單片機(jī)的LED點陣屏顯示學(xué)習(xí)資料

1、51單片機(jī)的LED點陣屏設(shè)計1 引言點陣顯示是集微電子技術(shù)、 計算機(jī)技術(shù)、 信息處理于一體的新型顯示方式。 由于 其具有色彩鮮艷，動態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前大 多數(shù)的公交車招牌都是采用固定的板塊顯示， 顯示的信息量少， 內(nèi)容固定， 修改 站點信息比較麻煩，不能快速、便捷的更新站點信息。本文提出一種方案，采用 LED點陣顯示模塊，克服了上述缺點，不僅可以靜態(tài)的顯示公交車站點信息，而 且也可以通過動態(tài)滾動， 從而增加信息顯示的容量。 為了醒目， 還可以產(chǎn)生諸如 閃動、滾動等顯示效果。1.1 車內(nèi)顯示器的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)在客車上的日益廣泛的應(yīng)用， 客車

2、內(nèi)的路牌顯示 器也經(jīng)歷了從燈光路牌、翻板式電子模塊路牌、CRTS示、LCD液晶顯示和LED點陣顯示等幾種發(fā)展類型； 顯示信息也從固定內(nèi)容發(fā)展到任意內(nèi)容的多種顯示方 式；對顯示信息的編輯、 修改，也由遙控鍵盤有線通訊模式發(fā)展到用計算機(jī)編輯 文字，在經(jīng)專用無線控制器將其發(fā)射到各站點的通訊模式。 以后的發(fā)展趨勢是衛(wèi) 星定位系統(tǒng)站點顯示器，客車內(nèi)站牌顯示器由天線、衛(wèi)星定位模塊、微處理器、 LED點陣驅(qū)動電路、LED點陣站牌和電可擦寫存儲器構(gòu)成。目前在客車內(nèi)廣泛的顯示器由LED點陣顯示器和LCD液晶顯示器，還有部分CRT 顯示器，由于CRT顯示器耗電量多、體積較大，且本質(zhì)量較重，與 LED點陣顯示 器和

3、LCD液晶顯示器相比，已處于下風(fēng)，目前LED和LCD顯示器成為現(xiàn)代人們選 擇之一，它們各有優(yōu)缺點。LCD液晶顯示器具有圖像清晰、體積小、功耗低等優(yōu) 點，但它的成本高、亮度低、壽命短、可視距離和角度很有限。而 LED顯示屏具 有亮度高、 故障低、能耗少、使用壽命長、 顯示內(nèi)容多樣、 顯示方式豐富等優(yōu)點。1.2 LED 點陣顯示系統(tǒng)點陣顯示是集微電子技術(shù)、 計算機(jī)技術(shù)、 信息處理于一體的新型顯示方式。 由于 其具有色彩鮮艷，動態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。目前大 多數(shù)的公交車招牌都是采用固定的板塊顯示， 顯示的信息量少， 內(nèi)容固定， 修改 站點信息比較麻煩，不能快速、便捷的更新站點

4、信息。本文提出一種方案，采用 LED點陣顯示模塊，克服了上述缺點，不僅可以靜態(tài)的顯示公交車站點信息，而 且也可以通過動態(tài)滾動， 從而增加信息顯示的容量。 為了醒目， 還可以產(chǎn)生諸如 閃動、滾動等顯示效果。目前LED顯示屏的種類越來越多，從使用場合及亮度考慮可分為室內(nèi)與室外屏， 從掃描方式可分為動態(tài)掃描顯示屏和靜態(tài)掃描顯示屏。室外使用的交通誘導(dǎo)屏， 通常采用計算機(jī)同步控制的靜態(tài)掃描顯示，每個像素由幾個高亮LED發(fā)光管組成，可做成多色或全色。其優(yōu)點在于播放的內(nèi)容信息量大，實時性強(qiáng)，且由于采 用靜態(tài)顯示，亮度高；其缺點是硬件電路復(fù)雜，成本高。室內(nèi)使用的由8X 8LED點陣拼成的顯示屏也有同步和異步之

5、分，同步控制顯示屏由計算機(jī)作為主控器， 異步控制顯示屏的主控器可采用單片機(jī)。單片機(jī)控制的單色顯示屏由于結(jié)構(gòu)簡 單，成本低廉，適合作為客車廣告屏。本文介紹的客車廣告屏屏系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的一部分，它是利用先進(jìn)的顯示、 及通信等技術(shù)手段， 動態(tài)地、實時地顯示公交車的站點信息， 最大限度的提高公 交車站牌的信息顯示量。本系統(tǒng)采用的 STC89C516RD宏晶科技）單片機(jī)是新一 代增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的制定者，致力于提供滿足用戶需求的世界級高性能 單片機(jī)技術(shù)，在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，銷售網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國。在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上， 以極低的價格和完善的服務(wù)贏得了用戶的長期信賴。在廣受歡迎的STC89C5全系

