基于单片机的LED显示屏设计

PAGEPAGE34目录TOC\o"1-3"\h\z第一章绪论 1第一节什么是LED显示屏 1第二节LED显示屏的广泛应用 1第三节LED显示屏的发展 1第四节LED显示屏的特点 2第五节LED显示屏的分类 2第六节LED显示屏发展趋势 3第七节小结 4第二章方案论证 5第三章硬件设计部分 7第一节系统的工作原理 7第二节单片机外部扩展电路 8第三节数据输出电路 19第四节时钟脉冲电路 21第五节移位寄存电路 22第六节显示电路 25第四章软件设计部分 26第一节串行通讯 26第二节串行口工作方式 26第三节波特率的设置 26第四节编程思想 27结束语 29致谢 30参考文献 31附录A流程图及程序 32附录B电路原理图 38第一章绪论第一节什么是LED显示屏LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的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显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。第二节LED显示屏的广泛应用信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。随着LED材料技术和工艺的提升，LED显示屏（ledpanel）以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，他是通过一定的控制方式，用于显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的LED器件阵列组成的显示屏幕。以其独具一格的优势，成为信息传播的重要媒体，在社会经济的许多领域得到广泛应用，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示（2）机场航班动态信息显示（3）港口、车站旅客引导信息显示（4）体育场馆信息显示。（5）道路交通信息显示（6）调度指挥中心信息显示（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示（8）广告媒体新产品（9）演出和集会（10）展览会第三节LED显示屏的发展随着大规模集成电路和计算机技术的高速发展，led得到了飞速发展，从93年至今，全国LED市场保持持续增长，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场。在2001年全国LED显示屏市场销售额中，LED显示屏专业委员会成员单位占80%，有16亿多。国内LED显示屏产品及市场发展迅速，厂家众多，但目前主导骨干企业群尚在形成之中，处于群雄逐鹿的时代。随着LED显示产品行业的竞争逐步变得有序，市场即将转入规模化、品牌化竞争，当逐步形成实力占据市场分额50%以上的三到五家企业时，显示屏市场将趋于成熟。根据LED显示屏专业委员会的统计，2001年成员单位的出口额约为4亿元人民币，这是LED显示屏走向国际市场的良好迹象。国产LED显示屏走出国门加入国际市场将使LED产业得到大的提升。

我国近年LED显示屏市场增长率如图所示（单位：亿元人民币）第四节LED显示屏的特点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：发光亮度强，在可视距离内阳光直射屏幕表面时，显示内容清晰可见.超级灰度控制具有1024-4096级灰度控制，显示颜色16.7M以上，色彩清晰逼真，立体感强.2）静态扫描技术，采用静态锁存扫描方式，大功率驱动，充分保证发光亮度.3）自动亮度调节具有自动亮度调节功能，可在不同亮度环境下获得最佳播放效果.4）全面采用大规模集成电路,可靠性大大提高，便于调试维护.5）全天候工作，完全适应户外各种恶劣性环境，防腐，防水，防潮，防雷，抗震整体性能强、性价比高、显示性能好，像素筒可采用P10mm、P16mm等多种规格.6）先进的数字化视频处理，技术分布式扫描，BSV液晶拼接技术高清显示，模块化设计/恒流静态驱动，亮度自动调节，超高亮纯色象素，影像画面清晰、无抖动和重影，杜绝失真。视频、动画、图表、文字、图片等各种信息显示、联网显示、远程控制.作为新一代的显示媒体，已广泛应用于各行各业。以其现代化、智能化的姿态用于企、事业单位形象宣传和公共场所信息显示，已成为不可或缺的显示窗口，成为信息传播的重要媒体。LED显示屏的分类一、按颜色基色可以分为：

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二、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。

三、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。

四、按发光点直径分类：

室内屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm

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。尽管LED显示屏的种类很多，而且发展更迅速、更先进，但由于知识储备的限制，和个人能力有限，我选择单色显示屏作为这次设计的主要设计方案。第六节LED显示屏发展趋势一、高亮度、全彩化

蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。全彩色LED显示屏将是LED显示屏的重要发展方向。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，全彩色LED屏将会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。

二、标准化、规范化

材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发燕尾服的一个新趋势。在市场竞争条件下，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准，行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，待业的发展将趋于有序。三、产品结构多样化

