大学本科毕业论文-点阵式汉字电子显示屏的设计与实现研究.doc

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1、 本科生毕业论文点阵式汉字电子显示屏的设计与实现研究 Dot matrix Chinese character design and realization of the electronic display screen学生姓名 所在专业电子信息工程所在班级电子1092班申请学位工学学士指导教师 职称副教授副指导教师职称答辩时间2012年 6 月 1 日目录摘 要IABSTRACTII第一章 前言11.1 LED显示屏的研究背景和意义11.2 LED电子显示屏的分类21.3 LED的技术现状及发展趋势21.4 LED显示屏的应用实例4第二章 LED显示屏的结构及工作原理42.1 LED点阵模

2、块结构422 LED 动态显示原理523 LED常见的控制方式7第三章 LED显示屏硬件电路设计83.1 点阵LED模块选择83.2 74HC154行驱动电路设计93.3 列驱动电路设计11第四章 单片机控制电路的设计154.1 单片机的概述154.2 单片机的特点和结构原理184.2.1 单片机的特点184.2.2 单片机结构184.3 单片机最小系统电路设计20第五章 软件设计系统分析2151 单片机软件设计系统215.1.1 Keil软件介绍215.1.2 proteus软件介绍225.1.3 Altium Designer软件介绍245.2 软件字模提取255.3 通信串行口技术265

3、.3.1 PL2303芯片简介265.3.2 PL2303模块设计26第六章 总结与展望286.1 工作总结286.2 工作展望296.3 心得体会29鸣 谢30参考文献31附 录31附录1 系统的原理图31附录2 系统的实物图32附录3 部分程序代码32摘 要本设计采用C51单片机为主要控制模块，利用行列外围驱动电路来驱动8*8的点阵LED显示屏，通过四块8*8的LED组建成为要求设计的16*16的点阵显示屏，设计可以依次显示操作者需要显示的汉字；同时可以通过软件取模，编写修改显示的汉字，通过串口芯片PL2303实现通信，将程序烧写进芯片，实现汉字的修改；设计所需电源通过外置电源，采用9V的

4、电源，经过稳压电路，使电源保持在满足设计要求的5V电压值持续供电。本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的分析。关键词：LED；单片机；驱动模块；串口通信IABSTRACT This design uses C51 microcontroller as the main control module, using the ranks of peripheral driving circuit to drive the 8 * 8 dot matrix LED display, through four 8 * 8 leds forms a r

5、equirement of 16 * 16 dot matrix display screen, can be designed according to the operator in order to display the Chinese characters; Modulus can through the software at the same time, modify the display of Chinese characters to write, serial communication chip PL2303 implementation, write programs

6、 to burn into the chip, realize Chinese characters change; Required power supply through the external power supply design, a 9 v power supply, through regulating circuit, to keep power in meet the design requirements of continuous power supply 5 v voltage value. This article obtains from the princip

7、le of LED display, LED dynamic display process were introduced in detail, and the hardware circuit design, calculation and analysis software.Keywords: LED SCM serial communication driver moduleII点阵式汉字电子显示屏的设计与实现研究电子信息工程 200911611208 僵凉凉 指导老师：王继鸡第一章 前言1.1 LED显示屏的研究背景和意义随着我国经济的高速发展，对公共场合发布信息的需求日益强烈，LE

8、D显示屏的出现正好适应了这一市场需求。目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。其已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等多种需要进行公告、宣传的场所。然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，传统的霓虹灯广告亟待改进。由于单片机技术的不断发展和高亮度LED 发光管的出现,使得大屏幕高亮度电子广告屏成为可能。与传统的显示设备相比，LED显示设备具有明显的优势：LED 屏色彩丰富，显示方式变化多样、亮度高；LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性

