LED電子顯示屏的設計和應用資料下載很詳細

ID:115111 · 發(fā)表于 2016-5-2 02:50

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LED電子顯示屏的設計和應用.doc (2.23 MB, 下載次數(shù): 35)

節(jié)選：
本設計使用STC89C52系列單片機作為主控制模塊，利用簡單的外圍電路來驅動32×16的點陣LED顯示屏。利用STC89C52系列單片機本身強大的功能和內(nèi)部ROM，可以很方便的實現(xiàn)單片機的數(shù)據(jù)傳輸及存儲，并能使顯示內(nèi)容的多樣化，另一方面點陣顯示屏廣泛的應用于醫(yī)院、機場、銀行等公共場所，所以本設計具有很強的現(xiàn)實應用性。
本LED顯示屏能夠以動態(tài)掃描的方式同時顯示六個16×16點陣漢字，并能通過串口下載更新顯示內(nèi)容，通過控制單片機相應按鈕控制點陣的顯示效果等。
本文從LED的顯示原理入手，詳細闡述了LED動態(tài)顯示的過程，以及硬件電路的設計、計算和軟件的算法。

The application of LED dot matrix electronic display design
Students：Yang Ao  Yuan Yuan
Teacher：Sun Xiao Qi

Abstract: This design USES STC89C52 series microcontroller as the main control module, use simple peripheral circuit to drive 32 x 16 lattice LED display. Use STC89C52 series microcontroller itself powerful functions and internal ROM can easily achieve MCU data transmission and storage, and can make showing the contents of the diversification, on the other hand dot matrix display widely used in hospitals, airports, Banks and other public places, so this design has a strong practical application.
Key words: LED dot matrix  microcontroller  Dynamic display  Circuit design

目錄
Teacher：Sun Xiao Qi
前言
1．1  LED電子顯示屏概述
1．2  LED電子顯示屏的分類
1．3  LED顯示屏的應用示例
附錄

前言1．1  LED電子顯示屏概述LED電子顯示屏（Light Emitting Diode Panel）是由幾百--幾十萬個半導體發(fā)光二極管構成的像素點，按矩陣均勻排列組成。利用不同的半導體材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。 LED顯示屏是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的亮度的方式，來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。
LED顯示屏分為圖文顯示屏和條幅顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；而條幅顯示屏則適用于小容量的字符信息顯示。LED顯示屏因為其像素單元是主動發(fā)光的，具有亮度高，視角廣、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。因而被廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。
LED顯示屏的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高氣候耐受性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。
1．2  LED電子顯示屏的分類按顏色分類
單基色顯示屏：單一顏色（紅色或綠色）。
雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。
全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。
按顯示器件分類
LED數(shù)碼顯示屏：顯示器件為7段碼數(shù)碼管，適于制作時鐘屏、利率屏等，顯示數(shù)字的電子顯示屏。
LED點陣圖文顯示屏：顯示器件是由許多均勻排列的發(fā)光二極管組成的點陣顯示模塊，適于播放文字、圖像信息。
按使用場合分類
室內(nèi)顯示屏：發(fā)光點較小，一般Φ3mm--Φ8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。
室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。
按發(fā)光點直徑分類
室內(nèi)屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm
室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm
室外屏發(fā)光的基本單元為發(fā)光筒，發(fā)光筒的原理是將一組紅、綠、藍發(fā)光二極管封在一個塑料筒內(nèi)共同發(fā)光增強亮度。

1．3  LED顯示屏的應用示例

見圖1.1 左：圖文屏  右：條幅屏

圖1.1  LED電子顯示屏應用示例
其中的LED點陣單色圖文動態(tài)條幅屏（下文中簡稱條屏），因為成本低廉、可靠性高、顯示效果優(yōu)良，所以成為點陣式LED漢字廣告屏中的主流產(chǎn)品。

1．4  設計任務
本設計的任務就是完成一個可以隨意擴展顯示單元數(shù)目的單色動態(tài)條幅屏。
任務要求：

通過按鍵實現(xiàn)了漢字、字母和時間之間的切換16×32（或16×64）點陣LED顯示；
能顯示特定漢字和字符；
按鍵控制切換數(shù)字和字母；
能實現(xiàn)滾屏顯示、實時時間顯示功能；
可與PC機通信更新顯示內(nèi)容；

第2章顯示原理及控制方式分析
2．1 LED點陣模塊結構
八十年代以來出現(xiàn)了組合型LED點陣顯示器模塊，以發(fā)光二極管為像素，它用高亮度發(fā)光二極管芯陣列組合后，環(huán)氧樹脂和塑模封裝而成。這種一體化封裝的點陣LED模塊，具有高亮度、引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等特點。LED點陣規(guī)模常見的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。
根據(jù)像素顏色的數(shù)目可分為單色、雙基色、三基色等。像素顏色不同，所顯示的文字、圖象等內(nèi)容的顏色也不同。單色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單色，雙基色和三基色點陣顯示內(nèi)容的顏色由像素內(nèi)不同顏色發(fā)光二極管點亮組合方式?jīng)Q定，如紅綠都亮時可顯示黃色，如果按照脈沖方式控制二極管的點亮時間，則可實現(xiàn)256或更高級灰度顯示，即可實現(xiàn)真彩色顯示。
圖2.1示出最常見的8×8單色LED點陣顯示器的內(nèi)部電路結構和外型規(guī)格，其它型號點陣的結構與引腳可試驗獲得。

圖2.1 8×8單色LED模塊內(nèi)部電路
LED點陣顯示器單塊使用時，既可代替數(shù)碼管顯示數(shù)字，也可顯示各種中西文字及符號．如5x7點陣顯示器用于顯示西文字母．5×8點陣顯示器用于顯示中西文，8x8點陣可以用于顯示簡單的中文文字，也可用于簡單圖形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構成大屏幕顯示器，但這類實用裝置常通過PC機或單片機控制驅動。

2．2 LED 動態(tài)顯示原理
LED點陣顯示系統(tǒng)中各模塊的顯示方式：有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示原理簡單、控制方便，但硬件接線復雜，在實際應用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數(shù)據(jù)信號，反復循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。
點陣式LED漢字廣告屏絕大部分是采用動態(tài)掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數(shù)量，因此在LED顯示技術中被廣泛使用。
以8×8點陣模塊為例，說明一下其使用方法及控制過程。圖2.1中，紅色水平線Y0、Y1……Y7叫做行線，接內(nèi)部發(fā)光二極管的陽極，每一行8個LED的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行線間絕緣。同樣，藍色豎直線X0、X1……X7叫做列線，接內(nèi)部每列8個LED的陰極，相鄰兩列線間絕緣。
在這種形式的LED點陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用“1”表示），在某列線上施加低電平（用“0”表示）。則行線和列線的交叉點處的LED就會有電流流過而發(fā)光。比如，Y7為1，X0為0,則右下角的LED點亮。再如Y0為1，X0到X7均為0，則最上面一行8個LED全點亮。
現(xiàn)描述一下用動態(tài)掃描顯示的方式，顯示字符“B”的過程。其過程如圖2.2