信息化社会的形成，LED显示的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要示诉小型LED显示会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。LED的发展前景广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化方向发展。第七节小结现代信息社会中，作为人-机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示作为平板显示的主要产品之一无疑会有更大的发展。[8][13]第二章方案论证LED大屏幕显示从显示方式来分，可分为静态显示和动态显示两种。从它显示的方式来看有两种方案可以选择，下面通过对这两种方案的比较讨论，从而选择更为合适的方案进行设计。方案一：静态显示是由单片机一次输出显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示每一个象素需要一套驱动电路，如果显示屏为n*m各象素屏，则需n*m套驱动电路；以8*8点阵为例，则需要64套驱动电路。之所以称之为静态显示，是由于显示屏中的各点相互独立，而且各点的显示情况已经确定，相应锁存器的输出将维持不便，直到显示另一种情况为止。也正因为如此，静态显示器的亮度都较高。这种显示方式接口，编程容易，管理也简单，且占用机时少，显示可靠，付出的代价是占用口线资源较多。但采用静态显示技术，画面稳定，无杂点，图像效果细腻、清晰；动画效果生动、多样；视频效果流畅、逼真高亮度，色彩鲜艳，视角大，寿命长（大于10万小时），稳定性高，响应速度快等特点方案二：动态显示采用多路复用技术，如果是p路复用的话，则每p个象素需一套驱动电路，n*m个象素仅需n*m/p套驱动电路。以大屏幕显示器为8*64点阵为例，可将大屏幕分成8个8*8点阵的LED显示块拼装而成。将8个块的行线相应的并接在一起，形成8路复用，经由p1口输出的行扫描信号进行驱动。8个块的列线分别经由各串入并出移位寄存器的输出进行驱动。采用此方式，在某一时刻，只让某一行的行选线处于选通状态，而其他各点的行选线处于关闭状态，列选线同样一列选通而其他关闭，这样就可选通一点亮，以此方式循环下去，就可以显示各点的显示情况，虽然这些点的现实情况是在不同时刻出现的，而且同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭，但由于人眼视觉暂留现象，只要每点显示间隔足够短，则可造成多点同时亮的假象，达到显示目的。对动态显示而言，P愈大驱动电路就愈少，成本也就愈低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。但采用动态显示占用机时长，只要单片机不执行显示程序就立刻停止。且存在闪烁、抖动等缺点，况且较静态显示亮度较弱。由以上两个方案比较可知，当系统中LED数量较多时，采用动态显示的方法较为经济，但从设计要求来看，显示屏是192*576的超大屏，系统中LED的数量远远超过数百只，如果仍采用动态显示的方法，会使系统变得较为复杂，可靠性降低，且成本下降有限。且动态显示后的亮度不够使大屏幕不足够清晰，为此选用静态扫显示法。从显示更新的方式来看，可分为动态扫描和静态扫描两种方式。因为此设计总体思路是将大屏幕划分为24块，每块24列，逐块刷新，而不是整个大屏幕的点阵同时显示，故不是静态扫描方式而是动态扫描方式，所以总的来说采用的是动态扫描，静态驱动方式对系统进行设计。[1][3]第三章硬件设计部分本设计做的题目是《大屏幕控制系统》，它由上位机和下位机组成，本设计主要实现下位机的功能，由单片机以串行方式接收从计算机串行口232发送来的要显示的图形，并存储在片外RAM中。根据系统命令要求将显示内容送向大屏幕，即根据不同要求可以以不同的方式显示图象，逐行刷新、逐列刷新、隔行隔列刷新，也可以以图形方式如扇形，百叶窗形等等，这里我们选择实现大屏幕逐块刷新。系统大致分为单片机外部扩展电路，数据输出电路，时钟脉冲电路，移位寄存电路和显示五大部分。第一节系统的工作原理系统将192*576大屏幕分为24块，每块24列。通过指令逐块刷新。若以8*8点阵为单位，将每一块分成24*3小块，以第一行为例，说明其工作原理：由于是8*8点阵屏设计，需要端口16个，可采用静态显示模式，用P0口控制行，P1口控制列，通过软件编程，即可实现汉字的显示，并可上移下移，左移，右移，动态流动显示。首先单片机以串行方式接受从串行口232发送来的图形文字点阵数据并存储在片外RAM62256中，通过74LS138地址译码器对二个74HC573锁存器进行片选，锁存并输出24位数据，MCS--51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的8位单片微型计算机，包含51和52两个子系列。51子系列的典型产品有8031，8051和8751三种机型52子系列包括8032，8052二种主要机型。ATMEL89S51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89S51是一种低工耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。依此原理，将24块逐块刷新达到最终显示目的。系统方框图如下：单单片机LED显示点阵行驱动器电源LED显示点阵行驱动器电源图3—1系统结构方框图第二节单片机外部扩展电路ATMEL89S51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89S51是一种低工耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。之所以我们没有选择带有片内ROM的单片机，是因为对于大屏幕系统来说，对程序存储器的容量要求很大，因为大屏幕的显示形式是多种多样的，变化无穷，这就需要较大的程序存储器来存储不同显示形式的各种程序，况且因为系统对数据的存储能力要求较高，使用带有片内ROM的单片机同样需要扩展外部数据存储器，并没有简单和方便很多，反而可能带来不便，所以本设计选择80C31。