点阵电子显示屏制作.doc
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1、点阵电子显示屏制作目 录摘要2前言 4一、设计要求4二、方案论证与比较51、扫描方式的选择 52、行列控制方式的方案论证与选择 53、数字时钟显示模块的设计方案论证与选择 6三、系统硬件电路设计61、系统总体框图62、各单元电路设计 62.1、LED点阵的选择62.2、行列控制和驱动电路设计 72.3、实时时间控制电路的设计112.4、系统电源参数的核算132.5、单片机与PC机通信单元设计132.6、键盘控制电路设计 14三、 软件设计151、主程序设计152、基于CPLD的行列控制逻辑电路的程序设计163. PC机串口通信子程序设计16四、 系统测试16五、设计总结 17六、参考文献 17
2、点阵电子显示屏制作摘要:本设计是以AT-89S52单片机为控制核心,基于CPLD独立扫描的实用、高效的智能型LED大屏幕显示屏系统,该系统实现了按键切换、显示屏亮度连续可调、信息上下左右滚屏显示、预存信息定时循环显示,利用DS1302实现实时时间显示等功能,并能通过PC机串口直接对显示信息进行控制更新,具有刷新速度快、亮度高、功耗低等特点。关键字:点阵LED CPLD MAX232 DS1302Abstract:The Design of Graph Matrix Display Screen Based on MCS-51 Microprocessor,consists of Micro C
3、ontrol Unit (MCU) as its core, Base on CPLD carry out self-help scan , this system carry out follow function: using key-press shift the display content, adjust the time , continuum adjust the lightness, roll screen display ,timing circle display the pre-store information , using DS1302 carry out rea
4、l time display, etc. utilize PC , via serial interface , directly control the display content. This Graph Matrix Display Screen display screen with quick refurbish, high luminance, and Low power consumption , and so on peculiarity. Keywords: MCU, Graph Matrix Display Screen,CPLD,MAX232, DS1302前 言社会的
5、信息化,促进了显示技术的发展,LED大屏幕点阵显示系统作为一项高科技产品已经渐渐融入了人们的生活。与传统的显示媒体相比,由于其亮度高、动态影像显示效果好、耗能少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式灵活、性价比高等优势,已经开始广泛应用于各行各业。采用单片机控制的LED点阵显示屏显示形式美观大方,显示内容灵活可变,具有低功耗,结构简单,操作方便等优点,已广泛应用于银行,证券,影视,体育和公路交通等各个方面,显示了其良好的市场前景。一、 设计要求1、 基本要求:设计并制作LED电子显示屏和控制器。(1)自制一台简易16行*32列点阵显示的LED电子显示屏;(2)自制显示屏控制器,扩展键盘和相应的接
6、口实现多功能显示控制,显示屏显示数字和字母亮度适中,应无闪烁。 (3)显示屏通过按键切换显示数字和字母;(4)显示屏能显示4组特定数字或者英文字母组成的句子,通过按键切换显示内容;(5)能显示4组特定汉字组成的句子,通过按键切换显示内容。2、 发挥部分1) 自制一台简易16行*64列点阵显示的LED电子显示屏;2) LED显示屏亮度连续可调。3) 实现信息的左右滚屏显示,预存信息的定时循环显示;4) 实现实时时间的显示,显示屏数字显示: 时分秒(例如 183859);5) 增大到10组(每组汉字8个或16个数字和字符)预存信息,信息具有掉电保护;6) 实现和PC机通讯,通过PC机串口直接对显示
7、信息进行更新(须做PC机客户程序);7) 其他发挥功能。二、方案论证与比较1、扫描方式的选择方案一:静态显示,所谓的静态显示就是对LED电子显示屏中的每一像素点都通过硬件单独控制,整个LED显示屏所有的LED的同时显示。此方式最大优点是程序设计简单,且画面无闪烁。但这种设计存在致命的缺点:电路复杂,硬件利用率低,成本巨大。所以此方式一般不被采用。方案二:采用动态扫描法并行输出数据,所谓的动态扫描法是利用人眼的视觉暂留特点而实现的一种显示方法,即当刷新速率足够高时,人眼就察觉不出显示屏画面更迭的闪烁。若要显示一帧画面,先送出第一行的数据,然后选通并点亮第一行,延时;此后送出第二行的数据,同样选通
