点阵显示屏系统的设计.doc

基于51单片机LED点阵显示屏系统设计学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 摘 要本文简介了一款以单片机AT89S51为控制器LED点阵显示屏系统设计。该系统可实现中英文字符显示和动态特效显示。并且可以通过级连方式来扩大显示屏幕尺寸以达到增长显示内容目。系统采用PC机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储显示代码，AT89S51单片机接受并解决PC机控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一种1616辨别率LED点阵显示屏扫描显示。PC机与单片机之间通信采用RS232C通信原则来实现。所选用AT89S51单片机具备价格低廉程序写入以便特点使得整个系统以便维护和检修。除此之外，该系统只占用了单片机少量I /O口和内存，为系统留下了功能扩展空间。LED显示屏是一种由半导体发光二极管构成显示点阵，人们通过控制每个LED亮灭实现图形或字符显示。由于LED显示屏亮度高、视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、性能稳定，因而被广泛应用于机场、商场、医院、宾馆、证券市场等公共场合。本文以单片机为控制核心设计和制作了一种中文显示系统，其成本低廉，内容更新简便。在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多场合需要用LED点阵显示图形和中文。LED行业已成为一种迅速发展新兴产业，市场空间巨大，前景辽阔。随着信息产业高速发展，LED显示作为信息传播一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传公众场合，例如户内外公共场合广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息豆示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。显然，LED显示已成为都市亮化、当代化和信息化社会一种重要标志。核心字：AT89S51；LED点阵显示；串行通信目 录摘 要I引 言11 LED概述21.1 LED特点21.2 研究LED现状及发展趋势21.2.1 国内LED产业发呈现状21.2.2 LED显示屏发展趋势32 方案论证与选取42.1 系统硬件方案42.1.1 显示屏主控制器42.1.2 通信系统62.1.3 LED点阵显示屏62.1.4 硬件设计方案72.2 系统软件方案82.2.1 单片机编程语言82.2.2 系统软件编译器简介92.2.3 上位机控制传播软件93 系统硬件设计113.1 硬件整体设计概述及功能分析113.2 控制单元设计123.2.1 AT89S51简介123.2.2 控制系统设计133.3 译码电路设计153.3.1 串并转换器74LS164153.3.2 锁存器74L373163.4 驱动电路设计173.4.1 行驱动电路设计173.4.2 列驱动电路设计183.5 通信系统硬件设计183.6 电源设计193.7 级连大屏幕LED显示屏204 系统软件设计234.1 程序设计234.2 显示程序设计244.2.1 LED显示屏显示方式244.2.2 点阵数据表达方式254.3 通信程序设计285 系统调试315.1 系统硬件某些调试办法315.1.1 短路与虚焊检测325.1.2 上电测试325.1.3 串口调试325.2 系统软件调试办法335.3 系统联合调试及成果345.4 调试成果分析34结 论36致 谢37参照文献38附 录39引 言该设计课题使咱们可以掌握LED显示屏基本显示原理和设计办法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻理解和结识。并且对大学期间所学习某些理论进行了实践，使咱们对所学过理论知识有了新结识。并且通过该设计课题掌握了51单片机软硬件开发工具用法，为后来从事有关行业工作积累了实际工作经验。当前国内信息行业发展迅速，作为重要平面显示媒介LED显示屏作用也越练越广泛，有关从业人员也会越来越紧缺。但同步应当清晰结识到国内LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平尚有一定差距。因而此课题无论是对自己就业还是对国内LED显示技术发展均有非常现实与积极意义。论文重要内容针对设计题目特点，作者对论文内容和构造将做如下安排：（1）初步方案论证和选取收集题目关于资料，并参照当前通用设计思想和设计办法拟定几套设计方案进行分析比较。最后选定了以PC机为上位机，单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路设计方案。（2）方案实现以设计方案为指引思想选取适当器件来实现这一思想，选取器件时要从功能和电气特性两方面来选取和论证。通过对比选取选定AT89S51单片机为核心控制器件，由串并转换器74LS164和锁存器74LS373为译码电路器件，三极管8550和ULN2803为驱动电路器件。论文列出了详细器件参数和在系统中连接用法。（3）软件编写依照硬件特点和设计规定，软件选用C语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几种功能上相对独立模块。