ＬＥＤ动态显示屏的设计

ＬＥＤ动态显示屏的 哈尔滨理工大学学士学位论文 本设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电 路来驱动96×16的点阵LED显示屏。利用STC12C系列高速单片机本身强大的 2功能和内部EPROM，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛 的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。 本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示六个16×16点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。采用IAP在应用可编程技术，把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。设计中采用了SPI接口的GB2312字库，支持所有的国标字符和ASCII标准字符的显示。因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性 得到提升，便于多个显示单元的级联。 本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。 动态显示；单片机；串行传输；点阵字库 - I - 哈尔滨理工大学学士学位论文 The Design of LED Dynamic Display Abstract This design uses STC12C series MCU as a main controller, and depends on a simple external circuit to drive 96×16 the lattice LED display. By using its own powerful functions and capacity of internal E2PROM, it is easy to accomplish the MCU and PC and E2PROM for internal storage, data transmission equipment ,and it also can be used conveniently to show a variety of content changes. The other dot matrix display is widely used in hospitals, airports, banks and other public places. Therefore, the design has a strong practical application. The LED Display dynamic scan can show the way at the same time six 16 × 16 dot matrix Chinese characters, and PC software can modify the content and effect shows, and so on. IAP used in the application of programmable technology, the characters within the code stored in the SCM free program memory space, so that the LED display system can store 1,024 brown-out characters. SPI used in the design of the interface standard GB2312 character, to support all the GB2312 standard ASCII characters and characters of the show. Because serial transmission used, so that the system can be enhanced scalability, for a number of display units of the cascade. This article from the start LED display principle, elaborated on the LED display dynamic process, as well as hardware circuit design, computing and software algorithms. Keywords Ddynamic Display ；MCU ；Serial Data Transfer ；Llattice Llibrary - II - 哈尔滨理工大学学士学位论文 摘要…… .......................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 第1章 绪论 ................................................................................................... 1 1.1 LED电子显示屏概述 ............................................................................ 1 1.2 LED电子显示屏的分类 ........................................................................ 1 1.3 LED显示屏的应用示例 ........................................................................ 2 1.4 设计任务 ............................................................................................... 2 第2章 显示原理及控制方式分析 ................................................................. 3 2.1 LED点阵模块结构 ............................................................................... 3 2.2 LED 动态显示原理............................................................................... 4 2.3 LED常见的控制方式 ............................................................................ 5 第3章 总体设计与分析......................................................................... 7 3.1 显示单元的考虑 ................................................................................... 7 3.2 滚屏的实现 ........................................................................................... 7 3.3 关于可扩展性 ....................................................................................... 7 3.4 微控制器的考虑 ................................................................................... 7 3.5 关于点阵数据的存储方式 .................................................................... 8 3.6 关于显示内容的更新 ........................................................................... 8 3.7 总体电路结构及工作原理 .................................................................... 8 3.7.1 硬件电路框图 ................................................................................ 8 3.7.2 工作原理 ...................................................................................... 9 第4章 硬件电路设计 .................................................................................. 11 4.1 显示单元电路设计 ............................................................................. 11 4.1.1 LED点阵模块的选择 ................................................................... 12 4.1.2 列驱动电路设计 .......................................................................... 12 4.1.3 行驱动电路设计 .......................................................................... 13 4.1.4 行驱动电路元件参数计算 ........................................................... 14 4.2 单片机控制系统电路设计 .................................................................. 16 4.2.1 单片机的选型 .............................................................................. 16 4.2.2 STC单片机在条屏运用中的优越性 ............................................ 17 4.2.3 单片机系统电路设计 ................................................................... 17 4.3 字库与单片机的接口设计 .................................................................. 18 4.3.1 字库芯片选型 .............................................................................. 18 4.3.2 字库芯片的使用 ................................................................... 19 4.3.3 字库芯片的电气特性 ................................................................... 19 4.3.4 字库芯片与单片机的接口设计 ................................................... 21 - III - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.3.5 字库芯片3.3V电源设计 ............................................................. 22 4.3.6 5V-3.3V的电平转换电路设计 ..................................................... 22 4.4 与上位机的通信电路设计 .................................................................. 23 4.4.1 通信协议的选择 .......................................................................... 23 4.4.2 MAX232电平转换芯片特点 ........................................................ 24 4.4.3 单片机与PC间通信接口电路设计 ............................................. 25 4.5 对于系统电源及通信电缆的选择 ...................................................... 