圖2.2  用動態(tài)掃描顯示字符“B”的過程
假設X,Y為兩個8位寬的字節(jié)型數(shù)據(jù)，X的每位對應LED模塊的8根列線X7-X0，同樣Y的每位對應LED模塊的8根行線Y7-Y0。在這個示例中，Y叫行掃描線，行掃描線在每個時刻只有一根線為“1”即有效行選通電平，X叫列數(shù)據(jù)線，其內(nèi)容就是點陣化的字模數(shù)據(jù)的體現(xiàn)。下面用偽代碼描述動態(tài)顯示的過程。
（1）．Y=0x01,X=0xFF，如圖 2.2第一幀；
（2）．Y=0x02,X=0x87，如圖 2.2第二幀；
（3）．Y=0x04,X=0xBB，如圖 2.2第三幀；
（4）．Y=0x08,X=0xBB，如圖 2.2第四幀；
（5）．Y=0x10,X=0x87，如圖 2.2第五幀；
（6）．Y=0x20,X=0xBB，如圖 2.2第六幀；
（7）．Y=0x40,X=0xBB，如圖 2.2第七幀；
（8）．Y=0x80,X=0x87，如圖 2.2第八幀；
（9）．跳到第（1）步循環(huán)。
如果高速地進行（1）到（9）的循環(huán)，且兩個步驟間的間隔時間小于1/24秒，由于視覺暫留。LED顯示屏上將呈現(xiàn)出一個完整的“B”字符。這就是動態(tài)掃描的原理。只不過實際運用的時候，列線和行線通常不止8位，還要根據(jù)列線和行線的數(shù)量來決定是用行線或列線來做掃描線。例如0601條屏（每行6個漢字，共1行），行線有16根，列線有96根。如果用列線來做掃描線，則每列LED在每96次循環(huán)掃描中只可能亮一次，則其發(fā)光視覺平均亮度為直流亮度的1/96。如果用行線來做掃描線，則每16次循環(huán)，每行LED就能亮一次，其發(fā)光視覺平均亮度為直流情況下的1/16。可見，用行線做掃描線，因為其發(fā)光周期的占空比較大，其視覺亮度是用列線做掃描線的6倍。因而發(fā)光效率比前者高。
在實際運用的時候，還要在每兩幀之間加上合適的延時，以使人眼能清晰的看見發(fā)光。在幀切換的時候還要加入余輝消除處理。比如先將掃描線全部設置為無效電平，送下一行的列數(shù)據(jù)后再選通掃描線，避免出現(xiàn)尾影。

2．3  LED常見的控制方式
目前常見的是并行傳輸方式，通過8位鎖存器將8位總線上的列數(shù)據(jù)進行鎖存顯示，各8位鎖存器的片選信號由譯碼器提供。此種方式的優(yōu)點是傳輸速度快，對微控制器（MCU）的通信速度要求較低。但是這種方案最大的缺點是不便于隨意擴展顯示單元的數(shù)目。每增加一個16×16點陣的全角漢字顯示單元，就需要在之前的電路上多增加兩根地址線，這就要求在PCB布線的時候要留有充足的地址線冗余量。再一個缺點是，每個單元的PCB隨著安放位置的不同，布線結構也不相同，不利于廠家批量生產(chǎn)。并行傳輸需要的芯片較多，因此市場上已經(jīng)出現(xiàn)用FPGA,CPLD等高密度可編程邏輯器件（PLD）來取代傳統(tǒng)鎖存器IC的方案。成本有所下降，但可擴展性仍舊較差。因此，并行傳輸方式適用于顯示單元數(shù)目確定的條屏。
隨著廣告屏顯示內(nèi)容的多媒體化，對控制器傳輸速度，運算能力的要求越來越高。因此控制器的種類也在不斷發(fā)展以適應要求，從最初的8051單片機，到PIC單片機，又到FPGA，直到現(xiàn)在的ARM處理器。不同功能檔次的廣告屏對應著不同的處理器。
一．以傳統(tǒng)8051單片機為控制器的LED顯示屏。因受到單片機運算速度及通信速率的限制，LED動態(tài)顯示的刷新率不可能做得太高。對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力，在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統(tǒng)8051單片機的內(nèi)部資源貧乏，僅128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，幾K字節(jié)的程序存儲器，無E2PROM，SPI。這就需要對單片機擴展外設，無疑增加了硬件成本。因此，8051控制的條屏只能用于顯示內(nèi)容及其簡單，不需要經(jīng)常更改顯示內(nèi)容的場合。
二．以PIC單片機為控制器的LED顯示屏。因PIC單片機是RISC架構的工業(yè)專用單片機，處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優(yōu)秀，型號種類繁多。作為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果，同時PIC單片機內(nèi)部的資源較豐富，可節(jié)省外部電路設計難度，同時降低了硬件成本。因此，以PIC單片機為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。
三．以FPGA（復雜可編程邏輯門陣列）為控制器的LED顯示屏。FPGA以高速、并行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為LED顯示屏的控制器，能夠高速的處理色階PWM信號、高速的完成動態(tài)掃描邏輯、高速的完成字符移動算法。因此被運用于雙基色、三基色的顯示系統(tǒng)。但是其成本較高，開發(fā)難度較大。
四．以ARM（32位RISC架構高性能微處理器）為控制器的LED顯示屏。ARM有著極高的指令效率，極高的時鐘頻率。因此其運算能力非常強大，內(nèi)部資源也十分豐富，極大的簡化了硬件設計的難度，縮短了開發(fā)周期。在條屏的運用中，能用ARM來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅動。ARM與FPGA的組合更是功能強大，除了海量存儲技術，無線更新技術外，還能實時地顯示視頻信號。因此，以ARM為控制器的顯示屏常為視頻全彩屏。