然后按照所划分模块逐个编写和调试，最后将独立模块整合起来。（4）验证与测试调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。在硬件调试中发既有单片机端口驱动能力局限性、驱动电路工作不稳定等问题。在软件调试中浮现程序整合工作不协调等问题。通过度析，查找找出了问题因素并设法将其解决。（5）结论设计完毕后对设计中所遇到问题、经验教训、以及自己想法进行总结。1 LED概述1.1 LED特点LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来新型信息显示媒体，显示屏由几万几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列构成。运用不同材料可以制造不同色彩LED像素点。当前应用最广是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化数字、文字、图形图像；不但可以用于室内环境还可以用于室外环境，具备投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟长处1。在短短十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定长处迅速成长为平板显示主流产品，在信息显示领域得到了广泛应用。LED发展前景极为辽阔，当前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高发光密度、更高发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。LED显示屏应用涉及社会经济许多领域，重要涉及：（1）证券交易、金融信息显示。（2）机场航班动态信息显示。（3）港口、车站旅客引导信息显示。（4）体育场馆信息显示。（5）道路交通信息显示。（6）调度指挥中心信息显示。（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域业务宣传及信息显示。（8）广告媒体新产品等。1.2 研究LED现状及发展趋势1.2.1 国内LED产业发呈现状国内LED显示屏产业通过几年发展，基本形成了一批具备一定规模骨干公司。据不完全记录，至1998年终，年度销售总额在1000万元以上公司有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额85%以上。全国从事LED显示屏各类公司有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。在国内市场上，国产LED显示屏市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表公司中标。技术水平相对领先,国内LED显示屏产业在规模发展同步，产品技术推陈出新，始终保持比较先进水平。90年代初即具备了成熟16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平技术和产品浮现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内公司开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为国内电子信息产业重要构成某些，也是平板显示领域唯一立足国内形成民族高科技产业。1.2.2 LED显示屏发展趋势当代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体显示产品和技术得到迅速发展，进入21世纪显示技术将是平板显示时代，LED显示屏作为平板显示主导产品之一无疑会有更大发展，并有也许成为21世纪平板显示代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自浮现以来，成本逐年迅速减少，已具备成熟商业化条件。基本材料产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED产品性能提高，使全彩色显示屏亮度、色彩、白平衡均达到比较抱负效果，完全可以满足户外全天候环境条件规定，同步，由于全彩色显示屏价格性能比优势，预测在将来几年发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替老式灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏广泛应用会是LED显示屏产业发展一种新增长点。将来LED显示屏会向着原则化、规范化，产品构造多样化方向发展2。2 方案论证与选取2.1 系统硬件方案大多数LED显示屏都在户外，因此对硬件质量规定非常高。为以便检修和维护硬件电路设计时经常采用模块化设计办法。硬件设计采用模块化设计，既要满足模块自身功能又要可以和整个系统兼容。如图2-1所示,依照显示系统功能特点拟定系统硬件由显示屏某些，控制某些，通信系统及上位机四某些构成。上位机通过通信某些向控制某些发送控制指令和显示内容代码，控制某些执行显示指令并将显示代码解决后控制显示某些显示内容和显示方式3。