80C31单片机内部有128个字节RAM存储器，CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令，但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存储器是远远不够的，为此需扩展外部数据存储器，因为整个大屏幕是由十万多个点组成的,每个点占一个位,这就需要大约13K字节容量,所以在这里我们选用32K的62256RAM。TSC89C51单片机（一）概述89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案,从里面收货了很多。它包含了下面：8位CPU；振荡频率1.2～12MHZ；128个字节的片内数据存储器（片内RAM）；21个专用寄存器；4KB的片内程序存储器（8031无）；8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；一个全双工串行I/O口；2个16位定时器/计数器；5个中断源，分为2个优先级；虽然89C51的型号有很多种，而且每种型号的单片机的性能都很好，但从我们的设计来看，大屏幕显示系统是一个耗能较大的系统，所以不能使用低能量方式的型号，因为对频率的要求不是很高，只不过是控制显示屏的更新速度，频率越大更新速度就越快，但他的更新频率还要考虑到其他芯片的工作速度,像数据存储器的存储速度等,所以又不能盲目选择,考虑到程序数据存储器的工作速度不是很高，较高频率可能使其不能正常工作，故选择12MHz晶振的单片机。（二）特点与MCS-51微控制器产品系列兼容片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器32条可编程I/O线程序存储器具有三级加密保护可编程全全双工串行通道空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容而且与87C51系列的引脚也完全兼容数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz两个16位定时器/计数器低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路（三）片内总体结构89C51片内总体结构的详细框图如图3-2所示。它主要由九个部件组成，一个8位的中央处理器；片内数据存储器（RAM128B/256KB）；128字节/256字节的数据存储器（RAM）；32条I/O口线；2个或3个定时器/计数器；片内4kb程序存储器FlashROM；用于存放程序、一些原始数据和表格；特殊功能寄存器（SFR）；以及一个片内振荡器和时钟电路。这九个部件都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依然是通过CPU加上外围芯片的结构模式。但在功能单元的控制上却有了重大变化，采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。图3—2总体结构框图图3—389C51引脚结构图（四）芯片的引脚说明1、主电源引脚VCC和VSSVCC在正常待机、掉电、操作时提供+5v电压VSS接地端2、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3 （1）P0口P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。（2）P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（3）P2口P2口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。（4）P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故,P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0RXD（串性输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2（外部中断0输入）P3.3（外部中断1输入）P3.4TD（定时器0输入）P3.5TI（定时器1输入）P3.6（片外数据存储器写选通）P3.7（片外数据存储器读选通）作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如上，值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口能驱动3个低功耗LSTTL逻辑电路的输入端，能在没有外部上拉作用的情况下驱动CMOS输入端。设计中主要应用了P3口的P3.0、P3.1、P3.6、P3.7口。P3.6（），P3.7（）作为选通信号与片外数据存储器相连接。3、控制或与其它电源复用引脚（1）复位单片机的复位都是靠外部电路实现的，在振荡器运行的情况下，要实现复位，必须使RST引脚保持2个机器周期的高电平。复位电路的核心就是必须保证RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样就能实现可靠的复位。推荐在此引脚与Vss引脚之间连接一个约8.2KΩ的下拉电阻，与Vcc引脚之间连接一个约10ｕF的电容，以保证可靠的复位。复位操作使P1、P2、P3口都为1，这种操作可以达到异步目的，虽然振荡器还没有开始工作。设计中选用上电复位。如下图3-5所示：图3—5复位电路（2）ALE当访问外部存储器时，ALE的输出把地址的低字节锁存到外部锁存器。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出正脉冲信号，因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL逻辑电路的输入端，它没有外部上拉可以驱动CMOS输入端。