點陣電子顯示屏資料
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點陣電子顯示屏制作
目錄
摘 要 4
1：方案論證與比較 5
1．1控制器部分 5
1．2 數(shù)據(jù)存儲器 5
1．3 亮度連續(xù)可調(diào) 6
1．4 顯示屏驅(qū)動電路的選擇 6
1．5 鍵盤的選擇 7
1．6 串行口的選擇 7
2．系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn) 7
2．1系統(tǒng)總框圖 7
2．2 硬件部分 8
2．2．1 采用16個LED8*8顯示屏，構(gòu)成16行*64列點陣顯示 8
2．2．2 LED顯示屏驅(qū)動電路 9
2．2．3亮度連續(xù)可調(diào) 10
2．2．4 刷新頻率的計算 10
2．2．5 鍵盤 10
2．3 軟件方面 11
2．3．1 主程序的流程圖 11
2．3．2 按鍵程序 12
2．3．3 行列的掃描 13
2．3．4 人機交互 14
3．測試、結(jié)果及分析 15
3．1基本功能 15
3．2 發(fā)揮功能部分 15
3．3 其他發(fā)揮部分 15
3．4刷新頻率的測試 15
3．5 按鍵的結(jié)果測試 16
4．總結(jié) 16
參考資料： 16
摘 要
本設(shè)計使用ARM2138開發(fā)板作為主控制模塊，利用簡單的外圍電路來驅(qū)動16*64的點陣LED顯示屏。利用ARM本身強大的功能和大容量的內(nèi)部存儲，可以很方便的實現(xiàn)ARM與PC機和SD卡等外圍存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，并能利用軟件方便的進行顯示內(nèi)容的多樣變化，另一方面點陣顯示屏廣泛的應(yīng)用于醫(yī)院、機場、銀行等公共場所，所以本設(shè)計具有很強的現(xiàn)實應(yīng)用性。
Abstract
ARM2138 used as a main controller design and use of simple external circuit to drive 16*64 the lattice LED display. ARM itself using powerful functions and capacity of internal storage, it is easy to realize the ARM and PC and SD card for external storage, data transmission equipment and the ability to use the software for the convenience of a variety of content changes, the other dot matrix display widely used in hospitals, airports, banks and other public places. Therefore, the design has a strong practical application. 1、方案論證與比較
1．1控制器部分
方案一 采用常用的89C51控制。技術(shù)比較熟練，應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在的51系列技術(shù)硬件發(fā)展的也非常得快，也出現(xiàn)了許多功能非常強大的單片機，因此使用單片機可以實現(xiàn)要求的基本功能。但是為了實現(xiàn)多組預(yù)存信息,必須外加具有掉電存儲功能的EEPROM,這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。而且在執(zhí)行動態(tài)刷新的時候讀取EEPROM的速度慢，刷新頻率受到限制。
下面是簡單的用單片機處理的框圖（圖1）。
圖1
方案二 應(yīng)用ARM，ARM是一種功耗很低的高性能處理器，技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。方便、安全、高效。作為嵌入式領(lǐng)域中最為廣泛使用的32位處理器結(jié)構(gòu)體系，ARM已經(jīng)成為多個應(yīng)用領(lǐng)域的標準CPU。ARM處理器技術(shù)正在成為多數(shù)嵌入式高端應(yīng)用開發(fā)的首選。ARM2138芯片具有高達32KB的內(nèi)存作為數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非?？斓淖x取速度。并具有豐富的I/O資源，而且其外圍電路簡單,在片內(nèi)即可實現(xiàn)所有控制。簡化了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度.
通過比較，我們選擇方案二。
1．2 數(shù)據(jù)存儲器
方案一 非易失性記憶體掉電后數(shù)據(jù)不丟失?？墒撬械姆且资杂洃涹w均源自ROM技術(shù)。只讀記憶體的數(shù)據(jù)是不可能修改的。所有以它為基礎(chǔ)發(fā)展起來的非易失性記憶體都很難寫入，而且寫入速度慢，它們包括EPROM（現(xiàn)在基本已經(jīng)淘汰）,EEPROM和Flash，它們存在寫入數(shù)據(jù)時需要的時間長，擦寫次數(shù)低,寫數(shù)據(jù)功耗大等缺點。