第3章  總體方案設計與分析
3．1  顯示單元的考慮
顯示一個簡體漢字，至少需要16×16點陣來描述。為了在較遠距離處獲得清晰的視覺效果，本設計采用4個8×8點陣，像素直徑3mm的LED模塊拼接成16×16點陣的LED陣列。這樣每個16×16漢字能夠獲得6.4×6.4cm的顯示尺寸，因此在10米處仍能清晰閱讀。本設計要求整個屏幕能同時顯示兩個漢字，則至少需要用8個8×8的LED模塊拼接成32×16的矩陣。
3. 2  滾屏的實現(xiàn)
字符的位置在屏幕上實現(xiàn)移動，即術語“滾屏”。可以用硬件實現(xiàn)，但無疑增加了額外的硬件成本及設計難度。因此本設計采用軟件算法實現(xiàn)左滾屏、定格顯示等常見滾屏方式。用單片機來完成滾屏算法，其最大的優(yōu)點在于成本低廉，而且可維護性、可升級性大大增強。
3. 3  關于可擴展性
除了基本要求外，本設計還要實現(xiàn)顯示單元數(shù)目的隨意擴展。在傳統(tǒng)的并行傳輸方式中，因受到列數(shù)據(jù)鎖存器地址線數(shù)目的制約，不能隨意的增添顯示單元，且每個顯示單元的電路結構不同,PCB結構也不同，完全不符合模塊化設計的要求。因此摒棄了傳統(tǒng)的并行傳輸方式，而采用獨特的串行鎖存技術，通過控制五根總線就能實現(xiàn)各顯示單元之間的列數(shù)據(jù)鎖存。不僅板間連接簡單，更是降低了PCB布局及布線的難度。每個顯示單元的PCB都是完全一樣的，便于量產(chǎn)。
3．4  微控制器的考慮
因本設計采用軟件來實現(xiàn)滾屏，且傳輸方式為串行方式。所以對微控制器單元的處理速度要求較高，可供選擇的有ARM7和高速8位單片機。ARM的處理速度極快，但對于條屏的應用，ARM內(nèi)部的資源浪費嚴重，且成本較高。因此選擇高速8位單片機作為控制器，常見的高速8位單片機有AVR系列單片機，C8051F系列單片機，STC89C52系列單片機。這幾種單片機的處理速度均能達到要求，但AVR系列單片機的極限時鐘頻率只能到16MHz，而C8051F系列SOC類似于ARM7,時鐘速度可到100MHz,但會浪費其內(nèi)部豐富的資源，而且價格昂貴，用在單色條屏的控制中頗感浪費。于是最佳選擇為STC89C52系列單片機，其最高時鐘能到24MHz，且有較豐富的接口及存儲器資源，價格極其低廉，零售價僅為3.5元/片。大幅降低了產(chǎn)品成本。
3．5  關于顯示內(nèi)容的更新
目前常用的下載方式有串口下載、USB下載、無線下載等。考慮到本設計的上、下位機進行一次通信時的數(shù)據(jù)量不大（2KB以內(nèi)），而且對通信的速度及可靠性要求并不嚴格。因此本設計采用PC機串口來作為下載接口，PC機串口為RS-232C標準，其特點是共模傳輸，因此通信電纜可以是成本低廉的普通雙絞線，同軸屏蔽線等。PC機串口的驅動程序編寫較為簡單，不需要掌握復雜的通信協(xié)議。

3．6  總體電路結構及工作原理

3．6．1 硬件電路框圖
通過前面對各種方案的比較與分析，初步構建硬件系統(tǒng)框圖如圖3.1

圖3.1  LED顯示屏硬件框圖
在圖3.1中，LED點陣為顯示單元。每個顯示單元由一個16×16點陣的LED模塊和一個16位寬的移位鎖存器（串行—并行轉換器）構成。所有顯示單元的16根行線均連接到公共的行掃描驅動電路。而每個顯示單元的列數(shù)據(jù)則由16位移位鎖存器并行輸出口提供。
中央微處理器SCT89C52負責與所有外圍設備的協(xié)調(diào)通信，以及各種算法的處理。MCU用通用I/O口來驅動行掃描驅動電路。用通用I/O口模擬同步串行接口以實現(xiàn)和列數(shù)據(jù)鎖存器（移位鎖存器）之間的單向通信。
MCU通過內(nèi)部集成的SPI接口和時鐘芯片進行雙向通信。PC機（上位機）的RS-232C電平經(jīng)過轉換后，通過UART接口與MCU進行通信。
電源則為各個模塊提供穩(wěn)定的電壓以及足夠的電流。
3．6．2 工作原理
首先需要用PC機通過串口將編譯好的HEX文件下載到單片機內(nèi)，接通電源后，單片機將不斷的對每個引腳進行掃描。LED點陣會顯示一幅圖片當作歡迎頁面。
遵循結構化的程序設計思路。把單片機的在顯示模式的所有工作量分為以下三個任務：
一．掃描顯示任務：掃描顯示任務負責把disbuf()中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送到列驅動器74HC595，并按嚴格的時序高電平選通十六根行掃描線（L0—L15），使每一列數(shù)據(jù)對應著一個行線狀態(tài)。
二．移動處理任務：移動處理任務負責完成顯示字符逐點陣向左移動的算法處理，這是最基本的顯示效果。其它大部分顯示效果如左移，全屏定格顯示等都是以逐位左移為基礎。對顯示字符的移動，實質上是對顯示緩沖區(qū)disbuf()內(nèi)數(shù)據(jù)的移動。該算法是將disbuf()和send8bit()中的數(shù)據(jù)首尾相接地左移一位，并不斷把send8bit()移入disbuf()。
三．字符更新任務：在單片機的xdata區(qū)開辟了32字節(jié)的字模數(shù)據(jù)緩存區(qū)send8bit()。該緩存區(qū)與disbuf()編址連續(xù)。當調(diào)用字符更新任務時，程序從ROM存儲區(qū)指定位置讀取相鄰兩字節(jié)的漢字數(shù)據(jù)。并返回連續(xù)32字節(jié)的全角漢字字模數(shù)據(jù)或16字節(jié)的ASCII半角字模數(shù)據(jù)。這些字模數(shù)據(jù)就存儲在32字節(jié)的字模數(shù)據(jù)緩存區(qū)中。字模數(shù)據(jù)緩存區(qū)send8bit() 中的數(shù)據(jù)可通過調(diào)用移動處理任務而逐位轉移至動態(tài)顯示緩沖區(qū)disbuf()中。
三個任務彼此獨立，又相互聯(lián)系。下面用實際的C51程序來說明一下如何實現(xiàn)簡單的左移顯示效果。
void displaymove(uchar *lp,uchar c,uchar timer)//顯示漢字內(nèi)容的移動效果，LP指向要顯示第一個字的首地址，C表示顯示字的個數(shù)，timer是移動的速度
{
            idata unsigned char i=0,j=0,ia=0;
            idata unsigned int tmp=0,timerc=0;
            idata unsigned char tmp2[16];
            c*=2;                                        //因一個漢字由32字節(jié)組成，而移位顯示，要分開半個漢字16字節(jié)處理，因此將這里乘以2
            for(i=0;i<16;i++)
                        tmp2[1]=0;                         //將緩沖區(qū)清0，
            while(c){
                        if(lp!=0){                         //當lp指向的地址為0時，直接用組緩沖0補上，效果是將當前顯示的內(nèi)容移出
                        tmp=c%2;                         //取余，目的是為了判斷處理漢字的前半部份還是后半部份
                        for(i=0;i<16;i++){
                                       tmp2[ i]=lp[i*2+tmp];             //取半個漢字點陣數(shù)據(jù)，16字節(jié)
                        }
                        if(tmp)                         //當tmp為1時，表時一個字數(shù)組處理完成，將地址轉到下一個字
                                       lp+=32;
                        }
                        //--------------
                        tmp=8;                         //變量再次利用
                        while(tmp){             //循環(huán)8次，是將下一個字的前半部份的字節(jié)數(shù)據(jù)移入顯示緩沖
                        ia=0;                         //做為點陣數(shù)組的元素
                        for(i=0;i<16;i++){             //移動是16行同時移，因此要處理16個字節(jié)
                                       for(j=0;j<3;j++){             //一行32個點四字節(jié)，有三字節(jié)在顯示緩沖中移動
                                                      lhj[ia]<<=1;             //移當前顯示緩沖的半行字節(jié)
                                                      if(lhj[ia+1]&0x80)             //判斷后半行字節(jié)的高位是否為1，是移入前半行字節(jié)低位，否則不處理
                                                                  lhj[ia]++;
                                                      ia++;
                                       }
                                       lhj[ia]<<=1;                         //一行32個點四字節(jié)，將最后一字節(jié)用下一個字補上
                                       if(tmp2[ i]&0x80)             //判斷下一個要顯示漢字的前半行字節(jié)的高位是否為1，是移入，否則不處理
                                                      lhj[ia]++;
                                       ia++;
                                       tmp2[ i]<<=1;                         //下一個要顯示漢字的半行字節(jié)向高位移一位，準備下一次取位
                        }
                        tmp--;
                        timerc=timer;             //處理完16行，調(diào)用顯示函數(shù)更新點陣
                        while(timerc--)             //循環(huán)做為處理的速度，即移動的速度
                                       display1();
                        }
                        //----------
                        c--;                         //移完一半，進入下一半或下一個漢字，直到結束
            }
}