（3）是外部存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储器取指令期间，在每个机器周期内两次有效，但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。在从内部程序存储器取指令时不工作。可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL逻辑电路的输入端，它没有外部上拉可以驱动CMOS输入端。（4）当保持高电平时，cpu访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（8031）或1FFFH（8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当保持低电平时，cpu只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。必须不能悬空4、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，他是一个反相放大器构成的振荡电路的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当外部振荡器工作时，此引脚作为驱动端接收外部振荡器信号。XTAL2接外部晶体的另一端。在单片机内部，他是一个反相放大器构成的振荡电路的输出端，当外部振荡器工作时，此引脚应悬空。(五)、待机和掉电方式处理图3—6介绍了内部待机和掉电方式时钟结构，图表明，掉电方式使振荡器停止工作，待机方式语序中断、串行口、定时器在cpu的时钟关闭时，继续执行其功能。这些特殊方式被经过特殊功能寄存器软件PCON（电源控制）所激活，它的硬件地址是87H，PCON没有位寻址功能。图3—6待机和掉电方式硬件图PCON：电源控制寄存器(MSB)(LSB)SMODGF1GF0PDIDL本设计中并没有应用到待机方式和掉电方式，所以这里不做详细说明了，而且电源控制寄存器的后几个标志符也就没有发挥其作用，但系统应用到了串行口方式，所以SMOD标志符保留其功能。表3—1电源控制寄存器功能表标志符位置名称及功能SMODPCON.7双波特率选择位，SMOD=1，在串行口方式1，2，3情况下波特率提高一倍一PCON.6无定义一PCON.5无定义一PCON.4无定义GF1PCON.3通用标志位GF0PCON.2通用标志位PDPCON.1掉电方式位,设置该位来激活掉电方式工作IDLPCON.0待机方式位,设置该位来激活待机方式工作如果将PD和IDL同时置1，先进入掉电方式。单片机复位时，PCON的状态为（000x0000）时钟停止方式静态标志，TSC80C31/80C51时钟速度能减少到0MHz而不丢失存储器和寄存器中的任何数据，这种方式允许按步使用，而且允许通过将时钟频率降低到任意值来减少系统能量消耗。在0MHz，能量消耗和在掉电方式下是相同的（六）、振荡器特点一个用于构成振荡器的反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端，如图3-7所示，使用石英晶体或陶瓷谐振器。图3—7石英晶体振荡器采用外部时钟方式，外部信号接至XTAL1，而XTAL2可处于不接状态如图6所示，外部振荡信号通过一个2分频的触发器而成为内部时钟信号，对外部信号的占空比没有什么要求，但在具体的数据菜单上高电平持续时间和低电平持续时间必须注意。图3—8外部振荡信号结构图这里我们选择内部时钟方式，12MHz的晶体振荡器如图3-7[2][9]二、最小应用系统 能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对于片内有ROM/EPROM/FLASHRAM的单片机，构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路、复位电路和电源即可，如图所示XTAL1XTAL1P2.7~2.0XTAL289S51RSTALEP0.7~0.0地址锁存EPROMXTAL1P0P1XTAL2P2P3RST89S51图89S51单片机最小应用系统由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点是：①有可供用户使用的大量I/O口线，P0、P1、P2、P3都可用作用户I/O口用。由于没有外部存储器扩展，应接高电平。②内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。③应用系统开发具有特殊性。由于这类应用系统应用程序量不大，外电路简单，因而采用模拟开发手段较好。对于片内无ROM/EPROM/FLASHRAM的单片机，其最小系统除了外部配置时钟电路、复位电路和电源外，还应在片外扩展EPROM、EEPROM作为程序存储器用，如图3（b）所示，应接地。三、地址锁存器由于单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址所存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。74HC573包含八进制3态非反转透明锁存器，[span]是一种高性能硅门CMOS[span]器件。[span]SL74HC573跟LS/AL573的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS输出兼容的，加上拉电阻他们能和LS/ALSTTL输出兼容。输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。当锁存使能端LE为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。×\u36755X出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上×\u25805X作电压范围：2.0V~6.0V×\u20302X输入电流：1.0uA×CMOS器件的高噪声抵抗特性三态总线驱动输出

