基于射频无线通信的点阵显示屏设计与实现_毕业设计(论文).doc

毕毕 业业 设设 计计 设计题目：设计题目：基于射频无线通信的点阵显示屏设计与实现 基于射频无线通信的点阵显示屏设计与实现 摘 要 led 点阵显示屏优点很多，广泛应用于各种场合。目前，采用有线方式传输显示 信息的点阵屏幕安装和更改位置不便，而采用公共无线收费网络传输方式运行费用较 高。针对以上不足之处，本研究的主要目标是实现点阵显示屏的无线控制。在上位机 pc 端输入显示的内容，通过无线收发模式，在下位机点阵屏显示接收到的内容。 本系统是以 89c51 系列单片机 stc89c51rc 作为控制核心，来控制各部分电路实 现相应的功能。从功能上划分，本系统分为上位机 pc 端界面、无线发射模块、无线接 收模块和 led 点阵屏显示模块。 上位机用 vb 语言编写可视化界面，实现显示信息的输入、字模数据的生成、串 口选择、波特率选择和数据一键发送，实现了简单的人机交互。下位机采用单片机为 主控芯片的电路，显示信息的数据存储在外扩 32k 的随机存储器 62256 中。无线通信 采用 cc1100 模块，它具有低功耗、传输距离远、抗干扰能力强和误码率低等优点。 点阵显示屏显示部分由 16 个 88 发光二极管组成，能够清晰的显示 4 个 1616 分辨 率的汉字。 关键字：关键字：单片机 点阵显示屏 射频无线通信 随机存储器 a design and realization of the rf wireless transmission led lattice screen based on micro-controller unit abstract the led lattice screen has many advantages, so it is widely used in all kinds of situations.at present, the way of displaying information transmission cable bitmap screen installation and change the position of inconvenience, and to use the public wireless charging network transmission operation cost is higher. in view of the above shortcomings, the studys main goal is to realize the led lattice screen controlled by wireless signal. in the pc the input the content of the show, through the wireless transceiver mode, the led lattice screen displays the received content. stc89c52rc of 89c51 series micro-controller unit is the core of this system, and controls every part of circuit achieving their functions.this system consist of a pc send interface, wireless transmitting module, wireless receiving modules and the led lattice screen part. the interface prepared by vb language is a visual interface, which can realize many functions，such as the input of the display information, the generation of font data, the selection serial ports, the selection of baud rate and how to transmit data with one key, realized simple human-computer interaction. the machine adopts single-chip microcomputer for a main control chip circuits, display information of the data storage expansion outside 32 k of random access memory. among them, the cc1100 wireless transmission module has many advantages, such as low power consumption and long distance transmission and strong anti-interference ability. the led lattice screen is made of 16 pieces 88 leds composition, which can clearly show four 1616 resolution chinese character. keyword: mcu；led lattice screen；rf wireless transmission；ram 目 录 1 引言.1 2 总体设计方案.2 3 系统硬件电路设计.3 3.1 核心器件介绍.3 