电子电路]基于单片机的16-32点阵显示

电子电路]基于单片机的16-32点阵显示内容摘要：

振荡周期：是片内振荡电路或片外为单片机提供的脉冲信号的周期。 时序中 1 个振荡周期定义为 1 个节拍，用 P 表示。 时钟周期：振荡脉冲送入内部时钟电路，由时钟电路对其二分频后输出的时钟脉冲周期称为时钟周期。 时钟周期为振荡周期的 2 倍。 时序中 1 个时钟周期定义为 1 个状态，用 S 表示。 每个状态包括 2 个节拍，用 P P2 表示。 机器周期：机器周期是单片机完成一个基本操作所需要的时间。 一条指令的执行需要一个或几个机器周期。 一个机器周期固定的由 6 个状态 S1~S6 组成。 指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。 一般用指令执行所需机器周期数表示。 STC89C52 单片机多数指令的执行需要 1 个或 2 个机器周期，只 有乘除两条指令的执行需要 4 个机器周期。 了解了以上几个时序的概念后，我们就可以很快的计算出执行一条指令所需要的时间。 例如：若单片机使用 12MHz的晶振频率，则振荡周期 =1/（ 12MHz）=1/12us，时钟周期 =1/6us，机器周期 =1us，执行一条单周期指令只需要 1us，执行一条双周期指令则需要 2us。 2）复位电路 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。 复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。 单片机的复位条件：必须使其 RST 引脚上持续出现两个（或以上）机 器周期的高电平。 单片机的复位形式：上电复位、按键复位。 上电复位和按键复位电路如下。 单片机复位电路 如下： 图 23 单片机复位电路 上 电复位电路中，利用电容充电来实现复位。 在电源接通瞬间， RST 引脚上的电位是高电平（ Vcc），电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST 引脚上的电位也会逐渐下降为低电平。 只要保证 RST 引脚上高电平出现的时间大于两个机器周期，便可以实现正常复位。 按键复位电路中，当按键没有按下时，电路同上电复位电路。 如在单片机运行过程中，按下 RESET 键，已经充好电的电容会快速通过 200Ω 电阻的回路放电，从而使得 RST 引脚上的电位快速变为高电平，此高电平会维持到按键释放，从而满足单片机复位的条件实现按键复位。 LED 的特点以及常用的参数 LED 是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。 采用不同的材料，可制成不同颜色的发光二极管。 作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对 LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与 Agilent 的合资公司目前已研发并生产出光效 达到 171M/W 的白色 LED，已达到白炽灯的水平。 和白炽灯的相比较， LED在性能上具有很多优点，见下表： 表 1 白炽灯与白色 LED 的性能比较 项 目 LED 白 炽 灯 色温 （ K） 3000— 10000 25003000 光效 （ 1K/W） 15 15 反应速度（ 181。 s） 100000 冲击电流 0 10 倍额定电流 耐压击性 很 强 易 断 裂 寿命（ h） ＞ 2020 ＜ 1000 随着 对 LED 研究的进一步深入，其光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来 LED 取代白炽灯甚至荧光灯而发展成 21 世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。 新的光源呼唤新的电子镇流器，飞利浦照明电子在致力研发新的 LED 的同时，已于近年在全球各大开发中心开始了 LED驱动电路的研究，在此研发领域已占据了世界领先的地位。 LED 的电压和电流的匹配。 I(mA) U(V) 图 39 LED 的电压和电流 LED 的正向伏安特性 所以， LED 伏安特性的数字模型可用下式表示 VF = Vturn – on + RsIF + (Δ VF/Δ T)(T 25℃ ) 其中， Vturn on 是 LED 的启动电压 Rs 表示伏安曲线的斜率 T 环境温度 Δ VF/Δ T 是 LED正向电压的温度系数，对于多数 LED而言典型值为 2V/℃。 从 LED 的伏安曲线及数字模型看， LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起 LED 电流的很大变化，并且，环境温度， LED 老化时间等因素也将改变影响 LED 的电气性能。 而 LED的光输出直接与 LED 电流相关，所以 LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制 LED 电流的大小。 否则，LED 的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若 LED 电流失控，LED 长期工作在大电流下将影响 LED 的可靠性和寿命，并有可能失效。 （ LED ： Light Emitting Diode） 已日趋在固体显示中占 主导地位。 LED 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。 这些优点概括起来是：高亮度、工作电压低、功耗小、小型化而与集成电路匹配，目前应用最广的是红色、绿色、黄色 LED。 