·置数全并行存取

·缓冲控制输入

·使能输入有改善抗扰度的滞后作用原理说明：

M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出

将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，

新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。数据锁存当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持；这个概念在并行数据扩展中经常使用到。74HC573引脚图1脚三态允许控制端低电平有效1D~8D为数据输入端1Q~8Q为数据输出端LE为锁存控制端四、外部数据存储器的扩展原理单片机扩展外部RAM的电路原理如图3—12所示：图3—12扩展外部RAM电路原理图从图可以看出：数据存储器只使用、控制线而不用。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H~FFFFH，但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O以及外围设备均占用数据存储器地址。在图中，P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口的三根线用于对RAM进行页面址。在对外部RAM读/写期间，CPU产生/信号。本设计选用62256静态RAM，它是32K*8位的静态随机存储器芯片，它采用CMOS工艺制造，单一+5V供电，额定功耗200mW，典型存取时间200ns。为28线双列直插式封装，其管脚配置如图3-13所示，图3-1362256引脚图各引脚定义如下：A0~A14为片内15位地址线；I/O0~IO7为双向数据线，为片选信号线；为读允许信号线；为写信号线。在设计中，它的取址范围是0000H～7FFFH。第三节数据输出电路以24区中的一区为例，向移位寄存器内输入数据的总体思想是通过3片74LS273锁存不同地址的数据。由74LS138译码器进行片选，逐个选通74LS273锁存器，达到向寄存器输入24位数据的目的。由于74LS273是带清除端CLR的八D触发器，只有当清除端为高电平时才具有锁存功能，所以将锁存器74LS273的CLR引脚分别接高电平，使其保持具有锁存功能。因为74LS273的CLK引脚是锁存的控制端，在上升沿锁存，所以使用74LS138译码器通过输出端高低电平的变化控制CLK的电平的上升、下降，达到控制锁存的目的。地址输入端由A15、A14、A13控制，74LS138有3个附加的控制端S1、、和，当S1=1、+=0时，Gs输出为高电平（S=1），译码器处于工作状态，否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，故将，接地，S1接VCC，其功能表如下：表3—23线—8线译码器74LS138的功能表输入输出S1+A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70*11111111*100000000**00001111**00110011**0101010111011111111110111111111101111111111011111111110111111111101111111111011111111110在选片上我们的具体做法是：将74LS138译码器的三个输出端（这里我们只对三个74LS273芯片进行片选，所以可以是任意三个输出端，我们选用）分别接到三个或门的输入端，或门的另一端接低电平信号，我们这里接。从上表可以知道，3—8译码器没有选通是输出端全都是1，所以经过或门后273锁存器不工作，当3—8译码器输入100时，为0，其他端为1，经过或门变为低电平产生一个下降沿，在将3—8译码器输入111，使为1，经过或门变为高电平产生一个上升沿，故第一片273锁存器锁存8位数据；当3—8译码器输入101时，为0，其他端为1，对于来说产生了一个下降沿，将3—8译码器输入111时，为1，经过或门产生了一个上升沿，第二片273锁存器锁存8位数据；依次类推，当3—8译码器先后输入110和111后，端产生一个上升沿，第三片23锁存器锁存8位数据。译码器的地址输入端与P27、P26、P25相连，取值分别为100、101、110所以他的地址范围是8000H~8FFFH、A000H~AFFFH、C000H~CFFFH。