26 4.5.1 对于LED显示屏的电源要求 ..................................................... 26 4.5.2 开关电源在条屏应用中的优势 ................................................... 26 第5章 单片机软件设计 .............................................................................. 27 5.1 开发工具及语言 ................................................................................. 27 5.2 单片机软件流程 ................................................................................. 27 5.3 单片机软件中几个重要算法的实现 .................................................. 28 5.3.1 显示缓存技术与映射关系 ........................................................... 28 5.3.2 LED点阵与显示缓冲区见建立连续编址映射的算法 ................. 29 5.3.3 实现动态显示的算法 ................................................................... 29 5.3.4 实现显示移动的算法 ................................................................... 30 5.4 下位机软件有关的计算 ...................................................................... 30 5.4.1 UART异步串行口波特率计算 ..................................................... 30 5.4.2 SPI同步串行口波特率计算 ......................................................... 31 5.4.3 汉字内码与点阵地址的换算 ....................................................... 31 25.5 片上EPROM的空间分配 ................................................................. 32 5.6 单片机与PC机间的通信协议 ........................................................... 32 第6章 上位机软件设计 .............................................................................. 34 6.1 上位机软件开发环境及语言 .............................................................. 34 6.2 上位机软件流程 ................................................................................. 34 第7章 使用说明与测试结果....................................................................... 36 7.1 LED汉字显示屏使用说明 .................................................................. 36 7.1.1 使用环境 ...................................................................................... 36 7.1.2 安装上位机软件 .......................................................................... 36 7.1.3 更改显示内容 .............................................................................. 36 7.1.4 更换显示模式 .............................................................................. 37 7.2 设计任务完成情况 ............................................................................. 38 结论 ............................................................................................................... 39 致谢 ............................................................................................................... 40 参考文献 ....................................................................................................... 41 附录A ........................................................................................................... 42 附录B ........................................................................................................... 45 附录C ........................................................................................................... 47 - IV - 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 1.1 LED LED电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百--几十万个半导体 发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以 制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和 纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。 LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录 像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容 量的字符信息显示。LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高， 视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广 泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市 场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受 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。 1.2 LED 按颜色分类 单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。 双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。 按显示器件分类 LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏 等，显示数字的电子显示屏。 LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点 阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 按使用场合分类 室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工 作，具有防风、防雨、防水功能。 按发光点直径分类 室内屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、 室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm - 1 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光 二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。 1.3 LED 见图1.1 左：图文屏 右：条幅屏 图1-1 LED电子显示屏应用示例 其中的LED点阵单色图文动态条幅屏（下文中简称条屏），因为成本低 廉、可靠性高、显示效果优良，所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品。 1.4 本设计的任务就是完成一个可以随意扩展显示单元数目的单色动态条幅 屏。 任务要求： （1） 能同时显示六个简体汉字 （2） 能实现汉字在屏幕上的移动 - 2 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 2.1 LED 八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，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4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、 16×16等等。 根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所 显示的文字、图象等内容的颜色也不同。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内容的颜色由像素内不同颜色发光二 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。 图2.1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规 格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。 图2-1 8×8单色LED模块内部电路 LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中 西文字及符号．如5x7点阵显示器用于显示西文字母．5×8点阵显示器用于显- 3 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。 用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。 2.2 LED 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，就可显示各种图形或文字信息。 点阵式LED汉字广告屏绝大部分是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。最典型 的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为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。 以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图2.1中，红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。 在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。 现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。其过程如图2.2 图2-2 用动态扫描显示字符“B”的过程 假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列- 4 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。