6、列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)全力推出“1 個時鐘/ 機(jī)器周期”的單片機(jī) ,全面提升 8051單片機(jī)性能。用該單片機(jī)作為系統(tǒng)的中央控制單元，負(fù)責(zé)產(chǎn)生和控制掃描 信號、讀出顯示緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送給掃描驅(qū)動電路，使LED點陣屏按照一定的要求 顯示。根據(jù)設(shè)計要求，顯示方式要具有掉電存儲功能，因此，在單片機(jī)外圍電路 加上I2C總線的EEPROM利用單片機(jī)外部中斷功能檢測出來所需要的顯示方式， 并把它存儲在該EEPROI內(nèi)，這樣，即使斷電顯示方式也仍然存儲在該 EEPROM 里面，單片機(jī)再重新讀取該 EEPRO里面的內(nèi)容，也就是斷電前的顯示方式。結(jié) 合KEIL軟件編程，實現(xiàn)了 PC機(jī)通信、控制界面以及安全措施，從而大

7、大豐富了 系統(tǒng)功能， 提高了系統(tǒng)的可操作性， 使達(dá)到交互式與智能化， 符合未來交通系統(tǒng) 智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展方向。 利用該系統(tǒng)， 可以實現(xiàn)同一站牌不同方向客車站點 的靜態(tài)顯示、 動態(tài)顯示和定時顯示控制， 另外用來應(yīng)對交通突發(fā)事件， 作為應(yīng)急 告示，達(dá)到疏散交通，保護(hù)人們安全的目的。 設(shè)計時考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展加上升級模塊， 可以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級； 加上公交車 到站時間預(yù)測模塊，可以預(yù)測到公交車到站的時間，方便行人；加上網(wǎng)絡(luò)模塊， 可以連接互聯(lián)網(wǎng)，直接通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制，也為以后的智能交通打下基礎(chǔ)。2 LED 點陣顯示的理論基礎(chǔ)LED點陣顯示的基礎(chǔ)理論包括光電子學(xué)、半導(dǎo)體器件、數(shù)字電子電路、大規(guī)模

8、集 成電路、單片機(jī)及微機(jī)等各個方面， 既有硬件又有軟件。 上述各個領(lǐng)域都有自成 體系，本文無法一一盡述，只能以顯示屏為主線進(jìn)行討論，主要闡述了 LED器件 的應(yīng)用基礎(chǔ)和工作原理，以及 LED點陣模塊的構(gòu)成和工作原理。2.1 LED 器件的應(yīng)用基礎(chǔ)LED器件種類繁多。早期LED產(chǎn)品是單個的發(fā)光燈，隨著數(shù)字化設(shè)備的出現(xiàn)，LED 數(shù)碼管和字符管得到了廣泛的應(yīng)用。LED發(fā)光燈可以分為單色發(fā)光燈、雙色發(fā)光燈、三色發(fā)光燈、面發(fā)光燈、閃爍發(fā) 光燈、電壓型發(fā)光燈等多種類型。按照發(fā)光燈強(qiáng)度又可以分為普通亮度發(fā)光燈、 高亮度發(fā)光燈等。LED發(fā)光燈的外形由PN結(jié)、陽極引腳、陰極引腳和環(huán)氧樹脂封裝外殼組成。其 核心部

9、分是具有注入復(fù)合發(fā)光功能的 PN結(jié)。環(huán)氧樹脂封裝外殼除具有保護(hù)芯片 的作用外，還具有透光聚光的能力，以增強(qiáng)顯示效果。LED器件通常用砷化傢（GaAS、磷化傢（GaP等半導(dǎo)體材料制成。當(dāng)向LED 器件施加正向電壓時， 器件內(nèi)部的電子與空穴直接復(fù)合而產(chǎn)生能量， 以光的形式 釋放出來，產(chǎn)生半導(dǎo)體發(fā)光。因此 LED的驅(qū)動就是如何使它的PN結(jié)處于正偏狀 態(tài)，而且為了控制它的發(fā)光強(qiáng)度， 還要解決正向電流的調(diào)節(jié)問題。 具體的驅(qū)動方 法可以分為直流驅(qū)動、恒流驅(qū)動、脈沖驅(qū)動和掃描驅(qū)動等 2 。2.2 LED 點陣模塊 顯示單元（ Display unit ）由電路及安裝結(jié)構(gòu)確定的并具有顯示功能的器件組成LED顯

10、示屏的最小單元，也叫點陣顯示模塊。點陣顯示屏是由上萬個或幾十萬個 LED發(fā)光二極管組成，每個發(fā)光二極管稱為一 個像素。為了取得良好的顯示一致性并簡化器件結(jié)構(gòu)， 八十年代以來出現(xiàn)了組合 型LED點陣顯示器，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，即所謂的點陣模塊。點陣模塊具有高亮度、功耗低、 引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等特點。按照顏色的不同分為 單基色、雙基色和三基色三類，可顯示紅、黃、綠、藍(lán)、橙等顏色。按照點陣規(guī) 模大小分有 4X 4、4X 8、5X 7、5X 8、8X 8、16X 16、24X 24、32X 32、40X 40 等。按