3.1.1 stc89c51 系列单片机介绍3 3.1.2 cc1100 无线模块介绍.8 3.1.3 点阵显示屏芯片介绍10 3.2 控制板电路设计.12 3.2.1 控制板原理.12 3.2.2 外部扩展板的设计.14 3.3 点阵显示屏模块设计15 3.3.1 控制板原理.15 3.3.2 行驱动电路设计.16 3.3.3 点阵显示屏原理图设计.18 3.4 电路板焊接.19 4 系统软件设计.20 4.1 软件开发平台及开发语言介绍20 4.1.1 visual basic 6.0 开发平台20 4.1.2 keil uvision4 开发平台21 4.2 上位机管理系统程序设计.22 4.2.1 系统概要设计22 4.2.2 软件详细设计22 4.3 下位机无线收发模块程序设计.24 4.3.1 无线发射模块程序设计.24 4.3.2 无线接收模块程序设计.27 5 pcb 板的设计与实现 .28 5.1 protel 99se 介绍.28 5.2 pcb 设计主要步骤 28 5.3 led 屏 pcb 设计与实现.30 5.4 pcb 板设计注意事项 33 6 系统软硬件调试.34 6.1 stc-isp 程序下载器介绍 .34 6.2 上位机发射界面调试.35 6.3 下位机接收部分调试.35 7 结论.37 8 谢辞.38 参考文献.39 附录.40 附录 1 总电路图40 附录 2 vb 界面程序 .41 附录 3 发送端程序48 附录 4 接收端程序65 附录 5 器件清单 .89 外文资料.90 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 1 1 引言 led 点阵屏是由发光二极管按规律排列所组成的点阵显示屏幕，它可用来显示字 符、图案等信息，具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高等特 点，因此在信息显示领域得到了广泛应用。在大型商场、车站、码头、地铁站以及各 类办事窗口等越来越多的场所需要用 led 点阵显示图形和汉字。led 行业已成为一个 快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。随着信息产业的高速发展，led 显 示作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨 宣传的公众场所，例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆 报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息豆示、高速公路可变情报板、体育场 馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。显然，led 显示已成为城市亮化、 现代化和信息化社会的一个重要标志。 led 点阵显示根据应用领域和要求不同可以分为很多种。常见的是采用单片机为 控制核心的 led 点阵显示，显示的数据预先存储在 rom 中，当程序运行时，单片机 负责依序将 rom 中存储的数据进行读取、传输和显示1。这种方式优点在于廉价、现 实简单，适用于显示字符少或显示画面不大的场合，并且很少更改显示内容。但是当 显示画面大，显示内容多且较复杂，光靠单片机处理不过来，或者希望能随时改变显 示内容或画面时不方便，局限性很大。并且目前多采用有线数据传输方式的 led 点阵 屏幕安装和更换位置不便，而采用公用无线收费网络的方式费用较高。 目前，生活中常见的 led 显示屏都是采用单片机为控制核心，显示的数据预先存 储在 rom 中，当程序运行时，单片机负责依序将 rom 中存储的数据进行读取、传输 和显示。这种方式优点在于廉价、现实简单，适用于显示字符较少并且很少更改显示 内容的情况。当显示画面大，显示内容多且较复杂，光靠单片机处理不过来，或者希 望能随时改变显示内容或画面时不方便，局限性很大。并且目前多采用有线数据传输 方式的 led 点阵屏幕安装和更换位置不便，而采用公用无线收费网络的方式费用较高。 针对以上不足，本设计研究了由 pc 来控制点阵屏显示信息，基于射频无线通信技 术传输信息的点阵屏显示系统。本设计除了具有让 led 显示终端进行文本显示的基本 功能外，还区别于传统的有线方式传输显示信息，可以通过射频无线通信技术传输数 据，解决了不能随时更改显示内容的问题，在成本增加不多的情况下解决了安装和更 改位置不方便的问题，提高可移动性，也符合嵌入式系统应用的未来发展方向。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 2 2 系统总体设计方案 通过对基于射频无线通信的点阵显示屏的分析，本设计所研究的无线 led 点阵屏 分为上位机和下位机两大部分。上位机 pc 端负责显示信息的输入，用 vb 语言编写软 件界面，制作一个可以输入显示信息并一键发送的可视化界面。当输入文字信息后按 确定发送键，vb 将显示信息通过串口和无线发射模块发送出去。下位机以 stc89c51 单片机为主控芯片，用于显示信息的接收和显示，cc1100 模块接收上位机传输的显示 信息，通过单片机在点阵屏上显示。整个设计根据功能分为上位 pc 机管理模块、无线 发射模块、无线接收模块、led 点阵显示模块组成，工作流程如图 2-1 所示。 上位机 pc 端用 visual basic 语言编写软件界面，用户可以直接输入显示信息，并 确认发送显示。显示信息数据通过串口通信传送到单片机，并通过无线发射模块 cc1100 发射出去，上位机管理模块是用户和该系统进行交流的平台。