第4章  硬件電路設計
4．1 顯示單元電路設計
為了提高點陣LED的視覺亮度，本設計用行線做掃描線，列線做數(shù)據(jù)線。每行的顯示占空比為直流情況下的1/16。為了再進一步的提高視覺亮度，選用了紅色LED點陣模塊DM880311K。
本設計顯示單元以及行列驅動電路如圖4.1

圖4.1 16×16LED點陣顯示單元以及行列驅動電路

4．1．1 LED點陣模塊的選擇
本設計采用8個8×8點陣的LED模塊拼接成一個16×32的單色模塊使用。這樣能獲得較大的顯示單元尺寸和發(fā)光亮度。
4．1．2 列驅動電路設計
如圖4.1下面虛線框內(nèi)，本設計中，每個16×16點陣的列驅動電路由兩個串聯(lián)的8位移位鎖存器74HC595構成。74HC595，是為Motorola的SPI總線開發(fā)的一款串并轉換芯片。由于74HC595的輸入輸出電平兼容LSTTL,NMOS,CMOS電平，且具有較強的輸出負載能力，而被廣泛地運用于MCU（微控制器）、MPU（微處理器）的I/O口擴展。
74HC595在5V供電的時候能夠達到30MHz的時鐘速度，每個并行輸出端口均能承受20mA的灌電流和拉電流。這個特點保證了不用增加額外的擴流電路即可輕松的驅動LED。它輸入端允許500nS的上升（下降）時間，對嚴重畸形的時鐘脈沖仍能檢測。這樣就可以容納較大的傳輸線對地電容，使本設計的抗干擾能力增強。
74HC595并行輸出端與LED模塊列線之間通過20Ω的電阻連接，這里電阻起到分壓，去除紅色LED的并聯(lián)嵌位作用。使紅綠兩組LED均能正常發(fā)光。
由于LED顯示屏的工作電流時刻在變化，造成了系統(tǒng)電壓的波動。這種電壓波動有高頻成分，也有低頻成分。輕則對周圍無線電環(huán)境造成電磁污染，重則使系統(tǒng)時鐘紊亂，邏輯錯誤。為避免此，在每個74HC595的電源VCC和GND旁邊都并聯(lián)了兩個電容，用于濾波和退耦。穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，旁路掉電源中的高頻脈動成份。消除自激，減小對外雜散電磁輻射，提高EMI電磁兼容性。
74HC595的引腳及邏輯功能如圖4.2

圖4.2 74HC595管腳圖 74HC595邏輯圖

74HC595的管腳功能描述見表4.1：

管腳號	管腳名稱	管腳功能描述
1	QB	鎖存器輸出，三態(tài)
2	QC	鎖存器輸出，三態(tài)
3	QD	鎖存器輸出，三態(tài)
4	QE	鎖存器輸出，三態(tài)
5	QF	鎖存器輸出，三態(tài)
6	QG	鎖存器輸出，三態(tài)
7	QH	鎖存器輸出，三態(tài)
8	GND	電源地
9	SQH	串行輸出，用于級聯(lián)。無三態(tài)輸出功能
10	Reset	低電平有效，當此管腳上出現(xiàn)低電平時，將復位內(nèi)部的移位寄存器，但不影響8位鎖存器的值
11	Shift Clk	移位寄存器時鐘輸入，上升沿將把A腳上的數(shù)據(jù)移入內(nèi)部寄存器
12	Latch Clk	鎖存時鐘輸入，上升沿將把內(nèi)部移位寄存器的值鎖存起來
13	Output Enable	低電平有效，將鎖存器的輸出映射到輸出并行口（QA-QH）上。當輸入高電平時，高阻態(tài)，同時本芯片的串行輸出無效
14	A	串行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)從這個管腳移進內(nèi)部的8位串行移位寄存器
15	QA	鎖存器輸出，三態(tài)
16	VCC	電源正，2-6V DC

表4.1 74HC595的管腳功能描述

4．1．3 行驅動電路設計
因為本設計要求的行驅動電流較大，目前尚無合適的集成電路來勝任。因此本設計的行驅動電路采用三極管擴流方式，如圖4.3。

圖4.3  兩種三極管擴流方式（共集，共射）
共集驅動方式，又稱射極跟隨器，當電源電壓足夠時，在負載上獲得的電壓始終等于基極對地電壓Ub減去發(fā)射結壓降Ube。硅管的Ube一般為0.7V左右，因此在5V供電系統(tǒng)中，在負載上最多能獲得4.3V的電壓，若Ic=1 A 則在三極管上的管耗為1A×0.7V=0.7W，管耗較大，需選用中功率的管子。還有一個重要的特點，共集電路的基極是用高電平驅動，而單片機在復位期間，所有I/O口都呈現(xiàn)高電平。這樣的話，在開機上電復位的瞬間，在所有的行線上都會獲得電壓。而造成開機瞬間全屏顯示或造成巨大的浪涌電流沖擊，使電源電壓跌落，單片機工作異常。
而使用共射驅動方式的話，同樣的電源電壓下，負載端能獲得4.7V的電壓，Ic=1A時的管耗只有0.3W。因此可選用小功率器件。共射電路的基極驅動是用低電平，這就不會造成上述共集電路的浪涌電流影響。同時，大部分單片機的I/O是弱上拉輸出，也即是單片機能承受較大的灌電流，而只能提供微弱的拉電流。
因此，綜合權衡利弊，本設計采用PNP管共射電路作為行掃描線驅動。現(xiàn)對行驅動電路各元件參數(shù)進行計算。

