基于单片机的电子课程表系统方案

摘 要LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成. LED点阵显示屏可以显示数字或符号, 通常用来显示时间、速度、系统状态等。本设计是1664点阵LED电子课程表显示屏的设计。整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个行驱动器74LS154和八个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示4个汉字，采用16块8 x 8点阵LED显示模块来组成4个16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能与原理、相应软件的程序设计，以与使用说明等。关键词：AT89C52单片机；LED点阵显示；4*4键盘；LCD160261 / 66ABSTRACTLED dot matrix display as a new display device is composed of multiple independent LED light emitting diode package together. LED dot matrix display can display numbers or symbols, usually used to display time, speed, system status, and so on.This design is 16 64 dot matrix LED display design. Overall the United States produced 40 feet ATMEL AT89C51 microcontroller as the core, introduced to it as the electronic control system of LED dot matrix display dynamic design and development process. With this chip to control a row and eight drive column driver 74LS154 74HC595 to drive the display. The electronic display can display a variety of text or monochrome images, full-screen can display four characters, use 16 8 x 8 dot matrix LED display module to form four 16x16 dot matrix display mode. Display with dynamic display, making the graphics or text to achieve stationary, moved out of the other display. This paper describes the hardware of LED dot matrix display design ideas, the hardware circuit and the principle functions of various parts, corresponding software program design, and the use of descriptions.Keywords:AT89C52 microcontroller;LED dot matrix display;4*4 keyboard, LCD1602目 录摘要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1 研究背景与意义11.2 国外的发展现状、发展趋势与存在的主要问题21.3 本文研究容4第二章 功能要求与方案论证52.1 功能要求52.2 系统硬件方案选择52.2.1 LED显示屏模块方案论证52.2.2 数据传输方案论证72.2.3 电源模块方案论证82.2.4 控制部分方案选择102.2.5 时钟显示模块方案论证102.2.6 最终确定硬件设计方案122.3 系统软件方案选择132.3.1 单片机编程语言选择132.3.2 系统软件编译工具选择14第三章 系统硬件设计153.1 硬件整体设计概述153.2 稳压电路153.2.1 5V 稳压电源原理153.2.2 稳压电源技术指标173.3 单片机系统与外围电路173.3.1 单片机的选择173.3.2 AT89C52芯片介绍183.3.3 单片机系统外围电路213.4 列驱动电路223.4.1 74HC595 芯片简介223.4.2 列驱动电路的构成243.5 行驱动电路243.5.1 行驱动芯片74HC154介绍243.5.2 行驱动电路253.6 LED显示屏电路263.7 4*4键盘电路283.8 LCD1602液晶电路29第四章 系统软件设计314.1 LED显示驱动程序314.2 LCD时钟显示程序344.3 4*4矩阵键盘扫描程序374.4 主程序39第五章 调试与性能分析415.1 开发环境介绍415.2 理论性能分析415.3 系统调试425.3.1 软件调试425.3.2 硬件调试43第六章 总结446.1 工作过程介绍446.2 系统功能的拓展方向44结束语46参考文献47致48附录49外文资料原文60外文资料译文63第一章 绪论研究背景与意随着信息技术的发展与其在教育中的应用，教育信息化已经成为当今教育发展的必然趋势。现有校园课程表一般由学生自己保存，而在紧急情况下需要教务处查询，费事费力。为了方便学生获得课程信息，与教学管理人员方便与时发布和更新课程信息以维持正常教学秩序的目的，本论文旨在设计一种使用电子屏幕的课程表系统，从面使学生能够与时获取课程信息，维持正常的教学秩序。在当今现代信息化社会的高速发展过程中，大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体容的中心。与传统的显示设备相比，这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：1) LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样(图形、文字、三维、二维动画、电视画面等)、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。