下位机 cc1100 模块接收数据后通过单片机把数据存储到 ram 中，并显示的点阵显示屏上。 无线发射模块和无线接收模块采用 cc1100 无线射频通信模块，这是一款集 fsk/ask/ook/msk 支持实现信息包处理、数据缓冲、群发射、空闲信道评估、链接 质量指示和无线唤醒等多种功能为一体的高性能模块，它可以采用曼彻斯特编码进行 调制解调它的数据流，能降低误码率。 led 点阵显示模块采用 1664 像素 led 点阵屏，能清晰的呈现各种汉字和符号， 它由 1024 个发光二极管排列组合而成，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长的特 点，广泛应用于各领域。 上位机 pc 端 上位机 控制板 vb 界面输 入显示信息 cc1100 无线发射 无线发射端 无线接收端 下位机 控制板 cc1100 无线接收 led 显示屏 移位锁存 数据处理 图 2-1 系统总体方案流程图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 3 3 系统硬件电路设计 3.1 核心器件介绍 3.1.1 stc89c51 系列单片机介绍 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，它集成了中央处理单元 （mcu） 、存储器（ram/rom）和各种 i/o 接口，具有一个完整计算机所需要的大部 分部件。 本程序用到的单片机是 stc89c51，它是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片， 引脚如图 3-1 所示。 1.单片机各引脚功能介绍： (1)电源引脚 电源引脚接入单片机的工作电源 vcc（40 引脚）：接+5v 电源。 vss（20 引脚）：接地。 (2)时钟引脚 xtal1 和 xtal2 外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石 英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号2。 (3)控制引脚 rst（9 引脚）：复位信号输入端，当输入的信号连续 2 个机器周期以上高电平时 图 3-1 stc89c51 引脚图 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 4 即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器 pc=0000h，即复 位后将从程序存储器的 0000h 单元读取第一条指令码。在单片机正常工作时，此引脚 应为0.5v 的低电平。 error!/vpp（31 引脚）外部程序存储器访问允许控制端，当error!为高电平时， 单片机读片内程序存储器（4kb flash 存储器） ，但在 pc 值超过 0ffh 时，将自动转向 外部程序存储器中的程序。当error!/vpp 引脚为低电平时，对程序存储器的读操作只 限定在外部程序存储器，地址为 0000h-ffffh，片内的 4kb flash 程序存储器不起作 用。vpp 为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。对于 89c52 系列单片机，在对片 内 flash 固化编程时，加在 vpp 引脚的编程电压为+5v 或+12v。 error!/prog（30 引脚）error!为低 8 位地址锁存允许信号，在系统扩展时， error!的负跳沿用于控制把 p0 口的输出低 8 位地址送锁存器锁存起来，然后 p0 口再 作为数据端口，以实现低位地址和数据的隔离，形成分时复用。当error!是高电平时， 允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，error!信号负跳变（即由正变负）将 p0 口 上低 8 位地址信号送入锁存器3。此外，单片机在运行时，error!端一直有正脉冲信号 输出，此频率为时钟振荡器频率 fosc的 1/6， （即 6 分频） 。该正脉冲信号可作为时钟源 或定时信号使用。但是要注意，每当 89c51 访问外部 ram 时，要丢失一个error!脉冲。 此时严格意义来说，用户不宜用error!作为精确的时钟源或定时信号。 prog 为该引脚的第二功能，在对片内 flash 存储器编程时，此引脚为编程脉冲的 输入端 error!（29 引脚）为外部程序存储器读选通信号，在单片机读外部 rom 时，此 引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器 的 oe（输出允许）端，在访问外部 ram 时，error!信号无效。归纳起来为可以分为 以下几种情况：内部 rom 读取时，psen 不动作；外部 rom 读取时，在每个机器周 期会动作两次；外部 ram 读取时，两个 psen 脉冲被跳过不会输出；外接 rom 时， 与 rom 的 oe 脚相接。 (4)p0 口为单片机的引脚 32引脚 39，是漏极开路的双向 i/o 口，有两个功能：当 p0 口用作地址/数据复用口时，相当于一个真正的双向口，用作与外部存储器的连接， 输出低八位地址和输入输出八位数据；当 p0 口用作通用 i/o 口时，由于需要片外接上 拉电阻，端口不存在高阻抗状态，为一个准双向口，为保证引脚信号的正确读入，应 首先向锁存器写入 1。单片机复位后，锁存器被置 1；当 p0 口由原来的输出状态转变 为输入状态时，应首先置锁存器为 1，方可执行输入操作。 (5)p1 口为单片机的引脚 1引脚 8，是专为用户使用的准双向 i/o 口，其内部有上 拉电阻，可作为普通的 i/o 输入时，应先向端口的输出锁存器写入 1。p1 口可驱动 4 个 ls 型 ttl 负载。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 5 (6)p2口为单片机的引脚21引脚28，为一个内部上拉电阻的8位双向 i/o 口，p2口 缓冲器可接收，输出4个 ttl 门电流，当 p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高， 且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内 部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时， p2口输出地址的高八位。在给出地址”1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址 数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在 flash 编程和校 验时接收高八位地址信号和控制信号。 (7)p3 口为单片机的引脚 10引脚 17，是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，有两 个功能，作为准双向 i/o 使用，其内部有上拉电阻，还可以提供第二功能，由特殊寄 存器来设置。p3 口的第二功能如表 3-1 所示。 表 3-1 p3 口的第二功能 信道位第二功能说明 p3.0rxd串行口的输出 p3.1txd串行口的输入 p3.2error!外部中断 0 的中断请求输入 p3.3error!外部中断 1 的中断请求输入 p3.4t0计数器 0 的计数输入 p3.5t1计数器 1 的计数输入 p3.6error!外部数据存储器的写选通信号 p3.7error!外部数据存储器的读选通信号 2.单片机最小系统电路介绍 (1)时钟电路 89c51 单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍 地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响到单片 机系统的稳定性。 stc89c51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 rxd 和 txd 分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部 方式的时钟电路如图 3-2 (a) 所示，在 rxd 和 txd 引脚上外接定时元件，内部振荡器 就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡 频率可以在 1.212mhz 之间选择，电容值在 530pf 之间选择，电容值的大小可对 频率起微调的作用4。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 6 外部方式的时钟电路如图 3-2（b）所示，rxd 接地，txd 接外部振荡器。对外部 振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12mhz 的方波信号。 片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 p1 和 p2，供单片机使用。 （a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路 图 3-2 时钟电路 (2)复位及复位电路 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 pc 初始化为 0000h，使单片机从 0000h 单元开始执行程序。当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时， 需按复位键重新启动。 除 pc 之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表 3-2 所示。 表 3-2 一些寄存器的复位状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 pc0000htcon00h acc00htl000h psw00hth000h sp07htl100h dptr0000hth100h p0-p3ffhscon00h ipxx000000bsbuf不定 ie0x000000bpcon0xxx0000b tmod00h rst 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续 24 个 振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为 6mhz 的晶振，则复位信号持续时间应 超过 4us 才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图 3-3 所示。 xtal1 xtal2 晶振 外部 振荡器 +5v xtal1 xtal2 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 7 图 3-3 复位信号的电路逻辑图 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图 3-4（a）所 示。