基于zigbee的多功能显示屏设计

基于 zigbee 的多功能显示屏设计 摘 要 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：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。 LED 的发展前景极为广阔，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。LED 显示屏广泛应用在体育场馆、商业应用、银行、 证劵、邮政、码头、商场、车站、邮政、电讯、机关、监控、学校、餐厅、酒店、娱乐、 等不同户外场所的广告宣传，2013 年俄罗斯大运会 UNILUMIN 采用 Umesh25 楼宇屏实时转 播画面流畅细腻。LED 的发光颜色和发光效率与制作 LED 的材料和工艺有关 ，灯球刚开 始全是蓝光的，后面再加上荧光粉，根据用户的不同需要，调节出不同的光色，广泛使 用的有红、绿、蓝、黄四种。由于 LED 工作电压低（仅 1.24.0V） ，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，尚无其他的显示方式与 LED 显示方式匹敌。本文介绍的 基于单片机的 LED 显示屏上电之后运行稳定可靠、显示文字清晰、各店亮度均匀，系统 组装灵活，显示屏的大小可根据实际需要以单元板为单位进行一定范围内的调整整个系 统基本上达到了预期的要求，具有良好的应用前景。LED 显示屏应用的范围越来越大。本 文首先介绍 LED 显示屏的相关概念，接着讲述单片机控制电路的设计，最后是显示屏实 例设计。 关键词：单片机；显示屏；控制 Abstract The reason why the LED has received a rapid development, is that it has its own advantages. These advantages are summarized as: high brightness, low working voltage, small power consumption, large scale, long life, high impact resistance and stable performance. Prospects for the development of LED is extremely broad, is towards a higher brightness, higher resistance to climate, higher luminous density, higher luminous uniformity, reliability, full color and the direction of development. LED display is widely used in stadiums, commercial applications, banking, securities coupons, postal, wharf, shopping malls, railway stations, postal services, telecommunications, organs, monitoring, schools, restaurants, hotels, entertainment, etc. different outdoor space advertising, 2013 Universiade in Russia will UNILUMIN by Umesh25 building screen real-time broadcast screen smooth and delicate. LED luminous color and luminous efficiency and production of LED material and process related, ball lamp beginning is full of blue, followed by fluorescent powder, according to the different needs of the