阵，需要16块这样的点阵，形成如图2.3所示的效果图。总尺寸大小为79mm*304mm。图2.3 16*64点阵效果图LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就
29、可显示各种图形或文字信息。本系统LED显示屏采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。2.7 本章小结本章主要介绍了系统总体设计方案，分别对单片机、时钟芯片、按键模块与LED显示屏进行了选型，为硬件电路搭建提供了依据。3 多功能广告牌系统的硬件设计 本章节介绍了多功能广告牌系统的单片机最小系统、按键模块、LED显示模块、时钟模块、USB转串口通讯模块与电源模块的硬件电路。3.1 单片机
30、最小系统3.1.1 STC89C52单片机89C52系列的各单片机的生产厂商和型号的不同，导致其ROM、RAM、中断系统、外围功能模块以与处理器速度等方面有一定的不同，但是其基本结构一样，均包括算术逻辑单元ALU、片RAM、I/0端口、定时器、中断系统等基本的功能单元。 STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，8K字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模
31、式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52单片机的引脚图如图3.1所示。图3.1 STC89C52引脚图 它有40个引脚，包括8位的I/O口四个：P0、P1、P2和P3，共32个引脚；电源引脚VCC和GND，外接晶振引脚XTAL1和XTAL2，控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA。复位电路通过上电复位和手动复位两种形式。外接晶振选择24MHz的晶振； 输入/输出端口：P0、Pl、P2和P3，每个
32、P口都有八位，其中P0口是准双向口，作为输出口的时候，要先向该口写入1，P0口的部不包含部上拉电阻，因此在对P0口操作的时候要在其外部电路加入上拉电阻。P3口具有第二功能，具体功能详见表3.1。P2口可以用在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2口送出的是高8位地址，P0口提供低8位地址，P0口可分时提供8位数据总线； 控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA。RST是单片机的复位引脚，外接硬件电路可以实现单片机的复位操作。ALE是地址锁存允许信号引脚，高电平有效，当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。PSEN是程序存储允许输出信号端，主要应
33、用在对片外存储器的操作方面。EA是外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端，主要应用在访问外部ROM，在实际应用时，保持该引脚是高电平即可； 晶振连接引脚：XTAL1和XTAL2，通过这两个引脚在芯片外接晶振和两个电容，就构成了振荡电路； 电源引脚：VCC为电源端，接+5V电压源，GND是接地端，接电源地；复位电路：单片机复位电路通常是上电复位电路和手动复位电路组合在一起使用。表3.1 P3口特殊功能表I/O/口引脚说明P3.0RXD-串行数据接收端P3.1TXD-串行数据发送端P3.2-外部中断0请求端P3.3-外部中断1请求端P3.4T0-定时器/计数器0P3.5T1-定时器/计数
34、器1P3.6-外部数据存储器写选通信号P3.7-外部数据存储器读选通信号3.1.2 单片机最小系统设计 根据此单片机的引脚图、复位电路和晶振模块，组成单片机最小系统如图3.2所示。图3.2 单片机最小系统3.2 按键模块按键采用独立式按键，分别控制切换各种状态、时间。按键接口P1.4-P1.7接四个按键，各个按键功能依次如下：（1）LEFT_K键：使LED显示屏中的容向左移动；（2）RIGHT_K键：使LED显示屏显示的容向右移动；（3）UP_K键：使LED显示屏的容向上移动；（4）KEY4键：在显示状态和调整时间两种功能下进行切换。若没有按键按下，继续循环检测按键是否按下。按键模块电路图如图