下面用伪代码描述动态显示的 过程。 （1）．Y=0x01,X=0xFF，如图 2.2第一帧； （2）．Y=0x02,X=0x87，如图 2.2第二帧； （3）．Y=0x04,X=0xBB，如图 2.2第三帧； （4）．Y=0x08,X=0xBB，如图 2.2第四帧； （5）．Y=0x10,X=0x87，如图 2.2第五帧； （6）．Y=0x20,X=0xBB，如图 2.2第六帧； （7）．Y=0x40,X=0xBB，如图 2.2第七帧； （8）．Y=0x80,X=0x87，如图 2.2第八帧； （9）．跳到第（1）步循环。 如果高速地进行（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。这就是动态扫描的原理。只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。例如0601条屏（每行6个 汉字，共1行），行线有16根，列线有96根。如果用列线来做扫描线，则每列 LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的 1/96。如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。可见，用行线做扫描线，因为其发光周期 的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。因而发光效率比前者高。 在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰 的看见发光。在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。比如先将扫描线全部设 置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。 2.3 LED 目前常见的是并行传输方式，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速 度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是 不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因 此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方 式适用于显示单元数目确定的条屏。 随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越 来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏 - 5 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 对应着不同的处理器。 一．以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度 及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移 动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之 外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的 2程序存储器，无EPROM，SPI。这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件 成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显 示内容的场合。 二．以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁 多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。 三．以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的 完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较 高，开发难度较大。 四．以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大， 内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。在条 屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的 全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更 新技术外，还能实时地显示视频信号。因此，以ARM为控制器的显示屏常为 视频全彩屏。 - 6 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 3 3.1 显示一个简体汉字，至少需要16×16点阵来描述。为了在较远距离处获得 清晰的视觉效果，本设计采用4个8×8点阵，像素直径5mm的LED模块拼接成16×16点阵的LED阵列。这样每个16×16汉字能够获得12×12cm的显示尺寸，因此在50米处仍能清晰阅读。本设计要求整个屏幕能同时显示六个汉字， 则至少需要用24个8×8的LED模块拼接成96×16的矩阵。 3.2 字符的位置在屏幕上实现移动，即术语“滚屏”。可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。因此本设计采用软件算法实现左滚屏、左 暂停、定格显示等常见滚屏方式。用软件来完成滚屏算法，其最大的优点在于 成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。 3.3 除了基本要求外，本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。在传统的并 行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示 单元，且每个显示单元的电路结构不同,PCB结构也不同，完全不符合模块化设 计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通 过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。不仅板间连接简单， 更是降低了PCB布局及布线的难度。每个显示单元的PCB都是完全一样的，便于量产。 3.4 因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。所以对微控制器 单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM7和高速8位单片机。ARM的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM内部的资源浪费严重，且成本较高。 因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC12C系列单片机。这几种单片机的处理速度均能 达到1MIPS/MHz（在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令），但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源，而且价格昂贵，用 在单色条屏的控制中颇感浪费。于是最佳选择为STC12C系列单片机，其最高时钟能到48MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅 为9元/片。大幅降低了产品成本。 - 7 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 3.5 目前使用最广泛的技术是，通过上位机软件将待显示的字符串转换为对应 的点阵字模数据，通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在 22EPROM中。在条屏显示的过程中按规定的方式取出EPROM中的字模数据进 2行处理。对于一个16×16点阵的汉字字模数据，需要连续32字节的EPROM空间来存储。照此计算，若有256个需要显示的字符，则至少需要 232B×256=8192字节（8KB）的EPROM存储空间。通常的单片机内部没有集成 2这么大容量的EPROM。因此这种方案，需要在单片机外部扩展大容量的 2EPROM，增加硬件成本。上位机程序设计由于涉及到汉字取模，取模算法的 难度较大。在多字下载的时候传输时间也较长。诸多弊端使本设计放弃了传统 方案。而本设计创新使用了专用的点阵字库芯片，成本仅为8元，内含各种点阵规格的GB2312、ASCII等标准字库。专用字库芯片采用微型SO-8封装，使用高速同步串行SPI接口进行读写操作，节省了控制器的I/O。在本设计中，单 2片机内部的小容量EPROM，用于存储待显示汉字的GB2312标准机内码，每个全角字符的内码占2字节，则在同样需要显示256个汉字的情况下，这种方 2案仅占用512字节的EPROM空间。 3.6 目前常用的下载方式有串口下载、USB下载、无线下载等。考虑到本设计 的上、下位机进行一次通信时的数据量不大（2KB以内），而且对通信的速度及可靠性要求并不严格。因此本设计采用PC机串口来作为下载接口，PC机串口为RS-232C标准，其特点是共模传输，因此通信电缆可以是成本低廉的普通双 绞线，同轴屏蔽线等。PC机串口的驱动程序编写较为简单，不需要掌握复杂的 通信协议。 汉字点阵数据采用现成的字库芯片，需要通过汉字的机内码作地址来取出 相应汉字的点阵字模数据。因此上位机软件的任务就是：将待显示的字符转换 成对应的标准机内码，并把操作者对下位机显示方式、速度等进行设置的常 数，通过RS232总线按一定的通信协议一起发送到下位机。 3.7 3.7.1 通过前面对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图3.1 - 8 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-1 LED显示屏硬件框图 在图3.1中，X0、X1—Xn为显示单元。每个显示单元由一个16×16点阵的LED模块和一个16位宽的移位锁存器（串行—并行转换器）构成。所有显 示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。而每个显示单元的列数据 则由16位移位锁存器并行输出口提供。 中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处 理。MCU用通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。 MCU通过内部集成的SPI接口和字库芯片进行双向通信。PC机（上位机）的RS-232C电平经过转换后，通过UART接口与MCU进行双向通信。 电源则为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。 单片机上电后就检测单片机P3.2脚（DownLoad）的电平，如果按住LED显示屏上的“DownLoad”键开机，则单片机P3.2脚被强制拉为低电平，显示屏被 引导进入下载模式。这时单片机把UART异步串行口初始化为“方式一”工作，波特率为115200bps。之后不断检测从UART传入的数据，如果连续接收到的 两字节数据与程序中约定的两字节数据帧同步码（0xA0,0xFA）相同。则判定下载命令合法，真正进入下载流程。设置两字节同步码是为了降低误码干扰的概 率。 2进入下载流程后，擦除连续从0x2600地址开始的5个EPROM扇区，每- 9 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2个扇区512字节。然后连续接收上位机发出的7字节设置数据，并从EPROM第一个扇区首地址0x2600开始依次存放。这样，第一个扇区就保存了上位机对 下位机的所有设置数据，包括刷新率，移动速度，显示模式以及总共需要显示 的字符数等等。 保存好以上7字节的设置数据后，紧接着连续地接收上位机发出的不大于 22048个内码数据，并依次保存在第二个EPROM扇区中。因为第二到第五扇区 是连续编址的，所以第二扇区存满后会自动存放在第三扇区，以次类推。汉字 内码的数据量由上位机确定。当单片机接收到下载结束符0x8F时，执行软件复位，强迫程序在AP区从头运行。这时若仍然按住“DownLoad”键，则再一次进入下载模式。 如果开机的时候不按下“DownLoad”键，则单片机程序被引导进入显示模 式。进入显示模式后，首先把单片机的SPI接口初始化为“空闲低电平/上升沿驱动”模式，为读写字库芯片作准备。 在单片机内部的扩展数据存储器（xdata区）中开辟192字节（1536位）动态显示缓冲区Display_Buffer和32字节的字模数据缓存区Temp_Buffer,两个缓存区编址连续。Display_Buffer中的一位与LED的一个点阵一一对应。（详细对 应关系见章节5．3．1——显示缓存技术与映射关系）经过这样的映射处理， 使字符在显示中的移动算法变得简单灵活，不论进行何种显示效果处理，只需 要对Display_Buffer进行操作。 遵循结构化的程序设计思路。把单片机的在显示模式的所有工作量分为以 下三个任务： 一．