2) LED显示屏是集光电子技术、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，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。3) LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。近年来，单片机已经成为科技领域的有力工具，人类社会生活的得力助手。它的广泛应用，不仅仅体现在工业控制、机电应用、智能仪表、实时控制、航空航天、尖端武器等行业和领域的智能化、高精度化，而且在人类日常生活中也随处可见它的身影。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。目前，单片机正朝着高性能和多种方向发展，其趋势将进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路装化等几个方面发展，其功能也将越来越丰富，速度也越来越快，甚至有些方面并不逊于ARM或DSP。随着LED显示屏在广告领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。归根结底，LED显示屏控制卡的设计中硬件是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本论文提出基于普通51系列单片机实现LED显示屏控制的原理与方法，以此完成电子课程表的设计。1.1 国外的发展现状、发展趋势与存在的主要问题LED显示屏的发展主要经历了三个阶段：1、1990年以前LED显示屏的成长时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展;另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。2、1990-1995年，这一段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机与微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉与金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。3、 1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展。 随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。 单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉与的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机可以从以下几个方面分类： 1.按应用领域可分为：家电类、工控类、通信类和个人信息终端类等。 2.按通用性可分为：通用型和专用型。 3.按总线结构可分为总线型和非总线型。4.按指令运行的振荡周期可分为标准型和改进型。1.2 本文研究容本课程设计的主要任务是以AT89C52为核心芯片设计1664LED汉字点阵显示电路。硬件电路主要由AT89C52单片机控制器、LED 显示屏行列驱动电路以与LED点阵显示屏，LCD1602等部分组成。通过汉字字模点阵数据批量生成软件来实现汉字点阵,采用C语言对单片机进行编程控制操作。完成实物电路并进行调试，完成电子课程表的预期功能。第二章 功能要求与方案论证2.1 功能要求本方案设计一个电子课程表系统，具体要求满足以下条件：要求采用51单片机作为微控制器。通过1664的点阵LED进行课程名称显示。实现不同课程汉字名称的自动切换。实现LCD1602显示时分秒。实现按键控制时间的调整。2.2 系统硬件方案选择大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。图2-1 系统包含模块2.2.1 LED显示屏模块方案论证四个88的点阵构成一个1616的点阵。行和列的交叉处有一个LED，共由256个LED构成，如果LED的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给该LED对应的行以高电平，列以低电平，那么对应的LED就发光。图2-2为点阵模块结构。这种模块由64个发光LED芯片以88的形式构成一个正方形模块，然后用2列8针引脚将部电路接口引出，供驱动电路使用。图2-2点阵模块结构图2-3画出了室直插式88点阵单基色LED模块原理图。行对应的给LED的阳极，先给第一行以高电平，如果送给16列的代码为EFFF，则第一行的第4个LED被点亮，再给第二行以高电平，如果送给16列的代码为EF07，则第二行的第4、9、10、11、12、13个被点亮，接着给第三行以高电平，同时给列以驱动代码，这样不断地进行行行的扫描，只要速度够快，由于人的视觉暂留作用，就不会感觉到明显的闪烁感。点阵上会看到一个清晰的“机”字。图2-3 LED 点阵显示原理图LED数码管结构简单，价格便宜。本文所述的是LED的数据显示方式，这种方式通常使用8段LED或者16段LED。在实际应用中，点亮LED数码管的方式有静态和动态2种方法。本文以8段LED作为示例来论证方案。1.静态显示方式静态显示方式，即8段LED数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N位显示则需N8根输出控制线。占用较多I/O资源。2.动态显示方式为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个8位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控制。显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。位线控制某位选通时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时，我们就能看到稳定的图像了由于单片机的特性，我们将采用方案2：动态显示方式，采用动态显示方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。2.2.2 数据传输方案论证显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。图2-4为LED显示屏电路实现的结构框图。图2-4.LED显示屏硬件电路框图2.2.3 电源模块方案论证本系统所需电源为直流5V，因此需要设计电源稳压模块。根据调整管的工作状态，常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大，间接地给系统增加热噪声。