单片机点阵led电子显示屏设计--硬件设计(编辑修改稿)

单片机点阵led电子显示屏设计--硬件设计(编辑修改稿)内容摘要：

3V，2V甚至到 1V，工作电流由 mA 降至 μA ，这在便携式产品中大有用武之地。 单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。 现在市场上常用的单片机主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。 其中 应用最广泛的单片机首推 Intel的 52 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史 “悠久 ”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。 且 52 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平）。 当该脚 作输出脚使用时， 6 则为高电平或低电平均可。 所以在控制部分方案的选择中选定 52 系列单片机作为控制部分的核心器件。 显示部分方案选择 显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。 由于单片机的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口来驱动 LED 显示屏，所以需要对单片机 I/O 口进行扩展增加单片机并行输出的能力 [7]。 LED 显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的 LED 显示屏就需要多个发光二极管。 构成 LED 屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图 22所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的 LED点阵子模块构成大的 LED点阵模块。 目前市场上普遍采用的点阵模块有 8 1616 等 几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个 LED 出现问题时同在一个模块的所有 LED 都必须被更换。 这就加大了维修的成本。 两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏。 为了 避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。 所以构建一个 1616 的 LED 点阵屏选用四块 88 点阵模块。 7 图 22 LED 点阵图 一个 1616 的 LED 显示屏行和列各有 16 支引脚，不能单靠 52 单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。 经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。 常用的串并转换芯片有 74LS154（ 4 线 16 线译码器）、 74HC138（ 8 位串并转换器）、 74HC595等。 52 系列单片机端口低电平时，吸入电流可达 2０ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高 电平时，输出电流仅数十 μＡ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动 LED 显示屏显示。 在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路 [8]。 功能要求 本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： （ 1） 要求采用 52 单片机作为微控制器。 （ 2） 通过四个 1616 的点阵 LED 进行文字显示。 （ 3） 在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 （ 4） 文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式。 8 系统 总 结构 最终确定硬件设计方案 最终方案如图 23 所示，以 PC 机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动 4 块 88LED 点阵模块构成的 1616 的 LED 点阵显示屏 [9]。 题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。 该系统的组成结构如图 23 所示。 图 23 系统组成结构 图 PC 机 串行通信 译码电路 16x16LED 显示屏 单片机 显示驱动电路 9 3 系统硬件设计 硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动 电路三部分。 硬件整体设计概述及功能分析 显示系统具体设计主要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和1616 的点阵屏六部分组成。 具体工作流程为：上位 PC 机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示内容通过 I/O 口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到 LED 显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示内容 [10]。 根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功 能还要能兼容至整个系统之中。 通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图 31 所示。 图 31 硬件原理图 该系统所要实现的功能和要求有以下几点： （ 1） LED 显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。 并且显示要清晰。 （ 2）驱动电路要能提供 LED 显示所需范围内的电压和电流要求。 （ 3）译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路的要求。 （ 4）单片机要能接收上位机的指令和显示内容且能够处理后控制 LED 显示屏的显示，并 且端口驱动能力要足以驱动译码电路。 执行频率要能达到扫描显示的最低要求。 （ 5）单片机由 ISP 下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。 （ 6）由串口完成单片机与上位机的通信，通信速度和数据传输的可靠性要达到显示要求。 复位电路 时钟电路 STC89C52RC 单片机 行驱动 列驱动 16*64LED 点阵屏 10 控制单元设计 单片机最小 系统设计 控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。 STC89C52RC 的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的 I/O 口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。 根据功能选择一 定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图 32 所示。 在该系统中， P0 各口主要用作 LED 显示数据的行控制输出。 