图2-1 系统硬件构成框图2.1.1 显示屏主控制器控制某些是整个系统核心某些，其功能为与上位机通信接受上位机发送数据和控制指令解决过后控制显示某些显示内容。其惯用电子设计办法有单片机、DSP、及EDA技术。几种设计办法比较各有其特点：（1）单片机单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口微型计算机。它有很强接口性能，非常适合于工业控制,因而又叫微控制器(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。它们价格也高低不等，这样极大地满足了开发者选取自由。除此之外单片机还具备低电压和低功耗特点。随着超大规模集成电路发展，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 ，这在便携式产品中大有用武之地4。（2）DSP 芯片DSP 又叫数字信号解决器。顾名思义，DSP重要用于数字信号解决领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量信号解决。当前已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具备修正哈佛构造，多总线技术以及流水线构造。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同步进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大提高。DSP区别于普通微解决器另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，普通微解决器用软件实现乘法,逐条执行指令，速度慢。而DSP 依托硬件乘法器单周期完毕乘法运算，并且还具备专门信号解决指令，如TM320 系列FIRS ，LMS，MACD指令等5。（3）EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA 软件平台上，对用硬件描述语言HDL 完毕设计文献自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目的芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL 语言完毕系统功能描述，借助EDA工具就可得到设计成果,将编译后裔码下载到目的芯片就可在硬件上实现。由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件构造和工作方式进行重构，修改软件程序就相称于变化了硬件，软件编写可以采用自顶向下设计方案，并且可以各种人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间，有助于在激烈市场竞争中抢占先机。并且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上并行工作，在实时测控和高速应用领域前景辽阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现，但物理机制却和纯硬件电路同样，十分可靠。三种设计方式相比较各有长处且都可以实现控制功能，但单片机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。当前市场上惯用单片机重要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛单片机首推Intel51系列，由于产品硬件构造合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主优势常作为单片机学习教材。且51系列I/O脚设立和使用非常简朴，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设立为高电平（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。因此在控制某些方案选取中选定51系列单片机作为控制某些核心器件。2.1.2 通信系统通信某些要满足设计规定就是稳定、迅速、简朴易实现。由于普通状况下显示屏和上位机距离不会很远，因此通信距离规定不是很高。计算机数据通信重要采用并行通信和串行通信两种方式。（1）并行通信并行通信时数据各个位同步传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用通信线多、成本高，故不适当进行远距离通信。（2）串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送速度低，但传送距离长，因而串行合用于长距离而速度规定不高场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行，而计算机内部数据是并行。因而，当计算机向外发送数据时，必要将并行数据转换为串行数据再发送。反之，又必要将串行数据转换为并行数据输入计算机中。这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。单由软件实现会增长CPU承担，减少其运用率，故当前常采用硬件实现。通用通用异步接受/发送器，简称UART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完毕这一功能硬件电路。