11、照像素的直徑大小分有 © 3、© 3.75、© 5、© 10、© 20等。（ a） 外部結(jié)構(gòu)（ b） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1 8 X8點陣結(jié)構(gòu)圖1為8X8單基色點陣的結(jié)構(gòu)圖，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出 8X8點陣共需要64個 發(fā)光二極管， 且每個發(fā)光二極管是放置在各行和列的交叉點上。 當(dāng)對應(yīng)的某一列 置高電平，另一列置低電平時，則在該行和列的交叉點上相應(yīng)的二極管就亮。LED顯示屏就是由若干個點陣模塊組成的，它通過一定的控制方式，就可以顯示 文字、文本、圖形、圖像、動畫等各種信息，以及電視、錄像信號。3 方案設(shè)計從前兩節(jié)的論述中可以看出LED點陣顯示技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成

12、熟。實現(xiàn)方案非常多。 本文要設(shè)計的是客車內(nèi)LED點陣顯示屏，根據(jù)客車內(nèi)的特殊環(huán)境，選擇方案時就 要考慮公交車的車身尺寸、 震動、 溫度等對顯示屏的影響， 以及客車內(nèi)電源的局 限性，為了節(jié)約電能，采用太陽能電池供電，就要使顯示屏功耗降到最低。3.1 顯示方案 根據(jù)論文的設(shè)計要求， 本文提出了以下幾種方案， 對比論證，選取較合適的方案。（1）CRT監(jiān)視器設(shè)計方案：在站牌出安裝一小型彩色監(jiān)視屏，將站點信息顯示在CRT監(jiān)視器上，供行人查閱。站點信息放在存儲器內(nèi)，通過無線廣播的方式進(jìn) 行數(shù)據(jù)更新。 這種方案的優(yōu)點： 是成本比較低， 可以采用淘汰下來的電視機(jī)作為 監(jiān)視器；缺點是：耗電量巨大， CRT顯示器

13、在陽光下的顯示效果不理想。（2）LED點陣顯示屏設(shè)計方案：整個站牌由 LED顯示屏構(gòu)成，站點信息在點陣 屏幕上顯示，并且可以以靜態(tài)的方式固定顯示站點或者以動態(tài)的方式輪流顯示所 有的站點。系統(tǒng)通過RS485或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行更新、升級。這種方案的優(yōu)點是：成 本相對比較低廉， 能及時動態(tài)的顯示站點信息， 顯示的信息容量也比較大， 便于 遠(yuǎn)程控制和升級。缺點是：受目前LED顯示技術(shù)的限制，對于圖像和視頻顯示的 效果不是很理想。（ 3）液晶顯示器（或者等離子）設(shè)計方案：由液晶（等離子）顯示器構(gòu)成站牌， 不但能顯示站點信息， 還可以顯示圖象或者視頻信息， 站點信息經(jīng)過專用電纜或 者互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳送。 這種方案的

14、優(yōu)點是能在有限的站牌上顯示更多的信息， 尤其是 圖像和視頻信息，缺點是成本太高，數(shù)據(jù)傳輸量巨大，不適合推廣使用。通過比較上述三種方案，可以發(fā)現(xiàn)LED點陣顯示方案有很大的可行性，而且其系 統(tǒng)的升級也比較方便，便于推廣使用，適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展需求。3.2 控制電路方案控制電路有兩種選擇，數(shù)字電路控制和 CPLD控制。數(shù)字電路控制的原理是LED點陣顯示屏由單片機(jī)控制電路和顯示驅(qū)動電路兩大 部分組成，一般的單片機(jī)控制部分采用 ATME公司的51系列單片機(jī)，考慮到它 的ROM目對較小，這里采用增強(qiáng)型的51單片機(jī)STC89C516RD宏晶科技）單片機(jī), 顯示驅(qū)動部分由16片8X 8 LED點陣模塊和相應(yīng)

15、的驅(qū)動電路組成， 位碼掃描信號 和段碼信號都有單片機(jī)提供。由CPLD器件組成的控制電路，具有很高的可靠性和設(shè)計靈活性，所實現(xiàn)的顯示 效果樣式較多，但采用可編程邏輯器件 CPLD的設(shè)計成本相對較高。由于采用由單片機(jī)組成的控制電路已能完成設(shè)計的要求，且其性價比要優(yōu)于采用由CPLD組成的控制電路。因此，本文采用前者作為控制電路。3.3系統(tǒng)框圖整個系統(tǒng)由兩大模塊組成：主控制單元和輔助控制單元模塊。其框圖如下所示圖2主控制單元結(jié)構(gòu)框圖圖2為主控制單元結(jié)構(gòu)框圖，它主要完成的功能是LED點陣的顯示和定時顯示控 制。DS1302為時鐘芯片，為顯示準(zhǔn)確的時間； DS18B02是溫度控制芯片，顯示 車內(nèi)的溫度；A