user, adjust the color of different and widely used are red, green, blue, and yellow four. Because the LED operating voltage is low (only 1.24.0V), can take the initiative and have a certain brightness, brightness and can use voltage (or current) regulation, itself is a high impact, anti vibration, long life (100000 hours), so in a large display equipment, there is no other way to show the way LED display. Presented in this paper based on SCM LED display electric after operation is stable and reliable, display text clear, each store uniform brightness, flexible assembly systems, the size of the display can be according to the actual need to board unit as a unit within a certain range of adjustment of the whole system basically achieved expected requirements, has good application prospects. The range of application of LED display screen is increasing. This paper first introduces the relevant concepts of LED display, and then describes the design of SCM control circuit, and the end is the display case design. Keywords: Single chip microcomputer; display; control 3 目目 录录 一、绪论1 （一）研究背景1 （二）研究目的和意义1 （三）国内外研究现状1 二、LED 显示屏的相关概念.2 （一）LED 显示屏的概念.2 （二）LED 的发光原理2 （三）LED 的基本特征.2 （四）LED 的基本特征.5 （五）LED 显示屏的特点.8 （六）LED 显示屏的动态扫描.8 （七）Zigbee 无线通信技术.9 三、单片机控制电路的设计10 （一）单片机的概述10 （二）单片机的特点10 （三）键盘设计10 （四）单片机串行通信技术10 （五）硬件电路板制作11 四、显示屏实例设计12 （一）系统概述12 （二）系统硬件设计13 （三）系统软件设计14 结论17 1 一、绪论 （一）研究背景 在二十世纪 90 年代初期,一种新兴的信息显示技术顷刻间席卷全世界,它被命名为 LED 显示屏,是 light emitting diode 的英文缩写。它的主要组成部分是导体发光二极管,组成数量并没有固定,而是 根据实际需要来规定组成数量,少则几十多则上万。通常,LED 显示屏可以用来显示图形、文字、动画 等各种信息。不仅如此,LED 显示屏还可以与电脑相连接,通过电脑的控制实时的播放显示各类信息包 括录像、动画以及电视节目。 LED 显示屏的发展仅仅十来年的时间,就已经在平板显示中独占鳌头。它之所以能有这么快的发展,与 它自身所具有的特点是密不可分的。它的亮度非常的高但功耗却特别小,不仅耐冲击,而且性能还特别 稳定。目前 LED 显示屏已经被广泛的在户外加以应用,我们走在大街小巷,随处都可见它的身影,它己经 成为了人们生活中的一部分。比如十字路口的交通指示灯,各大超市、商场门前的广告牌银行、机场候 客厅的显示牌,体育场的计分牌等都是用的 LED 显示屏。