基于单片机的点阵电子显示屏设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的点阵电子显示屏设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

宏晶科技生产 的STC12C 高速单片机 系列的 STC12C5A60S2 单片机 ， 其管脚与传统 51 系列单片机完全 中央处理器 LED 点阵电子 显示屏 键 盘 温度传感器 红外接收 时钟电路 报警电路 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 5 页 共 36 页 兼容 ， 所以 使用的编译器和指令代码都和传统 51 单片机相同。 其速度是传统 51 单片机的 8～ 12 倍。 其引脚图如 图 23 所示 ： 图 23 STC12C5A60S2 系列单片机引脚图 它包含了 中央处理器（ CPU）、 60K 程序存储器、 1280 字节数据存储器、定时 /计数器、UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 转换、 SPI 接口、 PCA、看门口 及片内 R/C 振荡器和外部晶体振荡器电路等模块 ，还增加了 P4 口。 STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可以称得上一个片上系统。 对于 LED 点阵 屏的应用需要 来说 ， 采用 STC12C5A60S2 高速 单片机 比传统 51 单片机 有以下突出的优点： （ 1） 较高的处理速度和时钟频率， 能解决 LED 点阵显示屏的闪烁问题。 （ 2） 60K 大容量的程序存储器，避免了外接外部存储器，从而减少 设计成本，也简化了外部电路 的设计。 （ 3） 电压范围 宽 ， 即使 负载端电压的波动 也 不会影响 点阵 屏的 正常运行。 （ 4） 丰富的 I/O 接 口， 不用外接 I/O 口拓展芯片也可以增加更多辅助功能，同时也降低 了设计 成本。 显示电路 模块 设计 在显示电路 中 ， 主要 由 行扫描元件、列 驱动 元件、驱动元件及 LED 点阵模块组成。 整体显示框图如图 24 所示： 图 24 系统显示 模块 框图 16x64 点阵显示屏 列驱动器 行扫描器 行驱动器 主控制单元 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 6 页 共 36 页 LED 点阵模块 LED 显示屏是将发光二级管按行 和 按列 整齐布局的 ， 扫描驱动方式可以按行扫描按列控制，也可以按列扫描按行控制。 本文设计的 16x64 点阵显示屏 可以先由四个 8x8 点阵模块构成 16x16 点阵显示屏， 其连接方法如图 25 所示： 图 25 16x16 点阵显示器连接图 在图 25 中 ， 将 A 和 B 的 8 列 与 C 和 D 的 8 列分别对应相连 ，同时 将 A 和 C 的 8行与 B 和 D 的 8 行分别对应相连。 这样 即可 构 成一个 16x16 点阵显示器 ，可将这 256个 LED 称为 一个最小显示单元，当要显示 某 个 字或 字符时，只需要对这个单元中对应的 LED 进行亮灭控制即可。 要制作 16x64 点阵显示器， 可以由 4 个 16x16 点阵显示器用同样的方法连接而成。 行 扫描 驱动电路设计 在 16x64 点阵显示屏中， 为 降低设计成本、 减少单片机接口 的浪费 ，充分利用 I/O口 ，本 电路 设计用到了 一 块 416 线译码器 74HC154。 其 行扫描 电路 与行驱动三极管 连接 如图 26 所示 ： 图 26 74HC154 行扫描驱动电路连接图 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 7 页 共 36 页 74HC154 是一款高速 CMOS 器件， 74HC154 引脚兼容低功耗肖特基 TTL(LSTTL)系列。 74HC154 的两个输入使能门电路可用于 译码器 选通 ， 以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。 该使能门电路包含两个“逻辑与” 输入，必须置为低以 使 使能输出端 有效。 74HC154 这种单片 416 线译码器非常 适用于高性能存储器的译码器。 