这佯，只要电源 vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位，即接通 电源就成了系统的复位初始化。这时时钟频率选用 6mhz，电容取 22uf，电阻 r 取 1k。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。电平复位是通过 rst 端经电阻与电源 vcc 接通来实现。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与 vcc 电源接通而实现 的，其电路如图 3-4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用 rc 微分电路产生的正脉冲 来实现的，其电路如图 3-4（c）所示。 （a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位 图 3-4 复位电路 上述电路图中的电阻、电容参数适用于 6mhz 晶振，能保证复位信号高电平持续 时间大于 2 个机器周期。 本系统的复位电路采用图 3-4（a）上电复位方式。 rst/vpd 片内 ram vss 施密特 触发器 复位电路 vcc 80c51 vcc rst/vpd vss vcc c + 22uf r 1k reset c + 22uf vcc r 200 vcc rst/vpd vss 80c51 r 1000 reset 80c51 vcc rst/vpd vss vcc c + 22uf r1 1000 r2 1000 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 8 89c51 单片机功能如表 3-3 所示。 表 3-3 stc89c51 主要功能 主要功能特性性能介绍 兼容 mcs51 指令系统8k 可反复擦写 flash rom 32 个双向 i/o 口256x8bit 内部 ram 3 个 16 位可编程定时/计数器中断时钟频率 0-24mhz 2 个串行中断可编程 uart 串行通道 2 个外部中断源共 6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 3.1.2 cc1100 无线模块介绍 这是一款由美国 ti 公司的 cc1100 无线收发设计的一款高性能 433m 无线收发模 块，设计旨在用于极低功耗 rf 应用。其主要针对工业、科研和医疗以及 470-510mhz 和 950-960mhz 频带的短距离无线通信设备。它特别适用于那些针对日本 arib std- t96 标准和中国 470-510mhz 短距离通信设备的无线应用。 cc1100 可支持固定数据包长度协议和可变数据包长度协议。可变或固定数据包长 度模式可用于长达 255 字节的数据包。对更长的数据包而言，必须使用无长度限制的 数据包模式。在可变数据包长度模式下，通过同步字后面的第一个字节来配置数据包 长度。数据包长度被定义为有效负载数据，但不包括长度字节和可选 crc。 cc1100 支持三种不同类型的数据包过滤：地址滤波，最大长度滤波和 crc 滤波， 最大限制的避免了错误代码的接收。 cc1100 无线模块采用 gfsk 调制，工作在 433.05-434.79m 的国际通用 ism 频段， 最高调制速率可达 500kbps。基于 spi 接口方式，最少只需 5 个 io 口即可，很方便于 各种 mcu 连接5。管脚定义如表 3-4 所示。 表 3-4 cc1100 模块引脚表 管脚次序管脚定义功能描述 13.3v电源输入（方形焊盘） 2sispi 输入 3sckspi 时钟 4sospi 输出 5gdo2通用数据输出 2 6gnd接地 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 9 7gdo0通用数据输出 0 8csnspi 使能 模块大小 40mm19mm，2.0mm 间距的双排插针接口（注意：万能版的孔间距为 2.54mm，模块的引脚间距为 2.00mm，需要使用 2.54mm 转 2.00mm 的杜邦线才能连接） ，使用外置弹簧天线设计，开阔地 100k 速率下，收发 10 个字节的数据量测试距离最 远约 300 米左右。 cc1100 性能优势明显，归纳为以下几点： (1)工作频率 433m 符合国际通用 ism 法规, 430-464m 宽频工作，满足多点通信 和跳频通信需要。 (1)支持 2fs, gfs 和 msk 调制方式。 (2)内置硬件 crc 校验和点对多点通讯地址控制。 (3)快速启动时间，从休眠到 rx 或 tx 状态 240us。 (4)内置硬件 crc 校验和点对多点通讯地址控制。 (5)低功耗，休眠状态时，电流仅为 0.1ua。 (6)模块所有的 io 口均加隔离电阻保护，静电防护和抗干扰能力更好。 cc1100 属于高精度器件，使用时要格外注意，具体注意事项可以归纳为以下几点： (1)静电：无线模块为静电敏感器件，使用时请注意静电防护，特别是在干燥的冬 季 尽量不用收去触摸模块上的器件，以免造成不必要的损坏。 (2)电源：无线模块推荐使用纹波小的直流电源，工作电压建议在 3.3v 工作。模块 的接地要稳定可靠，地线尽量靠近电源总地。如使用开关电源的话，一定要加强退藕， 以免开关电源的纹波和尖峰脉冲影响模块的工作特性。 (3)单片机：如果模块工作在 3.3v 时，不考虑低功耗的话，可以直接和 5v 单片机 系统连接，如果是连 51 系列的单片机 p0 口的话，请加 10k 的上拉电阻。另模块的 spi 速率最高能支持到 10m，一般建议在 1m 或几百 k 的 spi 速率即可。 (4)测试：模块采用外置弹簧天线，此天线容易受外部线路影响，使用时，此天线 底下和周围请不要走线路或摆放器件，可以的话最好完全悬空。对 433m，各种材质均 有一定的影响，一般的塑料影响不大，如有金属物体会产生比较明显的影响，此时建 议使用 sma 馈线来外接 sma 天线。有关模块使用的芯片详细规格请参考 ti 公司的 cc1101 的 datasheet。 cc1100 无线模块应用范围非常广，控制处理、无线数据连接、遥测、小型无线网 络；车辆监控、防盗；机器人控制，飞思卡尔智能车控制；智能家庭、家居应用和无 线传感、安全系统；智能玩具；无线抄表、门禁系统、小区传呼；工业数据采集系统、 生物信号采集、水文气象监控；游戏无线控制器；无线传感器、无线语音。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 10 3.1.3 点阵显示屏芯片介绍 1. 74hc595 芯片介绍 74hc595 是具有 8 位移位寄存器、1 个存储器和三态输出功能的芯片6。其中， 移位寄存器和存储器分别使用不同的时钟。数据在 sh-cp（11 引脚）的上升沿输入到 移位寄存器中，在 st-cp（12 引脚）的上升沿输入到存储寄存器中去。当两个时钟连 在一起时，则移位寄存器会一直比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移 位输入端（14 引脚 ds） 、一个串行输出（9 引脚error!）和一个异步的低电平复位，存 储寄存器有一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能端 oe 为低电平，存储寄 存器的数据输出到总线。74hc595 引脚图如图 3-5 所示。 图 3-5 74hc595 引脚图 74hc595 芯片总共 14 个引脚，是双列直插型封装。各引脚功能如下表 3-5 所示： 表 3-5 74hc595 引脚功能图 引脚功能 q0-q7八位并行输出端 error!级联输出端，将它接下一个 595 的 ds ds串行数据输入端 error!低电平时将移位寄存器的数据清零 st-cp 上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器， 下降沿时存储寄存器数据不变 sh-cp上升沿时数据寄存器的数据移位 oe高电平时禁止输出 74hc595 作为 8 位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态的 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 11 功能。它可以将串行输入的 8 位数字，转变为并行输出的 8 位数字，例如控制一个 8 位数码管，将不会有闪烁7。74hc595 的逻辑功能如下表 3-6 所示。 表 3-6 74hc595 的逻辑功能表 sh-cpst-cpoemrdserror!qn xxlxncmr xllxll xxhlxlz xlhhq6nc xlhxncqn lhxq6qn 将 74hc595 的 q0q7 接点阵的行或者列的 8 个引脚，将串行数据从 ds 端输入， st-ch 接收脉冲，每来一个脉冲串行数据从低位向高位移位，并且各自送到相应的 qn 端。当 q0q7 端全部送满数据时，shck 来个脉冲将 q0q7 的数据送出，被送到 点阵的引脚，从而实现一行或者一列的驱动。就这样，每次驱动一行，当动态扫描起 来就可以实现动态扫描而呈现数字8。 2. 74hc154 芯片介绍 74hc154 是一种高速的 cmos 器件，用于 4 线-16 线译码的高性能存储器的译码 器，可接受 4 位高电平有效的二进制输入，并提供 16 个互斥的低电平有效的输出信号。 如图 74hc154 的引脚如图 3-6 所示。 图 3-6 74hc154 的引脚图 74hc154 译码器的两个输入使能端可用于译码器选通，当选通使能端 g1（18 引 脚）和 g2（19 引脚）均为低电平时，可将地址端 abcd（20 到 23 引脚）的二进制， 编码在一个对应的输出端，以低电平译出。若将 g1 和 g2 中的一个作为数据输入端， 由 abcd 对输出寻址，74hc154 还可作 1 线16 线数据分配器。74hc154 的真值表 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 12 的如表 3-7 所示。 表 3-7 74hc154 真值表 inputselected output(l) g1g2dcba l l l l l l l l l l l l l l l l l l h h l h l h yo y1 y2 y3 l l l l l l l l l l l l h h h h l l h h l h l h y4 y5 y6 y7 l l l l l l l l h h h h l l l l l l h h l h l h y8 y9 y10 y11 l l l l l l l l h h h h h h h h l l h h l h l h y12 y13 y14 y15 x h h x x x x x x x x x none none 上表中，l 表示低电平，h 表示高电平，x 表示任意电平，不关心。 3.2 控制板电路设计 3.2.1 控制板原理 单片机控制板包括单片机最小系统和 cc1100 供电电路，由于单片机高电平为 5v 低电平为 0v，而 pc 端 usb 输出高电平为-12v 低电平为+12v，需要通过串口和 max232 电平转换芯片实现电压的转换，才能满足单片机与上位机的串口通信以及程 序的下载的基本条件。 