方案二 選用SD卡，其利用記憶性半導(dǎo)體進行存儲,具有大容量、高速度、非易失性、可在線擦寫特性的存儲器。而且具有成熟的SPI協(xié)議來實現(xiàn)與ARM的連接.很容易實現(xiàn)與ARM的數(shù)據(jù)交互傳遞,而且使用SD卡可以實現(xiàn)脫機使用與存儲.在更新顯示信息的時候,只需要用SD卡傳遞.而不需要連機,更新信息方便快捷,更加有利于實際應(yīng)用。
基于以上各種對比,我們選用方案二。
1．3 亮度連續(xù)可調(diào)
方案一 通過在軟件中調(diào)節(jié)刷新頻率。刷新頻率高的時候,連續(xù)點亮的時間短,顯示屏亮度低,當刷新頻率調(diào)低時,連續(xù)點亮的時間延長,顯示屏變亮。因此通過調(diào)節(jié)占空比來實現(xiàn)顯示屏亮度的調(diào)整。但是由于軟件調(diào)節(jié)亮度變化不連續(xù).不能實現(xiàn)連續(xù)的亮度調(diào)節(jié)。并且會出現(xiàn)閃爍。調(diào)節(jié)的效果不明顯，故不采用此方案。
方案二 通過調(diào)節(jié)電位器來改變電壓,實現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器實現(xiàn)線形電壓調(diào)整,從而控制三極管使顯示屏壓降發(fā)生改變。從而達到連續(xù)調(diào)節(jié)亮度的目的。電位器的調(diào)節(jié)范圍較大，因此用此方法來調(diào)節(jié)。
1．4 顯示屏驅(qū)動電路的選擇
方案一 在禁止使用專用的LED控制芯片的情況下采用通用芯片74LS595，其具有8位鎖存、串—并移位寄存器和三態(tài)輸出，可以用它的鎖存功能實現(xiàn)硬件電路對數(shù)據(jù)的刷新。但是需要更多的控制信號，而且芯片的級聯(lián)不方便。
方案二 由于ARM提供了足夠的內(nèi)存來做為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對顯示數(shù)據(jù)進行存儲，我們可以用移位寄存器74HC164和譯碼器74HC138來實現(xiàn)LED點陣顯示的行列控制.其特點是控制信號簡單，級聯(lián)方便，芯片數(shù)量少。
綜合考慮，我們采用方案二。
1．5 鍵盤的選擇
方案一 采用專門的鍵盤芯片7289,其可用很少的接口來擴展更多的鍵盤，能夠外接8個LED，64個按鍵。但是在本系統(tǒng)中只是使用較少的按鍵，而且ARM有豐富的I/O口資源，因此使用7289會浪費按鍵資源，增加成本。
方案二 利用I/O口直接連接的獨立式鍵盤,每鍵都有相應(yīng)的I/O口對應(yīng),編程容易控制.實現(xiàn)方便.又因為ARM有足夠的I/O口資源.可使用獨立式鍵盤。
因此方案二為最佳方案。
1．6 串行口的選擇
方案一 采用RS485來進行長距離（1200M）的傳輸，RS-485總線通信模式由于具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率適當?shù)忍攸c而被廣泛應(yīng)用.但RS485總線存在自適應(yīng)、自保護功能脆弱等缺點，如不注意一些細節(jié)的處理，常出現(xiàn)通信失敗甚至系統(tǒng)癱瘓等故障而且總線本身存在許多的局限性，效率低，實時性差，通信的可靠性低，應(yīng)用不靈活。
方案二 采用RS232來進行串行的傳輸, 用串行通訊的好處是簡單，抗干擾性強.由于本系統(tǒng)設(shè)有SD卡存儲器,因此不需要遠距離傳輸,因此RS232已經(jīng)足夠滿足要求。并且可直接和PC機接口，不用外加協(xié)議轉(zhuǎn)換電路。
綜上所述，方案二比較合理。
2、系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)
2．1系統(tǒng)總框圖
點陣顯示屏
控制電路
ARM
（LPC2138）
PC機
SD卡
SPI
串
口
鍵盤模塊/指示燈
圖2
整個系統(tǒng)以ARM(LPC2138)為控制中心如上圖2所示,系統(tǒng)主要通過SPI協(xié)議來外接入SD卡存儲器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲量的擴展。通過ARM控制器發(fā)出的信號使LED矩陣驅(qū)動電路驅(qū)動LED點陣顯示屏。通過鍵盤電路控制ARM輸出數(shù)據(jù)的變化。通過RS232的串行口來實現(xiàn)ARM與PC上位機的通訊。整個電路由+5V的電源模塊供電。
2．2硬件部分
2．2．1 采用16個LED8*8顯示屏，構(gòu)成16行*64列點陣顯示
點陣顯示屏由16個8×8點陣LED顯示模塊。16片8×8點陣LED顯示模塊利用總線形組成一個16×64的LED點陣，用于同時顯示4個16×16點陣漢字或8個16×8點陣的字母﹑字符或數(shù)字。單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。
2．2．2 LED顯示屏驅(qū)動電路
采用74HC138三-八譯碼器和74HC164移位寄存器。將從ARM里出來的列信號通過8個164級聯(lián)而成的64位的信號輸出端連接到16*64的點陣LED的輸入端，作為點陣的行驅(qū)動信號。通過164移位這64位的信號，來控制顯示內(nèi)容的變化。再從ARM輸出三個信號分別輸入到2個級聯(lián)的74HC138譯碼器，然后輸出16位行信號，經(jīng)過16個1K的電阻，再輸入到16個PNP（8550）三極管的B極來進行對行信號的放大，其中所有的三極管的E極相連接+5V的電源，所有的C極接16個470歐姆的電阻，得到的信號作為點陣LED 的行輸入信號。通過對138的三個輸入信號進行控制，改變行信號。由138和164的信號，控制二極管的亮、滅來顯示出所要求的字符、漢字。