它的应用范围越来越广,越来越向着全方位的 方向发展。 （二）研究目的和意义 本课题的研究目的就是希望通过对 LED 显示屏控制技术的研究,寻找一种简捷、快捷、便捷的低成 本显示屏控制方案,以便更方便地实现 LED 显示屏的各种显示功能,更好地满足各行各业对 LED 显示屏 的应用需求。 （三）国内外研究现状 随着 LED 产业的发展,我国 LED 产业已从以前的从国外购买芯片,逐步发展到自主生产芯片的阶段, 并且已经具备一定的自主生产技术。最近几年,亚洲国家已经成为 LED 产品的生产基地。主要集中在日、 韩和中国,其中中国的市场占有率相对来说较低,但是逐年还是有小幅度的增长,总体还是显现的增长趋 势。台湾的生产水平相对来说还是比较先进的,但中国大陆也不甘示弱,国内的比较强的企业已与台湾 的大企业生产水平相当。之所以能有如此的进步,也得益于政府的扶持。政府出台政策,如对 LED 使用 者提供一定的财政补贴,公共的照明设备全部使用不仅节能而且环保。受惠于政府的扶持和财政的补贴,中 国的 LED 产业生产总值会不断提高。尽管如此,中国的 LED 发展水平与国外还是有不小的差距,还需认 真向国外学习他们的先进技术。虽然每年在各个方面的技术都在突破,但产业化效率非常并不高。与国 际先进水平比较,在芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及生产品质等方面仍有不小的 差距。除此之外,规模化生产并且能够满足市场需要的企业也并不多,所以一些封装所需芯片特别是高 档芯片主要还是要靠进口来满足需求。 经过多年的发展,我国 LED 显示屏厂商已经具有了很强的实力,尽管有许多颇具实力的知名显示屏 厂商的竞争,但是国内 LED 显示屏厂商还是占据了大部分的国内市场。这对于我国的 LED 产业的发展起 到了很大的促进作用。不仅如此,很多国内生产的 LED 应用产品已经出口到美国、欧盟等其他国家和地。 目前,LED 显示屏的发展趋势在国家的政策支持以及应用需求的驱动下日渐提高,国内 LED 行业发 展飞快,形成了比较完备的 LED 产业链体系。近年来国内的显示屏市场掀起了一股 LED 产业建设的热潮, LED 显示屏行业市场已经变成了全球产业链的一块沃土。我国 LED 显示屏产业总体上以民营企业为主, 从业人员主要以充满活力的年轻一代为主。表现为行业的增长速度快,技术的革新能力强但有巨大规模 型的精英企业数目相对较少。 进入新世纪,随着信息显示技术的飞速发展,光电子产业已经得到社会广泛的认同和重视,很多颇具 影响力的企业将 LED 显示屏产业作为今后经营发展战略的重要目标,都争先恐后的加入到 LED 显示屏这 2 个非常有潜力的产业中。最近几年国内的 LED 厂商的创新能力和生产技术有了很大的提高,这极大地推 动了我国产业的发展,包括手机背光、LED 光源等。从总体的趋势上来看,我国 LED 的发展已经进入了 井喷式的增长阶段,并且 LED 电子显示屏的产业集中度将快速提升。 由于 LED 电子显示屏行业已经步入成熟期,因此其市场规模将保持平稳的增长态势。 展望 LED 的发展,未来 LED 显示屏发展趋势:首先技术的不断革新,那么它的制造成本和销售价格必 然会的降低。随着技术的不断成熟,它的发光效率和产品质量都会有稳步的提升。其次,室内 LED 显示 屏市场的快速启动与发展,使它具有了智能化控制、丰富多彩的功能性、建筑一体化等特点。这也将为 LED 显示屏产业发展的新机遇。第三,LED 产业将会向着规格化、系列化、标准化的发展,使显示屏产业 整体更加具有国际竞争力。 二、LED 显示屏的相关概念 （一）LED 显示屏的概念 LED 显示屏(LEDpanel):LED 就是 Iighiemittingdiode,发光二极管的英文缩写,简称 LED。它是一种通 过控制半导体发光二极管的显示方式,用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各 种信息的显示屏幕。 （二）LED 的发光原理 LED 是由半导体材料制作而成的，它的核心是 PN 结。具有一般 P-N 结特性：正向导通，反向 截止和击穿特性。在一定条件下，LED 还具有发光特性。在正向电压下，电子从 N 区注入 P 区， 而空穴从 P 区注入 N 区。