16、T24C256是容量為256Kbit的E2R0M用來保存掃描方式的數(shù)據(jù)的 信息，以及廣告信息和更新廣告信息等其它待顯示的信息。 RS232通信模塊用來 更新顯示信息和升級系統(tǒng)。4系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1顯示屏驅(qū)動顯示電路顯示屏分成屏體和控制器兩部分，屏體的主要部分是顯示陣列以及有行列驅(qū)動電 路。根據(jù)安裝環(huán)境的空間以及考慮成本造價， 決定使用多大尺寸的顯示屏， 從而 決定了顯示模塊的數(shù)量，這里以8X8點陣為例，模塊單位為256點陣，即需要 16塊點陣模塊，如圖 4示。漢字一般是 256點陣，那么該屏可以一次顯示 4個 漢字。采用掃描方式進(jìn)行顯示時， 分成兩步， 對于每行有一個行驅(qū)動器， 各行的同名列

17、共用一個列驅(qū)動器， 由單片機(jī)給出行選通信號， 從第一行開始依次對各行進(jìn)行掃 描，對于列，根據(jù)各列所存數(shù)據(jù)，確定相應(yīng)的列驅(qū)動器是否將該列與行接通，如 果接通，那么該行該列的LED將亮，以同樣方法進(jìn)行顯示全部各行都掃描一遍之 后（一個掃描周期 ） ，再從第一行開始， 進(jìn)行下一個周期的掃描。 只要一個掃描周 期的時間比人眼 1/25 秒的滯留時間短，就不會感覺出閃爍現(xiàn)象。 顯示數(shù)據(jù)從驅(qū)動芯片到顯示模塊是以并行方式傳輸?shù)模?但顯示數(shù)據(jù)從單片機(jī)到驅(qū) 動芯片是以串行方式傳輸?shù)模?由于串行傳輸?shù)目刂齐娐泛唵危?設(shè)計容易， 缺點是 串行數(shù)據(jù)傳輸需要很長的時間， 不過這可以由軟件來彌補(bǔ)， 也可考慮單片機(jī)的控 制

18、速度。顯示驅(qū)動電路由74HC595組成。74HC595俞入端是8位串行移位寄存器，輸出端 是8位并行緩存器具有鎖存功能。由于 CLK LOAD端相連，而數(shù)據(jù)線分開，這樣 在同一脈沖下，行列的數(shù)據(jù)可以同時進(jìn)行傳入，行列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，啟動 LOAD 信號使所有數(shù)據(jù)同時輸出并鎖存，這樣的設(shè)計較之傳統(tǒng)方法提高了 4倍的速度， 占用I/O 口少，由于CLK LOAD引線較長，為避免線間干擾，在驅(qū)動6片74Ls595 之后再加驅(qū)動芯片74L5244以驅(qū)動下一級驅(qū)動電路。行列掃描驅(qū)動相當(dāng)于對發(fā)光管脈沖供電，要獲得與直流驅(qū)動方式相當(dāng)?shù)陌l(fā)光強(qiáng) 度，脈沖驅(qū)動電流的平均電流 I1 與直流電流 I2 相同，它們與脈沖

19、電流幅值 If 的關(guān)系為If=Ton/Th，X I1是掃描周期，Ton是導(dǎo)通時間，占空比是1/16，掃描 頻率應(yīng)大于24HZ I取8mA那么1=8 Xl6=128mA發(fā)光管壓降取2V,那么每個 發(fā)光管應(yīng)串接 50的電阻。行驅(qū)動最大瞬間電流能達(dá)到 1 28X 80=1 0.240A。 LED顯示屏驅(qū)動電路的設(shè)計，與所用控制系統(tǒng)相配合，通常分為動態(tài)掃描型驅(qū)動 及靜態(tài)鎖存型驅(qū)動二大類。以下就動態(tài)掃描型驅(qū)動電路的設(shè)計為例為進(jìn)行分析： 動態(tài)掃描型驅(qū)動方式是指顯示屏上的 4行、8行、16行等n行發(fā)光二極管共用一 組列驅(qū)動寄存器，通過行驅(qū)動管的分時工作，使得每行LED的點亮?xí)r間占總時間的1/n ,只要每行的

20、刷新速率大于50Hz利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，人們就可以 看到一幅完整的文字或畫面。常規(guī)型驅(qū)動電路的設(shè)計一般是用串入并出的通用集 成電路芯片如74HC595或MC14094等作為列數(shù)據(jù)鎖存，以8050等小功率NPN三 極管為行驅(qū)動，而以達(dá)林頓三極管如 TIP127等作為行掃描管。如動態(tài)掃描型驅(qū) 動方式是指顯示屏上的4行、8行、16行等n行發(fā)光二極管共用一組列驅(qū)動寄存 器，通過行驅(qū)動管的分時工作，使得每行 LED的點亮?xí)r間占總時間的1/n，只要 每行的刷新速率大于50Hz,利用人眼的視覺暫留效應(yīng)，人們就可以看到一幅完 整的文字或畫面。常規(guī)型驅(qū)動電路的設(shè)計一般是用串入并出的通用集成電路芯片 如74H