在单片机芯片中，UART已经集成在其中，作为其构成某些，构成一种串行口6。综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机UART已经集成在单片机内，因此通信系统选取串行通信为通信方式。2.1.3 LED点阵显示屏显示某些涉及了一块至少可以显示一种中文显示屏，以及驱动该显示屏驱动电路。由于单片机I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，因此需要对单片机IO口进行扩展增长单片机并行输出能力。LED显示屏是由一种一种发光二极管点阵构成，要构成大屏幕LED显示屏就需要各种发光二极管。构成LED屏幕办法有两种，一是由单个发光二极管逐点连接起来，如图2-2所示；二是选用某些由单个发光二极管构成LED点阵子模块构成大LED点阵模块。当前市场上普遍采用点阵模块有88、1616几种；这两种屏幕构成办法各有有缺陷，单个发光二极管构成显示屏长处在于当单个发光二极管浮现问题时只需更换一种二极管即可，检修成本较低，缺陷在于连接线路复杂；而点阵模块构成办法却正好与之相反，模块构成省约了大量连线，但是当一种LED浮现问题时同在一种模块所有LED都必要被更换。这就加大了维修成本。两种办法相比较，决定采用模块构成办法来制作一种LED点阵显示屏。为了避免模块缺陷，选取点阵数较小模块来减小浮现这一问题风险。因此构建一种1616LED点阵屏选用四块88点阵模块。图 2-2 LED点阵图一种1616LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机端口驱动因此必要要对单片机端口个数进行扩展。经常采用端口扩展办法是用串并转换芯片进行译码。惯用串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达，具备一定驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十甚至更小（电流事实上是由脚上拉电流形成），基本上没有驱动能力，因此单片机不能直接驱动LED显示屏显示。在单片机和显示屏之间还需要增长以功能放大位目驱动电路7。2.1.4 硬件设计方案最后方案如图2-3所示，以PC机作为上位机存储和解决显示内容用串行通信方式将显示内容和控制指令传播到单片机系统，单片机依照上位机传播来内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块88LED点阵模块构成1616LED点阵显示屏。题目将以此方案为指引思想展开详细硬件电路设计。图2-3 硬件设计方案2.2 系统软件方案软件设计除了满足设计功能外还必要要满足易读写，以便下载和编译。设计目的和硬件总体构造拟定状况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种特效显示子程序，通信程序三个重要某些构成。详细构造如图2-4所示。图2-4 软件功能构造框图软件编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完毕后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得一方面选取一种适当语言以及配套编辑器和编译软件。最后还要选取一款与所选单片机下载器或下载软件来把编写程序下载到单片机中执行。2.2.1 单片机编程语言当前重要运用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长处。汇编语言(Assembly Language)是面向机器程序设计语言，是一种功能很强程序设计语言，也是运用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件语言。其具备执行速度快，占内存空间少等长处，但在编写复杂程序时具备明显局限性，汇编语言依赖于详细机型，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操作系统语言，它是一种构造化语言，可产生压缩代码。C语言构造是以括号 而不是子和特殊符号语言。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，有如下长处：对单片机指令系统不规定理解，仅规定对51存储器构造有初步理解；寄存器分派、不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规范构造，可分为不同函数。这种方式可使程序构造化；将可变选取与特殊操作组合在一起能力，改进了程序可读性；编程及程序调试时间明显缩短，从而提高效率；提供库包括许多原则子程序，具备较强数据解决能力；已编好程序可容易植入新程序，由于它具备以便模块化编程技术。C语言作为一种非常以便语言而得到广泛支持，C语言程序自身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可依照单片机不同较快地移植过来。基于以上理由决定采用C语言为该显示系统编程语言。2.2.2 系统软件编译器简介C语言编写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机器语言。