而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用阶段。 从显示方面讲， LED 可以显示文字、数字（数码管），也可以显示图形图象（ LED 矩阵模块），从应用方面， LED 显示即可以用于室内环境，也可以用于室外环境。 74HC595 介绍 每个汉字需要 4 个 8*8 的 LED 点阵，要想实现 8 行扫描驱动，上下 2 行只使用了 1 个 74HC595 接到 LED 点阵模块上，而每个汉字是按照 16*16 取模，所以需要 2 个 74HC595 来驱动一个汉字，我的电路设计的是 8 个汉字，所以需要8*2=16 个 74HC595 来实现 8 行扫描显示。 设计好的列驱动电路的部分如下 （ 图） 所示： 图 列驱动部分电路图 串入并出移位寄存器 74HC595 列驱动电路由集成电路 74HC595 构成。 它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数 据，即达到数据准备的目的。 图 74HC595 外形及内部逻辑结构 74HC595 的外形及内部结构如 （ 图 ） 所示。 它的输入端有 8 个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。 引脚 SI 是串行数据的输入端。 引脚 SCK 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据输入最低位。 移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。 RCK 是输出锁存器的输入信号，其上升沿将移位寄存器的输出输入到输出锁存器。 引脚 G 是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存 器的输出才开放，否则输出端为高阻状态。 SCLR 信号是移位寄存器的清 0 输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为 0。 由于 SCK 和 RCK 两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。 芯片的输出端为 QA～ QH， 最高位 QH 可作为多片 74HC595 级联应用时向上一级的级联输出。 但因 QH 受输出锁存器输 入 控制，所以还从输出锁存器前引出了 QH’，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。 由 74HC595 在 （ 25℃ ），可以达到 21MHz 以上的时钟频率，而我们采用的 89S51 的时钟频率只有 24MHz，串口方式 0 的时钟频率只有fosc/12=2MHz，所以 74HC595 完全胜任；由于 74HC595 输出高电平时每个管脚的驱动电流只有 20mA，而每个 LED 发光管的驱动电流也是 20mA，要是 8 个发光管同时轮流点亮的时候瞬间电流必定大于 20mA，所以我们采用是采用吸收电流的方式直驱 LED 发光管。 行驱动电路 本设计采用的是行驱动电路，主要是将输入的信号通过 3/8 译码器译码后，再通过 TIP127 扩流以驱动 LED 点亮，然后再进行行扫描来达到动态显示的目的。 3— 8 线译码器 74LS138 为 防止直接驱动损坏单片机以及隔离外界干扰信号， 所以 使用了 74LS138这个 3— 8 译码器作为行选 通的 芯片。 74LS138 译码器的引脚图，逻辑图及真值表如下 （ 图 ） 、 （表 ） 所示： 图 74LS138 的外部引脚图以及内部原理图 表 3 线 8 线译码器 74LS138 的真值表 由上看以看出，只要在信号输入端 A， B， C 输入特定组合的 0 的组合序列，就可以在输出端轮只有一个流输出低电压 0，这样我们就可以有选择的控制行电路。 大电流达林顿管 TIP127 TIP127 是一种大功率的 PNP 型达林顿管，其主要目的在于 LED 的列 驱 动电路做扩流作用。 我们知道按每一 LED 器件 20mA 电流计算， 64（ 8*8）个 LED同时点亮时，需要 1280mA 即 电流，所以选用 TIP127 作为驱动管，它的最大工作电流可达 10A，所以不需要加散热既可稳定工作。 它的原理图如下 （ 图） 所示 ： 图 TIP127 的内部原理图 位数据缓冲器 74LS244 我们为了隔离外界的干扰信号，使用了 74LS244 八位数据缓冲器。 因为任何时候 74HC595 里面的数据是不确定的，只要显示屏只要稍微有一点外界干扰，导致 74LS138 使能端 E 变低， 74LS138 就是会有输出信号的（通过它的真值表可以看到全 0 全 1 都有一行是被选中输出低电位的）， TIP127 被电阻拉到高电平这样显示屏就显示一些不确定的图案，就不符合我们的设计要求了。 74LS244 是一个常用的八缓冲器，它的管脚图以及控制表如 （ 图 ） 所示： 图 74LS244 的外部管脚图及门控制端的真值表 LED 点阵屏 的输入输出端口 对于整 个 LED 点阵屏，从单片机的 I/O 口输入时，是先接入到 74HC244 的，为的是让数据起到缓冲的作用。 因为考虑到当需要多个这样的 显示 8 位 汉字的 LED 点阵屏显示时，必须将几个这样的 LED 点阵屏级连。 所以每个 LED 点阵屏都留有输出端。 其电路如 （图 ） ： 图 级联端口 U1:5 代表高低位 138 的 G2B， U2:45 代表低位 138 的 G2A 和 G2B, U1:4 代表高低位 138 的 G2A,高位 138 的 G1 已接高电平，而低位 138的 G1 用 U2:6 来表示。 图 LED 屏的输出端口 图 LED 屏的输入端口 汉字显示的原理 我们以 UCDOS 中文宋体字库为例，每一个字由 16 行 16 列的点阵组。