9、、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。LED显示屏的产业发展正处于高速发展阶段，目前全球LED产业可以分为四大地区。分别是欧美地区，日本，韩国，中国。LED显示屏已经广泛应用与生活中各个领域，需求量日益增加，2010年，LED市场的规模增长了58%，从100亿美元增长到158亿美元。据不完全统计，1998年我国LED显示屏生产厂商有150多家，制造各类显示屏约五万平方米，实现产值14亿元，LED产业取得了举世瞩目的成绩。近年来，在产品结构、制作技术、产品质量、量产水平、市场占有等方面，紧逼日本的态势，在世界LED产业中紧挨美国、日本之后，位居世界第三。五年来，每年平均增长

10、达20%以上，1997年台湾十大光电产品中占第四位，产值18870百万元新币，EpistarCorp已经开发成功用于全彩色灯和显示器的红色、绿色、蓝色芯片，这些芯片光强超过70mcd.一家正在投产的公司，利用MOVPE技术生产InGaAlp超亮度的发光材料和芯片。台湾有七家生产LED芯片的公司，生产各色传统芯片，占世界产量的七成以上。LED显示屏的关键控制技术随着超大规模集成电路（VLSI）的发展而日趋完善，EPLD、DSP以及FPGA已经得到广泛应用，一些厂商正在研发专用的LED控制集成电路。LED显示屏与LCD、PDP等同类平板显示屏产品比较，由于LED产品具有性能稳定、寿命较长、功耗较小

11、以及价格低廉等优势，在各种实际应用中具有较强的市场竞争力。因此，在研究专用的LED控制集成电路，需要花费一定的人力和物力，加上时间的允许才能完成，在这一模块的研究方向，有着广阔的市场。1.2 LED电子显示屏的分类 按颜色分类单基色显示屏: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。 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

12、示模块，适于播放文字、图像信息。 按使用场合分类室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。 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。 按发光点直径分类室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm 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。1.3 LED的技术现状及发展趋势1、显示颜色、亮度和视角基础半导体工业的迅猛发展，带动了发光二极管制造材料以及制 作工艺的改进，在颜色与亮度方面都有

13、了质的飞跃，高亮度、蓝色及 纯绿色发光二极管已产业化并得到应用。首先要按照亮度指标选择 LED 或者显示模块，其次是根据选择的产品红、绿、蓝颜色的亮度来确定哪一种颜色为基准，一般是将亮度比例低的一种作为亮度基准，当基准的一种已经达到最大亮度时，调整另外一种（双色）或两种（全彩）。显示屏幕是双色时，大多数情况下以绿色为基准，调整红色二极管的工作电流。一般是降低工作电流，一平衡颜色黄色为调整标准，这样就要减小整个显示屏幕的亮度。显示屏的颜色调整至最佳平衡状态，则会使屏的亮度降低。如果显示屏幕为了达到亮度要求，将每一种颜色都达到最大的亮度，那么就失去了颜色的平衡，例如：双色屏幕的黄颜色偏红，或偏绿。

14、目前 LED 显示屏从颜色上能 满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求，四元素的 红色 LED 器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用。在显示屏制作上采用 SMD 表贴技术的 LED 器件，可以获得更好的视 角和亮度，目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用，但相对成本比较高，随着器件成本的降低，未来会有比较大的市场潜力。2、灰度控制技术LED 显示屏在进行图文显示时，对同一基色采用级差间隔亮度， 实现颜色的组合，一般可做到 16 级、64 级、256 级灰度。为使显示效 果更符合人眼的视觉特性，出现了非线性级差调灰技术，即在低亮度 区级差小，增加级数，逐步到高亮度区

15、时增大级差，形成视觉效果上 的“级差一致性”。目前 LED 显示屏灰度控制一般都在 256 级，通过采 用非线性调灰技术，显示屏的显示效果比较理想。实际上、受数据、图像的信号源的制约，单纯追求大数量级的灰度控制，在使用中的实际价值是值得商讨的。发展趋势：由于发光二极管产业不断涌现新技术、新产品、新的应用，呈现了朝阳工业的欣欣向荣的景象，LED产业会得到持续发展。 制造厂商会在超高亮、全彩色技术面扩张投资，提升产能，从业人员会有增加，我国（包括台湾和香港地区）将成为世界LED的主要产地，预计占世界总量的六成以上，五年之后产值达到七十亿元，超高亮度LED会有30%速度增长，而传统LED也会以5%1