8、、点亮并延时;依次将所有行扫描完,即给出了一帧的画面。方案三:采用动态扫描法串行输出数据,方案二和方案三同样采用动态扫描实现显示过程。但方案二的缺点也是明显的,比较而言,方案二的译码电路比较复杂,相对硬件开销大一些;方案三电路构成简单,译码电路简洁。为使电路设计简洁易行,我们采用方案三2、行列控制方式的方案论证与选择方案一:采用传统方案,应用行扫描和列送数据的方式,横向取模,从AT89C52串口发送出来的数据通过74LS595进行串-并行数据转换输出给LED MATRIX UINT的各个列,从AT89C52出来的输出口的数据通过一级总线驱动器74LS245后进入4-16线译码器74LS154,
9、译码以后通过限流电阻进入驱动管阵列放大,直接驱动LED点阵的各行。但要组成1664的点阵显示电路,必须采用多片芯片,硬件电路复杂。方案二:采用超大规模可编程逻辑阵列器CPL构成行扫描和列控制模块,利用VHDL语言设计控制逻辑,可充分发挥CPLD和数字电路EDA设计的优势,只用一片CPLD芯片,通过简单的编程模拟8片74LS595和一片74LS154,就可以代替方案一中利用多块芯片实现的功能,硬件电路设计简单可靠,具有极高的稳定性。本设计采用Altera公司的EPM7128SQC160-10芯片。 3、数字时钟显示模块的设计方案论证与选择方案一:因为题目中只要求显示时、分、秒,因此可以用门电路组
10、合构成时钟发生器,但此方案硬件复杂,稳定性低,且不易控制。方案二:本方案完全用软件定时、计数功能实现数字时钟。该方案具有硬件电路简单的特点。但由于每次执行程序时,定时器都要重新赋初值,所以该时钟精度不高。而且,由于是软件实现,当单片机不上电、程序不执行时,时钟将不工作。方案三:本方案采用实时时钟芯片DS1302,它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿功能,采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据,时钟芯片自备电池,只需要设置初始时间即可。基于上述分析,本设计采用方案三完成数字时钟部分的功能。三、系统硬件电路设计1、系统总体框图
11、图1 系统总体框图整个显示系统可以分为CPU主控电路部分串行数据的传送和时序控制部分 CPLD行列译码扫描部分实时时钟控制电路部分与PC机串口通讯部分按键控制电路部分三极管驱动电路部分点阵显示部分。2、各单元电路设计2.1 LED点阵的选择LED基本阵列选用6寸的88点阵, 16片88点阵组成整个显示屏。该种点阵的规格为双列直插,标准引脚距(2.54mm),LED规格为5,单色红色。88点阵LED结构如下图所示:图2 88点阵LED外观及等效电路图2.2、扫描控制和驱动电路设计1. EPM7128SQC160-10简述EPM7128SQC160-10是Altera公司推出的MAX7000S 系
12、列CPLD(Complex Programmable Logic Device);采用CMOS E2PROM工艺,传输延迟仅为5ns;内部具有丰富的资源-128个触发器、2500个用户可编程门;而且具有102个用户可编程的I/O口,为系统定义输入、输出和双向口提供了极大的方便;为了比较适合混合电压系统,通过配置,输入引脚可以兼容3.3V/5V逻辑电平,输出可以配置为3.3V/5V逻辑电平输出。EPM7128同时还提供了JTAG接口,可进行ISP编程,极大地方便了用户。2、行列扫描电路的设计对大型LED点阵显示屏而言,由于其数据量大,必须有很快的刷新频率,如刷新速度跟不上,会造成点阵屏画面晃动和
13、闪烁。解决这个问题有很多方法,例如,采用PC机的DMA控制器来提高数据传输速率,采用并行数据传输方式,分单元多CPU控制方式等等。我们采用CPU控制,利用CPLD(EPM7128SQC160-10)设计扫描逻辑,串行列数据分时传输,行扫描的方式,从而使整个显示屏可以顺序工作,并利用CPU控制扫描频率,实现了屏幕无闪烁显示。该部分控制电路原理如图3、图4、图5所示,采用行扫描的方式,行扫描与列送数据电路均采用CPLD 芯片编程构成的通用数字电路来控制,在1664点阵显示时,扫描输出需要大量的I/O端口,因此我们采用具有160个I/O端口的EPM7128SQC160-10芯片,仅用一片即可满足设计