因为每一位数据信号通过移位寄存器要控制发光二极管的亮灭，单凭芯片的驱动能力是远远不够的，所以，我们在锁存器的每一个输出端连接一个74F07OC门，它是6位驱动器，为LED提供一定的驱动电流。OC门又称为集电极开路的门电路，能驱动较大电流。因为系统中这种门电路工作在开路，所以每一个74F07需要接一个上拉电阻，1K阻值的电阻即达到其要求。因为每个区的移位寄存器是与其他23个区的移位寄存器并联，所以在送给一个区数据的同时也将这24位数据送给另外23个区，只不过在给一个区送数据的时候，其他23个区没有移位脉冲，不保存数据，当一个区送完数据而完成这一块的显示更新时，新的24位数据送入下一个区，而将最初送入的数据覆盖，因此并不影响下一个区数据的移位，依此方式传送数据。而将最初送入的数据覆盖，因此并不影响下一个区数据的移位，依此方式传送数据。第四节时钟脉冲电路大屏幕的显示主要是由CD4094移位寄存器的移位来传送显示信号，移位寄存器的每一次移位都需要一个脉冲，由于大屏幕分为24块，即24区，每个区的各个移位寄存器需要移位脉冲控制。故采用三个74LS138译码器级连来输出24个信号，通过非门产生高低电平进而产生脉冲信号，根据系统要求送向24区，每一个时钟脉冲同时送给一个区的24*24个移位寄存器，选定一个区后，连续输送192个脉冲，更新完这一区后，选择下一区。74LS138译码器的功能前文已经叙述，不在重复。这里只讲一下脉冲产生的具体做法，如图11所示，译码器通过P10~P17口进行片选和地址输入。将各个译码器的地址输入端A、B、C分别和P12、P11、P10连接在一起。采用P15、P14、P13进行片选，当P15、P14、P13为000时，由译码器的功能可知，三片译码器均不被选通，不工作；当P15、P14、P13为001时，第一片译码器被选通，P12、P11、P10为000时输出信号经过非门产生一个脉冲信号，为了避免其他输出端在此时产生脉冲信号，将第一片译码器的输出端重新置1，经非门变为低电平，再将P12、P11、P10置为000使输出信号经过非门再产生一个脉冲信号，依此方法，将192个脉冲送向24*24个移位寄存器。以次类推，当P12、P11、P10为001时选通第二区，方法同上，输出192个脉冲送向24*24个移位寄存器，就这样依次将脉冲信号传送给八个区；当P15、P14、P13为010时，同样，第二片译码器被选通，P12、P11、P10值的变化产生的脉冲信号将依次传送给另八个区；当P15、P14、P13为011时，第三片译码器被选通，脉冲信号依次送给最后八个区，这样脉冲信号传送完毕。同样要控制发光二极管的亮灭，单凭芯片的驱动能力是远远不够的，所以，我们在译码器的每一个输出端连接一个74F07OC门，来驱动电路。同样，在设计中因为系统中这种门电路工作在开路，所以每一个74F07需要接一个上拉电阻，1K阻值的电阻即达到其要求。在每个输出端的负载电阻后端连接3个并联的非门，用来产生脉冲，之所以选择3个并联是为了增加驱动能力。图3—14时钟脉冲电路第五节移位寄存电路前文已经介绍，大屏幕为192*576点阵，点数较多，屏幕较大。所以需要很多移位寄存器。大屏幕分为24块，每块有192*24个点，每8个点需要一个移位寄存器，数目比较庞大，以一块24*24为例，24行，每行24个移位寄存器并联在一起，每列串联在一起，每收到一个时钟脉冲移位一次，达到显示功能。移位寄存器除了具有存储代码的功能以外，还具有移位功能。所谓移位功能，是指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移。因此，移位寄存器不但可以用来寄存代码，还可以用来实现数据的串行——并行转换、数值的运算以及数据处理等。以边沿触发结构的D触发器组成的4位移位寄存器为例讲述其工作原理：其中第一个触发器FF0的输入端接收输入信号，其余的每个出发器输入端均与前边一个触发器的Q端相连。因为从CP上升沿到达开始到输出端新状态的建立需要经过一段传输延迟时间，所以当CP的上升沿同时作用与所有的触发器时，它们输入端的状态还没有改变。于是FF1按Q0原来的状态翻转，FF2按Q1原来的状态翻转，FF3按Q2原来的状态翻转。同时，加到寄存器输入端D1的代码存入FF0。总的效果相当于移位寄存器里原有的代码依次右移了一位。例如，在4个时钟周期内输入代码依次为1011，而移位寄存器的初始状态为Q0Q1Q2Q3=0000，那么在移位脉冲（也就是触发器的时钟脉冲）的作用下，移位寄存器里代码的移动情况将如表所示。