16、0%的速度增长。 目前，许多色别的发光二极管都达到烛光级水平，随着器件结构的改进；发光效率的飞速提高；今后LED发展的主流是照明光源；开始在一些领域取代白炽灯，期间会与其它光源互补、并存、共同发展，人们面临着照明光源的变革，有人预言LED是21世纪的照明光源。 世界光电子产业的发展推动应用领域的变化发展，随着LED产业的发展会有更多的资金投向LED的研究和生产。因此，现有超高亮度、蓝色、绿色LED的技术为少数厂商垄断将会突破，预计产品成本会有大幅度的下降，从而促进市场再开发，应用的再拓展。1.4 LED显示屏的应用实例见图1.1 左：图文屏 右：条幅屏 图1.1 LED电子显示屏应用示例图文屏

17、广泛应用于学校，公司等工作场所，条幅屏较多应用与商场超市等场所，不同场所都同样展现了LED显示屏的现实应用价值。 第二章 LED显示屏的结构及工作原理2.1 LED点阵模块结构八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有44、48、57、58、88、1616等等。根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等

18、单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。图2.1示出最常见的88单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。 图2.1 88单色LED模块内部电路LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号如5x7点阵显示器用于显示西文字母58点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常

19、通过PC机或单片机控制驱动。22 LED 动态显示原理 LED点阵显示系统中各模块的显示方式： 有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就

20、是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。以88点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图2.1中，红色水平线Y0、Y1Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线X0、X1X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。再如Y

21、0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。其过程如图2.2图2.2 用动态扫描显示字符“B”的过程假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。下面用伪代码描述动态显示的过程。（1）Y=0x01,X=0xFF，如图 2.2第一帧；（2）Y=0x02,X=0x87，如图 2.2第二帧；（3）Y=0x04,X=0xBB，如

22、图 2.2第三帧；（4）Y=0x08,X=0xBB，如图 2.2第四帧；（5）Y=0x10,X=0x87，如图 2.2第五帧；（6）Y=0x20,X=0xBB，如图 2.2第六帧；（7）Y=0x40,X=0xBB，如图 2.2第七帧；（8）Y=0x80,X=0x87，如图 2.2第八帧；（9）跳到第（1）步循环。如果高速地进行（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。这就是动态扫描的原理。只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。例如0601条屏（每行6个汉字

23、，共1行），行线有16根，列线有96根。如果用列线来做扫描线，则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。可见，用行线做扫描线，因为其发光周期的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。因而发光效率比前者高。在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰的看见发光。在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。比如先将扫描线全部设置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。23 LED常见的控制方式目前常见的是并行传输方式

24、（见附录1.1），通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个1616点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。

25、因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。一以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。这就需要对

26、单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。二以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。三以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色

27、阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高，开发难度较大。四以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。第三章 LED显示屏硬件电路设计3.1 点阵L

28、ED模块选择本设计主要采用3MM 8*8点阵共阳CPM12088BR 3mmLED点阵模块，模块外型具体如下图所示：图3.1 LED的实物图3.2 74HC154行驱动电路设计由于单片机的接口有限,所以需要译码器扩展其中最常用的行驱动芯片是74LS138芯片3一8译码器,74HC154芯片4一16译码器因为选用74LS138译码器则需要两片驱动一个16行的LED屏,而这里选用74HC154芯片,使用一片就可以实现4一16译码,当驱动大屏幕的时候可以节省一半的芯片,制作电路时也可以节省空间,降低成本74HC154有如下的特点:(l)16行多路输出功能;(2)4个二进制代码输入,译码成16路多路输

29、出;(3)2个使能输入端,用来控制芯片工作或停止工作,或者用来扩展输出;(4)标准输出,中规模集成电路图3.2 74HC154芯片引脚说明74HC154是具有24引脚的集成芯片,它的封装方式有贴片式和直插式,其引脚图如图3.2所示1-11 13-17 ：输出端。（outputs (active LOW)）12：GND电源地（ground (0 V)）18-19：使能输入端、低电平有效 (enable inputs (active LOW)20-23：地址输入端 (address inputs)24：VCC电源正 (positive supply voltage)地址/全能输入对应输出表35 注