实际设计中，使用了 usb 转 ttl 下载小板，这是一种可以直接把+12v 和-12v 电 平转换成 ttl 电平，并且可以与 pc 进行串口通信。因此实际设计中取消了 max232 和串口部分。 在设计中考虑到连线很多，板子上把各个 i/o 口引出来，焊接了插针，这样便于 和其他电路板的连接，使用起来更方便，起到了单片机最小系统的作用。 本方案无线发射部分采用集成的 cc1100 无线模块简化了设计，单片机只提供与 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 13 发射模块的借口即可进行数据传输。由于发射模块需要 3.3v 供电，本方案采用 ams1117-3.3 给 cc1100 供电。 asm1117 是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个 pnp 驱动的 npn 管组成的。asm1117 有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是 1.2v，1.5v，1.8v，2.5v，2.85v，3.0v，3.3v 和 5.0v。片内过热切断电路提供了过载 和过热保护，以防止环境温度过高的结温。为了确保 asm1117 的稳定性，对可调电压 版本，输出需要连接一个至少 22uf 的电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容， 具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。 cc1100 无线模块供电电路硬件电路如图 3-7 所示。 图 3-7 cc1100 无线模块供电电路 设计好的控制板原理图如下图 3-8 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8 paizhen p3 sck so gd02 gdo0 csn gnd v3 si gnd1 out2 in 3 ams1117 am s1 gndvcc v3 gndgnd 10uf c5 10uf c6 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst/vpd 9 rxd/p3.0 10 txd/p3.1 11 int0/p3.2 12 int1/p3.3 13 t0/p3.4 14 t1/p3.5 15 wr/p3.6 16 rd/p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 stc-89c52 u1 8051 30pf c1 30pf c2 12 11.0592 y1 gnd s10 vcc 10k r1 gnd rst rst vcc gnd vcc 1 2 3 4 5 6 7 8 paizhen p3 sck so gd02 gdo0 csn gnd v3 si sck so gd02 gdo0 si csn gnd1 out2 in 3 ams1117 am s1 gndvcc v3 gndgnd 10uf c5 10uf c6 d1 10uf c3 p31 p30 1 2 3 4 5 6 7 8 paizhen p1 paizhen 1 2 3 4 5 6 7 8 paizhen p2 paizhen 2 3 4 5 6 7 8 9 vcc 1 p4 paizu p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p35 p36 p37 p33 p34 p32 1k r2 1 2 + powe r p5 gnd vcc 1 2 t iaoxian u5 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p26 p27 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 14 图 3-8 控制板原理图 点阵屏控制板电路与单片机发射控制板基本相同，不同之处是将 p1 口引出与点阵 屏相接。 3.2.2 外部扩展板的设计 本设计中点阵显示信息需要的数据存储在外部存储器 62256 中，这是一款 32k 的 低功耗静态存储器。 stc89c51 单片机系统扩展时，一般使用 p0 口作为地址低 8 位（与数据口分时复 用），而 p2 口作为地址高 8 位，它共有 16 根地址总线，寻址空间为 64kb9。62256 芯片引脚图如图 3-9 所示。 图 3-9 62256 芯片管脚图 62256 是 32k 的低功耗静态 ram 存储器，用 p0 和 p2 来扩展外部 ram（就是用 p0 和 p2 与 62256 对应的管脚相连接）。假设 p2.7 接 wr，p2.6 接 rd，p2.5 接 cs， 那么就可以确定一个外部 ram 的一个地址，想往外部 ram 的一个地址写一个字节时， 地址可以定为 xbyte 0x4000，其中 wr，cs 为低，rd 为高，那就是高位的 4（0100 也就是 p2.7 和 p2.5 输出了低电平，而 p2.6 输出了高电平，目的当然是要选 通 62256 并且向 62256 写入数据），其它位的可以根据情况自己定（也就是其它位是 什么不要紧，关键就是控制 wr，cs，rd 的那几个位要符合选通，读写的规定就可以 了）,现在我们向 62256 中写个 26 进去就可以使用这条语句：xbyte 0x4000 = 26。 