14、要求。列数据传输控制电路如图3所示,由单片机输出的显示信息串行输入到CPLD,用VHDL语言编写其总线读逻辑,在CPLD芯片中实现八片8位3态串行输入、并行输出,带锁存功能的移位寄存器,完成数据的串并转换,由CPLD的64列数据输出控制LED点阵的64列。图3为由CPLD实现的八片74LS595的示意图,其中,L1-L64为列选通控制信号输出,RCK、SCK、SCLR是由单片机送来得控制信号,RCK为锁存控制信号,SCK为时钟控制信号,SCLR为清零信号,各片的RCK、SCK、SCLR均接在一起, Si接单片机的扫描数据输出,第一片74LS595(由CPLD实现)移位输出端接第二片74LS59
15、5的数据输入Si2,八片进行级连,实现一次扫描一个字节即:八位并行输出和串行移位功能。图3 用CPLD实现的64列数据传输逻辑示意图行扫描的控制是利用CPLD编程实现四线十六线译码器74LS154的功能,如图4所示,AA、BB、CC、DD接单片机行控制数据输出,H1-H16为CPLD输出的行扫描控制信号,接行三极管驱动电路。图4 用CPLD实现的行扫描逻辑示意图图5 CPLD内部逻辑电路图3、行驱动电路设计该系统显示部分的点阵采用单色LED共阴点阵模块,16 块88点阵模块连接成1664点阵。因为一个行扫描管同时控制着一行中多个LED的通断,所以它承载较大电流。以每个发光二极管流过的电流为10
16、mA计算,一个64列的点阵屏中,每个行扫描管所承受的电流是10mA64=0.64A,为此我们选用高速中功率三极管8550,保证了行的驱动能力。由于显示点阵的每一行都需要用一个三极管来控制,所以1664点阵共需要16个8550。驱动电路如图6所示。 图6 行驱动电路图4、扫描频率的控制由于人眼的视觉暂留现象,一个LED发光管如果在一秒钟内亮24次以上的话,人眼就感觉不到闪烁。由此,一屏画面连续以每秒25次的频率循环显示时,给人的感觉是稳定的。为此只要利用CPU控制由CPLD实现的行译码器的译码速度,保证每秒内译码1625=400次,就可以保证画面的稳定性。设计时,我们使AT89C51的定时计数器
17、T0工作于方式2(自动重载方式AUTO-RELOAD MODEL)。此时设定M1M0为10,在方式2中16位计数器被拆为两部分,其中TL0用作8bit Counter;TH0用于存放和保持计数初值。当TL0计数溢出时,在溢出标志TF0置1的同时,自动的将TH0的初值重载到TL0中,因此在初始化的过程中,用软件只需一次赋初值。其周期为:T(28-TH0初值)时钟周期12采用11.0592MHZ的晶振时,计数速率约为1MHz,输入脉冲的周期间隔为1uS,通过计算,TH0的初值为243,即为0XF3(OF3H)。采用中断的方式控制行译码扫描频率,就可以保证画面的无闪烁显示。2.3实时时间控制电路的设
18、计1、DS1302的结构及工作原理DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据,同时提供了对后背电源进行涓涓细流充电的能力。其引脚功能及结构如图7所示图7 DS1302引脚功能及结构图DS1302 的控制字如图8所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1,如果它为0,则不能把数据写入DS1302中,位6如果为0,则表示存取日历时钟数据,为1表示存取RAM数据;位5至位1指
19、示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作,为1表示进行读操作,控制字节总是从最低位开始输出。 图8 DS1302 的控制字在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,数据输入从低位即位0开始。同样,在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据,读出数据时从低位0位到高位7。 DS1302有12个寄存器,其中有7个寄存器与日历、时钟相关,存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表1。表1寄存器命令字取值范围各位内容名称写操作 读操作7 6 5 4 3 2 1 0秒寄存器80H81H0059CH 10S
20、FC SEC分寄存器82H83H00590 10MIN MIN时寄存器84H85H0112或001312/24 0 10 HR HR日寄存器86H87H0028.29.30.310 0 10DATA DATA月寄存器88H89H01120 0 0 10M MONTH周寄存器8AH8BH01070 0 0 0 0 DAY年寄存器8CH8DH0099 10YEAR YEAR 此外,DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 2、利用 DS1302的实时时间显示电路硬件设计 DS1302
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