如图所示，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。所谓并联就是如图2-5中的稳压管，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”。图2-5 线性稳压电源由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。想要更详细的了解线性稳压电源，请参看模拟电子线路教科书。这里我们主要是帮助大家理清这些概念以与它们之间的关系。一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。图2-6画出了开关稳压电源的原理图与等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。图2-6 开关稳压电源原理图与等效原理图逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。开关稳压电源的优点为功耗小，效率高。在图2-5中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。且开关稳压电源体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在开关状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。综上，由于本系统对工作电流较小，纹波等要求较低，结合两种稳压电源的优缺点，本系统使用线性稳压电源。2.2.4 控制部分方案选择控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示容。单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样 CPU 从8，16，32到64位，多采用RISC 技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/ D，“ 看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS 过渡。供电电压由5V 降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至A ，这在便携式产品有用武之地4。单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。2.2.5 时钟显示模块方案论证时钟显示是人机交互的一个典型案例，其按显示器件类型的不同分为LED数码管时钟显示和LCD液晶时钟显示。LED数码管里面有8只发光二极管，分别记作abcdefgdp其中dp为小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部引脚上，而另外一只引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，记作公共端（COM），如图2-6所示，而图2-7为实物图，其中引脚的排列因不同的厂商而有所不同。图2-6数码管引脚图 图2-7数码管实物图市面上常用的LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极：当数码管里面的发 光二极管的阳极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示。而输入高电平的段则不能点亮。相反，共阴极：当数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示，而输入低电平的段则不能点亮。一个八段数码管称为一位，多个数码管并列在一起可构成多位数码管，它们的段选线（即a,b,c,d,e,f,g,dp）连在一起，而各自的公共端称为位选线。显示时，都从段选线送入字符编码，而选中哪个位选线，那个数码管便会被点亮。数码管的8段，对应一个字节的8位，a对应最低位，dp对应最高位。所以如果想让数码管显示数字0，那么共阴数码管的字符编码为00111111，即0x3f；共阳数码管的字符编码为11000000，即0xc0。可以看出两个编码的各位正好相反。LCD液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。其分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号与每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点。第一，液晶显示器显示质量高。由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。第二，液晶显示器为数字式接口。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。第三，体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比一样显示面积的传统显示器要轻得多。第四，液晶显示器功耗低。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。综上，由于液晶显示器较数码管显示器有诸多优点，因此本系统采用液晶点阵式显示时钟信息。2.2.6 最终确定硬件设计方案最终方案如图2-9所示，单片机存储和处理显示容用串行发送的方式将显示容和控制指令传输到LED显示屏，显示屏根据单片机传输来的容和指令通过端口译码扩展后驱动4块88LED点阵模块构成的1616的LED点阵显示屏。电源模块为整个系统提供+5V电压。4*4键盘作为系统输入设备。液晶显示器用语显示时钟信息。题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。图2-9.LED硬件电路框图2.3 系统软件方案选择软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种合适的语言以与配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。2.3.1 单片机编程语言选择现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和C语言。两种语言相比较各有优点。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快，占存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植8。