扫描显示任务：扫描显示任务负责把Display_Buffer中的数据依次发送到列驱动器74HC595，并按严格的时序高电平选通十六根行扫描线（Y0—Y15），使每一列数据对应着一个行线状态。 二．移动处理任务：移动处理任务负责完成显示字符逐点阵向左移动的算 法处理，这是最基本的显示效果。其它大部分显示效果如左移六字暂停，全屏 定格显示等都是以逐位左移为基础。对显示字符的移动，实质上是对显示缓冲 区Display_Buffer内数据的移动。 该算法是将Display_Buffer和Temp_Buffer中的数据首尾相接地左移一位， 并不断把Temp_Buffer移入Display_Buffe。 三．字符更新任务：在单片机的xdata区开辟了32字节的字模数据缓存区Temp_Buffer。该缓存区与Display_Buffer编址连续。当调用字符更新任务时， 2程序从EPROM内码区指定位置读取相邻两字节的汉字内码数据。并通过一定 的算法，把内码数据变换为该内码对应汉字的字模数据在字库芯片中的地址。 单片机通过SPI接口，向字库芯片发送读命令和地址，字库芯片返回连续32字节的全角汉字字模数据或16字节的ASCII半角字模数据。这些字模数据就存储 在32字节的字模数据缓存区中。字模数据缓存区Temp_Buffer中的数据可通过调用移动处理任务而逐位转移至动态显示缓冲区Display_Buffer中。 - 10 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 4.1 为了提高点阵LED的视觉亮度，本设计用行线做扫描线，列线做数据线。 每行的显示占空比为直流情况下的1/16。为了再进一步的提高视觉亮度，选用 了红绿双色LED点阵模块YLM2388ASRG，每个点阵内部有红色，绿色两个发 光体。两组发光管公用8根行线，列线独立。本设计将两组LED合成一组使用。 由于红光和绿光的光子能量不同，红色LED的发光门限电压要比绿光稍 低，因此红绿LED不能简单并联使用。如果这样，绿色LED的端电压就会受红色LED的钳制而不发光。为此，在红绿色LED各自的阴极回路（列线回路）中串联了一个分压电阻，以削弱红色LED的电压钳制作用，使两组LED均能正常发光，根据色光的合成原理，红绿色加光混合后呈现黄色。 本设计显示单元以及行列驱动电路如图4.1 图4-1 16×16LED点阵 显示单元以及行列驱动电路 - 11 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.1.1 LED 本设计采用四个8×8点阵红绿双色的LED模块拼接成一个16×16的单色模块使用。这样能获得较大的显示单元尺寸和发光亮度。 4.1.2 如图4.1下面虚线框内，本设计中，每个16×16点阵的列驱动电路由两个 串联的8位移位锁存器74HC595构成。74HC595，是为Motorola的SPI总线开发的一款串并转换芯片。由于74HC595的输入输出电平兼容 LSTTL,NMOS,CMOS电平，且具有较强的输出负载能力，而被广泛地运用于 MCU（微控制器）、MPU（微处理器）的I/O口扩展。 74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度，每个并行输出端 口均能承受20mA的灌电流和拉电流。这个特点保证了不用增加额外的扩流电 路即可轻松的驱动LED。它输入端允许500nS的上升（下降）时间，对严重畸 形的时钟脉冲仍能检测。这样就可以容纳较大的传输线对地电容，使本设计的 抗干扰能力增强。 74HC595并行输出端与LED模块列线之间通过20Ω的电阻连接，这里电阻起到分压，去除红色LED的并联嵌位作用。使红绿两组LED均能正常发光。 由于LED显示屏的工作电流时刻在变化，造成了系统电压的波动。这种电 压波动有高频成分，也有低频成分。轻则对周围无线电环境造成电磁污染，重 则使系统时钟紊乱，逻辑错误。为避免此，在每个74HC595的电源VCC和GND旁边都并联了两个电容，用于滤波和退耦。稳定系统电压，旁路掉电源中 的高频脉动成份。消除自激，减小对外杂散电磁辐射，提高EMI电磁兼容性。 74HC595的引脚及逻辑功能如图4.2 SERIALAQA1415DATAINPUTQB1PARALLELQC2SHIFTDATAQD3LATCHOUTPUTSQE4REGISTERQBVCCQF5QCQAQG6QDASHIFT CLOCKQH117QEOUTPUT ENBLE74HC595SERIALDATAQFLATCH CLOCKRESET10OUTPUT9SQHQGSHIFT CLOCKLATCH CLOCK12 OUTPUT ENABLE13QHRESET VCC=PIN 16GNDSQH GND=PIN 8 图4-2 74HC595管脚图 74HC595逻辑图 - 12 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 74HC595的管脚功能描述见表4.1： 管管脚名管脚功能描述 脚号 称 1 Q锁存器输出，三态 B 2 Q 锁存器输出，三态 C 3 Q 锁存器输出，三态 D 4 Q 锁存器输出，三态 E 5 Q 锁存器输出，三态 F 6 Q 锁存器输出，三态 G 7 Q 锁存器输出，三态 H 8 GND 电源地 9 SQ 串行输出，用于级联。无三态输出功能 H 10 Reset 低电平有效，当此管脚上出现低电平时，将复位内部的 移位寄存器，但不影响8位锁存器的值 11 Shift 移位寄存器时钟输入，上升沿将把A脚上的数据移入内 Clk 部寄存器 12 Latch 锁存时钟输入，上升沿将把内部移位寄存器的值锁存起 Clk 来 13 Output 低电平有效，将锁存器的输出映射到输出并行口（Q-AEnable Q）上。当输入高电平时，高阻态，同时本芯片的串行输出无H 效 14 A 串行数据输入，数据从这个管脚移进内部的8位串行移 位寄存器 15 Q 锁存器输出，三态 A 16 VCC 电源正，2-6V DC 表4-1 74HC595的管脚功能描述 4.1.3 因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无合适的集成电路来胜任。因 此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，如图4.3。 - 13 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 VCCVCC+5V+5V PNPNPN管管 (Vcc-Vbe)V(Vcc-Vce)V 约4.3V约4.8V 偏流电阻偏流电阻 200R200R 10R10R至单片机I/O至单片机I/O 负载负载 LEDLED 74HC59574HC595 共集驱动共射驱动 图4-3 两种三极管扩流方式（共集，共射） 共集驱动方式， 又称射极跟随器，当电源电压足够时，在负载上获得的 电压始终等于基极对地电压Ub减去发射结压降Ube。硅管的Ube一般为0.7V左右，因此在5V供电系统中，在负载上最多能获得4.3V的电压，若Ic=1 A 则在三极管上的管耗为1A×0.7V=0.7W，管耗较大，需选用中功率的管子。还有 一个重要的特点，共集电路的基极是用高电平驱动，而单片机在复位期间，所 有I/O口都呈现高电平。这样的话，在开机上电复位的瞬间，在所有的行线上 都会获得电压。而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击，使电源 电压跌落，单片机工作异常。 而使用共射驱动方式的话，同样的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管耗只有0.3W。因此可选用小功率器件。共射电路的基极驱动 是用低电平，这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。同时，大部分单片 机的I/O是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱 的拉电流。 因此，综合权衡利弊，本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。现 对行驱动电路各元件参数进行计算。 4.1.4 假设条屏使用在极端情况下，每一行的所有LED全部点亮。每行共96点阵，每个点阵包含红色，绿色两个LED。因此每行共192个LED。普通LED的安全工作电流在5~20mA之间，为获得较高亮度，又要兼顾其工作寿命。本- 14 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 设计中，每只LED工作电流取15mA。 如此可知，当一行全点亮的时候 I,I,0.015A，192,2.88A总电流: ； TC 管 耗: Pc=I×V(管饱和压降)=2.88A×0.3V=0.86W； CCEsat STC12C系列单片机的每个I/O口能独立承受20mA的灌电流，也即是能够给共射驱动电路基极提供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. I2.88AC,,,,144直流电流放大系数: ; I0.02Ab 对于基极偏流电阻，则起到对基极20mA偏置电流限流作用: V,V5V,0.7VccBER,,,86,基极限流电阻：； I0.02AB 根据上述计算，综合其成本、封装、散热等因素考虑。本设计最终采用三 只C8550D 小功率PNP管并联成一只PNP中功率管使用。其主要参数见图 4.4 。C8550D官方数据手册摘录. 图4-4 C8550D官方数据手册摘录 从C8550D的官方数据手册上可知： 最大集电极电流： Ic=-1.5A； 最大集电极耗散功率：Pc=1W； 直流电流放大系数： β=160~300； 三管并联，其Ic可以扩展到4.5A，β不变，Pc扩展到3W。 本人所购买的50只同一批号的C8550D，经实测，β均在150左右。因此三管并联无须增加射极均流电阻。根据β确定基极电流I和基极限流电阻R分b别为： - 15 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 2.88A基极电流： I,,19mAb150 VV5V,0.7Vccbe,R,,,226,则基极限流电阻：。 I19mAb 在实际设计中，基极限流电阻使用标准序列值200Ω。采用贴片1206封 装，便于缩小PCB体积，增加整体美感。 4.2 4.2.1 STC单片高速：一个时钟/机器周期，增强型51内核，平均速度可达到1MIPS/MHz 机与宽电压：5.5~3.8V 8051单宽温限：-40?~85? 片机的性高抗静电：ESD保护，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT测试） 能比较 低功耗：有空闲模式（工作电流小于1.3mA），掉电模式（可由外部中断唤 醒，工作电流小于0.1uA），正常模式（工作电流2.7~7mA） 工作频率：可从0到48MHz，相当于传统8051主频0~576MHz 时钟：可选择外部晶体或内部RC振荡器 12K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上 512字节片内RAM数据存储器 12K字节片内E2PROM（512字节/扇区） STC 12C5412ISP/IAP，在系统可编程，在应用可编程，无须专用编程器 AD单片10位ADC，8通道 机的内部4通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU） 资源 2个硬件16位定时/计数器 硬件看门狗（WDT） 高速同步串行通信接口SPI，全双工异步串行口UART 32个通用寄存器，硬件乘/除法器 27（DIP28,SOP28有23个）个通用I/O口，可设置成弱上拉准双向口、强 上拉推挽输出、高阻输入、开漏输出，四种模式。每个I/O口的驱动能力均 能达到?20mA，但整个芯片最大不得超过55mA 表4-2 STC12C系列单片机主要特性 - 16 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 根据方案论证的结果，本设计采用STC12C系列的STC12C5412AD作为主控芯片。STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。对于STC12C5412AD，主要特性见表4.2：（摘录自STC单片机官方数据手册） 4.2.2 STC 对于单色动态条幅屏的应用需要，STC12C5412AD单片机有以下突出的优 点： ?较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现条屏的各种移动算法。 ?有SPI和UART两个串行口，能实现与字库芯片或PC机之间的数据交换。 2?有内部EPROM，可用于掉电存放条屏的各种设置参数、汉字内码等数 据。 ?ISP/IAP功能，使芯片可以不脱板下载程序，便于产品的软件升级。 ?内部看门狗，使条屏可以工作在恶虐的电磁环境下。 ?宽电压范围，条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行。 ?丰富的I/O口，可以代替LED行扫描用的行选通译码器器，降低产品成 本。 ?小型封装，便于PCB的紧凑化设计。 4.2.3 根据本条屏的实际运用要求，参考STC单片机官方数据手册上的应用指 南，设计单片机系统电路如图4.5所示。 - 17 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 MCU外部时钟电路 复位电路+5V DCP30RXDP31TXDVCC +5VP32Y7P33DLoadY5P34R?Y6P35Y0P37GNDY11Y1P00P27Y9Y2P02P26Y8Y3VCCVCCVCCP03P25Y10Y4STC12C5412ADP01P24Y12CKOUTCKOUTXTAL1P23n.c.Y13MCUXTAL2P22Y14GNDRSTP21Y15VCCP20104+40.000MHz 有源晶振P17STC12C5412AD1uP16MCLK+P15MISOSSP14MOSI104P13DAT10K100uP12LATP11CLKOEP10 单片机I/O网络单片机电源滤波及退藕电路 图4-5 单片机系统电路 在图4.5中，有源晶振为单片机提供40MHz，0-5V幅度的高精度时钟。其 -7时钟的频率精度可以到达10级别，频率的稳定性可以到达10ppm/?。根据STC单片机数据手册约定，外部有源时钟应从XTAL1脚输入，XTAL2必须保持浮空。图中1uF的电解电容和10KΩ的电阻构成微分电路，在系统上电的瞬 间，为单片机RESET脚提供约2mS的高电平脉冲，使单片机上电后立即可靠 复位。图中的100uF电解电容和两个0.1uF独石电容，为单片机的供电电源进 行滤波和高频旁路，滤除MCU及有源晶振对电源系统造成的高频脉动成分， 提高系统的稳定性，降低对外电磁辐射。旁路电容采用独石电容，其优点是高 频特性优良。在高频电流通过的时候，独石电容介质上的损耗小，因而对高频 成分的容抗较小，旁路效果优于电解电容，金属膜纸介电容，瓷片电容等。而 且独石电容的耐压较高，在高电压脉冲下不易击穿。 4.3 4.3.1 本设计所选用的字库芯片GT21L32S4W1，是集通数码科技的产品。 GT21L32S4W1是一款支持GB2312字符集（6763字）的11×12、15×16、 - 18 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 24×24、32×32点阵字库芯片，另外还含有2套12点高的半角不等宽ASCII字符、2套16点高的半角不等宽ASCII字符、2套24点高的的半角不等宽ASCII字符，2套32点高的半角不等宽ASCII字符，1套6×12点扩展字符、1套8×16点扩展字符、1套12×24点扩展字符、1套16×32点扩展字符等等。因为本芯片涵盖了81个国家及地区的文字字库，因此被广泛的运用于手机，仪表等 行业。 4.3.2 每个汉字在本芯片中是以汉字点阵字模的形式存储的，每个点用一个二进 制位表示，寸1的点，当显示的时候可以在屏幕上显示亮点，存0的点，则在屏幕上不显示。点阵排列格式为横置横排：即一个字节的高位表示左面的点， 低位表示右面的点，排满一行的点后再排下一行。这样把点阵信息用来直接在 显示器上按上述规则显示，则将出现相对应的汉字。用户只要知道汉字的内 码，按照GT21L32S4W1官方数据手册提供的计算公式，就可计算出该汉字在 芯片中的地址，然后就可从该地址连续读出点阵信息。 GT21L32S4W1与外部的通信是通过SPI高速同步串行通信口。串行外围 设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）总线技术是Motorola公司推出的一种同步串行接口。Motorola公司生产的绝大多数MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI总线是一种三线同步总线，因其硬件功能很强， 所以，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。 SPI 总线是三线同步接口，同步串行3线方式进行通信:一条时钟线SCK，一条数据输入线MOSI，一条数据输出线MISO;用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI主要特点有:可以同时发出和接收串行数据;可以当作主机或从机工作;提供频率可编程时钟;发送结束中断标志;写冲突保护;总线竞争保护等。 4.3.3 对于GT21L32S4W1的SPI接口，其主要的电气特性有： 访问速度：40MHz(max.)@3.3V 工作电压：2.7-3.6V 工作电流：40mA 待机电流：10uA GT21L32S4W1的引脚排列及定义见及表4.2 管脚号 管脚名称 数据流向 管脚功能描述 1 CS# I 片选输入 2 SO O 串行数据输出 3 GND 地 4 GND 地 5 SI I 串行数据输入 - 19 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 SCLK I 串行时钟输入 7 HOLD# I 总线挂起 8 VCC +3.3V 电源 CS#18VCC SO27HOLD# GND36SCLK GND45SI 表4-2 字库芯片GT21L32S4W1的管脚定义 SOP 8 串行时钟输出（SO）：该信号用来把数据从芯片串行口输出，数据在时钟 的下降沿移出。 串行数据输入（SI）： 该信号用来把数据从串行口输入芯片，数据在时钟 的上升沿移入。 串行时钟输入（SCLK）：数据在时钟上升沿移入，在下降沿移出。 片选输入（CS#） ： 所有串行数据传输开始于CS#下降沿，CS#在传输期 间必须保持为低电平，在两条指令之间保持为高电 平。 要读取字库芯片内的点阵数据，必须严格地遵守其读写协议及时序。其时 序如图4.7示。 图4-7 GT21L32S4W1快速读写时序 - 20 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 对此时序图作一定的解释，该图是通过SPI接口，对字库芯片进行快速点 阵读取的时序。 快速读取点阵数据（Read Data Bytes at Higher Speed） Read Data Bytes at Higher Speed需要用指令码来执行操作。 I.首先把片选信号CS#变为低，紧跟着的是一个字节的命令字0x0B和三个字节的地址以及一个字节的Dummy Byte（虚字节，任意值均可）通过串行数据 输入引脚SI移位输入，每一位在串行时钟SCLK上升沿被锁存。 II.然后该地址的字节数据通过串行数据输出脚SO移位输出，每一位在串行时钟的下降沿被移出。 III.如果片选信号CS#继续保持为低，则下一个地址的字节数据继续通过串 行数据输出引脚SO移位输出。例：读取一个15×16点阵汉字需要32Byte，则连续32个字节读取后结束一个汉字的点阵数据读取操作。如果不需要继续读取 数据，则把片选信号CS#拉高，结束本次操作。 4.3.4 参考GT21L32S4W1官方提供的应用指南，结合本系统的具体要求，设计 GT21L32S4W1与单片机的接口电路如图4.8示。 到单片机SPI接口LM1117-3.3V3.3V三端稳压电路 IOVCC+5VG + 104100u104 MCLKMISO MOSI SS 18/CSVCC 27SO/HOLD22k22k22k22k 36GNDMCK 45GNDSI SO-8 5-3.3V接口电平转换SPI字库芯片 图4-8 字库芯片与单片机的接口 因为GT21L32S4W1的供电电压为3.3V，而本条屏是5V系统。所以必须 - 21 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 对电源电压及接口电平进行5V-3.3V的转换。 4.3.5 3.3V 图4.8中，右上角虚线框内为3.3V稳压电路。采用的是LDO低压差线性三端稳压器件LM1117-3.3（或与之性能完全相同的REG1117-3.3），外围的电容起到滤波和高频旁路作用，能有效地降低电压纹波及防止稳压芯片的高频自 激。 LM1117-3.3是一款性能优良的3.3V LDO，它在800mA输出的时候，只需要1.2V的输入输出压差。效率较高，常用于MCU,MPU,ARM等对电源电压要求较为严格的场合。 LM1117-3.3的封装及引脚如图4.9示。 图4-9 LM1117引脚排列及封装 4.3.6 5V-3.3V 图4.8中，左边虚线框内为5V-3.3V的电平转换电路。从STC12C系列单片机的数据手册可知，当I/O口被配置为弱上拉准双向口时，内部的上拉电阻 约为10KΩ。此情况下的单片机I/O等效电路如图4.9所示。 - 22 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图4-10 电阻分压式电平转换原理 在图4.10中，虚线框内为单片机I/O在准双向口配置时的等效电路。R0为等效上拉电阻，由于制造工艺的离散性，其阻值约为10KΩ左右。如果不接入R1，在I/O被置为1电平的时候，MOSFET关断，I/O上的电压被R0上拉至VCC +5V。此电压若直接输入3.3V的字库芯片，因字库芯片引脚的输入阻抗很 高（MΩ级别），5V的电压基本全部施加在字库芯片上。这样就可能造成字库 芯片过压损坏。 因为STC单片机内部是CMOS工艺，其“1”“0” 电平的阈值电压为1/2VCC即2.5V。也即是说，当输入电压低于2.5V，单片机就认为输入0。反之，输入电压高于2.5V，则单片机认为输入1。 为了使I/O口输出的高电平电压低于字库芯片的接口最大耐压3.6V，在单片机与字库连接的I/O输出端，加上一个22KΩ的下拉电阻R1。根据串联分压原理，此时I/O对地的高电平电压为，R1与I/O口内部弱上拉电阻R0对VCC+5V的分压，经计算输出高电平约为3.4V左右，低电平为0V。高电平电压高于单片机I/O逻辑阈值1V左右，因此不会发生逻辑混乱。通过这种简易的 方法进行逻辑电平转换，既保证了低压字库芯片的安全，又节省了硬件成本。 4.4 4.4.1 要使上位机能对条屏进行参数设置，显示内容更新等操作，就离不开和上 位机的通信。有并行和串行两种通信方式，为了节约传输线成本。本设计采用 RS-232C串行通信方式。 RS-232C是由美国电子工业协会（EIA）正式公布的，在异步串行通信中 - 23 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 应用最广泛的标准总线。现在，计算机上的串行通信端口（RS-232C）是标准配置端口，已经得到广泛应用，计算机上一般都有1～2个标准RS-232C串口，即通道COM1和COM2。 RS-232C规定最大的负载电容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传 输速率，由于RS-232C的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能 力，共模噪声会耦合到信号中。在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232C能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米。因此不适合做远距离通信，但 是对于条屏，通信15米的通信距离已经足够。 RS-232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不同的， 逻辑1(MARK) ＝ -3V～-15V，逻辑0(SPACE) ＝ ＋3～＋15V。因此，单片机系统要和电脑的RS-232C接口进行通信，就必须把单片机的信号电平（TTL电平）转换成计算机的RS-232C电平，或者把计算机的RS-232C电平转换成单片机的TTL电平，通信时候必须对两种电平进行转换。实现这种转换的方法可以 使用分立元件，也可以使用专用RS-232C电平转换芯片。目前较为广泛地使用 专用电平转换芯片，如MAX232、MC1488、MC1489等。 4.4.2 MAX232 本设计就是利用MAXIM公司的单电源芯片MAX232来完成单片机TTL到RS-232C电平的转换。MAX232是单电源双RS-232C发送/接收芯片。它符合所有的RS-232C技术规范，只要单一 +5V电源供电；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- ；低功耗，典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器，内部集成2个RS-232C接收器。采用单一 +5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS-232C通信接口，硬件接口简单，所以被广泛运用。MAX232的引脚排列及功能描述见表4.3（摘录自MAX232官方数据手册） 脚号 引脚名称 引脚功能描述 脚号 引脚名称 引脚功能描述 1 C1+ 9 R2OUT 泵电容1正极 第二组TTL/CMOS 电平输出 2 V+ 10 T2IN 正电源滤波 第二组TTL/CMOS 电平输入 3 C1- 11 T1IN 泵电容1负极 第一组TTL/CMOS 电平输入 4 C2+ 12 R1OUT 泵电容2正极 第一组TTL/CMOS 电平输出 5 C2- 13 R1IN 泵电容2负极 第一组RS-232电平 输入 6 V- 14 T1OUT 负电源滤波 第一组RS-232电平 输出 7 T2OUT 15 GND 第二组RS-232地 电平输出 - 24 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 R2IN 16 VCC 第二组RS-232电源+5V 电平输入 C1+116VCC V+215GND MAXIAMC1-314T1out MAX232C2+413R1in C2-512R1out V-611T1in T2out710T2in DIP/SOR2in89R2out表4-3 MAX232引脚功能及封装 4.4.3 PC 根据本条屏的需要，设计单片机与PC间通信接口电路如图4.11示。 图4-11 MAX232通信接口电路 图4.11中，左边虚线框内的DB9连接器，既作为通信接口，又用做电源输 入。