具体接法为： ,分别接 74HC138的 A端， B端 ,C端向 74HC138送入串行数据经过其转换后并行输出； ,接 138 芯片的使能控制端，当为低电平使允许输出； , 接 595 的 SH_CP 端 ,ST_CP端 ,DS 端控件系统的列输入，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H－ FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。 因为没有扩展外部程序存 储器所以将 EA 置为高电平 [11]。 图 32 控制部分电路图 STC89C52RC 简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS52 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 52 单片机不具备的功能。 在单芯片上 ， 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供 高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能 ： 8k 字节 11 Flash， 522 字节 RAM， 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路 ， 3 个 16 位 定时器 /计数器， 4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 52 的 5向量 2 级中断结构），全双工 串行口。 另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件 可选择节电模式。 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 内容被保存，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。 STC89C52RC 具有以下特点： 1. 增强型 8052单片机 ， 6时钟 /机器周期 和 12时钟 /机器周期可以任意选择，指令代码完全 兼容传统 8052。 2. 工作电压： ～ （ 5V 单片机 ） /～ （ 3V单片机）。 3. 工作频率 范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8052的 0～ 80MHz，实际工作频率可达48MHz。 4. 用户应用程序空间为 8K 字节。 5. 片上集成 522字节 RAM。 6. 通用 I/O 口（ 32个），复位后为： P0/P1/P2/P3是 准双向口 /弱上拉 ， P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻 ， 作为 I/O 口用时 ， 需加上拉电阻。 7. ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用 编程器 ，无需专用 仿真器 ，可通过串口（ RxD/,TxD/）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 8. 具有 EEPROM 功能。 9. 具有 看门狗 功能。 10. 共 3个 16位 定时器 /计数器。 即 定时器 T0、 T T2。 11. 外部中断 4路 ， 下降沿中断或低电平触发电路， Power Down 模式可由外部中断低电平触发 中断方式 唤醒。 12. 通用异步 串行口 （ UART），还可用定时器 软件 实现多个 UART。 13. 工作温度范围： 40～ +85℃ （工业级） /0～ 75℃ （商业级）。 12 LED 点阵显示设计 四个 1616的点阵构成一个 1664的点阵。 行和列的交叉处有一个 LED，共由 1024个 LED构成，如果 LED 的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给 该 LED 对应的行以高电平，列以低电平，那么对应的 LED 就发光 [12]。 图 33画出了室内直插式 88点阵双基色 LED 模块实物图。 这种模块由 64个发光 LED 芯片以 88的形式构成一个正方形模块，然后用 2列 8针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。 图 33 LED 点阵显示 实物 图 LED 数码管结构简单 ， 价格便宜。 本文所述的是 LED 的数据显示方式，这种方式通常使用 8 段 LED 或者 16 段 LED。 在实际应用中，点亮 LED 数码管的方式有静态和动态 2 种方法。 本文以 16 段 LED 作为示例来论证方案。 （ 1） 静态 显示方式 静态显示方式，即 16 段 LED 数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。 这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要 8 根输出线，当 N 位显示则需 N16 根输出控制线。 占用较多 I/O 资源。 （ 2） 动态显示方式 为解决静态显示占用较多 I/O 资源的问题，在多位显示时通常采用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个 16 位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位 I/O 线控制。 显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。 位线控制某位选通时， 该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒 24 次以上），由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同 13 时显示一样，这时，我们就能看到稳定的图像了 [13]。 由于单片机的特性，我们将采用方案 2：动态显示方式，采用动态显示方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。 显示数据通常存储在单片机的存储器中，按 8 位一个字节的形式顺序排放。 显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。 从控制电路到 列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。 列 驱动单元设计 列 驱动系统设计 译码电路的功能是为了解决单片机 I/O端口不足。 行译码所用器件为串并转换器 74HC138和锁存器 74HC595。 两个 138 级联成 4 线 16 线译码器，三级管 Q1Q16 接显示屏 H1H8 解决了显示屏供电不足的问题 [14]。 具体电路如图 34 所示。 图 34 列 驱动电路图 14 74HC138 简介 74HC138 是一款高速 CMOS 器件， 74HC138 引脚兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC138 译码器可接受 3 位二进制加权地址输入（ A0, A1 和 A2），并当使能时，提供 8个互斥的低有效输出（ Y0 至 Y7）。 74HC138 特有 3 个使能输入端：两个低有效（ E1 和 E2）和一个高有效（ E3）。 除非 E1 和 E2 置低且 E3 置高，否则 74HC138 将保持所有输出为高。 利用这种复合使能特性，仅需 4 片 74HC138 芯片和 1 个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个 132（ 5 线到 32 线）译码器。 任选一个低有效 使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则 74HC138 亦可充当一个 8 输出多路分配器，未使用的使能输入端。