C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有初步了解；寄存器分配、不同存储器的寻址与数据类型等细节可由编译器管理；程序有规的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化；将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；编程与程序调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。基于以上理由决定采用C语言为该显示系统的编程语言。2.3.2 系统软件编译工具选择C语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，编译器必不可少。支持MCS51用C语言编程的编译器主要有两种：Franklin C51编译器和KEILC51编译器。目前在单片机开发中普遍都是使用KEIL C51来进行编译。因此软件设计最终方案为采用C语言为程序语言，KEIL为编译工具。第三章 系统硬件设计3.1 硬件整体设计概述硬件电路主要由AT89C52单片机控制器、LED 显示屏行列驱动电路以与LED点阵显示屏，LCD1602等部分组成。复位电路完成单片机的复位功能。时钟电路提供系统运行时所需的时钟信号。LM7805提供系统所需的+5V电压。LCD液晶完成时钟信息的显示功能。硬件原理图如图3-1所示。图3-1硬件电路原理图3.2 稳压电路3.2.1 5V 稳压电源原理稳压电源的功能是把来自电网的 220V 交流电压转变为所需的、稳定的直流电压。它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成。交流电压变换部分。一般的电子设备所需的直流电压较之交流电网提供的 220V 电压相差较大，为了得到输出电压的额定围，就需要将电网电压转换到合适的数值。所以，电压变换部分的主要任务是将电网电压变为所需的交流电压，同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。整流部分。整流电路的作用，是将变换后的交流电压转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成份（称为纹波），因此一般还不能直接用来给负载供电，否则，纹波的变化会严重影响负载电路的性能指标。滤波部分。滤波部分的作用是对整流部分输出的脉动直流电进行平滑 ，使之成为含交变成份很小的直流电压。也就是说，滤波部分实际上是一个性能较好的低通滤波器，且其截止频率一定低于整流输出电压的基波频率。稳压部分。尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。变压器把 220V 交流电（市电）变为稳压所需的低压交流电；整流器把低压交流电变为直流电；整流后的直流电中仍会含有交流成分，可以通过滤波电路将交流成分滤除；经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。如图 3-2 所示。（a）稳压电源的组成框图 u1 u2 u3 uIU0 0 t 0 t 0 t 0 t 0 t（b）整流与稳压过程图3-2 稳压电源的组成框图与整流与稳压过程根据要求所确定的稳压电源的电路形式如图3-3所示。图中变压器T将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的7.5V交流电压，再经整流电桥（4个二极管）D1将交流电压变换成脉动的直流电压，随后电解电容器C1将脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较为平滑的直流电压。为了得到改善的纹波电压，再将直流电压通过电容C2，然后经集成稳压器IC1稳压，在输出端得到稳定的5V直流电压。这时，在输出端接上电容C3，用以滤除输出端的高频信号，改善负载的瞬态响应，最后即可得到所需的、稳定的直流电压。电路最后接入的发光二极管用做电源指示灯。图3-3 电源电路图3.2.2 稳压电源技术指标稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流与电压调节围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效阻（输出电阻）、波纹电压与温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个方面的要求：1) 稳定性好。当输入电压 Usr(整流、滤波输出电压)在规定围变动时，输出电压 Usc 的变化一般要求很小。2) 输出电阻小。负载变化时（从空载到满载），输出电压 Usr 应基本保持不变。3) 电压温度系数小 当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定。4) 输出电压纹波小 所谓纹波电压，是指输出电压中 50Hz 或 100Hz 的交流分量，通常用有效值或峰值表示。3.3 单片机系统与外围电路3.3.1 单片机的选择单片机采用89C52或其兼容系列的芯片进行控制，它负责控制整个电路以与相应的程序的运行、以与给屏体电路部分发送命令。这里我们选择了含4K字节Flash的AT89C52，因为我们只需要显示特定的图形和文字，无需庞大的字库，因此4K Flash已经可以满足字库储存的需求，不需要扩展外存储器。3.3.2 AT89C52芯片介绍AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能 CMOS 8位单片机，片含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和 256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统与 8052 产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器 (CPU) Flash 存储单元，功能强大AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。其最突出的优点是片ROM为Flash ROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有在片程序ROM二级系统。因此可灵活应用于各种控制领域。