4．1．4 行驅動電路元件參數(shù)計算
假設條屏使用在極端情況下，每一行的所有LED全部點亮。每行共4點陣，每個點陣包含紅色，綠色兩個LED。因此每行共32個LED。普通LED的安全工作電流在5~20mA之間，為獲得較高亮度，又要兼顧其工作壽命。本設計中，每只LED工作電流取15mA。
如此可知，當一行全點亮的時候
總電流:  I=0.015Ax32=0.48A
管  耗: Pc=IC×VCEsat(管飽和壓降)=0.48A×0.3V=0.144W；
STC89C52RC系列單片機的每個I/O口能獨立承受20mA的灌電流，也即是能夠給共射驅動電路基極提供20mA的偏置電流。根據(jù)上述集電極電流和基極電流的比值，可計算出行掃描驅動三極管的直流電流放大系數(shù)β.
直流電流放大系數(shù):

;
對于基極偏流電阻，則起到對基極20mA偏置電流限流作用:
基極限流電阻：

；
根據(jù)上述計算，綜合其成本、封裝、散熱等因素考慮。本設計最終采用三只C8550D 小功率PNP管并聯(lián)成一只PNP中功率管使用。其主要參數(shù)見圖4.4 。C8550D官方數(shù)據(jù)手冊摘錄.

圖4.4  C8550D官方數(shù)據(jù)手冊摘錄
從C8550D的官方數(shù)據(jù)手冊上可知：
最大集電極電流： Ic=-1.5A；
最大集電極耗散功率：Pc=1W；
直流電流放大系數(shù)：  β=160~300；
三管并聯(lián)，其Ic可以擴展到4.5A，β不變，Pc擴展到3W。
本人所購買的50只同一批號的C8550D，經(jīng)實測，β均在150左右。因此三管并聯(lián)無須增加射極均流電阻。根據(jù)β確定基極電流Ib和基極限流電阻R分別為：
基極電流：

則基極限流電阻：

。
4．2 單片機控制系統(tǒng)電路設計
4．2．1 單片機的選型
根據(jù)方案論證的結果，本設計采用STC89C系列的STC89C52RC作為主控芯片。STC單片機是深圳宏晶科技的IC產(chǎn)品。STC單片機完全兼容傳統(tǒng)51內(nèi)核，因此使用的編譯器和指令代碼都和傳統(tǒng)51單片機相同。對于STC89C52RC，主要特性見表4.2：（摘錄自STC單片機官方數(shù)據(jù)手冊）

STC單片機與8051單片機的性能比較

高速：一個時鐘/機器周期，增強型51內(nèi)核，平均速度可達到1MIPS/MHz
寬電壓：5.5~3.8V
寬溫限：-40℃~85℃
高抗靜電：ESD保護，輕松過4KV快速脈沖干擾（EFT測試）
低功耗：有空閑模式（工作電流小于1.3mA），掉電模式（可由外部中斷喚醒，工作電流小于0.1uA），正常模式（工作電流2.7~7mA）
工作頻率：可從0到48MHz，相當于傳統(tǒng)8051主頻0~576MHz
時鐘：可選擇外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器

STC 12C5412AD單片機的內(nèi)部資源

兼容MCS51指令系統(tǒng)
8K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)2萬次以上
256x8bit內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器
可編程UART串行通道
32個雙向I/O口, 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷
2個串行中斷, 2個外部中斷源, 共6個中斷源,2個讀寫中斷口線
低功耗空閑和掉電模式
時鐘頻率0-24MHz
3級加密位, 軟件設置睡眠和喚醒功能

表4.2  STC89C52系列單片機主要特性

4．2．2  STC單片機在條屏運用中的優(yōu)越性
對于單色動態(tài)條幅屏的應用需要，STC89C52RC單片機有以下突出的優(yōu)點：
●較高的處理速度和時鐘頻率，能輕松的實現(xiàn)條屏的各種移動算法。
●有UART串行口，能實現(xiàn)與字庫芯片或PC機之間的數(shù)據(jù)交換。
●有內(nèi)部ROM，可用于掉電存放條屏的各種設置參數(shù)、漢字內(nèi)碼等數(shù)據(jù)。
●內(nèi)部看門狗，使條屏可以工作在惡虐的電磁環(huán)境下。
●寬電壓范圍，條屏的負載端電壓的波動不會影響其正常運行。
●豐富的I/O口，可以代替LED行掃描用的行選通譯碼器器，降低產(chǎn)品成本。
●小型封裝，便于PCB的緊湊化設計。

4．2．3  單片機系統(tǒng)電路設計
根據(jù)本條屏的實際運用要求，參考STC單片機官方數(shù)據(jù)手冊上的應用指南，設計單片機系統(tǒng)電路如圖4.5所示。

圖4.5 單片機系統(tǒng)電路
在圖4.5中，有源晶振為單片機提供11.0295MHz，0-5V幅度的高精度時鐘。根據(jù)STC單片機數(shù)據(jù)手冊約定，外部有源時鐘應從XTAL1、XTAL2腳輸入，圖中1uF的電解電容和10KΩ的電阻構成微分電路，在系統(tǒng)上電的瞬間，為單片機RESET腳提供約2mS的高電平脈沖，使單片機上電后立即可靠復位。圖中的100uF電解電容和兩個0.1uF瓷片電容，為單片機的供電電源進行濾波和高頻旁路，濾除MCU及有源晶振對電源系統(tǒng)造成的高頻脈動成分，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低對外電磁輻射。旁路電容采用瓷片電容，其優(yōu)點體積小，耐壓高，價格低，頻率高（有一種是高頻電容）。

4．3 時鐘芯片與單片機的接口設計
4．3．1 字庫芯片選型
DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)RAM，采用SPI三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月小與31天時可以自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。工作電壓寬達2.5～5.5V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302的外部引腳分配如圖4.6所示及內(nèi)部結構如圖4.7所示。DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄上，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄，因此廣泛應用于測量系統(tǒng)中。

圖4.6 DS1302外部引腳圖

圖4.7 DS1302內(nèi)部引腳圖
各引腳的功能為：
Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當Vcc2>Vcc1+0.2V時，由Vcc2向DS1302供電，當Vcc2< Vcc1時，由Vcc1向DS1302供電。
SCLK：串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；
I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線；
CE：輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?/font>
DS1302有下列幾組寄存器：
DS1302①有關日歷、時間的寄存器共有12個，其中有7個寄存器（讀時81h～8Dh，寫時80h～8Ch），存放的數(shù)據(jù)格式為BCD碼形式。
4．3．2 DS1302的工作原理
DS1302工作時為了對任何數(shù)據(jù)傳送進行初始化，需要將復位腳（RST）置為高電平且將8位地址和命令信息裝入移位寄存器。數(shù)據(jù)在時鐘（SCLK）的上升沿串行輸入，前8位指定訪問地址，命令字裝入移位寄存器后，在之后的時鐘周期，讀操作時輸出數(shù)據(jù)，寫操作時輸出數(shù)據(jù)。時鐘脈沖的個數(shù)在單字節(jié)方式下為8+8（8位地址+8位數(shù)據(jù)），在多字節(jié)方式下為8加最多可達248的數(shù)據(jù)。