可以看到，经过4个CP信号以后，串行输入的位代码全部移入了移位寄存器中，同时在4个触发器的输出段得到了并行输出的代码。因此，利用移位寄存器可以实现代码的串行——并行转换。表3—3移位寄存器中的代码移动状况CP的顺序输入D1Q0Q1Q2Q3000000111000200100311010411101下面介绍一个CD4094移位寄存器的功能及工作情况D4094移位寄存器概述CD4094是由8位移位暂存器和一个带3态门的8位锁存器构成。在正的移位时钟脉冲的作用下，数据一位一位的移位到移位寄存器中，输出端的最后一级QS能够用来层叠使用。当时钟下降沿到来时，在QS上输出的数据移向第二级输出端Q2S。在STROBE输入低电平时，每一个移位暂存器的输出端的锁存器锁存数据；当STROBE输入高电平时，数据移入锁存器3态输出门，这些输出门在OUTPUTENABLE高电平时有效。二、芯片特点较宽的电压范围：3.0V到18V消除高噪音：0.45VDD低功耗与TTL具有兼容性可以驱动2个74L系列和驱动1个74LS系列（4）三态门输出三、管脚图图3-154094引脚图真值表表3—4真值表CLKOESTRD并行输出串行输出Q1QnQS`QS上升LXX三态三态Q7不变下降LXX三态三态不变Q7上升HLX不变不变Q7不变上升HHLLQn-1Q7不变上升HHHHQn-1Q7不变下降HHH不变不变不变Q7注意：在时钟脉冲正沿移位寄存器第七级的内容传送到Q8和QS移位寄存功能的具体实现：将每一列的移位寄存器串联，第一级的端连接下一级的数据输入端D，串联192个移位寄存器。再将每一个移位寄存器的STR端与P3.1连接控制寄存器的输出端锁存。为了增加移位时钟脉冲的驱动能力，将信号加两次非门不改变信号的状态，如下图所示。每24*24个移位寄存器均连接同一个时钟脉冲，当收到一个时钟脉冲信号，24*24个移位寄存器均移动一位，移动192次后，转为下24*24个移位寄存器，以次类推，完成24块，并将数据传送给发光二极管，达到显示目的。[5]图3—16脉冲驱动第六节显示电路显示电路是由192*576个发光二极管构成，系统的最终目的是通过这若干个发光二极管的亮灭来显示所要显示的图象和文字。虽然应用的发光二极管比较多，达到几万个，但它们的接法和原理并不复杂。因为发光二极管的亮灭是由移位寄存器输出的高低电平信号来控制的，且每8个发光二极管对应一个CD4094移位寄存器，所以将192*576个发光二极管的阴极分别接到每一个CD4094移位寄存器的输出端，同时将每一个发光二极管串接一个限流电阻来控制发光二极管的亮度，和增加使用时间；将各个发光二极管的阳极接+8v电源,此电压不是由VCC提供,而是直接由VIN提供。这样就完成了发光二极管的连接。如图3-17所示：图3—17显示电路电阻的计算：取发光二极管灌入的电流为10mA，二极管的压降为2V，VCC为+8V。故R=（8-2）V/10mA=600Ω第四章软件设计部分在对系统的硬件设计和硬件原理进行说明之后，软件部分也很重要，因为所有功能的实现都是通过软件的控制。在大屏幕控制系统中，我们主要应用单片机作为核心芯片，所以选择汇编语言进行编程。系统中的接收数据、输出数据、输出移位时钟脉冲部分是软件设计的重点。单片机以串行的方式，接收从串行口232发送来的点阵数据，串行通讯是必不可少的部分，下面说明一下串行通讯及波特率的计算：第一节串行通讯在微型计算机系统中，CPU与外部的基本通讯方式有两种：并行通讯和串行通讯。在这里我们选用串行通讯，串行通讯又分为同步和异步通讯，我们选用异步通讯，第二节串行口工作方式串行接口的工作方式有四种，由SCON中的SM0、SM1定义，在这四种工作方式中，串行通讯只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入输出口。表4—1串行口工作方式SM0SM1方式功能说明000移位寄存器方式0118位UART，波特率可变1029位UART，波特率为fosc/64或fosc/321139位UART，波特率可变设计选择方式1：当SCON中的SM0，SM1两位为01时，串行口以方式1工作，此时串行口为8位通讯接口。第三节波特率的设置单片机中串行通讯的波特率随串行口工作方式选择不同而异，它除了与系统的振荡频率fosc，电源控制寄存器PCON的SMOD位有关外，还与定时器T1的设置有关。