35、4所示。图3.3 按键模块3.3 LED显示模块3.3.1 8*8*LED基本模块 LED显示屏是由一个一个发光二极管组成的阵列，在物理连接上分共阴极连接和共阳极连接。单一发光二极管的正向导通电压是0.7V, LED显示屏基础模块的每一行的阴极连接在一起，每一列的阳极共同连接在一起。对于8*8的LED模块，保证基础模块字符显示正常同时导通的电压为5V左右，其中LED模块的结构原理图如图3.4所示。图3.4 8*8LED结构图 当给某一列送高电平的时候，选中的是整列，而当给某一行送低电平的时候，改行即被选中，因此如果让某一点亮就需要行列交叉点是要被点亮的点就可以。在购买一块8X8规格的点阵模块时
36、，为了检验引脚控制的行列问题，还有引脚应该接高电平还是低电平的问题，就可以将万用表量程的旋钮调到二极管测量的档，然后将红表笔接任意一个引脚，将黑表笔依次接到其他引脚，并观察模块中是否有极管点亮和第几行第几列点亮，检查时做好记录，如此就可以检验一个模块引脚的控制电平，和行列排列问题。3.3.2 行驱动电路设计由于单片机的接口有限，所以需要译码器扩展。其中最常用的行驱动芯片是74HC 138芯片3-8译码器。选用74HC138译码器需要两片驱动一个16行的LED屏，74HC138译码器允许三个高有效的二进制地址输入，输出互相排斥的8个低有效位，两个使能输入端，可以控制74HC138的选通与截止，防
37、止输出错误的编码，也可以用来扩展译码器，本设计就是利用它的使能端将两个74HC138扩展成16行驱动。 74HC 138有如下的特点: (1)8行多路输出功能; (2)3个二进制代码输入，译码成8路多路输出; (3)2个使能输入端，用来控制芯片工作或停止工作，或者用来扩展输出; (4)标准输出，中规模集成电路。74HC 138是具有16引脚的集成芯片，它的封装方式有贴片式和直插式，其引脚图如图3.4所示。图3.5 74HC138引脚图本系统采用的74HC138作为LED点阵的行驱动扩展口，LED显示屏的大小是16X64，因此要用到两片74HC138，通过该芯片的使能端控制芯片输出16位，行驱动
38、电路原理图如图3.5所示。单片机的P0.0-P0.3口连接74HC138译码器的LA-LD输入端，根据译码器的工作原理输出端依次选中显示屏的第一行至第十六行。单片机的P0.4口同时接至74HC138（1）和74HC138（2）的使能端，保证了行扫描的扫描方法的实现。图3.6 行驱动电路原理图3.3.3 列驱动电路设计 本系统列驱动电路选用74HC595芯片。74HC595是8位串行输入并行/串行输出移位寄存器，它包含一个存储寄存器，串行移位寄存器，并且高电平、低电平和高阻态三态输出，移位寄存器和存储寄存器是分时钟控制的。74HC595的工作原理是当脉冲信号作用时，将移入引脚的数据移入芯片部的移
39、位寄存器，当移满8位数据以后，第8位的数据就会出现在串行输出引脚上，再给一个脉冲信号，这一位数据就会被移出，同时又有新的数据移入。当数据储存信号有效时，芯片部的移位寄存器就将8位数据锁存到8个数据输出引脚上，从而实现数据的并行输出。74HC595就有如下的特点: (1)8位串行输入; (2)8位串行或者并行输出; (3)存储寄存器三态输出; (4)移位寄存器具有直接清零功能; (5)移出频率100MHz; (6)静电放电保护。74HC595共有16个引脚，引脚结构图如图3.6所示。图3.7 74HC595引脚图Q0-Q7：数据并行输出引脚；Q7：数据串行输出端；DS：数据串行输入端；SH_ C
40、P：移位寄存器时钟输出端；ST_CP：存储寄存器时钟输入端；MR：主复位端，低有效；OE：输出使能端，低有效；VCC：电源电压，+5V；GND：电源地，OV。LED点阵一共有64列，每片74HC595可控制显示屏8列，因此需要8片74HC595。所有的74HC595采用串联方式将时钟控制信号连接在一起，上一片74HC595的Q7引脚接下一片的数据输入端DS，这样当并行输出脉冲有效时所有列信号同时发出。每一个汉字由16行16列的点阵组成显示，本系统采用的是行扫描，所以横向取字模代码。每个汉字的代码在利用595进行控制时先由单片机的P0.5口串行输出8位汉字的第一列至第八列的数据，高位在前低位在后
41、。单片机的P0.7口输出移位时钟，P0.5口每输入一位数据，P0.7口的电平就由低电平到高电平变化一次，595的移位寄存器里的容就由高位向低一位移动一次，当第9位数据送给595的DS端时，595的Q7就将串行输出移位寄存器里的第1位数据送给下一片595的第一位，新进来的数据送给第8位。当第1列至第64列的数据准备结束后，P0.6口产生一个上升沿脉冲送给595的ST_CP引脚，将级联的595芯片并行输出时钟引脚串联在一起同时由P0.6控制，这样当输出时钟到来的时候，每片595的列数据同时输出。列驱动电路如图3.7所示。图3.8 列驱动电路原理图3.4 时钟模块DS1302 是美国DALLAS公司