进入到对方的少数载流子（简称少子）一部分会和多数载流子（简称多子） 复合发光。 假设发光是在 P 区中发生的，注入的电子和价带中的空穴直接复合发光，或者说先被发光中心捕 获后，然后再和空穴复合而发光。此外，还有一些电子被非发光中心（位于导带、价带中间的附近） 捕获，然后再与空穴复合，释放的能量并不大，所以不能够形成可见光。复合产生的能量将会以光或 者热的形式而发散出来。由于复合是在少子的扩散区内发光的，所以光是在靠近 PN 结面内产生。当 电能转化成光能时，发出的光能的能量相当于半导体材料的带隙能量 （即半导体材料的禁带宽度） 。 （三）LED 的基本特征 目前市面上可以见到的单颗封装单、多芯片型白光 LED 的功率为 1w，3w，5 w， 10 w， 15 w， 20 w 等系列产品，正向压降 VF比一般的有色 LED 光一黄光的 LED 驱动电压只要 1V 到 2V 左右。 具体的综合电参数见表 1.1 所示。 表 1.1 LED 土要的电参数 LED 的伏安特性如图 1.1 所示，特性方程如（1.1）所示： 3 （1.1） 1 F FS qV kT II e 其中：几为正向电流，VF为正向电压，k 为波尔兹曼常数，T 度，IS 为正向饱和电流，q 为电子 电荷量。 0a 段：正向死区只有当正向电压 VF大于死区门槛电压时，LED 才一会导通。绿色开启电压一般 为 0.3-0.35 V，白光 LED 的开启电压一般大于 2.3 V。 ab 段：工作区 VF从增大电路 IF也随之增大，LED 的发光亮度也有所提升。值得注意的是，当 VF继续增大到一 定值时，需要加保护电路，否则正向电流会加大而烧毁 LED 。 0c 段：反向死区 LED 加反向电压不工作，但有很小的反向电流，一般在 A 级。 图 1.1 LED 伏安特性图 cd 段：反向击穿区 LED 反向击穿分为热击穿和电击穿（电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿）两种，电击穿是可逆的， 而热击穿是不可逆的。 4 图 1.2 LED 正偏特性曲线 如图 1.2 所示，两个白光 LED 生产商产品中各取三个样品进行正偏压 I-V 特性测试的曲线，在同 一电压下同一组产品的导通电流有 5 到 20mA 的差别。且当电压大于阂值电压后，电压的微小波动会 引起很大的电流变化。如图 1.3 所示，光通量会随着一导通电流的增大，呈现性上升。 图 1.3 LED 光通量与导通电流的关系 如图 1.4 所示，导通电流的急剧增加将导致温升过快，直接影响 LED 的光输出量和寿命。温升 将使 LED 发光主波长发生偏移，从而引起色偏。 5 图 1.4 LED 光通量与温度的关系 LED 的主波长与温度的关系符合（2.2）式： （1.2） 由（1.2）式可知，每当结温生高 10时，波长向长漂移 1 nm，且发光的均匀性、一致性变差。 因此要严格控制导通电流的大小，以便有效的控制 LED 的亮度、温升及寿命，一般驱动电流推荐为额 定电流的 70%-80%，并且使用恒流驱动，或者 PWM 脉冲电流调光的应用中，最大电流不宜超过最 小电流 3 倍，否则冲击电流会大大减少 LED 使用寿命。 （四）LED 的基本特征 目前市面上可以见到的单颗封装单、多芯片型白光 LED 的功率为 1w，3w，5 w， 10 w， 15 w， 20 w 等系列产品，正向压降 VF比一般的有色 LED 光一黄光的 LED 驱动电压只要 1V 到 2V 左右。 具体的综合电参数见表 1.1 所示。 表 1.1 LED 土要的电参数 LED 的伏安特性如图 1.1 所示，特性方程如（1.1）所示： （1.1） 1 F FS qV kT II e 其中：几为正向电流，VF为正向电压，k 为波尔兹曼常数，T 度，IS 为正向饱和电流，q 为电子 电荷量。 6 0a 段：正向死区只有当正向电压 VF大于死区门槛电压时，LED 才一会导通。绿色开启电压一般 为 0.3-0.35 V，白光 LED 的开启电压一般大于 2.3 V。 ab 段：工作区 VF从增大电路 IF也随之增大，LED 的发光亮度也有所提升。值得注意的是，当 VF继续增大到一 定值时，需要加保护电路，否则正向电流会加大而烧毁 LED 。 