行驅(qū)動電路：每個LED管亮需要7mA的電流，那么64個同時亮就需要448mA的電流，所以我們要對列進行驅(qū)動，我們采用晶體管8550對列信號進行放大，使LED點陣能夠正常顯示。其驅(qū)動電路如下圖3：
圖3
列驅(qū)動電路：此電路是由集成電路74HC164構(gòu)成的，它具有一個8位串入并出的移位寄存器，可以實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。電路圖如圖4。
圖4
2．2．3亮度連續(xù)可調(diào)
用一個10K的電位器和KSB834的三極管組成，可以對LED的壓降進行調(diào)節(jié)，以到達連續(xù)改變亮度。此是作為對亮度的調(diào)節(jié)的方法。
2．2．4 刷新頻率的計算
根據(jù)人眼的視覺的暫留特性，50HZ是適宜的刷新頻率，所以CPU的刷新頻率一般不低于60HZ，但是刷新頻率太高的話，會使顯示屏的亮度降低，所以刷新頻率有最高值要求，本設(shè)計最高刷新頻率為600HZ。
2．2．5 鍵盤
鍵盤是使用比較簡單的獨立式鍵盤，而且具有發(fā)光二極管指示功能模塊電路圖如圖5：
圖5
鍵盤各項功能如下：
顯示模式鍵：鍵可以模式選擇五種模式，預(yù)存漢字、預(yù)存符號、SD卡信息、時鐘和PC數(shù)據(jù)顯示。
滾動模式鍵：可以控制二種滾動模式，在正常顯示模式下實現(xiàn)左、右滾動。
循環(huán)模式鍵：可以控制定時循環(huán)模式。
時間調(diào)整鍵：即時間設(shè)定鍵，在時鐘顯示模式下，可配合加減鍵循環(huán)設(shè)置時、分、秒。
定時鍵：按下時，顯示當前的循環(huán)間隔的時間，可利用加減鍵進行間隔控制調(diào)整。
刷新頻率鍵：按下后，顯示刷新頻率，可利用加減鍵調(diào)整。
滾動速度鍵：按下后可以顯示當前的速度，利用加減鍵調(diào)節(jié)滾動速度。
加、減鍵：配合其他鍵，在各種模式下，實現(xiàn)調(diào)整。
復(fù)位鍵：復(fù)位系統(tǒng)。
2．3軟件方面
本系統(tǒng)的顯示處理采用動態(tài)掃描法，而鍵盤處理采用查詢法并注意按鍵的消抖處理。整個程序可以分為鍵盤掃描、點陣行列的掃描、串口傳輸和SD卡的存儲與讀取。
2．3．1 主程序的流程圖
見下圖6。
開始
初始化寄存器、變量、I/O
按鍵處理子程序模塊
是否按鍵按下？
是
否
處理命令子程序
模塊
是否收到串口命令？
是
否
圖6
2．3．2按鍵程序
本系統(tǒng)中的按鍵程序分為按鍵掃描子程序和按鍵功能執(zhí)行子程序。而且在按鍵中使用了定時器Time0來實現(xiàn)按鍵消抖的功能。
按鍵掃描子程序的流程圖如圖7：
清中斷
按鍵掃描、讀I/O口
是否有鍵按下？
計數(shù)器清0
否
是
計數(shù)器加1
計數(shù)器是否大于10？
否
置按鍵有效標志
是
中斷結(jié)束
圖7
按鍵子程序模塊的流程圖如圖8：
判斷鍵值
點亮相應(yīng)的LED
執(zhí)行相應(yīng)的模塊
清零按鍵有效標志
圖8
2．3．3 行列的掃描
本系統(tǒng)中利用ARM中的Time1來實現(xiàn)點陣顯示屏的行列的掃描，其軟件的流程圖如下圖9：
清中斷
送掃描行數(shù)據(jù)
掃描當前行
行數(shù)加1
中斷結(jié)束
圖9
2．3．4 人機交互
在本系統(tǒng)中通過串口與PC機實現(xiàn)人機交互，通過PC機就可以控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新。串口實現(xiàn)程序流程圖如下圖10：
清中斷標志
接收命令存儲
判斷命令包結(jié)束標志
否
是
置有效命令標志
中斷結(jié)束
圖10
3、測試、結(jié)果及分析
觀察系統(tǒng)運行狀況，并輔助示波器、萬用表得到以下結(jié)果。
3．1基本功能
表1
要實現(xiàn)的功能
測試的結(jié)果
LED顯示
實現(xiàn)了16*64的點陣顯示
顯示屏無閃爍，亮度適中
達到要求
按鍵控制切換數(shù)字和字母
實現(xiàn)了此功能
能顯示特定漢字和字符
能實現(xiàn)
3．2發(fā)揮功能部分
表2
功能
是否實現(xiàn)？描述
亮度連續(xù)可調(diào)
實現(xiàn)
滾屏顯示
能實現(xiàn)左右滾屏
實時時間顯示
實現(xiàn)
預(yù)存信息
能擴展到10組（每組漢字8個或16個字符）
掉電保護
實現(xiàn)
與PC機通信
可用PC控制操作，參數(shù)設(shè)置
3．3 其他發(fā)揮部分
表3
功能 是否實現(xiàn)？描述
多字體顯示 實現(xiàn)，非預(yù)置信息可選兩種不同的字體
滾屏顯示 實現(xiàn)了上下滾屏
陰陽字 實現(xiàn)
混合顯示 實現(xiàn)了字符漢字混合顯示
SD卡擴展存儲器 實現(xiàn)了可脫機更新信息
時鐘
實現(xiàn)本地時間調(diào)整
循環(huán)
實現(xiàn)了多條信息首尾相連，連續(xù)水平左滾動顯示
其他
增加了一些參數(shù)的設(shè)置：速度、間隔、刷新頻率
3．4刷新頻率的測試
經(jīng)調(diào)整，刷新頻率范圍從60HZ到600HZ，達到使亮度適中的刷新頻率。
3．5按鍵的結(jié)果測試
經(jīng)測試，結(jié)果和預(yù)先設(shè)定好的一致。
4、總結(jié)
本系統(tǒng)完成了LED點陣電子顯示屏和控制器的制作。經(jīng)調(diào)試，顯示屏的顯示亮度適中，并能實現(xiàn)持續(xù)可調(diào)，滾屏顯示和實時時間顯示。SD卡的擴展，是存儲容量大大的增大，實現(xiàn)了海量存儲，并具有掉電保護功能。通過和PC機的通訊，使顯示的信息能實時的更新。也實現(xiàn)了顯示屏的多字體顯示。整個系統(tǒng)簡潔，可靠性高，性能穩(wěn)定。本系統(tǒng)達到了設(shè)計的基本要求和發(fā)揮部分的要求，并且在其他發(fā)揮項目中擴充了很多設(shè)計。