寄存器名稱	7			6			5			4		3			2			1			0
	1		RAM/			A4			A3		A2		A1			A0			RD/W
秒寄存器		1			0			0			0			0			0			0
分寄存器		1			0			0			0			0			0			1
小時寄存器		1			0			0			0			0			1			0
日寄存器		1			0			0			0			0			1			1
月寄存器		1			0			0			0			1			0			0
星期寄存器		1			0			0			0			1			0			1
年寄存器		1			0			0			0			1			1			0
寫保護寄存器		1			0			0			0			1			1			1
慢充電寄存器		1			0			0			1			0			0			0
時鐘突發(fā)寄存器		1			0			1			1			1			1			1

表1 DS1302內(nèi)部寄存器列表
GT21L32S4W1與外部的通信是通過SPI高速同步串行通信口。串行外圍設備接口SPI（Serial Peripheral Interface）總線技術是Motorola公司推出的一種同步串行接口。Motorola公司生產(chǎn)的絕大多數(shù)MCU（微控制器）都配有SPI硬件接口，如68系列MCU。SPI總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強，所以，與SPI有關的軟件就相當簡單，使CPU有更多的時間處理其他事務。SPI 總線是三線同步接口，同步串行3線方式進行通信:一條時鐘線SCK，一條數(shù)據(jù)輸入線MOSI，一條數(shù)據(jù)輸出線MISO;用于CPU與各種外圍器件進行全雙工、同步串行通訊。SPI主要特點有:可以同時發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù);可以當作主機或從機工作;提供頻率可編程時鐘;發(fā)送結束中斷標志;寫沖突保護;總線競爭保護等。
4．3．3 時鐘芯片的電氣特性
DS1302內(nèi)部的RAM分為兩類，一類是單個RAM單元，共31個，每個單元為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為COH~FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；再一類為突發(fā)方式下的RAM，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH（寫）、FFH（讀）。
我們現(xiàn)在已經(jīng)知道了控制寄存器和RAM的邏輯地址，接著就需要知道如何通過外部接口來訪問這些資源。單片機是通過簡單的同步串行通訊與DS1302通訊的，每次通訊都必須由單片機發(fā)起，無論是讀還是寫操作，單片機都必須先向DS1302寫入一個命令幀，這個幀的格式如表1所示，最高位BIT7固定為1，BIT6決定操作是針對RAM還是時鐘寄存器，接著的5個BIT是RAM或時鐘寄存器在DS1302的內(nèi)部地址，最后一個BIT表示這次操作是讀操作抑或是寫操作。
物理上，DS1302的通訊接口由3個口線組成，即RST，SCLK，I/O。其中RST從低電平變成高電平啟動一次數(shù)據(jù)傳輸過程，SCLK是時鐘線，I/O是數(shù)據(jù)線。具體的讀寫時序參考圖5，但是請注意，無論是哪種同步通訊類型的串行接口，都是對時鐘信號敏感的，而且一般數(shù)據(jù)寫入有效是在上升沿，讀出有效是在下降沿（DS1302正是如此的，但是在芯片手冊里沒有明確說明），如果不是特別確定，則把程序設計成這樣：平時SCLK保持低電平，在時鐘變動前設置數(shù)據(jù)，在時鐘變動后讀取數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)操作總是在SCLK保持為低電平的時候，相鄰的操作之間間隔有一個上升沿和一個下降沿。

圖4.8 DS1302的命令字結構
4．3．4 時鐘芯片與單片機的接口設計
參考DS1302資料提供的應用指南，結合本系統(tǒng)的具體要求，設計DS1302與單片機的接口電路如圖4.9示。

圖4.9 時鐘芯片與單片機的接口

4．4 串口通信電路設計
4．4．1 通信協(xié)議的選擇
要使上位機能對條屏進行參數(shù)設置，顯示內(nèi)容更新等操作，就離不開和上位機的通信。有并行和串行兩種通信方式，為了節(jié)約傳輸線成本。本設計采用RS-232C串行通信方式。
RS-232C是由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的，在異步串行通信中應用最廣泛的標準總線。現(xiàn)在，計算機上的串行通信端口（RS-232C）是標準配置端口，已經(jīng)得到廣泛應用，計算機上一般都有1～2個標準RS-232C串口，即通道COM1和COM2。
RS-232C規(guī)定最大的負載電容為2500pF，這個電容限制了傳輸距離和傳輸速率，由于RS-232C的發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地（GND），屬于非平衡電壓型傳輸電路，不使用差分信號傳輸，因此不具備抗共模干擾的能力，共模噪聲會耦合到信號中。在不使用調(diào)制解調(diào)器（MODEM）時，RS-232C能夠可靠進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笸ㄐ啪嚯x為15米。因此不適合做遠距離通信，但是對于條屏，通信15米的通信距離已經(jīng)足夠。
RS-232C規(guī)定的邏輯電平與一般微處理器、單片機的邏輯電平是不同的，邏輯1(MARK) ＝ -3V～-15V，邏輯0(SPACE) ＝＋3～＋15V。因此，單片機系統(tǒng)要和電腦的RS-232C接口進行通信，就必須把單片機的信號電平（TTL電平）轉換成計算機的RS-232C電平，或者把計算機的RS-232C電平轉換成單片機的TTL電平，通信時候必須對兩種電平進行轉換。實現(xiàn)這種轉換的方法可以使用分立元件，也可以使用專用RS-232C電平轉換芯片。目前較為廣泛地使用專用電平轉換芯片，如MAX232、MC1488、MC1489等。

4．4．2 MAX232電平轉換芯片特點
本設計就是利用MAXIM公司的單電源芯片MAX232來完成單片機TTL到RS-232C電平的轉換。MAX232是單電源雙RS-232C發(fā)送/接收芯片。它符合所有的RS-232C技術規(guī)范，只要單一 +5V電源供電；片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產(chǎn)生 +10V 和 -10V電壓V+、V- ；低功耗，典型供電電流5mA；內(nèi)部集成2個RS-232C驅動器，內(nèi)部集成2個RS-232C接收器。采用單一 +5V電源供電，外接只需4個電容，便可以構成標準的RS-232C通信接口，硬件接口簡單，所以被廣泛運用。
MAX232的引腳排列及功能描述見表4.3（摘錄自MAX232官方數(shù)據(jù)手冊）