0c 段：反向死区 LED 加反向电压不工作，但有很小的反向电流，一般在 A 级。 图 1.1 LED 伏安特性图 cd 段：反向击穿区 LED 反向击穿分为热击穿和电击穿（电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿）两种，电击穿是可逆的， 而热击穿是不可逆的。 7 图 1.2 LED 正偏特性曲线 如图 1.2 所示，两个白光 LED 生产商产品中各取三个样品进行正偏压 I-V 特性测试的曲线，在同 一电压下同一组产品的导通电流有 5 到 20mA 的差别。且当电压大于阂值电压后，电压的微小波动会 引起很大的电流变化。如图 1.3 所示，光通量会随着一导通电流的增大，呈现性上升。 图 1.3 LED 光通量与导通电流的关系 如图 1.4 所示，导通电流的急剧增加将导致温升过快，直接影响 LED 的光输出量和寿命。温升 将使 LED 发光主波长发生偏移，从而引起色偏。 8 图 1.4 LED 光通量与温度的关系 LED 的主波长与温度的关系符合（2.2）式： （1.2） 由（1.2）式可知，每当结温生高 10时，波长向长漂移 1 nm，且发光的均匀性、一致性变差。 因此要严格控制导通电流的大小，以便有效的控制 LED 的亮度、温升及寿命，一般驱动电流推荐为额 定电流的 70%-80%，并且使用恒流驱动，或者 PWM 脉冲电流调光的应用中，最大电流不宜超过最 小电流 3 倍，否则冲击电流会大大减少 LED 使用寿命。 （五）LED 显示屏的特点 （1）使用寿命长:发光二极管的使用寿命在 10 万小时以上; (2)响应速度快:这是半导体器件共有的特点; (3)可视距离远:LED 的单点直径可达 52mm,最大尺寸显示屏可视距离 500 米以上; (4)规格品种多:LED 显示屏有室内的、户外的,有单色的、双色的、全彩色的; (5)数字化程度高:全数字化,可实现高分辨率图形方式; (6)亮度高:可用于户外,如交通灯、防雾灯等。并且亮度可以根据晴天和阴天或上午、下午的不同 亮度需求自动灵活调; (7)可视角度大:室内显示屏可达 160 度,户外的可达 120 度; (8)功耗低:每平方米最大功耗不超过 800w。 （六）LED 显示屏的动态扫描 一个 LED 数码管需要一个七段显示译码器驱动,多个 LED 组成的多为显示电路就需要给每个 LED 都用一个译码器驱动,这通常称为静态显示。所谓动态显示,就是让给为 LED 按照一定的顺序轮流 地发光显示。只要扫描频率大于 50HZ,就观察不到闪烁现象,人眼看起来很稳定。与静态驱动显示相比, 动态扫描显示具有以下优点:第一,能显著降低 LED 的功耗,这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为 重要;第二,能大大减少 LED 的外部引线,给印制板的设计和安装带来方便;第三,能采用 BCD 码多路输出 的方式,不仅使译码、驱动电路大为简化,还可以与 PC 相连等。目前,动态扫描显示技术己被广泛用于新 型数字仪表、智能仪器和智能显示屏中合实现的。 LED 的驱动方法可以分为恒压驱动、恒流驱动和扫描驱动等。由于扫描驱动可以大大简化电路,减 9 少驱动器的数目,所以常规的 LED 显示屏驱动多采用扫描的方式实现显示。在这种扫描方式下,N 行 LED 共用一个数据,每行 LED 的显示时间占一个扫描周期的 l/N。根据人眼的视觉暂留效应,只要整屏 的刷新速率大于 50Hz,就可以形成稳定的画面,N 可以取 8、16、32 等值。上面介绍的电路连接方法,就 是动态扫描的体现,在显示数据的时候,并不是把所有汉字的代码同时送出来,而是一行一行的准备数据, 当对应的行的数据准备结束后,行信号选通整屏数据就显示出来了,如果给每一行显示都延时一定时间, 看到显示屏上的内容就是一行一行的亮暗点在向下移动,但是每次只选中一行。 （七）Zigbee 无线通信技术 ZigBee 是一种短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，ZigBee 是 IEEE802.15.4 协议的代名词， ZigBee 的称呼来自于自然界中蜜蜂飞行时候的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞行和“嗡嗡”(zig)声地抖动 翅膀的“舞蹈”来与其它的蜜蜂进行信息的交流，换言之蜜蜂是依靠这样的沟通方式构成了蜜蜂群体中 的通信网络11。