經(jīng)過本次設(shè)計，對ARM芯片功能有了更深層次的理解。設(shè)計中還有欠缺的方面，今后的學(xué)習工作中會加以注意。
參考資料：
[1]吳金戎 沈慶陽 郭庭吉 、8051單片機實踐與應(yīng)用 北京：清華大學(xué)出版社2002
[2]胡漢才、單片機原理及其接口技術(shù) 北京：清華大學(xué)出版社 1995
[3]馬忠梅 籍順心 張凱 馬巖、單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計（第3版） 北京：北京航空航天大學(xué)出版社2003
[4]周立功 張華、深入淺出ARM7-PC213X/214X 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2005
[5]王田苗、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā) 北京：清華大學(xué)出版社 2005
[6]黃智偉 王彥等、全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程 北京：電子工業(yè)出版社
張桂青教授點評：
該參賽作品論文寫作規(guī)范，方案具體、數(shù)據(jù)翔實，采用組委會推薦的ARM2138開發(fā)板作為主控制模塊ARM實現(xiàn)題目的基本要求和發(fā)揮設(shè)計。原理圖設(shè)計正確，測試步驟具體，測試結(jié)果真實可信。采用SD卡存儲顯示的信息是該設(shè)計的最大創(chuàng)新，有新意。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，作品采用16*64點陣LED，做工精良，近似產(chǎn)品。近乎完美地實現(xiàn)了設(shè)計要求中的基本要求和發(fā)揮部分。尤其上位機軟件設(shè)計也非常完善。可任意輸入漢字或字符，有6種字體可設(shè)，實現(xiàn)陰陽字，滾動速度可控，遠程讀取控制器參數(shù)和數(shù)據(jù)等。作為學(xué)生短時間實現(xiàn)的作品，無論是工作量還是設(shè)計難度，都非常難得。
點陣電子顯示屏制作
摘 要
本系統(tǒng)是從實際應(yīng)用角度出發(fā)，針對當前市場上流行的LED產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計制作的多功能電子顯示屏，可用于商場導(dǎo)購促銷顯示、新聞與廣告顯示、車站機場班次時間資訊顯示等。
本簡易16行*64列LED電子顯示屏根據(jù)題目設(shè)計要求，硬件部分主要包括SPCE061A單片機系統(tǒng)、16塊8*8LED點陣顯示模塊構(gòu)成16*64點陣、顯示驅(qū)動電路、SPR4096存儲器、PCF8563實時時鐘電路、鍵盤輸入控制器等部分，還外擴了液晶顯示、溫度實時檢測、無線通訊、電機驅(qū)動屏幕旋轉(zhuǎn)等電路，。本系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字、字母、漢字等預(yù)存信息的切換顯示，同時還可以實現(xiàn)信息的定時循環(huán)、上下左右滾屏、LED顯示亮度連續(xù)可調(diào)、實時時間顯示、實時溫度顯示、無線遙控、顯示屏旋轉(zhuǎn)等擴展功能。另外，本系統(tǒng)可以和PC機通訊，通過PC機串口對顯示信息進行更新。
關(guān)鍵詞：LED電子顯示屏 SPCE061A 串行通信
Abstract
The LED lattice display system is a kind of new information display media with the rapid development of the computer, micro-electronics, photoelectron technology.
This 16*64 LED display system includes SPCE061A MCU system, sixteen 8*8 LED lattice modules, display driving circuit, SPR4096 memory module, PCF8563 as the real-time clock chip, keyboard controller et. In addition, it includes LCD circuit, real-time temperature detective, RF communication circuit. This system can display the numbers, letters, Chinese characters. It can display the information timely and circularly, up-rollingly, down rollingly left-rollingly, right-rollingly. The lightness of the displaying information can be adjusted continuously. Further more, this system can be remote controlled and communicate with PC by COM1 to update the display information.