提高了板载元件的利用率。多脚并联的方式可以减小插接件的接触电阻。 外部输入的5V电源从DB9连接器的6、7、8、9脚输入，在1000uF电容中储能。储能电容可以在开机瞬间向系统提供较大电流，使单片机等正常启动。电 源经由电源开关S1后进入单片机，显示单元等各部分。 - 25 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 4.5 4.5.1 LED 本系统没有设置独立的5V稳压器件，因此要求外部能对其提供相对稳定的 电压。为保证单片机等集成电路的稳定工作，要求电源电压的最大波动范围在 4.8~5.2V之间。 本系统的工作电流随着显示内容的不同有很大变化。在LED全灭的状态下，耗电电流为60mA左右；在LED全亮的情况下，工作电流可以达到3A；在滚动显示汉字的时候，耗电约为500mA左右。因此，要求供电电源在负载电 流变化较大的情况下能保持相对稳定的电压输出。同时，条屏一般是全天候工 作，对电源系统的长时间工作的稳定性要求较高。 考虑到上述因素，本设计采用功率容量75W，输出5V/10A的成品单端反激式开关电源来为条屏系统供电。10A的电流容量对于条屏系统3A的满负荷电流仍有较大的余量。这保证了长时间使用稳定性。 4.5.2 使用开关电源，相对于线性电源来说，有以下几个明显的优势。 成本低廉：同等电压和电流容量的开关稳压电源的成本，是传统的工频变 压器线性稳压电源的30%左右。因此，在许多场合，开关电源已逐步取代线性 电源。高效率：体现在极高的转换效率和极低的调整损耗上，开关电源的换能 器是工作在开关状态下，因此转换的效率极高，长时间满负荷工作也不会引起 电源过热。正好满足条屏的应用场合。功率密度大：开关电源能够轻松地提供 10A以上的电流。在同等输出功率下，开关电源的体积只有线性电源的四分之 一，重量为线性电源的十分之一。功率越大，其优势越明显。对于通信电缆的 选择，本设计是将通信线和电源输入合并在一个DB9连接器上。外部电缆使用多芯屏蔽电缆。这样的设计，紧凑美观，坚固耐用。 - 26 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 5.1 本系统的处理器是兼容8051指令集的高速单片机STC12C5412AD。为此，首选Keil μVision作为其开发工具。Keil μVision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。其功能强大，生成的代码紧凑，是 目前世界上使用最广的51系列兼容单片机开发工具。 本设计中，单片机软件是采用C51语言编写，C51语言是ANSI C的扩展集，其语法结构、关键字等与ANSI C绝大部分是相同的。与汇编相比，C51语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势。 5.2 根据本设计的应用要求，设计流程如图5. 1示。 - 27 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 上电 强制关闭显示初始化SPI接口计算EEPROM首址计算EEPROM首址计算EEPROM首址1 扫描下载按键初始化显示缓存内码—地址转换内码—地址转换内码—地址转换 初始化公共变量载入点阵数据载入点阵数据载入点阵数据按键引脚电平 0初始化看门狗送各行列数据送各行列数据缓冲区左移1位 初始化UART 根据显示模式散转缓冲区左移1位缓冲区左移1位移完六个字No符？接收2B握手命令 YesNo移完一个字移完六个字NoNo符？符？送各行列数据正确握手？显显显显示示示示YesYes模模模模式式式式Yes暂停显示N一二三显示完所有汉显示完所有汉NoNo字？字？擦除EEPROM扇区 YesYes显示完所有汉No字？接收保存7B设置参数 Yes 接收保存汉字内码 No 收到结束命令字？左移6字暂停模式定格翻页模式左滚屏模式 MCU软复位 图5- 1 单片机软件流程 5.3 5.3.1 本设计是采用软件算法来实现LED显示屏的动态显示及移动。为此，在单 片机内部的外扩数据存储器区（xdata区）开辟一个连续编址的8位宽动态显示 - 28 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 缓冲区Display_Buffer，使显示缓冲区的每个字节与LED点阵模块的每行8个 点一一对应。如图5. 2。 图5- 2 显示缓冲区与点阵模块的映射关系 如图5.2示，将实际的LED点阵与虚拟的显示缓存数组建立映射。例如： Display_Buffer_Y0表示LED点阵中最上一行的缓存数组，Display_Buffer_Y0[0]即Display_Buffer_Y0数组的第一个元素，与最上一行，最左边的八列LED点 阵相对应。 5.3.2 LED unsigned char xdata Display_Buffer_Y0[14] _at_ 0x0000; unsigned char xdata Display_Buffer_Y1[14] _at_ 0x000e; unsigned char xdata Display_Buffer_Y2[14] _at_ 0x001c; ……………//Y3-Y14省略 unsigned char xdata Display_Buffer_Y15[14] _at_ 0x00d2; 算法中的xdata关键词是将Display_Buffer_Yn[]数组存放在片内外部数据存储器中，_at_ 修饰符是将该数组从后面指定的地址开始存放。各行数组中的 第0到11号元素是显示缓冲区，第12、13号元素是字模点阵缓冲区。经过这样的映射处理，极大的简化了动态扫描的算法难度，同时也简化了各种移动算 法的实现。要更新某行的列数据，只须将该行对应的缓存数组数据逐字节地移 入列数据锁存器74HC595即可。 若要进行移动，只需将每行显示缓存的各数组元素首尾相接的进行逐位移 动即可。 5.3.3 void LED_Scan() { WDT_CONTR=0x3C; //喂狗 - 29 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 HC595_OE_Disable(); //设置74HC595的输出为高阻态，强行关闭显 示 Write_HC595_12Byte(Display_Buffer_Y0) ;//向列数据锁存器74HC595移入第0行缓冲区12字节数据 Select_Y0() ;//选通第0行，使第0行的行线上获得+5V的电压 HC595_OE_Enable(); //设置74HC595的输出为开漏，第0行开始显示 Delay_mS(delay_time);//延时一小段时间，使肉眼能看到LED发光 HC595_OE_Disable(); //关闭显示，避免尾影出现 …… 第1-15行扫描过程如上，仅送入74HC595的缓冲区指针不同，详见程序清单。 } 5.3.4 void Shift_Left_One_bit(void) { bit temp; //位临时变量 unsigned char CNT;//移动次数 for(CNT=0;CNT<12;CNT++) //第一行缓冲区的移动 { Display_Buffer_Y0[CNT]<<=1;//当前数组元素左移动一位 temp=Display_Buffer_Y0[CNT+1] & 0x80;//保存下一数组元素的最高位 Display_Buffer_Y0[CNT]|=temp;//将下一数组元素的最高位添加进当 前数组元素的最低位 } …… 第1-15行移动算法同上，省略。详见程序清单。 } 5.4 5.4.1 UART 本系统中单片机UART串行口工作在模式1，即可变波特率10位异步收发模式。对于STC12C系列单片机，T1的工作频率可由AUXR寄存器设置在12倍频或1倍频模式。因此，STC12C系列单片机串口模式1的波特率由定时器T1的溢出率，和SMOD、AUXR寄存器值共同决定。 单片机即为溢出周期的倒数，即 ： fOSC溢出率= 12(256,X) SMODf2.6AUXROSC由上式可得： 波特率,12，，3212(256,X) - 30 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 为简化计算过程，使用专用波特率计算软件进行波特率匹配计算。 图5-3 利用专用工具计算波特率 如图5. 3示，由软件计算出单片机工作在40MHz时钟时，用T1的方式2自重装模式可获得600 bps、1200 bps、9600 bps等波特率。其中9600bps为工业标准波特率，误差为-1.36，误差在PC机允许的4.5%之内。 为提高传输速度，本设计在9600 bps的基础上12倍频，最终获得115200bps的波特率。这时对单片机的特殊功能寄存器配置为： T1重装值为0xF5； AUXR.6=1。 5.4.2 SPI 在与字库芯片的通信中，需要用到高速同步串行口SPI。其移位时钟速度不得大于字库芯片所能承受的最大访问速度40MHz。 STC12C系列单片机SPI的时钟速度由特殊功能寄存器SPCTL的bit1,bit0位决定。当单片机工作主频为40MHz，SPCTL.1=0,SPCTL.0=0时，SPI能获得最大时钟速度。F=f/4=40/4=10MHz。 CLKOSC 5.4.3 根据字库芯片GT21L32S4W1的官方资料，得到计算方法如下： 约定Address为4字节宽的unsigned long型数据，表示点阵数据在字库中的物 理地址。 Charctor为2字节宽的unsigned int型数据，表示汉字的内码。 对于16×8的半角字符，点阵在字库芯片中的基地址为0x1DD780 Address=(unsigned long)((charctor-0x0020)*16)+0x1DD780; 对于16×16的全角字符，点阵在字库芯片中的基地址为0x2C9D0 if((charctor>>8)>=0xA1 && (charctor>>8)<= 0xAB) - 31 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 Address=(((charctor>>8)-0xA1)*94+((charctor&0xff)-0xA1))*32+0x2C9D0; else if((charctor>>8)>=0xB0 && (charctor>>8)<= 0xF7) Address=(((charctor>>8)-0xB0)*94+((charctor&0xff)- 0xA1)+846)*32+0x2C9D0; 25.5 EPROM STC12C系列单片机是采用IAP(在应用可编程)技术，把内部除了程序占用 22空间以外的Flash存储区当作EPROM使用。因此EPROM在Flash物理空间中的地址应由程序代码的大小决定。 本设计的单片机代码量为5.2K字节。仅占用整个Flash空间的前11个扇区（每扇区512字节），因此从第12扇区到第24扇区共6K字节的Flash空间 2可做EPROM使用。考虑到以后对程序的修改、显示功能的完善等。给程序预 留9.5K字节的空间。仅使用第20扇区到第24扇区共2.5K字节Flash作为2EPROM使用。 2在EPROM中，第20扇区保存了上位机对下位机的各项设置常数，第21扇区到第24扇区则保存着待显示汉字的GB2312标准内码。 2本设计中，对EPROM的空间规划如图5.4所示： 图5- 4 单片机内部E2PROM空间规划 5.6 PC 一个最完整的通信系统至少是由通信链路和通信协议两部分组成。本设计 使用的链路是符合EIA（美国电子工业协会标准）的RS-232C链路协议。本设计制定上位机往下位机发送命令/数据流的帧格式如图5. 5示。 图5-5 数据流的帧格式 - 32 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 根据图5. 5的帧格式，制定通信协议如下： （1）下位机不断检测收到的数据，若检测到握手字0xA0则执行II，否则重复I （2）继续接受1字节数据，若为同步头0xFA则执行III，否则跳转至I （3）下位机连续接受7字节的设置数据，并返回各字节数据的反码 （4）上位机不断检测下位机发出的取反校验字，若校验出错则报警，否 则执行5 （5）上位机继续向下位机发送汉字内码数据 （6）下位机不断接收内码并保存，但不返回校验字 （7）若下位机检测到上位机发出的传输结束命令字0x8F，则结束通信过程 由于本系统为有线传输，的通信电缆长度仅为5米，故在通信过程中产生 误码的几率很小。在软件的协议处理中未作复杂的校验计算。 - 33 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 6.1 本设计采用Visual Basic 6.0 IDE做为上位机软件开发平台，因为它具有以 下两个最重要的特点： （1）面向对象 VB采用了面向对象的程序设计思想。它的基本思路是把复杂的程序设计 问分解为一个个能够完成独立功能的相对简单的对象集合，所谓“对象”就是一个可操作的实体，如窗体、窗体中的命令按钮、标签、文本框等。 （2）事件驱动 在Windows环境下，程序是以事件驱动方式运行的，每个对象都能响应多 个不同的事件，每个事件都能驱动一段代码——事件过程，该代码决定了对象的功能。通常称这种机制为事件驱动。事件可由用户的操作触发，也可以由系 统或应用程序触发。 6.2 因为是采用VB语言进行设计，故是采用面向对象的思想进行编程.没有像C语言一样的具体流程，只能将各主要控件的主要事件响应作简要流程说明， 如图6. 1示。 - 34 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 窗体加载事件下载事件打开文件事件保存事件初始化控件属性字符边界检查选择路径保存文本框内数据返回字符串转为内码选择文件返回 计算控件当前值打开文件 生成数据帧返回 打开串口 发送数据 关闭串口 返回 图6- 1 上位机软件事件流程 - 35 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 7.1 LED 7.1.1 为保证LED显示屏的使用寿命，获得良好的显示效果。LED显示屏应在干燥，无光源直射的环境下使用。同时应保证电网电压的波动范围在AC180V-250V之间。安装的位置应避免强烈的震动，安装过程中避免LED显示屏的弯曲或撞击。 7.1.2 在使用之前应安装上位机软件，否则无法对LED显示屏进行初始化。具体 安装过程如下： （1）在计算机光驱中插入附件光盘 （2）找到光盘根目录中的“条屏下载软件安装包”文件夹，并打开此文件夹 （3）找到“setup.exe”文件并运行之 （4）根据安装程序提示，修改安装目录后便自动完成安装 （5）安装过程中可能要求重启计算机，重启后继续安装便可 （6）安装完毕，在“开始菜单”->“程序”中即可找到“条屏下载软件V1.0” 7.1.3 （1）接通显示屏的电源，并将LED显示屏下载插口和计算机COM1口连接。 （2）在“开始菜单”->“程序”中找到“条屏下载软件V1.0”并运行。出现图8.1界面。 - 36 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 图8-1 上位机软件界面 在图8.1 中“文字编辑区”中输入待显示的文字信息。可以是汉字，阿拉伯 数字，英文字母，全角半角扩展字符等。总字数限制为1024个，不论半角全角都算一个字符。 也可以打开已经编辑好的*.txt类型文本文件，单击图8.1 中“打开文件”按钮，出现路径对话框后选择合适的文件，单击“打开”，该文件的内容即被拷贝至“文字编辑区”中。如果被打开的文本文件字符数超过1024，则软件自动截取前1024字符。但不会对原文件造成影响。 （3）根据实际需要修改“LED刷新率”、“左移速度”、“显示模式”等。具体参考章节6．5．1 控件功能及使用方法。 （4）关掉下位机LED显示屏电源，按住“DownLoad”键，再打开显示屏电源。 （5）松开“DownLoad”键，下位机即进入下载模式，等待上位机下载命令 流到来。 （6）在文字编辑区内容不为空的情况下，单击图8.1 中“开始下载”按钮。待计算机发出“咚”声音提示时，表示下载完成。同时下位机自动重启，按照设 定的模式及速度循环地显示文字编辑区的内容。 7.1.4 本设计提供了三种显示模式，两种更换方法。 （1）通过上位机软件配置。保持“文字编辑区”内的内容不变，在图8.1 中“显示模式”中选择合适的模式重新下载即可。 （2）LED在显示模式（不按住DownLoad键开机）时，通过按下 - 37 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 DownLoad键进行显示模式的循环变更。循环过程为：模式1—>模式2—>模式3—>模式1。下一次开机，仍以更改后的模式工作。 7.2 详细指标完成情况见表8.4 能同时显示六个简体汉字 完成 能实现汉字在屏幕上的移动 完成 便于扩展显示单元数目 完成 多种显示效果脱机切换 扩展至三种效果 LED刷新率可调 10级可调 显示移动速度可调 10级可调 海量字符掉电存储 可达1024字 低成本设计 批量成本约200元人民币 低功耗设计 显示状态平均功耗2.5W 专用上位机软件高速下载 完成 下载方式可扩展 开放协议 支持二次开发 在系统更新下位机软件 完成 表8-4 指标完成情况 - 38 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 经过近两个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。在此LED点阵显示系统 中，由于我采用了STC12C系列混合信号高速单片机和专用字库芯片，并且采用串行移位寄存器74HC595作列线驱动，使本设计的硬件成本大幅下降，而又提高了显示单元的可扩展性。因为使用了高速单片机，使本系统的动态刷新 2率，移动速度等得到保障。本设计充分利用了单片机的EPROM、SPI等片上资 源，节约成本的同时使外围电路简洁美观，故障率降低。总体的性能指标均达 到或超过了题目的要求。 毕业设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在过去四 年里，我们的学习是一个知识的积累过程，那么现在的毕业设计就是对过去所 学知识的综合运用，是对理论进行深化和重新认识的时间活动。在这近两个月 的毕业设计中，我们有艰辛的付出，当然更多的是丰收的喜悦。知识固然得到 了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中 终身受用。 首先，学习能力得到了提高。在毕业设计中，自始至终独立完成硬件电路 的设计、单片机软件编写、计算机软件编写。在这些过程中，遇到许多困难， 但通过书籍或网络查阅了很多相关文章和向导师请教后终于解决了。通过这次 毕业设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，增强了和外界技术的沟通，还 培养了自学能力和分析解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气 和信心。 其次，培养了自己的市场观念。一个商品是否能够抢占市场，除了必须的 功能和质量要求外，其价格是最大的竞争优势。如何在保证质量和完成同等功 能的情况下，把产品的成本降到最低。是每个设计人员在作出方案时首要考虑 的因素。 再次，则是人际交流能力得到锻炼。人非生而知之者！人的学识总是不能 面面俱到的，这就要求我们必须善于借鉴别人的成功经验或失败教训，使自己 少走弯路。 总之，毕业设计完成了，面对未来的工作，我相信我会把自己的热情和所 学奉献到自己的工作中，不断努力，不断进取！ - 39 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 首先要感谢我的毕业设计指导老师蔡向东老师，在毕业设计的过程中，蔡 老师总是鼓励我既要努力打好基础，学好专业知识，又要大胆创新，勤于钻 研；在学习上和生活上，给予我悉心的指导和无微不至的关怀。在论文撰写的 过程中，蔡老师给予了细心的指导和修正，给了我很大的帮助，在此表示衷心 的感谢！ 同时我要感谢学院的各位老师，没有各位老师认真的教学和指导以及严格 的检查，就不会有我们今天的成绩，更不可能顺利完成毕业论文的设计，在此 向所有辛勤工作的老师们致以最深切的敬意和感谢！ 我还要感谢我的同学们，特别是陶津男同学，再在技术和软件方面给予我 巨大的支持，在此向所有帮助我的同学们表示感谢！我会继续努力，争取更大 的进步！ - 40 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 [1] 谭浩强. C程序设计（第二版）[M]. 北京:清华大学出版社,1999.12. [2] 付军. VisualBasic 实用编程100例[M]. 北京:中国铁道出版社,2003.5. [3] 李长林. VisualBasic串口通信技术与典型实例[M]. 北京:清华大学出版社,2004.1. [4] 彭为.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.5. [5] 李良荣.现代电子设计技术-基于Multisim7[M].北京:机械工业出版社,2005.4. [6] 姜承昊. 最新LED驱动电路设计、应用与制造新技术新工艺实用手册[M].北 京:中国科学技术文献出版社,2008.3. [7] 魏洪兴.嵌入式系统设计与实例开发实验教材I[M].北京:清华大学出版社,2005.9. [8] 童诗白.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2001.1. [9] 阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1998.11. [10] 中国集成电路大全编委会编.《中国集成电路大全——CMOS集成电路》 [M]. 北京:国防工业出版社,1985. [11] MCU-MEMORY Data Book[M].STC,2006.8 [12] MOTOROLA Semiconductor Technical Data Book[M].MOTOROLA,inc.1995 [13] BURR-BROWN Data Book[M].Burr-Brown Corporation,1992 [14] 侯继红. Protel 99SE 实用技术教程[M].北京:中国电力出版社,2004.9. [15]李全利.单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2006.2. - 41 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 A The base of LED dynamic display Mark Stevenson LED information screen as a result of cheap, functional flexibility, work stable and reliable .And many other advantages, LED information screens have been widely used in schools, shopping malls, railway stations, medical .Hospitals, banks, hotels and other public places, is an ideal news, advertising and information .Media release. The system is mainly designed for use in schools, the entire LED screen 128 line screen is divided into 400, each line shows 25 characters, shows a total of 8 lines .200 Chinese characters. LED screen at the main screen and sub-screen in two parts, the main screen can display .A variety of text messages of up to 150 characters; deputy regional screen electronic calendar can be .Shows year, month, day, weeks, hours, minutes, time information, and school calendar weeks, a significant .Festivals such as the countdown to the number of days, so very suitable for use in schools. Information display by the top PC-Editor, through the communication interface and .Single-chip real-time transmission. Data from the PC to send aircraft to the SCM process, Serial transmission and can be divided into two parallel transmission. In serial transmission mode, Data in a single line-by-bit data transmission speed is slower. Communication in parallel Transmission mode, data in line with multi-data transfer speed is faster. For close control of parallel data transfer can be used. For remote control .system, as a result of the data lines and control lines need to drive, parallel transmission can lead into The increase in construction difficulties. Therefore, the remote control using a serial transmission More suitable. In the PC control software, control software will display information to Lattice into a bitmap and then I send it to single-chip communication chip. Text message by calling the characters CCDOS convert it into a dot-matrixdot-matrix .Bitmap Single-chip complete information received after the preservation