AT89C52包含以下一些功能：1) 与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容2) 8K字节可重复擦写Flash存储器3) 寿命：1000 写周期4) 全静态工作：0Hz-24Hz5) 三级程序存储器锁定6) 256*8字节部RAM7) 32个可编程I/O口线8) 3个16位定时器/计数器9) 8个中断源10) 可编程串行UART通道11) 低功耗的闲置和掉电模式12) AT89C52工作电源电压为5(1+0.2)V，且典型值为5V13) AT89C52最高工作频率为24MHzAT89C52 提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字节部RAM , 32个I/O口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89c52可降至O Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时计数器串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52单片机一般采用双列直插 DIP 封装，共40个引脚，图3-4 为其引脚排列图。40个引脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制各 I/O 引脚。图3-4 AT89C52引脚排列图1. 电源引脚Vcc：芯片电源，接+5V；Vss：接地端。2. 时钟引脚XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。3. I/O引脚控制线共有4 根，其中 3 根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。1) ALE/ PROG 地址锁存允许/片 EPROM 编程脉冲。ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低八位地址。AT89C52在并行扩展外存储器时，P 0 口用于分时传送低 8 位地址和数据信号，且均为二进制数。当 ALE 信号有效时，P0 口传送的是低 8 位地址信号；ALE 信号无效时，P0 口传送的是高 8 位地址信号。在 ALE 信号的下降沿，锁定 P0 口传送的容，即低 8 位地址信号。需要指出的是，当 CPU 不执行访问外 RAM 指令，ALE 以时钟振荡频率 1/6 的固定频率输出，因此 ALE 信号也可作为外部芯片 CLK 时钟或其他需要。但是，当 CPU 执行 MOVX 指令时，ALE将跳过一个 ALE 脉冲。PROG 功能：片 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲。a) PSEN 外 ROM 读选通信号。AT89C51 读外 ROM 时，每 个机器周期 PSEN 两次有效输出。PSEN 可作为外 ROM 芯片输出允许 OE 的选通信号。在读ROM 或读外 RAM 时， PSEN 无效。b) RST/VPD复位/备用电源。正常工作时，RST 端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，AT89C52芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU 从0000H 开始执行指令。c) EA /VPP外 ROM 选择/片 EPROM 编程电源。VPP功能：片有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加编程电源。4 I/O 引脚EA 功能：正常工作时， EA 为外 ROM 选择端。AT89C52 单片机 ROM 寻址围为 64KB，其中4KB 在片，60KB 在片外。当EA 保持高电平时，先访问 ROM，但当 PC 值超过 4KB 时，将自动转向执行外 ROM 中的程序。当EA 保持低电平时，则只访问外 ROM，不管芯片有否 ROM。VPP功能：片有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚用于施加编程电源。AT89C52有 P0、P1、P2、P3 4 个 8 位并行 I/O 端口，共 32 个引脚。P0 口是一组 8 位漏级开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个TTL 逻辑门电路，对端口写 1 时，又可作高阻抗输入端用。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低 8 位）/数据总线，在访问期间激活了部的上拉电阻。P1 口是带部上拉电阻的双向I/O 口，向P1 口写入1时P1 口被部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部信号拉低的P1 口会因为部上拉而输出一个电流。P2 口是带部上拉电阻的双向I/O口，向P2 口写入1时P2 口被部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P2 口会因为部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，分别作为地址高位字节和16 位地址(MOVX DPTR)，此时通过部强上拉传送1 当使用8 位寻址方式(MOVXRI)访问外部数据存储器时，P2 口发送P2 特殊功能寄存器的容。P3 口是带部上拉电阻的双向I/O口，向P3 口写入1时P3 口被部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P3 口会因为部上拉而输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如表3-1所示：表3-1 P3各端口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2 INT 0外部中断0请示输入端P3.3 INT 1外部中断1请示输入端P3.4T0定时/计数器0外部信号输入端P3.5T1定时/计数器1外部信号输入端P3.6WR外RAM写选通信号输出端P3.7 RD外RAM读选通信号输出端3.3.3 单片机系统外围电路单片机系统外围电路形式如图 3-5 所示。单片机振荡器反相放大器的输入端（XTAL1）和输出端（XTAL2）之间接上 12MHz 或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。电容C4、C5 是晶振的负载电容，主要起频率微调和稳定的作用。