ZigBee 技术它相对于蓝牙和 WiFi 在面向自动化生产控制中有着更加突出的优点，从 而使得 ZigBee 技术在多种行业里边的自动化级别的控制以及在一些需要远程控制的领域，ZigBee 技 术都能够很好的发挥出它独有的特点。 ZigBee 无线通信技术它的具有很多良好的特点，它的特点基本可以概括如下： 1. 工作能耗低：ZigBee 模块在待机状态下，仅仅使用俩块常见的 5 号电池，就可以支持一个 ZigBee 节点持续工作半年到俩年之久，还有可能会更长。 2.ZigBee 使用成本很低：ZigBee 协议被重新修改之后，减低了成本，也减低了对对控制器的依 赖要求。 3.低速率数据传输：ZigBee 无线通信的速率为 250kbps，达到了低速率发送与接收信息数据的 要求。 4.ZigBee 技术近距离传输：相互毗邻的俩个 ZigBee 节点，它们的数据有效传输范围为 10-100m 之间。 5.ZigBee 技术很短时延：ZigBee 模块收到数据后的响应很快，大多只要很短的 15ms 就可以从 休眠状态转换到工作状态。 6.ZigBee 技术高容量：ZigBee 技术它能够工作不同的网络形式下，能够在不同的组网形式下正 常传输数据。 在众多的不同规范中， IEEE 802.15.4 标准是最初专为低速率个人无线区域网(LR- WPANs) 提供服务协议,在下一代无线网络技术中最有发展前景12。在人们平时能够接触 到的 ZigBee、蓝牙、wifi 通信标准中，ZigBee 协议标准的要求相对比较低。 ZigBee 技术将主要嵌入消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、 电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和 自动化13。人们在日常生活中要采取无线网络通信时，当符合下列条件中的至少一条时， ZigBee 技术首先被采用： (1)需要通信的距离不是很远； (2)通信中没有太大的数据量进行传输； (3)不需要一直更换电池，用来维持系统的通信； 10 (4)需要使用通信的设备不会太大，只能使用干电池或者数据线提供电源动力； (5)使用干电池提供电力，不需要一直供电工作的情况下； (6)当使用无线通信的范围很大时，通常采取 ZigBee 组网形式来完成无线网络的数据 传输。 三、单片机控制电路的设计 （一）单片机的概述 单片微型计算机(简称单片机,又称微控制器)作为微型计算机家族中的一员发展中的一个分支。 它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是将微处理器(计算机的中央处理单元 CpU CentralproeessingUnit)、一定容量的 RAM 和 ROM 以及 I/O 接口、定时等电路集成在一片芯片上。概 括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格低廉、为学习、应用和开发提供了便 利条件。 （二）单片机的特点 MCS 一 51 是 Intel 公司最早推出的 51 单片机,其代表产品就是 8051 系列单片机,其代表芯片包括 8051、8031、8052、8032、8751 和 8752。以后的单片机多兼容 8051,例如 STC89C51,它的内部结构和 8051 相似。其主要有微处理器、RAM、ROM、I/O 口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能 寄存器组成,在设计时可以满足控制要求。单片一机属于集成芯片,它除了具有集成芯片的特点外还有许 多特点。 (l)高度集成,体积小、制作方便。单片机内部集成 CUP、内存、1/0 口,保证控制功能的实现,双列直 插 40 引脚的单片机尺寸大约只 1.srnmxsrnrn,贴片式单片机的尺寸大约有小纽扣大小,给设计制作电路 带来了方便。 (2)灵活性好、可靠性高。在设计电路时,单片机的最小系统就可以提供电路工作所需的时序,因此在 设计电路的时候,只要根据具体要求扩展外围电路就可以达到要求。