21、C595或 MC14094等作為列數(shù)據(jù)鎖存，以8050等小功率NPN圖3顯示驅(qū)動電路三極管為列驅(qū)動，而以達(dá)林頓三極管如TIP127等作為行掃描管。如以單色點陣、 16行X 64列為一個基本單元，則需用8片74HC595 16個行掃描管，其工作原 理為：將八片74HC595級連，共用一個串行時鐘CLK及數(shù)據(jù)鎖存信號STR當(dāng)?shù)?一行需要顯示的數(shù)據(jù)經(jīng)過8X 8=64個CLK時鐘后將全部移入74HC595中，此時產(chǎn) 生一個數(shù)據(jù)鎖存信號STR使數(shù)據(jù)鎖存在74HC595的后級鎖存器中，同時由行掃 描控制電路產(chǎn)生信號使第一行掃描管導(dǎo)通，相當(dāng)于第一行LED的正端都接高平，顯然第一行LED管子的亮、滅取決于74

22、HC595中所鎖存的信號；在第一行LED管子點亮的同時，在74HC59沖移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，并 同時由行掃描控制電路將第一行掃描管關(guān)閉而接通第二行， 使第二行LED管子點 亮以此類推，當(dāng)?shù)谑袙呙柽^后再回到第一行，只要掃描速度足夠高，就 可形成一幅完整的文字或圖像，其工作時序見圖 4。cLK_rLRTLTLSTR jwin_LT圖4串行移位工作時序圖4.2顯示屏主控制電路在控制領(lǐng)域51系列、PIC系列以及AVF系列單片機(jī)是常用的微型控制器，每個 系列都有自己的優(yōu)缺點，在某些方面都有自己的長處。在具體的設(shè)計當(dāng)中要綜合 考慮，如單片機(jī)的資源是否滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)是否有嚴(yán)格的速

23、度要求，系統(tǒng)對控制器的抗干擾能力，硬件的加密性，外圍電路是否簡單，是否有比較齊全的成 熟的開發(fā)、調(diào)試工具，如果要生產(chǎn)的話，則還要考慮價格和供貨渠道等因素。控制器的比較及選型PIC系列單片機(jī)：PIC單片機(jī)采用精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC系列8位CMO單片機(jī)具有獨特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線(Harvard)結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用 CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比，可以達(dá)到2:1的代 碼壓縮，速度提高4倍。PIC有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。PIC在推出一款新型號的同時推 出相應(yīng)的仿真芯片，所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持

24、，實時性非常好。其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器 控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便。 PIC 以保密熔絲來 保護(hù)代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目 前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。自帶看門狗定時器，可以 用來提高程序運行的可靠性。AVR系列單片機(jī)：是一種新型的單片機(jī)。運行速度快，一個時鐘周期執(zhí)行一條指 令。硬件應(yīng)用哈佛 (Harvard) 結(jié)構(gòu)，具有預(yù)取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時， 預(yù)先把下一條指令取進(jìn)來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。AVR單片機(jī)是多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度快。

25、超功能精簡指令，具有 32 個通用工作寄存器， 相當(dāng)于有 32 條立交橋，可以快速通行。相當(dāng)多的單片機(jī)只有一個累加器，就像 一條獨木橋，所有事都要通過累加器，速度慢。AVF單片機(jī)系列中有128B4KB的SRAM!態(tài)隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器，可靈活使用指令運算、存放數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)速度 快。AVR像 8051 一樣，有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷。高級C語言編程效率高。從高級語言 C代碼完成同一任務(wù)實例來比較，8 MHz AVR單片 機(jī)的速度相當(dāng)于224 MHZ的80C51單片機(jī)，AVR比80C51快28倍。AVR是低功耗 單片機(jī)，具有休眠省電功能(Power Down及閑置(Idle)低功耗功

26、能。一般耗電在 12.5 mA;對于典型功耗情況， WD關(guān)閉時為100 nA，更適用于電池供電的應(yīng) 用設(shè)備。有的器件最低1.8 V即可工作。可多次燒寫的Flash，且具有多重密碼 保護(hù)鎖死(Lock)功能。I/O 口功能強(qiáng)、驅(qū)動能力大，具有輸入/輸出、三態(tài)高阻 輸入，也可設(shè)定內(nèi)部拉高電阻作輸入端的功能， 以便于應(yīng)用到各種所需的場合 (多 功能 I/O 口)。51系列單片機(jī)： 51系列是指是兼容 Intel 公司51指令集的單片機(jī)系列的統(tǒng)名稱。 這種單片機(jī)所包括的硬件資源有：(1) 一個 8位的微處理器;(2) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最 終結(jié)果以欲顯示的