设计好的 62256 与单片机连接图如图 3-10 所示。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 15 图 3-10 62256 与单片机连接图 图 3-10 中把 62256 需要与单片机相连的 p0 口、p2 口和 wr、rd、ale 用插针的 方式表示，方便画图。同时设计的设计中，外扩小板也是这样焊接的，只需用杜邦线 和单片机的对应口相连就可以。 3.3 点阵显示屏模块设计 3.3.1.点阵屏显示原理 led 为发光二极管的简称，是一种能将电能换转为光能的器件，当有电流通过的 时候可以产生人眼可见的光。本设计的点阵显示屏由 16 个 88 点阵 led 组成，可以 同时清晰的显示 4 个 1616 分辨率的点阵汉字。 led 显示器常用的工作方式有静态显示方式和动态显示方式。所谓静态显示就是 当显示器显示一个字符时，相应的发光二极管始终保持导通或截至，在显示的这个过 程中，其状态是静止不变的，直到一个字符显示完，要显示下一个字符，其状态才改 变。而动态显示方式则不同，它在显示每一个字符的过程中，都是一位一位的轮流点 亮要显示的各个位，这样反复循环。动态显示利用了人眼的视觉残留性质。 外形上，88 点阵共由 64 个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和 列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置低电平，则相应的二极管就亮； 如要将第一个点点亮，则 y0 脚接高电平 x7 脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要 将第一行点亮，则第 y0 脚要接高电平，而（x0、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7） 这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第 x7 脚接低电平， 而（y0、y1、y2、y3、y4、y5、y6、y7）接高电平，那么第一列就会点亮。点阵屏 内部电路图如图 3-11 所示。 oe 1 o0 2 d0 3 d1 4 o1 5 o2 6 d2 7 d3 8 o3 9 gnd 10 le 11 o4 12 d4 13 d5 14 o5 15 o6 16 d6 17 d7 18 o7 19 vcc 20 74ls373 u? 74ls373 a14 1 a12 2 a7 3 a6 4 a5 5 a4 6 a3 7 a2 8 a1 9 a0 10 i/o0 11 i/o1 12 i/o2 13 gnd 14 i/o3 15 i/o4 16 i/o5 17 i/o6 18 i/o7 19 cs 20 a10 21 oe 22 a11 23 a9 24 a8 25 a13 26 we 27 vcc 28 62256 u? 62256 gnd vcc 1 2 3 4 5 6 7 8 p2口 8 header 1 2 3 j2 con3 wr(16) rd(17) ale(30) 1 2 3 4 5 6 7 8 p0口 8 header 1 2 3 4 5 6 7 8 p0口 header 8 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 16 图 3-11 88 单色 led 模块内部电路 一般我们使用点阵显示汉字是用的 1616 的点阵宋体字库，所谓 1616，是每一 个汉字在纵、横各 16 点的区域内显示的。也就是说得用四个 88 点阵组合成一个 1616 的点阵10。 如下图 3-12 所示，要显示“你”则相应的点就要点亮，由于我买的点阵在列线上是 低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字的话，它的位代码信息要 取反，即所有列送(1111011101111111，即 0xf7 和 0x7f)，而第一行送 1 信号，然后第 一行送 0；再送第二行要显示的数据送 (1111011101111111，即 0xf7 和 0x7f)，而第二 行送 1 信号。依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用， 这样送 16 次数据扫描完 16 行后就会看到一个“你”字。 图 3-12 汉字“你”的字模信息和显示 3.3.2 行驱动电路的设计 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 3-13 所示。 唐唐 山山 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 17 64 02 . 0 8.21 a a i i b c 图 3-13 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=1a 则在三极管上的管耗为 1a0.7v=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。 行驱动电路元件参数的计算，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 64 点。共 64 个 led。普通 led 的安全工作电流在 520ma 之间，为 获得较高亮度，又要兼顾其工作寿命。本设计中，每只 led 工作电流取 20ma。 如此可知，当一行全点亮的时候 总电流：it=ic=0.02a64=1.28a 管耗: pc=icvcesat(管饱和压降)=1.28a0