单片机的工作电压是 SV,在单片机 内固化不同的程序,实现的功能,它的误差就会控制在可控范围内。 (3)易于扩展 ROM、RAM 等资源,用途广、价格低。单片机的资源一般可以满足小系统的应用,若系 统较大,单片机可以扩展资源,它有便于扩展的结构及控制引脚,利用它们容易构成各种规模的单片机系 统和单片机应用系统。每片 STC89C52 单片机的价格大致在 8 元左右,对于学生和大多数研究开发人员 可以承担其开发经费。 （三）键盘设计 针对一些特殊场合的应用,我们在该设计中加入了按键设置。在设计时将一定量的显示信息预先存 储在单片机中,每组信息对应一个按键,当需要显示对应信息时,按键更新显示内容,这样就不用每次都要 输入数据,节省时间,方便快捷。此类方法是使用于显示信息固定,但是需要显示几种不同的信息,且重复 性比较高。加入按键更新显示内容的设计,使得应用更广一些。 （四）单片机串行通信技术 单片机与单片机,单片机与计算机之间进行信息互相传递,主要通过电线连接,而电线连接的接口就是 单片机进行外部通讯的主要部件。单片机通信可以分并行通信和串行通信。并行通信按数据的位数分 配导线,每位一根导线,数据同时传送出去,传输速度快,但是由于这种通信需要大量的导线,当传输距离远 11 或者信息量大的时候,传输数据的干扰大,架设导线需要的投资也很大,所以在非必要情况下不采用这种 传输方式,而采用串行通信。串行通信的载体就是串行口,这种方式采用按位传输,每次发送/接收一位,需 要一对导线就可以实现通信,传输速度没有并行通信快,但是传输距离远,传输数据的准确性较高,降低成 本。 （五）硬件电路板制作 电路设计自动化(ElectronieDesi,Automation,EDA)指的是计算机协助完成电路设计中的各种工作,比 如电路原理图(Schematic)的绘制、印制电路板(PCB)的设计制作、电路仿真(Simulation)等工作。随着电 子技术的发展,大规模、超大规模集成电路的使用,使 PCB 板设计越来越精密和复杂。Protel 系列软件是 EDA 软件的突出代表,它操作简单、易学易用、功能强大。 AltiulnDesigne:是 Protel99sE 和 Protel2004 的继承版,但是它自身还加入了高端的功能打破了传统 Protel 的绘制电路图操作的界限,而且更加智能化,加入了嵌入式集成芯片电路的设计,加入了 3D 的显示 效果,操作起来更加方便。总结起来,它具有如下的特点: (l)通过设计档包的方式,将原理图编辑、电路仿真、PCB 设计、FPGA 设计及打印这些功能有机结 合在一起,提供了一个集成开发环境; (2)提供了混合电路仿真功能,为设计实验原理图电路中某些功能模块的正确与否提供了方便,并提供 布线前后的信号完整性分析功能; (3)提供了丰富的原理图元器件库和 PCB 封装,并且为设计新的器件提供了封装向导程序,简化了封 装设计过程; (4)提供了层次原理图设计方法,支持“自上向下”的设计思想,使大型电路设计的工作组开发方式成 为可能; (5)提供了强大的查错功能。原理图中的 ERC(电气规则检查)工具和 PCB 的 DRC(设计规则检查)工 具能帮助设计这更快地查出和改正错误; (6)完全兼容 Protelgs、Protel99、Protel99SE、ProtelD”,并提供对 Protel99SE 下创建的 DDB 文件导 入功能,以及 OrCAD 格式文件的转换功能; (7)提供了全新的 FPGA 设计功能,这是以前的版本所没有提供的; (8)完整的板级系统设计平台。AltiumDesigner6.。是业界第一款也是唯一一款完整的板级设计解决 方案。AltiumDesigner6.o 拓宽了板级设计的传统界限,集成了 FPGA 设计功能,允许用户将系统设计中的 FPGA 与 PCB 设计集成在一起; (9)支持多种文字(中文、英文、德文、法文、日文); (10)允许用户交互式地执行并调试验证基于逻辑可编程芯片的系统设计。 本系统设计的硬件电路利用 AltinmDesigner6.0 绘制原理图。首先,选择原理图器到当前库窗口中。 其次,选择需要的器件。将要放置的器件鼠标左键单击,然后点击 Place,鼠标移动到图纸的合适位置,单击 鼠标左键,将需要的单片机等器件放置。