30、意：H = 高电平（HIGH voltage level）L = 低电平（LOW voltage level）X = 任意电平（dont care）只要控制端G1、G2任意一个为高电平，A、B、C、D任意电平输入都无效。G1、G2必须都为低电平才能操作芯片。表3.1 74HC154功能表本设计采用的74HC154作为LED显示屏的行驱动扩展口,LED显示屏的规格是16x16，因此要用到一片74HC154,通过该芯片的使能端控制芯片输出16位,设计的行驱动仿真图如图3.3所示：图3.3 74HC154仿真图根据芯片的特征，18、19引脚接地给低电平，20-23引脚接单片机输出数据，1-11、13

31、-17引脚接到电阻再传送到LED显示屏上驱动，完成数据的完整传输。3.3 列驱动电路设计每个8x8的LED点阵块称为最小模块。每4个8x8的LED点阵块为一个基模块,一个基模块横向有2个,纵向有2个最小模块，多个基模块按照技术特性组合在一起就可以构成LED显示屏。每个基模块控制信号为16个行信号Hl一H16和16个列信号Ll一L16,行信号接译码器74HC154的输出，而驱动LED显示屏的列选通的芯片有62726芯片、5026芯片和595芯片，其中全彩屏对芯片的要求高,通常选用62726或5026,但是本设计选择的是室内单基色LED显示屏,并且考虑造价的问题,因此选用74HC595芯片。74H

32、C595是8位串行输入并行/串行输出移位寄存器,它包含一个存储寄存器,串行移位寄存器,并且高电平、低电平和高阻态三态输出,移位寄存器和存储寄存器是分时钟控制的。在SH_CP输入端正相变换时,数据移入芯片的输入端,寄存器中的数据向存储数据寄存器传送数据,是在ST_CP输入端正相变换时,如果两个时钟连接在一起,移位寄存器的脉冲比存储寄存器的脉冲早一个也就是说当两个引脚连接到一起,595会先进行移位,然后再将数据存储。该芯片有一个数据串行输入引脚(DS),一个数据串行标准输出引脚(Q7),它还给所有的八位移位寄存器阶段提供异步复位引脚(低有效),存储器有8路3态驱动输出引脚,存储器中的数据在使能输入

33、端低有效时,输出存储器中的数据。因此总结74HC595的工作原理是当脉冲信号作用时,将移入引脚的数据移入芯片内部的移位寄存器,当移满8位数据以后,第8位的数据就会出现在串行输出引脚上,再给一个脉冲信号,这一位数据就会被移出,同时又有新的数据移入。当数据储存信号有效时,芯片内部的移位寄存器就将8位数据锁存到8个数据输出引脚上,从而实现数据的并行输出。74HC595就有如下的特点:(1)8位串行输入;(2)8位串行或者并行输出;(3)存储寄存器三态输出;(4)移位寄存器具有直接清零功能;(5)移出频率10OMHz;(6)静电放电保护74HC595共有16个引脚,引脚结构图如图3.4所示：图3.3

34、74HC595芯片引脚说明74HC595芯片引脚说明：符号 引脚 描述Q0Q7 8 位并行数据输出，其中Q0为第15脚GND 第8脚 接地Q7 第9脚 串行数据输出，级联输出端MR 第10脚 主复位（低电平）SH_CP 第11脚 移位寄存器时钟输入ST_CP 第12脚 存储寄存器时钟输入OE 第13脚 输出使能端（低电平）DS 第14脚 串行数据输入端VCC 第16脚 电源功能表如下：表3.2 74HC595功能表注释：H=高电平状态；L=低电平状态；=上升沿；=下降沿；Z=高阻；NC=无变化；=无效。LED显示屏共有16列,每片74HC595可控制显示屏8列,因此需要74HC595芯片共2片