42、推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线串行数据接口与CPU进行同步通信，具有主电源/后备电源双电源引脚。DS1302共8个引脚，有双列直插封装方式和方形封装方式。图3.9 DS1302引脚图DS1302的引脚结构图如图3.9所示。其中各个引脚的功能分别如下： Vcc1，Vcc2：电源供给引脚，Vcc1主电源，Vcc2备份电源； X1，X2：32.768KHz晶振引脚，为DS 1302提供工作所需的时序、计数脉冲; GND：地线; RST：复位引脚，是三线连接中的一线，对时钟芯片读写的时
43、候必须保证该引脚是高电平; I/O：数据输入、输出引脚。当对DS1302进行读写的时候，三线中的一线，用来将数据写入或者读出，每次一位;SCLK：串行时钟输入引脚。为DS 1302提供工作时钟，SCLK控制上升沿和下降沿转换的先后次序的不同，可以实现I/O引脚时钟数据的读出和写入，是三线中的一线。RST输入高电平将使所有数据传输都初始化，RST输入有两种功能，首先，它打干控制逻辑，这种逻辑控制地址/命令数据移入寄存器的脉冲。其次，RST信号提供了停止单字节或者多字节数据传送的方法。时钟周期是一系列下降沿紧跟着上升沿，对于数据输入，数据必须在时钟的上升沿期间有效，在时钟的下降沿输出数据位。如果R
44、ST输入低电平，所有数据传输都终止，I/0引脚呈现高阻态，数据传输的时序图如图3.9所示。在电压由0V升高的过程中，RST必须保持逻辑“0”，直到工作电压升高到2.0V，同时RST在由低电平到高电平的过程中，SCLK必须保持在逻辑“0”。“写”命令字经过八个SCLK周期高低电平变化后被输入，在下八个SCLK周期的上升沿到来时写入数据的一个字节，数据是由低位0位开始输入，多余的SCLK周期会自动被忽略。经过8个SCLK时钟周期，写入一个字节“读”命令字，在下一个SCLK时钟周期到来的上升沿输出一位数据，执行8个周期。注意第一个数据位被发送是紧跟着命令字最后一个位写完的下降沿的时候。只要保持RST
45、高电平，SCLK附加的时钟周期就会重复发送数据字。这种控制方法可以应用到突发模式持续的读、写数据，同时I/0脚的三种状态是根据SCLK每个上升沿而变化的，数据从低位开始输出，即0位。图3.10 数据传输时序图时钟模块电路图如图3.10所示。图3.11 时钟模块3.5 USB转串口通讯模块USB转串口通讯模块的核心芯片是CH340，CH340是一个USB总线的转接芯片。CH340芯片置了USB上拉电阻，UD+和UD-引脚应该直接连接到USB总线上。CH340芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。其数据传输引脚包括：TXD引脚和RXD引脚。通过TXD和RXD两个引脚与单片机的P3.0和P3.1
46、口，然后USB总线接口接在PC机的USB接口，就这样单片机可以实现在硬件接口上与计算机连接，再通过设置波特率，就可以实现两者之间的通信。本设计主要应用串口传送字符和汉字的字模编码，并且是结合上位机联合设计的。并且通过串口可以给STC系列的单片机下载程序，可以将编译好的程序生成的HEX文件加载到单片机.串口通讯模块电路图如图3.12所示。图3.12 USB转串口通讯模块3.6 电源模块本系统需要5V直流电源。直流电源采用交直流电源从电源插座输入，交流220V通过工频25:1的变压器降到交流9V，再由整流电路和滤波电路可得到稳定的5V直流电源，并且供单片机、按键、掉电保护、时钟芯片、驱动器模块使用
47、。整流电路选用4个1N4007组成桥式不可控整流电路，将交流9V整流成8V直流，再经LM7805三端稳压管和滤波电路变成5V直流。电源模块电路图如图3.13所示。图3.13 电源模块3.7 本章小结本章介绍了多功能广告牌的硬件设计，并系统的介绍了STC89C52单片机、按键模块、LED点阵的行列驱动芯片与原理图、时钟芯片和USB转串口通讯模块。并根据所选择的硬件搭建了多功能广告牌的实物模型，为下一步软件设计和调试提供了实验平台。完整的系统电路原理图见附录，PCB图见附录。4 多功能广告牌系统的软件设计 硬件设计是多功能广告牌系统的躯体，那么软件就是多功能广告牌系统的灵魂。软件的的设计采用模块化编程，使用Keil uVision4的C51编译环境完成STC89C