Keywords: LED lattice display system SPCE061A serial communication
目 錄
一、方案比較 4
1、控制系統(tǒng) 4
2、點陣信息提取方案 4
3、顯示驅(qū)動電路 5
二、硬件設(shè)計與論證 5
1、主控制單片機 6
2、LED顯示驅(qū)動電路 6
3、數(shù)據(jù)存儲器 8
4、鍵盤液晶顯示模塊 9
5、無線通信模塊 9
6、時鐘電路的設(shè)計 10
7、溫度檢測 10
8、打印機的選擇 11
9、旋轉(zhuǎn)底盤的設(shè)計 11
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計 11
1、主程序流程圖 12
2、點陣字模信息提取程序流程圖 12
3、LED各顯示程序 12
4、串行通信程序 12
5、PC機客戶程序 12
四、系統(tǒng)功能測試 16
1、測試及制作中所用儀器 16
2、鍵盤各鍵功能 16
3、單元模塊電路測試 16
4、系統(tǒng)整體功能測試 16
五、總結(jié) 17
一、方案比較
1、控制系統(tǒng)
LED點陣電子顯示屏的設(shè)計一般有兩種方案：
方案一：采用可編程邏輯器件作為核心控制器產(chǎn)生LED點陣的行、列驅(qū)動信號。由于該系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)信息的顯示，還要具備鍵盤控制器、顯示亮度連續(xù)可調(diào)、實時時鐘顯示、與PC機通訊等功能及其他發(fā)揮功能，這就要求需要用中大規(guī)模的PLD，設(shè)計多個接口電路，開發(fā)周期長，不易進一步擴展，同時系統(tǒng)的成本會急劇上升（相對于第二種方案）。因此，本設(shè)計并未采用這種方案。
方案二：采用單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。鑒于SPCE061A單片機比傳統(tǒng)的51系列8位單片機具有更加豐富的資源，而且數(shù)據(jù)處理速度快，同時“61板除了具備單片機最小系統(tǒng)電路外還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復(fù)位電路等，體積小，可靠性高。本系統(tǒng)的設(shè)計采用雙單片機系統(tǒng)，一個主要用于完成多功能顯示控制功能，另一個主要用于實時時鐘顯示、實時溫度檢測顯示、無線通訊以及其他的擴展發(fā)揮部分功能，這樣提供了充足的內(nèi)部空間和更多的外部接口；同時由于安裝和調(diào)試工作可以并行進行，極大地縮短了總體設(shè)計和制造的時間。
2、點陣信息提取方案
要用LED點陣來顯示數(shù)字、字母和漢字等信息，首先要能夠提取出其字模數(shù)據(jù)，即一個16*8的點陣數(shù)字、字母的字模數(shù)據(jù)共有16個字節(jié)，一個16*16的點陣漢字的字模數(shù)據(jù)共有32個字節(jié)。首先要確定點陣信息提取方案。
方案一：固定漢字顯示，就是將要顯示的語句中全部漢字的字母數(shù)據(jù)依次提取出來，按順序存放在存儲器中，當有顯示任務(wù)時，直接取出字模數(shù)據(jù)送至顯示器即可。這種方法占用空間少，程序?qū)崿F(xiàn)簡單，顯示速度快。本系統(tǒng)中對10組預(yù)存信息的點陣信息的提取和存儲就是采用這種方案。但是，要想顯示大量的漢字信息或直接對顯示信息進行更新，則幾乎是不可能的事。因此，要實現(xiàn)這樣的功能就要采用第二種方案。
方案二：將標準的點陣信息字模數(shù)據(jù)的字庫文件（本系統(tǒng)中采用漢字庫文件HZK16、ASCII碼庫文件ASC16）裝入外擴ROM存儲器，采用與PC機相同的編碼（機內(nèi)碼），先進行基于PC機的預(yù)處理，提取需顯示內(nèi)容的機內(nèi)碼，通過串口發(fā)給單片機，單片機首先進行判斷，若是ASCII碼，則直接計算出起始地址，在ASC16文件中指定位置取出連續(xù)的16個字節(jié)即為其字模信息；若為漢字，單片機將機內(nèi)碼轉(zhuǎn)換為區(qū)碼和位碼，再計算出起始地址，在HZK16文件中指定位置取出連續(xù)的32個字節(jié)即為其字模信息，然后送到顯示器去顯示。另外，PC機與單片機之間串口通信只是傳輸機內(nèi)碼，而不是傳輸字模信息，傳輸信息量小，不需要復(fù)雜的通信協(xié)議。這樣既可以減輕單片機的負擔，而且可以根據(jù)要求隨時改變顯示內(nèi)容，非常簡單靈活。
3、顯示驅(qū)動電路
常用的顯示驅(qū)動方式有三種：
方案一：串行控制驅(qū)動，這種方式的好處是單元內(nèi)的線路連接簡單，給印刷電路板的設(shè)計帶來方便，減少了布線的密度，方便以后的制作與調(diào)試，而且相對提高了每個單元的可靠性；
方案二：并行控制驅(qū)動，將顯示數(shù)據(jù)通過并行(一般為8位)方式送入驅(qū)動電路，這樣的好處是：相對于串行控制而言，數(shù)據(jù)的刷新速度快，在處理同等數(shù)量的數(shù)據(jù)時，對處理速度要求可以大大降低，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也正因為“并行”使單元內(nèi)的數(shù)據(jù)線路的連接更加復(fù)雜，布線后的排錯難度大大增加；
方案三：采用專用集成電路（ASIC）直接驅(qū)動，由于這種專用集成電路是集行控制、列控制和外圍驅(qū)動于一體，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性更為可靠，特別適合戶外的大型或者超大型顯示屏。因為這種類型的顯示屏對圖像顯示要求高，不僅要保證圖像的一致性，而且要保證圖像的穩(wěn)定、高亮。