将 两个选通输入 G1 和 G2 为低， 然后以 A、 B、 C、 D 四脚为输入端 ，这 就会形成 16 种不同的输入状态，分别为 0000～ 1111， 然后使每种状态只控制一路输出，即有 16 路输出。 本设计行扫描采用的工作方式是： 单片机的 P2 口不断向单片机发送数据，74HC154 不断的接收数据并且存储起来，待到 74HC154 寄存器转满 16 位数据的时候，再通过并行输出把数据传给点阵显示屏，发送 给点阵 屏 的 16 位信号与 74HC595 芯片发送的 16 位列信号‘结合’从而产生一个汉字或其他别的图形通过点阵显示出来。 如果一行 64 个 LED 全部 被 点亮， 每只 LED 工作电流取 15mA。 则通过 74HC154的电流将 达 960 mA，而实际上， 74HC154 译码器提供不了足够的电流来同时 点亮 64 个LED。 因此，应在 74HC154 每一路输出端与 16x64 点阵显示 屏 对应的每一行之间用一个 三极管来将电流信号放大 ， 从而达到点亮全部 LED 的要求。 本 设计 选用的是 大电流三极管 SS8550。 这样， 74HC154 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 屏 的对应行也为高电平 ，只要此时某一列 置 为低电平，对应的 LED就会被点亮 ，从而实现显示所 想显示 的文字。 在行驱 动电路 设计 中， 要确定各元件的参数，就 需要进行电路元件参数 的 计算 ，以LED 工作电流 为例， 假设整个 LED 点阵 显示屏在极端情况下使用，即 每一行的 LED 全部被点亮，每一行 LED 的个数为 64 个， 普通 LED 的安全工作电流在 5～ 20mA 之间，为获得较高亮度，又要 使 其工作寿命 可以很长。 所以， 本设计中 定 每只 LED 工作电流为 15mA。 当一行的 LED 全部点亮时，有： 总电流 ： I= IC=64A=； 三极 管的功耗： Pc=ICV CE ==； 从 STC 单片机 官方 提供的数据可知 STC12C 系列单片机的每个 I/O 口能独立承受20mA 的灌电流， 即能够给基极提供 20mA 的偏置电流。 根据上述集电极电流和基极电流的比值，可计算出行扫描驱动三极管的直流电流放大系数 β。 直流电流放大系数 : β ≥IC/Ib =； 从 SS8550 的官方数据手册上可知： 最大集电极电流 ： Ic=； 最大集电极耗散功率 ： Pc=1W； 直流电流放大系数： β=40~140； 故本设计中选取三极管 SS8550 符合 设计 要求 ， 本设计 β取 50。 因此，根据 β可以确定基极电流 Ib 和基极 的 限流电阻 R 分别 为： 基极电流： Ib=≈ 19mA。 则基极限流电阻： R=(VC﹣ Vbe)/ Ib=(5V﹣ )/19mA=226Ω。 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 8 页 共 36 页 本次 设计 中取 基极限流电阻 值为 200Ω。 列驱动电路设计 列扫描电路采用集成电路 74HC595 移位寄存器， 其 管 脚如图 27 所示。 图 27 74HC595 管脚图 74HC595 是 8 位串行输入 /输出或者并行 输出移位寄存器，具有高阻关断状态 ， 具备三态的总线输出 功能。 其中 DS 为列移位寄存器的 数据 输入， SHcp 是移位时钟， STcp为锁存时钟 ， Q7’ 是串行输入数据的输出 口， OE 是对输入数据的输出使能控制， Q1～Q7 是串行输入数据的并行输出口。 移位寄存器有一个 串行移位输入 （ DS） 和一个串行输出 （ Q7’ ） 及 一个异步的低电平复位。 从 DS 口输入的数据可在移位寄存器的 SHcp脚上升沿的作用下 输入到 74HC595 中 ， 并在 STcp 脚的上升沿作用下将 输入的数据锁存在 74HC595 中， 当 OE 为低电平 时，存储寄存器的数据输出到总线。 为了避免与 PC 机串口输入的数据相互干扰， 设计中 使用模拟串口 ～ 来 连接 输出串行数据、移位时钟 SHcp、 锁存 信号 STcp。 设计电路中， 每个 16x16 点阵 的列驱动电路由两个串联的8 位移位寄存器 74HC595 组成 ， 则 16x64 点阵需要八片 74HC595 芯片。 其扫描显示工作过程是： 将 8片 74HC595进行级连，可共用一个移位时钟 SCHcp及数据锁存信号 STcp。 