27、數(shù)據(jù)等;(3) 片內(nèi)程序存儲器ROM/EPROM用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；(4) 四個8位并行I/O接口 P0P3,每個口可以用作輸入，也可以用作輸出；(5) 兩個(或三個)定時器 /計數(shù)器，每個定時器 /計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方 式，用以對外部事件進(jìn)行計數(shù)， 也可以設(shè)置成定時方式， 并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機(jī)控制；(6) 五(或六個)個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；(7) 個全雙工UART接口(通用異步接收發(fā)送器)的串行I/O ,用于實現(xiàn)單片 機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；( 8)片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路,但石英晶體和微調(diào)電容須要外接?？梢钥闯?MCS-51系列單片機(jī)也是一款

28、功能強(qiáng)大的單片機(jī)。STC89C51RC/RD+列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾 /高速/低功 耗的單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī), 12 時鐘 / 機(jī)器周期和 6 時鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的 D版本內(nèi)部集成MAX81C專用復(fù)位電路。 特點如下：(1) .增強(qiáng) 6時鐘/機(jī)器周期， 12時鐘/機(jī)器周期 8051CPU；(2) 工作電壓：5.5V3.4V( 5V單片機(jī))/3.8V2.0V ( 3V 單片機(jī))；(3) 工作頻率范圍：040MHz相當(dāng)于普通8051的080MHz實際工作頻率可達(dá) 48MHz；(4) 用戶應(yīng)用程序空間 4K/8K/13K/16K/20K/32K

29、/64K 字節(jié)；(5) 片上集成 1280字節(jié)/512 字節(jié) RAM；(6) 通用 I /O 口( 32/36 個)復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉(普 通8 051傳統(tǒng)I /O 口)，P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電 阻，作為 I /O 口用時，需加上拉電阻；(7) ISP (在系統(tǒng)可編程)/IAP (在應(yīng)用可編程)，無需專用編程器/仿真，可 通過串口( P3.0/P3.1 )直接下載用戶程序，8K程序3秒即可完成一片；(8) EEPRO功能；( 9)看門狗；(10) 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(D版本才有)，外部晶體20M以下時, 可省外部復(fù)

30、位電路；(11) 共3 個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器 0還可以當(dāng)成2個8位定時器 使用；(12) 外部中斷4路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部 中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒；(13) 通用異步串行口( UART，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART(14) 工作溫度范圍：075C / 40+85C；( 15)封裝： PDIP-40， PLCC-44， PQFP-44。從以上幾種型號單片機(jī)的比較中可以看出，PIC單片機(jī)、AVR單片機(jī)雖然在很多方面都有其特點，如在運行速度上，內(nèi)部資源的配置等。但因其價格高，開發(fā)工 具不及使用51系列單片機(jī)齊全，再考慮本系統(tǒng)對 CPU

31、的要求并不是很高，綜合 考慮還是選用已經(jīng)普及的 51 內(nèi)核的單片機(jī)。4.2.2 EEPROM存儲器的選用為了能將系統(tǒng)所設(shè)定的常數(shù)， 如更新的站點信息， 設(shè)定的定時顯示時間在系統(tǒng)掉 電之后仍能恢復(fù)，在設(shè)計時必須考慮將常數(shù)保存起來。由于STC89C516RD+片機(jī)片內(nèi)沒有EEPRQM須采用外部擴(kuò)展方式。在系統(tǒng)的設(shè)計過程中，為了取得較 大的系統(tǒng)余量，常采取存儲芯片 AT24C256按照16X16的點陣來算，可以存儲 1000個字符，對于一個客車廣告屏屏來說容量已經(jīng)足夠。AT24C256接口采用I2C總線接口方式。I2C總線是一種用于IC器件之間連接的 二線制總線。 連接總線的器件的輸出必須是集電極或

32、漏極開路， 以具有線“與” 功能。 I2C 總線的數(shù)據(jù)傳送速率在標(biāo)準(zhǔn)工作方式下為 100kbit/s ，在快速方式下， 最高傳送速率可達(dá)400kbit/s。它通過SDA(串行數(shù)據(jù)線)及SCL(串行時鐘線) 兩根線和連在總線上的上位機(jī)進(jìn)行通信，并根據(jù)地址識別每個器件。采用 I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)的單片機(jī)或 IC 器件，其內(nèi)部不僅有 I2C 接口電路，而且將內(nèi)部各單元 電路按功能劃分為若干相對獨立的模塊， 通過軟件尋址實現(xiàn)片選， 減少了器件片 選線的連接。CPU不僅能通過指令將某個功能單元電路掛靠或摘離總線，還可對 該單元的工作狀況進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)既簡單又靈活的擴(kuò)展與控制。表 1 24C25