因为设计选择方式1，所以波特率=（/32）×定时器T1的溢出率（1）定时器的溢出率=定时器T1的溢出次数/秒（2）对于一般情况，定时器T1溢出一次所需时间为：（-N）×12时钟周期=（-N）×12×1/fosc（3）于是，定时器每秒所溢出的次数，即定时器T1的溢出率=fosc/12（-N）（4）本系统的主要参数波特率为9600。由此可确定时间常数N，由（1）式得N=256-（×fosc）/（波特率×32×12）（5）在波特率的设置中，有一个问题值得注意，这就是SMOD位的选择影响着波特率准确度，系统的波特率为9600，fosc=12MHz，当SMOD=0时，由公式（5）得N=253=F0H将此值置入TH1，可得实际的波特率及误差为：由公式（1）（3）得波特率=10417误差=9%当SMOD=1时，由公式（5）得N=249=F9H将此值置入TH1，可得实际的波特率及误差为：由公式（1）（3）得波特率=8955误差=7%由结论可知，选择SMOD=1时的时间常数F9H。第四节编程思想画面的实时动态处理即显示方式以子程序方式编写，有多少种显示方式即有多少个显示子程序。显示方式具体有画面左移、上移、开幕、覆盖、闪烁、直显等十几种显示方式。在这里仅说一下几个子程序的编程思想：首先，上电复位，即复位清屏，和将数据存储器中的数据送向移位寄存器的思想一样，因为CD4094的输出端为高电平时，发光二极管不亮，所以将高电平信号作为数据8位8位送出，同时每输出24位送一个时钟脉冲，将高电平信号送向大屏幕，达到清屏目的；其次，初始化设置波特率，根据系统参数给出的波特率9600，计算出时间常数，设置串行口工作方式。然后，接收并存储数据，初始化串行口之后，先设置片外数据存储器62256的首地址，通过写指令将接收到的数据写入片外RAM中，并根据系统要求判断数据是否接收完毕，完毕则等待送显示命令；最后，向大屏幕输送数据，先将24数据按写入的先后顺序，通过锁存器送给CD4094即显示屏的最底端，通过送时钟脉冲信号，使CD4094产生移位，然后再送数据，再送脉冲，最终将62256中的数据按先后顺序依次从大屏幕的最底端送向最顶端，这样便形成屏幕上移的显示效果。详细的子程序流程图及程序清单详见附件。[14][10]结束语本文提出了一种实现LED点阵显示大屏幕的方案，LED点阵显示主要包括主控电路和显示刷新电路两大部分，主控电路负责与上位机通信接收待传送的点阵信息，刷新显示内容，向显示电路传送数据，因此显示屏的工作质量取决于主控电路对显示电路的传送速度和刷新速度。在设计中，通过计算证明，发现系统单片机的晶振的选取为12MHz，由系统所给的参数指标中的波特率9600bps计算可知，系统存在误差7%，超过5%,故应将晶振改为11.0592MHz,以减少误差。这是在设计中考虑所欠缺的。通过这次毕业设计，使我学得了许多新的知识，同时也是对大学四年学习生活的总结，它让我把所学的东西更加系统化。基于80C31单片机实现的大屏幕显示系统的学习设计，不仅仅是对几门课的总结，甚至更多。在这次设计中应用了大量的单片机、数字电子以及模拟电子方面的知识，而这三门课都是本专业的专业基础课，对专业基础课进行深入理解，为我以后的专业课的巩固学习和以后工作上的学习研究打下了良好的基础,对自身素质的提高是有很大好处的本次设计到这里就已经结束了，设计中存在不足的地方，还请各位老师加以批评指教。致谢由于掌握知识有限，在设计过程中也遇到了很多的问题。是在邵敏权老师的悉心指导下完成的，老师富有创造性的思维方法、丰富的科研经验和对科学研究的远见卓识，开拓了我的思路，使我受益非浅。在此，特别感谢给予讲解帮助的邵敏权老师，是他在百忙之中抽出时间为我指导和解决了很多疑难问题，更加在他身上学到了严谨的治学态度，高尚的人格和扎实的工作作风，为我树立做人榜样。在这里祝老师工作顺利，身体健康。参考文献1李华.MSC-51系列单片机实用接口技术.北京航空航天出版社.2张振荣等.MCS-51系列单片机原理及应用.人民出版社.3何立民.单片机应用系统设计.北京航空航天出版社.4童诗白,华成英.模拟电子技术基础.高等教育出版社5阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社6王永发,刘岩.微型机接口技术.高等教育出版社7韩志军，沈晋源，王振波.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例[M]北京：机械工业出版社，2005，1王常力.LED显示屏市场发展及展望.电子产品与世界.2000年