放置结束后单击快捷菜单中的电器连接线,鼠标编程十字交叉线 形状,在元器件引脚处单击鼠标左键,然后在将鼠标移动到对应的电气连接处,再次单击鼠标左键,这样就 可以将器件连接。如果中间想要结束连接,单击鼠标右键或者按 ESC 键就可以。电路的连接不仅可以 用导线连接,还可以使用网络标号,网络相同的引脚,电气上是连接在一起的。因此,连接电路不仅可以使 用导线也可以使用网络标号,也可以同时两种方式混合使用。电路连接好以后就可以进行电气规则检查, 检查是否有错误,出现错误改正后,继续检查,直到没有错误为止。最后,新建一个 PCB 文件,在原理图中 更新 PCB 就可以将元器件的封装图更新到 PCB 图纸上,并且用辅助线显示各引脚之间的连接关系,然后 对电路布线、敷铜就可以完成 LED 显示屏硬件电路的绘制以及印制电路板的制作。 通过该软件制作的 LED 显示屏的原理图如图 2-1 所示。 12 图 2-1 LED 显示屏原理图 四、显示屏实例设计 （一）系统概述 本文介绍的基于单片机的 LED 显示屏主要分为控制卡与单元板两个部分，通过控制卡上的译码输 出电路对显示屏进行行扫描，利用 74LS595 将字模数据传送给显示屏的列，同时配以驱动电路使得显 示屏达到良好的显示效果。设计采用 8x 8 点阵组成的 16x 32 作为一个独立的单元板，采用“搭积木” 的方法，在一个以 STC89C54RD+单片机为核心的控制卡的控制下，采用串行通信，实现 LED 显示屏 的横向列向扩展。控制卡包括译码输出电路、实时时钟电路以及扩展的外部存储器电路，单元板包括 点阵显示所需的行列驱动电路以及控制信号驱动电路。控制卡与单元板之间、单元板与单元板之间通 过 20 针的排线连接，从而实现信号的传递以及显示屏的拼接。系统可实现 LED 显示屏的静态、动态 显示模式，两种字号大小以及多种字体的汉字图文显示系统总体组成框图如图 3-1 所示。 图 3-1 系统总体组成框图 13 （二）系统硬件设计 整个系统主要由单片机系统及外围电路、译码输出电路、LED 显示屏及驱动电路三部分组成 1、译码输出电路 由于本设计选择行共阴型 8x 8 点阵单元，而行驱动电路选择达林顿管 ULN2803，列驱动电路选 择 74HC595，这样，列数据给高电平，行数据给低电平，恰好可点亮点阵的一个像素。依据达林顿管 的驱动原理，其在驱动信号的同时，输出信号为反相输出，因而就需要译码输出的数据为高电平有效， 所以最终确定译码输出电路选择 CD4514 来实现。 2、LED 显示屏及驱动电路 现在市面上的点阵单元主要分为两种，行共阳型与行共阴型，行共阳型点阵单元由行输入的高电 平点亮，行共阴型点阵单元由列输入的高电平点亮，综合驱动方案，我们选择直径 5mm 的行共阴型 8x8 点阵单元 在 LED 显示屏驱动电路的选择上，由于 ULN2803 达林顿管驱动能力较强，可使得显示屏在亮度上 更加理想，而 74HC595 芯片是一种串入并出的芯片，其主要优点是具有数据存储寄存器的作用，在移 位的过程中，输出端的数据可以保持不变，同时它具有一定的驱动能力。所以最终选择 ULN2803+74HC595 的方案，配合行共阴型 8x 8 点阵单元，来完成显示屏的显示 由于控制卡与单元板之间、单元板与单元板之间需要将所需的控制信号进行传递，因此控制信号 是整个系统正常工作的桥梁。当对显示屏进行扩展，距离较长时，控制信号有所衰减，影响整个 LED 显示屏的显示效果，因此，需要将控制信号进行驱动。这里选择 74HC245 三态输出八路总线收发器作 为控制信号的驱动放大。显示及驱动电路如图 3-2 所示。 图 3-2 显示及驱动电路原理图 3、单元板之间的级联方案 当点阵显示屏尺寸扩大时，就会涉及到单元板之间的级联拼接问题，拼接时分为行扩展和列扩展 两种情况，对于行扩展，只需将单元板之间用 20 针的排线将对应信号引脚连接起来即可，而列扩展时 14 有两种方法: 一是一直串联拼接，采用这种方法相当于单元板之间进行蛇形级联，偶数行的点阵数据信息与上 一行(奇数行)成镜像关系。需要用软件采用一定的算法将其字模数据转换过来。采用这种方法时，控 制卡只须预留一个排针 二是采用并联拼接，这种连接方式软件控制简单，但这时就不可避免的涉及到一个问题，就是如 何区分不同行的数据的问题。即若所有行的