这样，当第一行需要显示的数据经过 64 个 SCHcp 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 STcp 将数据锁存在 74HC595 中，并在使能信号OE 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，当第十六行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描 频率 足够高，就可形成一幅完整的文字或图像。 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 9 页 共 36 页 温度 电路模块 设计 为了增加 LED 显示屏的实用性，本设计 增加了温度检测模块，温度传感器采用数字式 的 DS18B20 数字温度传感器。 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一款“单总线”温度传感器，它采用独特的 单总线接口方式，仅需要一个端口发送和接收数据。 用 DS18B20采样温度，将温度显示在 LED 屏上，是一种很好的显示方式，同时也节省了单片机资源。 DS18B20 独特的单线接口方式， 它 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位 光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 可以采用寄生电源方式工作，从单总线吸取能力，在信号处于高电平期间把电量存储在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工 作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 DS18B20 也可以 用外部 3V～ 电源供电 ，采用寄生电源供电方式时， VDD必须接地。 另外为了得到足够的工作电流，应给 I/O 口提供一个强上拉，一般可以使用一个场效应管 将 I/O 口直接拉到电源上。 采用外部供电方式时可以不用强上拉，但只要外部电源处于工作状态， GND 引脚不得悬空。 温度高于 100℃ 时，不得使用寄生电源，应采用外部电源供电。 DS18B20 的工作时序 ： DS18B20 简单的硬件接口是以相对复杂的编程软件为代价的。 DS18B20 与 STC12C5A60S2 单 片机的接口协议是通过严格的时序来实现的，每次进行传送数据或命令都是由一系列的时序信号组成的。 单总线上一共有 3 种时序信号：初始化信号； 写 0、 1 信号； 读 0、 1 信号，与 之对应的时序图如图 28 所示： 图 28 DS18B20 的工作时序图 桂林电子 科技大学毕业设计（论文 ） 第 10 页 共 36 页 DS18B20 的性能特点： （ 1） 单线总线传输方式，只需要 1 根端口线与主机通信； （ 2） 每只 DS18B20 内部都有一个唯一的 64 位编码； （ 3） 每个主机 I/O 口可并联多个 DS18B20，简化了多点测温系统的设计； （ 4） 不需要外围硬件电路支持； （ 5） 当工作在寄生供电 模式时， 数据线可兼作电源线使用，即每个传感器仅需 2 条连接线，工作电 压为 ～ ； （ 6） 测量范围 从 55℃ 到 +125℃ ，其中在 10～ +85℃范围内 精度为177。 ℃。 （ 7） 可通过软件设定 9～ 12 位温度分辨率，分别对应 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 、 ℃的分辨率 ； （ 8） 转换速度会随着设置分辨率增高而降低，当设置成 12 位分辨率时，数字温度转换值可在 750ms 内完成 ； （ 9） 可通过软件自行设定非易失性报警上、下限值，且通过发送报警搜索命令识别具体温度超限 DS18B20 的编号。 在本设 计中，由于显示屏显示有限，故只取整数部分， 其电路连接如图 29 所示： 图 29 DS18B20 硬件连接图 在整个电路中， DS18B20 充当的是从机的角色，而单片机是主机，单片机控制DS18B20 完成温度转换必须按照 DS18B20 的命令流程。 单片机通过一线总线访问DS18B20 大概 经过 三个 步骤： 首先 初始化，然后发 skip 命令（ CCH） ，在单点温度检测系统。