本次設(shè)計的顯示屏僅為16行*64列，更適合采用串行控制這種方式，這樣做既省去了并行控制驅(qū)動在制版過程中十分復(fù)雜的布線，又因為沒有采用專用集成電路在一定程度上降低了整個系統(tǒng)的成本。
二、硬件設(shè)計與論證
根據(jù)以上的系統(tǒng)方案比較與分析，本設(shè)計的系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示：
SPCE061A
2#
實時時鐘
溫度檢測
存儲器
打印機
顯示驅(qū)動電路
LED顯示屏
SPCE061A
1#
M
A
X
232
鍵盤
LCD
PC機
無線通訊
光電傳感器
圖1 系統(tǒng)的總體組成框圖
系統(tǒng)整體由三大部分構(gòu)成：
以單片機1#為核心的模塊一：包括16*64LED點陣、驅(qū)動電路、STR4096存儲器、無線數(shù)傳模塊、旋轉(zhuǎn)底盤、光電傳感器、音箱、打印機。實現(xiàn)功能：主要用來實現(xiàn)點陣的顯示，包括特定標語庫內(nèi)容的顯示，適時時間顯示、適時溫度顯示，并實現(xiàn)上下左右滾屏等各種花樣顯示；存儲器用來存儲漢字和ASCII碼的點陣庫，并實現(xiàn)掉電不丟失功能；無線模塊實現(xiàn)標語庫更新和接受設(shè)置信息；底盤可實現(xiàn)顯示屏的左右轉(zhuǎn)動，擺動幅度可調(diào)；在商場導(dǎo)購中，光電傳感器用于檢測人員進出，可與自動門配合使用，音箱播放“歡迎光臨”等語音信息；在廣告牌應(yīng)用中，打印機用于名片打印。
以單片機2#為核心的模塊二：包括4*4鍵盤、液晶、無線數(shù)傳模塊。實現(xiàn)功能：該部分實現(xiàn)遙控器的功能，可以遙控設(shè)置顯示屏的滾動模式，選擇標語庫，設(shè)置時間，設(shè)置擺頭幅度；實現(xiàn)標語庫的更新。（鍵盤使用說明見附錄一）
以上位PC機為核心的模塊三：包括上位機軟件和MAX232。實現(xiàn)功能：上位機主要實現(xiàn)標語庫的數(shù)據(jù)更新，上位機軟件通過MAX232將更新內(nèi)容（漢字或者ASCII碼的機內(nèi)碼）送到單片機2#，然后無線傳輸?shù)絾纹瑱C1#實現(xiàn)數(shù)據(jù)更新。
以下是各單元電路的具體設(shè)計：
1、主控制單片機
采用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為主控制器。由于SPCE061A內(nèi)置有2K字的SRAM和32K字的內(nèi)存FLASH，能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及LED點陣顯示所需數(shù)據(jù)的存儲要求；CPU時鐘頻率高達49.152MHz，能滿足刷新速度要求。另外，“61板”功能較強、性價比高，具有體積小、集成度高、易擴展、功耗小等優(yōu)點，簡化主控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，可靠性高，而且凌陽單片機具有C語言風格的匯編語言，有與標準C兼容的C語言，C語言函數(shù)可以與匯編函數(shù)互相調(diào)用，使其開發(fā)更加容易，實現(xiàn)整個系統(tǒng)更加簡單。
2、LED顯示驅(qū)動電路
本次設(shè)計中16行*64列LED電子顯示屏的制作以及其顯示驅(qū)動電路的設(shè)計制作都是非常關(guān)鍵的部分。下面主要介紹一下顯示驅(qū)動電路的設(shè)計。
本LED點陣屏采用動態(tài)掃描的方式顯示，即逐行掃描，工作時先將一行點陣字模通過列驅(qū)動輸出，然后運用譯碼器選中對應(yīng)行，使該行得以顯示，接著再送下一行數(shù)據(jù)，再選中下一行有效，直到16行全被掃描一遍。至此，一幅完整的文字信息就顯現(xiàn)出來。然后在反復(fù)掃描這16行直至顯示新的信息。采用這種方式的優(yōu)點是耗電少，成本低，壽命長，但是也存在顯示亮度及內(nèi)容顯示穩(wěn)定的問題。根據(jù)視覺滯留原理，根據(jù)視覺滯留原理，每屏的完整的顯示時間應(yīng)控制在20ms之內(nèi)，即50Hz，人眼看上去才不會覺得閃爍。由于要掃描16 行的點陣，所以每行的時間絕不能超過20ms÷16=1.25ms，同時也不是每行的掃描時間越短越好，因為LED的亮度同電流的大小和維持時間的長短有關(guān)。LED點陣塊的單點靜態(tài)電流一般在10mA左右，由于占空比是1/16，所以單點的動態(tài)電流最大可以達到160mA。在維持時間恒定的情況下，電流越大（不超過額定電流），點陣亮度也越亮，而在電流恒定的情況下，需要一段維持時間來保持亮度。試驗表明當輸入LED的電流為15mA時，維持時間至少需要1ms，否則LED呈微亮狀態(tài)。由于設(shè)計時設(shè)置SPCE061A單片機的時鐘頻率為24MHz，而每次傳送移行的字模數(shù)據(jù)有64位，經(jīng)計算傳輸所需的時間小于1ms，這樣就能充分利用列驅(qū)動74HC595的鎖存功能，即在它接收下一行待顯示的數(shù)據(jù)，還沒有鎖存新數(shù)據(jù)的這段時間來顯示本行的內(nèi)容，這樣就不需要額外加延時來增加顯示屏的亮度。采用這個方法就不要再增加LED的列驅(qū)動器件，從而使整個硬件結(jié)構(gòu)更簡化，成本降低。
行信號的處理是由四十六譯碼器CD4514來完成譯碼，輸出為高。由于顯示屏行的組成是多個模塊并聯(lián)而成的，因而行驅(qū)動得功率要求比較大，而且我們進行行掃描時需要所選行為低，故加反相驅(qū)動器ULN2803來滿足要求。