腳號	引腳名稱	引腳功能描述	腳號	引腳名稱	引腳功能描述
1	C1+	泵電容1正極	9	R2OUT	第二組TTL/CMOS電平輸出
2	V+	正電源濾波	10	T2IN	第二組TTL/CMOS電平輸入
3	C1-	泵電容1負極	11	T1IN	第一組TTL/CMOS電平輸入
4	C2+	泵電容2正極	12	R1OUT	第一組TTL/CMOS電平輸出
5	C2-	泵電容2負極	13	R1IN	第一組RS-232電平輸入
6	V-	負電源濾波	14	T1OUT	第一組RS-232電平輸出
7	T2OUT	第二組RS-232電平輸出	15	GND	地
8	R2IN	第二組RS-232電平輸入	16	VCC	電源+5V
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表4.3 MAX232引腳功能及封裝

4．4．3 單片機與PC間通信接口電路設計
根據(jù)本條屏的需要，設計單片機與PC間通信接口電路如圖4.11示。

圖4.11
MAX232通信接口電路
圖4.11中，2、3引腳作為通信接口，PC端從3引腳輸入，通過RS-232C一個驅動器與單片機進行電平的轉換。

4．5 對于系統(tǒng)電源及通信電纜的選擇
4．5．1 對于LED顯示屏的電源要求
本系統(tǒng)沒有設置獨立的5V穩(wěn)壓器件，因此要求外部能對其提供相對穩(wěn)定的電壓。為保證單片機等集成電路的穩(wěn)定工作，要求電源電壓的最大波動范圍在4.8~5.2V之間。

由于是小型設計，電源的電流與阻值問題基本可以忽略，所以只是采用了PC機的USB端口供電。
4．5．2 按鈕及通信線纜的應用
由于Led點陣的控制需要，在本系統(tǒng)中添加了四個輕觸開關，一個復位開關以及一個電源開關。四個輕觸開關的功能分別是進行模式的選擇、SET模式選擇和調(diào)節(jié)作用。如圖4.10所示電路圖：

本系統(tǒng)需要一根帶有公口的串口線，作為下載線使用，還需要一根USB方口連接線，為電路提供電源。各板塊之間采用30cm的杜邦線進行相連。
第5章  PCB結構設計
5. 1  PCB設計平臺
本設計是采用Protel 99SE作為原理圖和PCB的繪制工具。
Protel是目前國內(nèi)最流行的通用EDA軟件，它是將電路原理圖設計、PCB板圖設計、電路仿真和PLD設計等多個實用工具軟件組合后構成的EDA工作平臺，是第一個將EDA軟件設計成基于Windows的普及型產(chǎn)品。Protel 98率先集成了軟件界面，Protel 99增加了仿真功能和PLD設計和信號完整性分析。
Protel 99SE是Protel公司于2000年推出的一款EDA軟件，是Protel家族中性能較為穩(wěn)定的一個版本。它不僅是以前版本的升級，更是一個全面、集成、全32位的電路設計系統(tǒng)。Protel 99SE的功能十分強大，在電子電路設計領域占有極其重要的地位。

5. 2  元件布局及PCB整體結構工藝
本設計為產(chǎn)品化設計，因此首要考慮元件布局的緊湊性。對元件布局進行優(yōu)化，能有效的降低布線難度和生產(chǎn)的工藝要求。布局要能使各LED點陣模塊緊密契合，還要注意各PCB之間的銜接，以便于用戶擴展顯示單元。
5. 3  布線工藝與準則
布線的時候首先考慮的是正確性，其次逐步修改布局及走線使其美觀大方。在布通的基礎上，根據(jù)100mil/A的經(jīng)驗載流容量修改高電流路徑走線寬度及過孔尺寸。寧寬勿窄！
為進一步提高條屏系統(tǒng)的電磁兼容性，除了在關鍵的地方增加旁路電容外，PCB走線也是一個重要的影響因素。布線的時候要遵照高頻電路布線規(guī)則：少走直角線、頂層底層經(jīng)緯布線、信號線上盡量避免過孔、盡量縮短走線路徑、在DGND,AGND網(wǎng)絡設置大面積敷銅等等。具體的生產(chǎn)工藝要求需與PCB生產(chǎn)廠家咨詢獲知。目前雙面PCB的標準工藝為：線寬30mil，線距10mil，過孔80x110mil。
考慮到LED顯示單元的可擴展性，PCB兩端設計為SIP8封裝插針接口，便于板間級聯(lián)。按照工廠工藝要求設計條屏PCB如圖5.1。

圖5.1  PCB單層布線預覽

在圖5.1中，紅色為頂層（Top Layer）布線，藍色為底層（Bottom Layer）布線，灰色為物理層（Multi Layer）布線，黃色和綠色為絲印層。
5.4

第8章  使用說明與測試結果
8．1 LED漢字顯示屏使用說明
8．1．1使用環(huán)境
為保證LED顯示屏的使用壽命，獲得良好的顯示效果。LED顯示屏應在干燥，無光源直射的環(huán)境下使用。同時應保證電網(wǎng)電壓的波動范圍在DC4.8V-5.2V之間。安裝的位置應避免強烈的震動，安裝過程中避免LED顯示屏的彎曲或撞擊。
8．1．2 下載程序
（1）在PC機上用Keil軟件將程序編譯成hex文件格式的文件。
（2）接通顯示屏的電源，并將LED顯示屏下載插口和計算機COM1口連接。
（3）使用STC芯片下載軟件STC_ISPv4.83將hex文件下載到單片機內(nèi)。
8．1．3顯示內(nèi)容
（1）將單片機的P1.0連接LED點陣data引腳；P1.1連接clock；P1.2連接so；P1.4連接AB；P1.5連接gate；電源線接通；
（2）根據(jù)需要按電路板上的按鈕，MOD鍵調(diào)節(jié)顯示模式；
8．2　測試結果
8．2．1軟件測試
軟件測試條件：Windows XP Pro操作系統(tǒng)、Intel PentiumIII處理器、256MB內(nèi)存。
（1）上位機軟件安裝包大小：1.5 MB
（2）上位機程序大小    ：48 KB
（3）上位機內(nèi)存占用　　　：5.3 KB
（4）1024字下載時間    ：14秒
（5）單片機目標代碼大小：5297字節(jié)；data區(qū)內(nèi)存占用31字節(jié)零1位；       外部xdata區(qū)占用236字節(jié)。E2PROM占用code區(qū)5個扇區(qū)2560字節(jié)。
8．2．2 實際刷新率測試
測試方法：在不同的上位機刷新率設置值下，測量一秒內(nèi)任何一行線上的掃描脈沖個數(shù)即為行掃描速率，單位為行/秒。行掃描速率除以行數(shù)16即為幀率，單位為幀/秒。
測試儀器：TDS1002示波器兼做頻率計
測試結果：如表8.1示。

上位機刷新率設置值	實際行掃描速率(行/秒)	實際幀率（幀/秒）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