35、。74HC595采用串联方式将时钟控制信号连接在一起,上一片74HC595的Q7引脚接下一片的数据输入端DS,这样当并行输出脉冲有效时所有列信号同时发出。每一个汉字由16行16列的点阵组成显示,即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示6。由字模软件生成的点阵的代码是以8位为一组的十六进制数,本设计采用的是列扫描,所以纵向取字模代码。每个汉字的代码在利用595进行控制时先由单片机的Pl.1口串行输出8位汉字的第一列至第八列的数据,高位在前低位在后,这种传送方法是与电路连接和595的工作原理有关。单片机的Pl.0口输出移位时钟,P1.1口每输入一位数据,Pl.0口的电平就由低电平到高电平变化一

36、次,595的移位寄存器里的内容就由高位向低一位移动一次,当第9位数据送给595的DS端时,595的Q7就将串行输出移位寄存器里的第1位数据送给下一片595的第一位,新进来的数据送给第8位。当第1列至第16列的数据准备结束后,P1.2口产生一个上升沿脉冲送给595的ST_CP引脚,将级联的595芯片并行输出时钟引脚串联在一起同时由PI.1控制,这样当输出时钟到来的时候,每片595的列数据同时输出。列驱动芯片与行驱动芯片同时控制,当74HC595的锁存信号给出后,行驱动芯片的输出引脚输出将要显示的数据,此时该列的汉字就显示出来,按照这样的操作时序,整个屏幕的汉字就可以显示出来了。LED显示屏整屏的

37、扫描速率要高于人眼的视觉暂留频率50HZ,这样人眼看到的就是静态的完整的显示画面。74HC595的原理图如下：图3.4 74HC595的原理图第四章 单片机控制电路的设计4.1 单片机的概述单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），图4.1单片机芯片常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积

38、小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速

39、提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位SoC单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 经历的三大阶段：(l)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

40、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。(2)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。它所涉及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。(3)单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向

41、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(System on a Chip)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。单片机的应用已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置电路板，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具

42、、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机还广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 智能仪器单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用

43、电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（电压表、功率计，示波器，各种分析仪）。工业控制单片机具有体积小、控制功能强、功耗低、环境适应能力强、扩展灵活和使用方便等优点，用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统、通信系统、信号检测系统、无线感知系统、测控系统、机器人等应用控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。家用电器家用电器广泛采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备和白色家电等。网络和通信现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信

44、设备间的应用提供了极好的物质条件，通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。设备领域单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。模块化系统某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读

45、出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。汽车电子单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、GPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统、胎压检测等。此外，单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。4.2 单片机的特点和结构原理4.2.1 单片机的特点MCS-51是Intel公司最早推出的51单片机,其代表产品就是8051系列单片机,其代表芯片包括8051、8052、8031、8032、8751和87

46、52，以后的单片机多兼容8051,例如STC89C51,它的内部结构和8051相似，其主要有微处理器、RAM、ROM、I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器组成,在设计时可以满足控制要求；单片机属于集成芯片,它除了具有集成芯片的特点外还有许多特点。(l)高度集成、体积小、制作方便。单片机内部集成CUP、内存、1/0口,保证控制功能的实现,双列直插40引脚的单片机尺寸大约只1.5 mm * 5 mm,贴片式单片机的尺寸大约有小纽扣大小,给设计制作电路带来了方便。(2)灵活性好、可靠性高。在设计电路时,单片机的最小系统就可以提供电路工作所需的时序,因此在设计电路的时候,只要根据具体要求扩展外围电路就可以达到要求。单片机的工作电压是5V,在单片机内固化不同的程序,实现的功能,它的误差就会控制在可控范围内。(3)易于扩展ROM、RAM等资源,用途广、价格低。单片机的资源一般可以满足小系统的应用,若系统较大,单片机可以扩展资源,它有便于扩展的结构及控制引脚,利用它们容易构成各种规模的单片机系统和单片机应用系统。4.2.2 单片机结构MCS-51系列单片机最早的典型代表为8051、8751、8031，它们的指令系统完全兼容，仅在内部结构和应用特性方面稍有差异，主要的性能特点如下：（1）8位CPU。