列信號的處理列信號的處理主要由8片8位帶鎖存的串入并出移位寄存器74HC595來完成。從單片機IO口串行輸出的64位點陣數(shù)據(jù)隨著移位時鐘的作用逐位移動到對應(yīng)位置，在接收到鎖存信號后，將數(shù)據(jù)并行輸出至LED的列線，最后在行驅(qū)動信號作用下點亮一行LED象素。
顯示掃描電路的電路圖如圖2所示。
圖2 LED顯示掃描驅(qū)動電路
3、數(shù)據(jù)存儲器
設(shè)計題目要求能增大到10組預(yù)存信息，且顯示信息具有掉電保護功能，同時考慮到要把漢字點陣字庫文件HZK16（261K字節(jié)）和ASCII碼點陣字庫文件ASC16（4K字節(jié)）裝入到ROM存儲器中，以便根據(jù)機內(nèi)碼在字庫中尋址，找到對應(yīng)的字模，提取后再送到點陣顯示屏顯示。因為SPCE061單片機的內(nèi)存Flash只有32K，還要存放程序，因此需外擴數(shù)據(jù)存儲器。我們選擇了凌陽“61板”的配套模組SPR4096。SPR4096是一個高性能的4M-bit（512K字節(jié)）FLASH，分為256個扇區(qū)，每個扇區(qū)為2K字節(jié)。SPR4096串行接口的工作頻率可達5MHz，數(shù)據(jù)存取速度和存儲容量都能夠達到我們的要求。硬件圖連接如圖3所示：
圖3 SPR4096硬件連接圖
4、鍵盤液晶顯示模塊
為使用鍵盤作為顯示屏控制器，實現(xiàn)多功能顯示控制，我們使用智能型鍵盤顯示控制芯片HD7279A作為4*4鍵盤與單片機之間的接口，其與微處理器僅需4條接口線，采用串行通信方式，占用CPU端口少，同時HD7279得到鍵盤碼后通過中斷服務(wù)程序把按鍵信息送給單片機，使單片機可以騰出更多時間質(zhì)性其他操作。設(shè)計中我們需要用液晶模塊顯示遙控單片機菜單的各信息。在本系統(tǒng)中選用了OCM4×8C模塊，可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，既可采用并行接口，又可采用串行接口，連線較為方便。HD7229、OCM4×8C與單片機連接原理圖如圖4所示。
5、無線通信模塊
在本設(shè)計中，我們采用了兩塊61板，1#板主要用于完成控制LED顯示屏，2#板主要用于鍵盤液晶控制、實時時鐘、實時溫度檢測顯示、與PC機通訊以及其他的擴展發(fā)揮部分功能。兩板之間采用無線通訊進行數(shù)據(jù)傳輸。為滿足系統(tǒng)的要求我們選擇了SRWF-1型微功率無線數(shù)傳模塊，該模塊的特點是：高抗干擾能力和低誤碼率、完善的通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)實時同步、看門狗實時監(jiān)控、傳輸距離遠、低功耗及休眠功能高可靠性，體積小、重量輕。
圖4 鍵盤顯示電路
SRWF-1型模塊提供2個串口3種接口方式，COM1為TTL電平UART接口，COM2由用戶自定義為標準的RS-232/RS-485接口（用戶只需拔/插短路器再上電即可改變接口類型）。SRWF-1提供的兩個串口，在使用時注意以下事項：（1）對于空中接收的數(shù)據(jù)，SRWF-1通過串口轉(zhuǎn)送給終端設(shè)備時，COM1和COM2同時輸出，即用戶如果在COM1和COM2各連接了1個設(shè)備，他們都可同時收到數(shù)據(jù)；（2）對于由終端設(shè)備送來，準備向空中發(fā)射的數(shù)據(jù)，SRWF-1只能正確接收COM1或COM2其中1個串口送來的數(shù)據(jù)，否則將造成數(shù)據(jù)通訊混亂。如終端設(shè)備在向COM1發(fā)送1個0x12（數(shù)據(jù)正在傳送）時，再向COM2發(fā)送1個0x34，模塊將收到一個數(shù)據(jù)串0x12，0x34。
RXD
B(RX)
VCC
SLEEP
TXD
SGND
RESET
COM2
COM1
A(TX)
GND
9
1
SGND
RXD/TLL
TXD/TLL
A(RX)
B(TX)
SLEEP Singnal
RESET Signal
SRWF-1 接口
用戶設(shè)備接口
圖5 SRWF-1與用戶設(shè)備接口電路
注：沒有使用的引腳可以懸空不連。但不能連接長懸空線，以免引入干擾。
6、時鐘電路的設(shè)計
系統(tǒng)要求實現(xiàn)實時時間的顯示，這里我們選用串行日歷時鐘芯片PCF8563，，與單片機的連線大為減少，極大的節(jié)省了單片機的系統(tǒng)資源。PCF8563與單片機的接口電路如圖6所示。而且該部分電路還加了掉電保護功能，在主供電系統(tǒng)意外斷電時，即Vcc為0V時，D1截止， 3.6V備用電源通過D2繼續(xù)給PCF8563供電,保證8563的正常運行。
圖6 PCF8563時鐘電路
7、溫度檢測
本系統(tǒng)擴展了實時溫度檢測顯示功能，選用DS18B20一線式數(shù)字溫度傳感器，通過單片機讀取當前環(huán)境溫度可通過鍵盤切換顯示時間和溫度。
圖6 DS18B20與單片機的接口電路
8、打印機的選擇
本系統(tǒng)還擴展了打印機功能，在廣告牌應(yīng)用中用來打印名片等相關(guān)信息。我們選擇了北京市興偉機電應(yīng)用技術(shù)研究所研制的微型熱敏/針打打印機。通過通用的ESC/P打印命令實現(xiàn)字符的打印。
圖7 打印機接口控制時序圖
9、旋轉(zhuǎn)底盤的設(shè)計
針對應(yīng)用的需要，系統(tǒng)擴展了顯示屏旋轉(zhuǎn)功能，用普通小型直流電機提供動力，由變速箱減速并加大驅(qū)動能力，實現(xiàn)顯示屏幕左右擺動，并且幅度可調(diào)。