表8.1實際刷新率測試結果

8．2．3 實際移動速度測試
測試方法：在最低幀率和最高幀率設置下，用秒表統(tǒng)計出各個移動速度設置值下的，每秒移動的水平點陣數(shù)。單位為點/秒。
測試儀器：秒表，肉眼
測試結果：如表8.2示。

上位機刷新率設置為1		上位機刷新率設置為10
上位機左移速度設置	實際移動速度（點/秒）	上位機左移速度設置	實際移動速度（點/秒）
1		1
2		2
3		3
4		4
5		5
6		6
7		7
8		8
9		9
10		10

表8.2 實際移動速度測試結果

8．2．4 電氣指標測試
測試方法：用萬用電表測量LED顯示屏各種工作狀態(tài)下的電流指標，用溫度計測量溫度。
測試條件：直流5.1V 開關電源供電，電源至LED顯示屏的電源線長4米，室溫18℃。DT9205數(shù)字萬用表，100℃量程酒精溫度計。
測試結果：如表8.3示。

LED顯示屏工作狀態(tài)	平均電流	平均功耗	行驅動管5分鐘溫升
下載模式	60 mA	0.3 W	18 ℃
顯示漢字	550 mA	2.75 W	25 ℃
LED全亮	2.5 A	12.5 W	40 ℃
LED全滅	55 mA	0.275 W	18 ℃

表8.3  電氣指標測試結果
第9章．總結

經(jīng)過近六個月的努力，終于順利完成了畢業(yè)設計。在此LED點陣顯示系統(tǒng)中，由于我采用了STC89C52系列混合信號高速單片機和專用字庫芯片，并且采用串行移位寄存器74HC595作列線驅動，使本設計的硬件成本大幅下降，而又提高了顯示單元的可擴展性。因為使用了高速單片機，使本系統(tǒng)的動態(tài)刷新率，移動速度等得到保障。本設計充分利用了單片機的片上資源，節(jié)約成本的同時使外圍電路簡潔美觀，故障率降低。總體的性能指標均達到或超過了題目的要求。
畢業(yè)設計是每個大學生必須面臨的一項綜合素質的考驗，如果說在過去四年里，我們的學習是一個知識的積累過程，那么現(xiàn)在的畢業(yè)設計就是對過去所學知識的綜合運用，是對理論進行深化和重新認識的時間活動。在這近六個月的畢業(yè)設計中，我們有艱辛的付出，當然更多的是豐收的喜悅。知識固然得到了鞏固和提高，但我相信在實踐中的切身體會將會使我在以后的工作和學習中終身受用。
首先，學習能力得到了提高。在畢業(yè)設計中，自始至終獨立完成硬件電路的設計、單片機軟件編寫、計算機軟件編寫、PCB設計等。在這些過程中，遇到許多困難，但通過書籍或網(wǎng)絡查閱了很多相關文章和向導師請教后終于解決了。比如PCB的工藝設計，是課堂上接觸不到的，但通過老師和同學的講解初步掌握了一些技術要領。通過這次畢業(yè)設計，我不僅對理論有了更深一步的認識，增強了和外界技術的溝通，還培養(yǎng)了自學能力和分析解決問題的能力，更重要的是，培養(yǎng)了克服困難的勇氣和信心。
其次，培養(yǎng)了自己的市場觀念。一個商品是否能夠搶占市場，除了必須的功能和質量要求外，其價格是最大的競爭優(yōu)勢。如何在保證質量和完成同等功能的情況下，把產(chǎn)品的成本降到最低。是每個設計人員在作出方案時首要考慮的因素。
再次，則是人際交流能力得到鍛煉。人非生而知之者！人的學識總是不能面面俱到的，這就要求我們必須善于借鑒別人的成功經(jīng)驗或失敗教訓，使自己少走彎路。總之，畢業(yè)設計完成了，但又面臨著工作。我相信我會把自己的熱情和所學奉獻到自己的工作中，不斷努力，不斷進取！
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[12]  MOTOROLA Semiconductor Technical Data Book[M].MOTOROLA,inc.1995
[13]  BURR-BROWN Data Book[M].Burr-Brown Corporation,1992

致謝

在此對畢業(yè)設計過程中給予我無私幫助和指導的孫小齊老師，李栓民老師表示衷心的感謝！對給予我技術上支持的朋友們表示衷心的感謝！
感謝這四年來精心培養(yǎng)我們的老師們，有你們的無私，才有我們的成長。

附錄附圖1 LED點陣顯示系統(tǒng)控制電路原理圖

附圖2 LED點陣顯示系統(tǒng)顯示電路原理圖

附圖3 PCB元件布局

附圖6 元件清單

規(guī)格	編號	類型及封裝	規(guī)格	編號	類型及封裝
1u	C4	50V鋁電解電容RB.1.3	104	C23	CAP0.2獨石電容
1u	C5	50V鋁電解電容RB.1.3	104	C6	CAP0.2獨石電容
1u	C10	50V鋁電解電容RB.1.3	104	C1	CAP0.2獨石電容
1u	C8	50V鋁電解電容RB.1.3	104	C20	CAP0.2獨石電容
1u	C7	50V鋁電解電容RB.1.3	104	C9	CAP0.2獨石電容
2K	R1	1/4W四色環(huán)金屬膜電阻	104	C12	CAP0.2獨石電容
10K	R2	1/4W四色環(huán)金屬膜電阻	104	C19	CAP0.2獨石電容
10R	R7-R23	1/4W四色環(huán)金屬膜電阻	104	C14	CAP0.2獨石電容
10u	C22	25V鋁電解電容RB.1.3	104	C13	CAP0.2獨石電容
10u	C21	25V鋁電解電容RB.1.3	104	C16	CAP0.2獨石電容
10u	C17	25V鋁電解電容RB.1.3	104	C3	CAP0.2獨石電容
10u	C18	25V鋁電解電容RB.1.3	200R	R24-40	1206貼片電阻
20Rx16		1/4W四色環(huán)金屬膜電阻	1000u/16V	C2	25V鋁電解電容RB.3.8
22K	R3	0805貼片電阻	DB9	P1	DB9母連接器
22K	R5	0805貼片電阻	DownLoad	S2	10×10非自鎖推推
22K	R6	0805貼片電阻	GT21L32S4W1	IC5	SO-8封裝
22K	R4	0805貼片電阻	MAX232	IC1	PDIP16封裝
11.0295MHz	IC2	小有源晶振	POWER	S1	10×10自鎖推推
74HC595	IC6	PDIP16封裝	REG1117-3.3V	IC4
74HC595	IC9	PDIP16封裝	STC89C52	IC3	PLCC32封裝
74HC595	IC8	PDIP16封裝	LED8*8RGx8		32x32mm行共陽
74HC595	IC7	PDIP16封裝
100u	C15	25V鋁電解電容RB.2.4
100u	C11	25V鋁電解電容RB.2.4