图3-5 单片机系统最小系统电路图3.4 列驱动电路3.4.1 74HC595 芯片简介集成电路 74HC595，它具有一个 8 位串行输入/输出或者并行输出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器的结构，而且移位寄存器的和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。图 3-6 74HC595管脚图74HC595 的管脚定义与时序图如表 3-2和图 3-8 所示。它的输入侧有 8 个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚 SER 是串行数据的输入端。引脚 SRCLK 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将 SER 的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在个移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCLK 是输出锁存器的输入信号，其上升沿将移位寄存器的输出输入到输出锁存器。引脚 是输出三态门的开放信号，只有当其为低电平时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。SRCLR 信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为 0，由于 SRCLK 和 RCLK 两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为 QAQH，最高位 QH 可作为多片 74HC595 级连应用时，向上一级的级连输出。但因 QH 受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH，作为与移位寄存器完全同步的级连输出。移位寄存和输出锁存的时序波形如图 3-7 所示。图3-7 移位寄存和输出锁存的时序波形图表3-2 74HC595管脚定义表管脚编号管脚名说明1-7、15QAQH三态输出管脚8GND电源地9SQH串行数据输出管脚10SCLR移位寄存器清零端11SCK数据输入时钟线12RCK输出存储器锁存时钟13OE输出使能14SI数据线16VCC电源端图3-8 74HC595时序图3.4.2 列驱动电路的构成74HC595 组成的列驱动器示于图 3-9中。该图由2片 74HC595 组成 16 列的驱动，由 16 个行驱动器驱动 16 行。第一片列驱动器的 SER 端连接单片机输出的串行列显示数据，其 QH端连接第二片的 SER 端，采用这样的方法组成两片的级连。两片相应的 SRCLK、SRCLR 、RCLK 端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据清除信号和输出锁存器输入信号。这样的结构，使得各片串行移位能把 16 列的显示数据依次输入到相应的移位寄存器输出端。移位过程结束之后，控制器输出 RCLK 打入信号，16 列显示数据一起打入相应的输出锁存器。然后选通相应的行，该行的各列就按照要求进行显示。图 3-9 16列LED驱动电路3.5 行驱动电路3.5.1 行驱动芯片74HC154介绍译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。其功能是将给定的输入码组进行“翻译”，变换成对应的输入信号，对每一种可能的输入组合，使输出通道中相应的一路有信号输出,一个且仅一个输出信号为有效电位。74HC154为变量译码器，也称二进制译码器，它是一种四线十六线译码器, 译码的输入端有4个，输出端有24=16个，并有两个选通端（使能端），它的管脚形式如图3-10所示，当选通端 1、 2均为低电平时，译码器处于工作状态，可将地址输入端（A0A3）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。 Y0-Y15 为译码输出端，输出是低电平有效，即在选通时，每输入一个二进制代码将使对应的一个输出端为低电平，而其它输出端均为高电平的无效信号，也可以说对应的输出端被“译中”。74HC154译码器的真值表如表3-3所示：图3-10 74HC154管脚图表3-3 74LS154 引脚定义表符号引脚描述,111 ,1317输出端GND12GND电源地1819使能输出端A、B、C、D2023地址输出端Vcc24VCC电源正从真值表可知，每组4个变量输入，在16个输出中只有一个引脚为“0”（且正好与输入代码是一一对应），其余15个全为“1”，这种译码输出称为低电平有效；四线十六线译码器逻辑形式为：， ， ， 。3.5.2 行驱动电路行驱动电路相对简单。行选通信号来源于单片机按照时序要求所给出的二进制信号，每次更新行号（开始扫描新的一行）时，由单片机输出4位二进制行号，行号经4/16线译码器译码后，生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。采用译码器的方案，还可以保证同一时刻只选通一条行线，从而达到显示的稳定性。图3-11 行驱动电路如图3-11所示的行驱动电路中,把74LS154的G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四脚为输入端。就会形成16种不同的输入状态，分别为00001111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。如果一行64点全部点亮，则通过74LS154的电流将达640 mA，而实际上，74LS154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与16x64点阵显 示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大，本文选用的是三极管8550。这样，74LS154某一输出脚为低电平时，对应的三极管发 射极为高电平从而使点阵显示器的对应行也为高电平。3.6 LED显示屏电路LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制，当然也可以按列扫描按行控制。LED显示屏现多采用多块88点阵显示单元拼接而成。本文就是使用16块SBM1388型号的实验模块组成1664点阵，以满足课程显示的要求。88 LED点阵是最基本的点阵显示模块，理解了88 LED点阵的工作原理就可以基本掌握LED点阵显示技术。88点阵LED结构如图3-12所示，其等效电路如图3-13所示：图3-12 88点阵LED结构图图3-13 8