33、6 的管腳介紹營腳名稱4功能心AO. AK宮2器件地址選擇卞串行數(shù)據(jù)f地址門&右串行時鐘農(nóng)WFQVCS+ 1.8V6.0V工作赳壓心GNDt423控制單元和存儲單元電路用PC機(jī)實現(xiàn)的主要功能包括單片機(jī)顯示子系統(tǒng)的（選擇顯示方式選擇，包括靜 態(tài)、閃動、滾動、打字等），滾動方向選擇（包括上下滾動和左右滾動），動態(tài) 顯示速度調(diào)節(jié)（即文字閃動頻率、滾動速度、打字 ），顯示速度等。顯示采用定 時器中斷方式進(jìn)行行掃描，每次中斷顯示一行，定時中斷時間為1.25ms，這樣整屏的刷新率為50Hz,因而無閃爍感。實現(xiàn)動態(tài)顯示速度調(diào)節(jié)的方法通常是改 變定時器的中斷時間，但是當(dāng)顯示速度很慢的時候，該方法容易使

34、整屏的刷新率 降低，從而使顯示內(nèi)容出現(xiàn)閃爍。因此，本設(shè)計采用一種“軟定時”方法，即在 程序中命名一個變量作為“軟定時器”，以用來設(shè)定兩次動態(tài)顯示的時間間隔。 在對定時中斷調(diào)用計數(shù)時，如果調(diào)用次數(shù)達(dá)到設(shè)定值，則改變顯示內(nèi)容。為保證 能夠正常顯示，“軟定時器”的設(shè)定值必須大于整屏顯示周期。由于顯示屏每行顯示1.25ms，整屏顯示周期為20ms考慮到余量的情況，可將軟定時器的設(shè)定 值定在大于30ms如此循環(huán)計數(shù)，即可實現(xiàn)動態(tài)顯示。“軟定時器”的設(shè)定值 可以通過上位機(jī)PC機(jī)來改變，這樣既可實現(xiàn)LED動態(tài)顯示的速度調(diào)節(jié)，又可保 持顯示內(nèi)容的流暢和無閃爍感。以上提到的靜態(tài)、閃動、滾動和打字等4種顯示方式，

35、實際上是單片機(jī)定時中斷 程序進(jìn)行行掃描處理的不同方法。下面將分別說明如何實現(xiàn)這4種顯示方式。靜 態(tài)顯示只需在定時中斷處理程序中從顯示緩沖區(qū)調(diào)入相應(yīng)的一行顯示數(shù)據(jù)，然后選中該行即可實現(xiàn)該行的顯示，如此循環(huán)，便可顯示整個內(nèi)容。閃動顯示與此類似，不同的是要間隔一個“軟定時器”的定時時間， 在行掃描時， 行移位寄存器的D端打入的數(shù)據(jù)全為0,可使得整屏不顯示，以確保黑屏的時間 與顯示當(dāng)然時間相等，從而實現(xiàn)漢字或圖符的閃動顯示。 滾動顯示要求需要顯示的內(nèi)容每隔一定時間向指定方向這里以從右向左為例移 動一列，這樣顯示屏可以顯示更多的內(nèi)容。 為此， 需要在下次移動顯示之前對顯 示緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行更改， 從而完

36、成相應(yīng)點陣數(shù)據(jù)的移位操作。 具體操作方法是： 設(shè)置一個顯示緩沖區(qū)，該區(qū)應(yīng)包括兩部分，一部分用來保存當(dāng)前LED顯示屏上顯 示的 4 個漢字點陣數(shù)據(jù)；另一部分為點陣數(shù)據(jù)預(yù)裝載區(qū)，用來保存即將進(jìn)入 LED 顯示屏的 1個漢字的點陣數(shù)據(jù)。 滾動指針始終指向顯示屏的最右邊原點。 當(dāng)滾動 指針移動到需要顯示的點陣數(shù)據(jù)存儲區(qū)的第 1 個漢字的首地址時， 內(nèi)容。需要注 意的是，要確保該操作能在1.25ms的中斷時間內(nèi)完成（這里STC89C516RD+用 24MHz晶振實驗證明可以實現(xiàn)該操作）。這樣，在一個掃描周期后，整個漢字將 左移一列， 而顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容也同時更改。 由于預(yù)裝載區(qū)保存了 1 個漢字點陣 數(shù)

37、據(jù)，即16X 16點陣，所以當(dāng)前顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容只能移動 16列。當(dāng)下一個滾 動到來時， 滾動指針將移動到點陣數(shù)據(jù)存儲區(qū)的下一個漢字的首地址， 并在預(yù)裝 載區(qū)存入該漢字的點陣數(shù)據(jù)。 然后重復(fù)執(zhí)行上述操作便可實現(xiàn)滾動顯示。 特殊字 符或圖形的顯示與此類似， 這里不再贅述。 打字顯示要求漢字在顯示屏上按從左 到右的順序一個個的出現(xiàn)，如同打字的效果。設(shè)計時可采用如下方法：首先將 LED顯示屏對應(yīng)的顯示緩沖區(qū)全部清零，即 LED顯示空白，然后每間隔一個“軟 定時器”設(shè)定的動態(tài)顯示時間， 顯示緩沖區(qū)依次加入一個漢字點陣數(shù)據(jù)并進(jìn)行掃 描顯示，這樣就可達(dá)到打字顯示的效果。DS1302慢速充電時鐘芯片包括實時