of information and through the hard .Pieces of control hardware scan drive control circuit in the LED dot matrix screen progress Line information - 42 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 display.Each character from four 8 × 8 dot matrix LED display module of the group .Into each of the dot-matrix graphics in accordance with the Chinese characters from left to right, from top to bottom order .Order. To "ah" as an example the principle of its display: the lattice as shown in Figure 2, According to a bitmap for each character by 16 line composed of 16 dot-matrix, each row will be sub - Into two 8-bit code segment. Semiconductor materials in some of the PN junction, the injection of minority carrier and majority carrier compound will be redundant when the energy released in the form of light so that light energy is converted to electricity directly. PN junction reverse voltage increases, minority-carrier injection difficult, it is not luminous. Light-emitting LED color and LED light-emitting efficiency and the production of materials and processes, and is currently widely used red, green, and blue. LED operating voltage due to low (only 1.5-3V), can take the initiative to have a certain brightness light-emitting and brightness while using voltage (or current) regulation, which itself has impact-resistant, anti-vibration, long life (100,000 hours), so in large display devices, there is no other display LED display with the match. Red and green LED together produced as a pixel color display screen is called or color screen; the red, green and blue LED tube three together as a pixel is called tri-color screen display or full color. Regardless of whether it uses LED monochrome production, two-color or tri-color screen, want to show the images need to constitute a pixel brightness of each LED must adjust the fine adjustment of the extent of the gray level is the display. The higher the gray level, the images show the more delicate, more rich in color, the corresponding display control system is also more complex. General of the 256 gray-scale images, the transition has been very soft colors, and the color 16 gray-scale images, color transition line is very obvious. Therefore, the color LED screen into the current demand of 256 gray. LED display that is as a result of the Deputy of the bottom of the screen shows two lines of the .Is year, month, day, hour, minute, week, school calendar weeks, the countdown and other information, so test .Dallas company to consider the use of the calendar clock chip DSl2C887. This Is a clock chip and bounds in 2000, he was - 43 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 DSl287 Enhanced Commodities Species. He includes crystal oscillator, oscillator circuit, charging circuit and rechargeable lithium Battery and packaged as an integrated module, the chip can record the time, the Months, days, hours, minutes, weeks, such as information and the success of the "millennium bug" problem is Widely used in a calendar clock chip. The internal structure of the above, the Chip with memory, power-down weight, the need to re-tune the exact time table of the advantages. As he fitted with an internal lithium battery, power-off operation after the system is still reliable. For Chip programming software, first of all, need to be initialized, the internal chip .Flag register to set up and to give the initial value, while the clock to load the initial count. Initialization is complete, that is, the chip can be read at the time. The chip in the mouth Site for 0BF00H, through this address, the number of read out, and put in a single storage Million, while the screen display during the scan. According to the Reading DSl2C887 Write timing requirements of the time single-chip control lines RD and WR, respectively, to write the line of control Then DS and R / W input, single-chip data I received when P0.0 ~ P0.7 Clock chip ADo ~ AD7. MCU address latch to allow the control side ALE client then AS. P3.2 interrupt request DSl2C887 access client IRQ. MOT low termination, the option INTER-processor system. - 44 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 B LED 显示屏的信息是由上位PC机编辑、通过通信接口和单片机实时发送的。数 据从PC机到单片机的传送过程，可以分为串行传输和并行传输两种。在串行传 输方式下，数据在单根数据线上逐位的传送，速度比较慢。在并行传输方式 下，数据在多根数据线上一起传送，速度比较快。对于近距离控制，可以采用 并行数据传输。对于远距离控制，由于数据线和控制线都需要驱动，并行传输 会导致成本增加、施工困难。因此，远距离控制采用串行传输方式比较适合。 在PC机控制软件上，控制软件将显示信息转换成点阵位图，再通过通信口传送 给单片机芯片。文字信息通过调用CCDOS汉字库的汉字点阵将其转换成点阵位 图。由于横向点阵的列数较多，若采用列扫描方式来刷新点阵，点阵亮度将受 影响，而且整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。为了避免列扫描的不 足，可以采用行扫描方式。这种扫描方式从每行模块的第1行LED顺次到该行模块的最后一行LED依次点亮模块的每l行。对于由8×8的模块构成的点阵来说，只要8次即可将每个模块刷新1次。由于每个汉字采用16×16的点阵显示，即采用4个模块显示一个汉字，这样整个屏幕显示需要128行扫描才能将屏幕刷新1次。单片机接收到完整的信息之后保存信息并通过硬件控制程序控制驱动硬件 扫描电路在LED点阵屏幕上进行信息显示。 在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把 多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身 又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚 无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫做双色屏或彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。无论用LED制作单色、双色或三色屏，欲 显示图象需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须调节，其调节的精细程度就 是显示屏的灰度等级。灰度等级越高，显示的图象就越细腻，色彩也越丰富， 相应的显示控制系统也越复杂。一般256级灰度的图象，颜色过渡已十分柔和， 而16级灰度的彩色图象，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色LED屏当前都要求做成256级灰度的。 由于LED副显示屏即整个屏幕的最下面两行显示的是年、月、日、时、 分、星期、校历周数、倒计时等信息，故考虑使用Dallas公司生产的DSl2C887时钟日历芯片。这是一种跨越2000的时钟芯片，他是DSl287的增强型品种。他- 45 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 内含晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池并且封装成一个集成模 块，这种芯片可记录时间、年、月、日、时、分、星期等信息并且成功解决 “千年虫”问题，是一种广泛应用的万年历时钟芯片。基于以上内部结构，该 芯片具有记忆、掉电重起、时间准确不需重新调表的优点。由于他内部装有锂 电池，断电后系统依然可靠运行。对于芯片的软件编程，首先，需要对其进行 初始化，对芯片内部寄存器设立标志位并赋初值，同时加载时钟的计数初值。 初始化完成后，即可以在该芯片中读取时间。该芯片口地址为0BF00H，通过此地址，把数读出，并放入一储存单元，同时在屏幕扫描期间进行显示。根据 DSl2C887的读写时序要求，单片机的读控制线RD和写控制线WR分别接DS和R／W输入端，单片机的数据口P0．0～P0．7接时钟芯片的ADo～AD7。单片机的地址锁存允许控制端ALE接AS端。P3．2接DSl2C887的中断请求端IRQ。MOT端接低电平，表示选择INTER系统的处理器。 - 46 - 哈尔滨理工大学学士学位论文 C - 47 -