因而在系统软件设计中，编译器必不可少。支持MCS51用C语言编程编译器重要有两种：Franklin C51编译器和KEILC51编译器。当前在单片机开发中普遍都是使用KEIL C51来进行编译。因而软件设计最后方案为采用C语言为程序语言，KELC为编译工具按照控制、通信、显示等几种功能模块来编写程序。2.2.3 上位机控制传播软件其中系统采用当前已经非常普遍PC机作为上位机，这样对该显示系统硬件规定便减少了，增长了系统通用性。上位机作用是存储并解决显示内容，然后通过通信系统传送到控制系统驱动显示。LED显示上位机内容普通有实时显示和存储显示两种办法。实时显示及上位机屏幕上内容同步显示在LED显示屏上，上位机上内容变化LED显示屏也跟着变化。存储显示是将显示内容解决过后存储在上位机中通过通信系统传播到显示屏显示9。两种显示办法相比较：实时显示屏幕能及时反映上位机内容变化，显示效果和内容实时性好多用于新闻播报、实况转播用，但实时显示硬件开销大，对通信系统规定高，工艺复杂，成本高；存储显示虽实时性不高但硬件开销小，成本低廉。课题设计题目对显示实时性规定较低且所设计显示屏尺寸不大同步显示内容不多，因此实时显示就没有必要。因此上位机选取存储显示办法，控制LED显示屏显示内容10。3 系统硬件设计3.1 硬件整体设计概述及功能分析显示系统详细设计重要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和1616点阵屏六某些构成。详细工作流程为：上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接受后执行控制指令解决显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完毕串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流解决以达到LED显示屏显示电流，电压规定进而使显示屏显示内容11。依照硬件功能构造图选用适当器件，器件不但规定能实现所规定功能还要能兼容至整个系统之中。通过查阅资料和对比最后硬件原理图如图3-1所示。 图3-1 硬件原理图该系统所要实现功能和规定有如下几点：（1）LED显示屏面积必要满足至少显示一种中文原则。并且显示要清晰。（2）驱动电路要能提供LED显示所需范畴内电压和电流规定。（3）译码电路高低电平区别能力以及译码输入输出频率必要满足单片机以及驱动电路规定。（4）单片机要能接受上位机指令和显示内容且可以解决后控制LED显示屏显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。执行频率要能达到扫描显示最低规定。（5）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。（6）由串口完毕单片机与上位机通信，通信速度和数据传播可靠性要达到显示规定。3.2 控制单元设计控制单元是整个显示系统核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来和上位机通信解决上位机发送控制指令和显示内容。并且直接输出数据通过译码电路控制LED显示屏显示内容和显示状态。在51系列单片机中选定一款适当机型来作为控制单元主控芯片。依照题目规定该芯片必要要具备就是以便编程能力，由于在软件设计时以便程序下载对程序验证和编写非常有用。尚有就是为了提高LED显示屏扫描速度，单片机执行速度要尽量快。依照这两点规定，选取美国ATMEL公司生产AT89S51为控制单元主控芯片。3.2.1 AT89S51简介AT89S51是美国ATMEL公司生产低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes可系统编程Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容原则8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用老式办法进行编程及通用8位微解决器于单片芯片中，ATMEL公司功能强大，低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT989S51具备如下特点：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器1000次擦写周期4.05.5V工作电压范畴全静态工作模式：0Hz33MHz三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定期/计数器6个中断源全双工串行UART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗（WDT）及双数据指针掉电标记和迅速编程特性灵活在系统编程（ISP字节或页写模式）AT89S51提供如下原则功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定期/计数器，一种5向量两级中断构造，一种全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同步，AT89S51可降至0Hz静态逻辑操作，并支持两种软件可选节电工作模式。