圖8 直流電機驅(qū)動電路
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件部分主要包括主程序、點陣字模信息提取程序、LED各顯示程序、串行通信程序以及PC機客戶程序等。
1、主程序流程圖
見圖8。
2、點陣字模信息提取程序流程圖
見圖9。
3、LED各顯示程序
LED顯示屏的顯示方式有靜止、上下滾屏、左右滾屏等多種方式。其中上下滾屏顯示程序類似，左右滾屏顯示程序類似，其他多花樣的顯示方式程序都是在此基礎(chǔ)上進行改動而來的。因此主要給出靜態(tài)顯示、上移顯示、左移顯示這三種典型方式的程序流程圖，見圖10、圖11、圖12。
4、串行通信程序
每當向PC機客戶程序里輸入新顯示內(nèi)容并發(fā)送給單片機時，單片機就產(chǎn)生串行中斷，接受待顯示信息的機內(nèi)碼，然后再利用點陣字模信息提取程序得到點陣數(shù)據(jù)送到LED顯示屏顯示。單片機接受數(shù)據(jù)采用中斷的方式。串行中斷程序流程圖見圖13。
5、PC機客戶程序
本系統(tǒng)的PC機客戶程序是采用Visual Basic 6.0進行開發(fā)的，主要利用其串行通信控件MSComm，其主要流程圖及運行效果見圖14、圖15。
圖8 主程序流程圖 圖9 點陣字模信息提取程序流程圖
圖10 靜態(tài)顯示程序流程圖 圖11 上移顯示程序流程圖
圖12 左移顯示程序流程圖
圖13 串行中斷程序流程圖 圖14 PC機客戶程序流程圖
圖15 PC機客戶控制程序的界面
四、系統(tǒng)功能測試
1、測試及制作中所用儀器
GDS-820C型雙蹤數(shù)字示波器、UNT-T型臺式數(shù)字萬用表、
SK1731SL2A直流穩(wěn)壓電源、F10型數(shù)字合成函數(shù)信號發(fā)生器、
聯(lián)想PC、烙鐵等
2、鍵盤各鍵功能
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
./+
C/-
確定
上
下
取消
“0—9” ：數(shù)字鍵；
“. /+” ：小數(shù)點/數(shù)據(jù)加1；
“C/-” ： 刪格/數(shù)據(jù)減1；
“確定” ：進入菜單，保存設(shè)置
“取消” ：返回上一級菜單
“上” ： 菜單上翻，插入點左移
“下” ： 菜單下翻，插入點右移
3、單元模塊電路測試
1）LED點陣測試：用程序?qū)崿F(xiàn)所有點陣全部點亮，顯示部分點陣塊無法完全點亮，更換點陣塊后顯示正常。
2）無線數(shù)傳測試：由單片機#2無線發(fā)送1000字節(jié)數(shù)據(jù)，單片機#1接收并存儲，通過開發(fā)環(huán)境查看接收數(shù)據(jù)，發(fā)送一百次，成功接收100次，經(jīng)測試系統(tǒng)穩(wěn)定；
3）與上位機通信測試：上位機循環(huán)發(fā)送1000字節(jié)數(shù)據(jù)，單片機接收并校驗，接受成功后送液晶顯示，然后停止發(fā)送，經(jīng)測試接收時間相對于人的反映時間可以忽略。測試20次，成功接受20次。
4）鍵盤液晶測試：用鍵盤控制菜單進出，上下翻頁，鍵盤無抖動，液晶無閃爍。
4、系統(tǒng)整體功能測試
各單元模塊整合后，系統(tǒng)上電,顯示屏上顯示預(yù)存信息,通過2#機上的鍵盤可以成功控制1#機上的顯示,包括預(yù)存信息切換顯示、翻頁、上下滾屏、左右滾屏、對流、展開等各花樣顯示方式、LED顯示屏亮度連續(xù)可調(diào)，能成功地顯示出字母、數(shù)字、漢字等信息，通過按鍵可以控制顯示實時時間、實時溫度等信息，而且斷電后，重新開機，預(yù)存的顯示信息與時間均可掉電保護。通過PC機的客戶程序發(fā)送需更新信息數(shù)據(jù)到2#機，由2#機通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給1#機，可以成功地更新顯示內(nèi)容。
經(jīng)過多次測試，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)上述所有功能。
五、總結(jié)
我們制作的這套LED點陣電子顯示屏系統(tǒng)不僅完成了題目要求的基本功能和發(fā)揮功能，還在實時溫度檢測顯示、無線遙控、顯示方式等方面有所創(chuàng)新。本系統(tǒng)以凌陽16位單片機SPCE061A為核心部件，最終完成了競賽題目中要求的各項任務(wù)，包括可以控制16*64LED點陣顯示屏實現(xiàn)信息的左右滾屏、顯示屏亮度連續(xù)可調(diào)、實時時間和實時溫度的顯示等，在設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件在編程方面靈活的特點，來滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。
在競賽的過程中，我們遇到了許多突發(fā)性的不太好解決的問題，例如，在整個系統(tǒng)的調(diào)試過程中，我們體會到無論是硬件還是軟件的調(diào)試都要注意模塊化，要從最底層開始，逐級通過后才能進行下一步的工作；同時在聯(lián)合調(diào)試的過程中，應(yīng)注意各模塊之間的時序配合問題，有時都是正確的模塊程序卻因為按照不恰當?shù)捻樞騺韴?zhí)行從而導(dǎo)致程序運行結(jié)果完全出錯。
通過這次比賽，我們深深的體會到了團隊間的共同協(xié)作的重要性，提高了自己的動手能力和解決問題的能力。
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