空闲方式停止CPU工作，但容许RAM，定期/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一种硬件复位。3.2.2 控制系统设计控制电路设计中采用是单片机系统，该系统必要要是工作在一种最小系统（指单片机可以最小配备系统）。AT89S51最小系统涉及了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量IO口作为控制口控制外部各种器件和数据输出。依照功能选取一定单片机端口添加外围器件，详细电路如图3-2所示。在该系统中，P1各口重要用作LED显示数据控制输出。由于端口驱动能力有限因此该端口外接了5K上拉电阻来提高驱动能力。其中P1.5P1.6P1.7还复用为ISP下载功能口。详细接法为：P1.0，P1.1，P1.4，P1.5分别接四块74LS164A端，向74LS164送入串行数据通过其转换后并行输出；P1.2和P1.6分别接列和行74LS164CLOCK端，产生移位脉冲是串行数据并行输出；P1.3和P1.7接列和行CLEAR端，在一组数据完毕串并转换后清除164芯片中内容转换新数据；其中P1.5P1.6P1.7还复用为ISP下载功能口。P2.0接164芯片使能控制端，当为高电平使容许输出；P2.2和P2.3接锁存器74LS373OE和LE端控制锁存器工作状态。端口30，EA/VPP：外部访问容许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必要保持低电平（接地）。由于没有扩展外部程序存储器因此将EA置为高电平。图3-2 控制某些电路图由于P3口是特殊功能口，在该系统中基本是采用其第二功能。其第二功能和实际运用如表3-1所示：表3-1 AT89S51P3口第二功能应用端口第二功能实际作用P3.0RXD（串行输入口）与上位机通信数据输入口P3.1TXD(串行输出口)与上位机通信数据输出口P3.2外部中断0做按键中断，控制显示状态P3.3外部中断1做按键中断，控制运营模式AT89S51单片机P1在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，P2口在访问外部程序存储器或16位地址外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。因此P1和P2口留为外部数据存储器和程序存储器扩展用，以备内部存储器和程序存储器不够用状况时使用12。3.3 译码电路设计译码电路功能是为理解决单片机I/O端口局限性。行译码所用器件为串并转换器74LS164和锁存器74LS373。详细电路如图3-3所示图3-3 行译码电路图3.3.1 串并转换器74LS164列译码采用是芯片74LS164。如果不采用译码电路完全依托单片机端口输出来控制1616LED点阵屏显示，需要32个端口。而采用了译码电路后仅仅需要79个端口便可实现控制显示。大大减少了I/O口占用数目，为单片机扩展其她功能预留下来了空间。74LS164为一种8位数据串并转换器。当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一种为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一种为高电平，则另一种就容许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0状态。表3-1 74LS164工作参数参数最小值原则值最大值单位高电平输入电压2V低电平输入电压0.8V高电平输出电压2.43.2-V低电平输出电压0.20.4V时钟频率025MHZ这就规定单片机引脚输出高低电平要在芯片辨认范畴内，由于采用了列选通行传送显示代码办法因此行译码电路上也加上了74L373锁存芯片。这就规定74LS164芯片输出要满足锁存芯片高低电平区别范畴和频率规定。3.3.2 锁存器74L373由于74LS164芯片不具备锁存功能，因此在74LS164进行八位数据串并转换时，串行数据第一位会从QA依次移位到QH,第二位数据会从QA依次移位到QG，依次类推在八位数据转换完毕之前74LS164芯片输出会浮现一段时间乱序输出，这一成果会通过驱动电路体当前显示屏上。成果就是显示屏无序导通闪烁，不能显示所需内容。因而在串并转换完毕前就需要74LS164输出口不与驱动电路导通。因此选取锁存器74LS373来完毕这一功能。74LS373为八D锁存器(3S,锁存容许输入有回环特性)。373为三态输出八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路构造形式当三态容许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线负载，但锁存器内部逻辑操作不受影响。当锁存容许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立数据电平。表3-2 74LS373工作参数表参数最小值额定值最大值单位电源电压4.7555.25V输入高电平电压2V输入低电平电压0.8V输出高电平电压2.6mA输出低电平电压24mA由表与表比较可以看出，74LS164输出条件与74LS373输入条件相匹配，理论上可以实现锁存器对译码器数据锁存。3.4 驱动电路设计3.4.1 行驱动电路设计发光二极管，LED(Light Emitting Diodes)，即是在在某些半导体材料PN结中，注入少数载流子与多数载流子复合时会把多余能量以光形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种运用注入式电致发光原理制作二极管叫发光二极管，通称LED。 行驱动采用PNP三极管8550接法如图3-4示：图3-4 行驱动器件8550接法8550为PNP型三极管，内部构造如图3-5示。发射极e接5V电源，基极接译码信号输出端，集电极接输出驱动LED点阵屏。当译码器端口输出为低电平时，发射极与基极电势差为5V基极中带负电电子越过PN结扩散到发射区。发射极产生和电子扩散方向相反电流，由于基极电子大量扩散到发射极集电极电子扩散到基极中形成了电流。当译码器端口输出高电平时发射极与基极之间电势差为5V，由于发射极与基极之间电势差减少基极电子向发射极扩散电子数量减少故集电极电流也随之减少。故8550在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开关作用。图3-5 8550内部构造图3.4.2 列驱动电路设计列驱动采用ULN2803。ULN2803是一种高电压大电流达林顿管阵列内部构造如图，该阵列中八个NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS）和大电流高电压灯，继电器，打印机锤和其她类似负载间接口抱负器件。广泛用于计算机，工业和消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制续流箝位二极管。集电极输出功率可达50V600mA13。ULN2803作为列驱动执行是列选工作，当选通列输入高电平时其相应输输出低电平。相相应输出取反，并能提供较大灌电流来吸取行驱动流出进过显示屏后电流。详细电路如图3-7所示。图3-7 列驱动原理图3.5 通信系统硬件设计AT89S51单片机具备全双工串行UART通道，支持单片机进行数据串行传播。除了单片机要与PC机制定通信合同，拟定发送速率外还需要解决问题就是信号电平问题。RS-232C原则规定了PC机发送数据总线TXD和接受数据总线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时传播线上电平在315V之间；传送数字“0”时，传播线上电平在315之间。但单片机串行口采用正逻辑TTL电平，即数字“1”时为5V数字“0”时为-5V，因此单片机与计算机不能直接相连进行通信必要将RS-232C与TTL电平进行转换14。在通用电平转换芯片中MAX232系列芯片以集成度高，单5V电源工作，只需外接5个小电容即可完毕RS-232C与TTL电平之间转换而成为单片机系统中惯用芯片。在该显示系统中，MAX232为通信系统中最重要硬件构成某些15。电路如图3-8所示：图3-8 串口通信系统电路图3.6 电源设计在系统中MAX232、74LS164、74LS373、AT89S51都需要5V供电电压，在系统开发过程中可以使用电脑USB供电。在实际大屏幕LED显示屏设计中，用电脑USB供电明显不切实际。此时需要对民用220V进行降压整流为5V直流电压为显示系统供电。电路图如图3-9所示。图3-9 电源原理图如图所示，用220V转12V变压器进行降压后再通过一种桥式整流电路将交流电整流为直流电。最后通过5V三端稳压模块LM7805得出稳定5V输出。3.7 级连大屏幕LED显示屏要实现LED大屏幕显示重要采用内部译码器级连和各种单片机系统级连办法。译码器级连如图3-10所示将第1个74LS164Q7端接第2个74LS164A端，将第2个74LS164Q7端接第3个74LS164A端，如此炮制当N块74LS164相级连时就变为一种串行输入7N口输出串并转换器。这种级连长处在于一块单片机可以同步控制更多LED点阵显示屏，且74LS164价格低廉整体成本得到了减少。但是这种级连办法也存在一定缺陷，51系列单片机晶振频率不高74LS164级连过多会增长一次扫描时间从而导致显示浮现闪烁。从端口输出显示数据显示也要作出相应变化。图3-10 74LSL64级连构建大屏幕LED显示屏另一种办法是将以较小LED显示系统做为模块进行级连。如图3-11所示，由独立LED显示系统构成一种大LED显示系统。其中各子显示系统之间在功能和控制上都是互相独立，将一幅大屏幕画面拆分为几块小画面再分别送入到各子系统中，各子系统同步显示便可以得到一幅大画面。使用这种级连办法可以避免51单片机晶振频率低弱点，更容易实现大屏幕显示。但这种办法依然存在难点，一是各独立子系统通信和协调性规定更高了，如果要实现显示内容实时性必要需要上位机不断更新显示内容则增长了上位机通信数据量，逐个单片机传送数据也会影响整个画面更新速度；二是成本提高了。图3-11 由子系统构建大屏幕LED显示屏在实际应用中普通采用内部扩展和外部级连联合用法来构建大屏幕LED显示屏幕。即增长单个显示系统显示屏幕大小同步又将单个显示系统级连。详细硬件原理图见附录1。4 系统软件设计4.1 程序设计系统软件采用C语言编写，按照模块化设计思路设计。一方面分析程序所要实现功能，程序要实现串口通信，静态显示，动态显示三大功能。其功能构造如图2-4所示。通信程序接受上位机数据，交给主程序解决再通过控制程序选取不同显示程序进行显示。主程序工作流程如图4-1所示：系统初始化从显示数组读取数据到显示寄存器读取显示控制命令选取显示方式调用相应显示程序RI=1?起始位？接