38、時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM它經(jīng)過一個 簡單的串行接口與微處理器通信。實時時鐘 /日歷提供秒、分、時、日、周、月 和年等信息。對于小于 31 天的月，月末的日期自動進(jìn)行調(diào)整，還包括了閏年校 正的功能。時鐘的運行可以采用 24小時或帶AM（上午）/PM （下午）的12小時 格式。使用同步串行通信，簡化了 DS1302與微處理器的通信。與時鐘/RAM通信 僅需三根線：（1） RST（復(fù)位）、（2） D0（數(shù)據(jù)線）和（3） SCLK（串行時鐘）。 數(shù)據(jù)可以以每次一個字節(jié)或多達(dá)31字節(jié)的多字節(jié)形式傳送至?xí)r鐘/RAM或從其中 送出。DS1302設(shè)計成能在非常低的功耗下工作，消耗小于 1微瓦的功率便能

39、保 存數(shù)據(jù)和時鐘信息。傳感器部分采用美國dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度測量范圍為-55C+125C, DS18B2C是一種繼DS182C之后新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測的溫度。DS18B2C是支持“一線總線”接口的溫度傳感器，對DS18B2C讀出或?qū)懭胄畔H需要一條線路，因此電路 連接簡單， 一條線上可同時擴(kuò)展多個傳感器， 以增加測量的準(zhǔn)確性， 該傳感器支 持3.0V5.5V的電壓范圍，可靠性高，體積小，更經(jīng)濟(jì)，更靈活。4.2.4 遠(yuǎn)程通信電路 在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同 的設(shè)備可以方便地 連接起來進(jìn)行通訊。

40、 RS-232-C 接口（又稱 EIA RS-232-C ）是目前最常用的一 種串行通訊接口。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負(fù)邏輯關(guān)系。即：邏輯“ 1”，-5 -15V;邏輯“ 0” +5 +15V。噪聲容限為2V。即要求接收器能識別低至+3V 的信號作為邏輯“ 0”，高到-3V的信號作為邏輯“ 1”。RS-232-C接口連接器一 般使用型號為DB-25的25芯插頭座，通常插頭在 DCE端，插座在DTE端。一些 設(shè)備與PC機(jī)連接的RS-232-C接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條 接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號地”。所以采用 DB-9的9芯 插頭座，傳輸線

41、采用屏蔽雙絞線。由 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4%的情 況下，傳輸電纜長度應(yīng)為 50英尺，其實這個 4%的碼元畸變是很保守的，在實際 應(yīng)用中，約有 99%的用戶是按碼元畸變 10-20%的范圍工作的， 所以實際使用中最 大距離會遠(yuǎn)超過50英尺。電路原理如圖11所示，使用RS-232C的4、6和1、7、 8分別進(jìn)行短接，將2、3腳引出通過MAX23電平轉(zhuǎn)換后連接到單片機(jī)的串口， 在通信的時候， 盡量要選用低的波特率， 這樣不容易出現(xiàn)錯誤， 單片機(jī)的晶振頻 率最好選用11.0592MHZ有利于正確傳輸數(shù)據(jù)12。匸11國T1IMT2IWiiorrt ucfcrt noin !3OTTC1+

42、a4L 1-:戶一Ldq mn gSwce oHlU_MTU_KXD9 T+-PC_L2m Cl 也 Cl AL JL Ji1 jIt#0'PG I 3DCJLACl BLEDly薛|_JUEE 0O"上上J3VCC 9 o-ou12E片1M圖5遠(yuǎn)程通信電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1顯示屏主體顯示本設(shè)計采用LED點陣顯示屏設(shè)計方案，初步實現(xiàn)了在同一公交站牌顯示不同公交 車次，以及動態(tài)和靜態(tài)的顯示。程序在初始化后將存儲在ROM內(nèi)部的站點信息讀出，送至單片機(jī)的 RAM初步的 進(jìn)行漢字點陣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過顯示效果處理， 比如站點信息的左移顯 示、右移顯示、上下移動顯示、滾動顯示、

43、等等。最后送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，調(diào)用顯 示子程序，完成廣告信息的顯示。主程序的流程圖如圖12所示。顯示子程序的任務(wù)是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀出，然后送到點陣屏顯示。點陣顯示的原理是按照列進(jìn)行選擇，然后通過串并轉(zhuǎn)換，將一列的顯示數(shù)據(jù)送至選擇的列排點 陣中，然后選擇下一列，重復(fù)這樣的步驟，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。顯示子程序 的流程圖如圖13所示。初始化判磐鍵謨?nèi)OMfe據(jù)送入顯示緩沖區(qū)-調(diào)用顯幣莽束口圖6主程序流程圖圖7顯示流程圖5.2顯示屏顯示效果顯示添加上效果處理后，增添了動態(tài)效果，能達(dá)到更好的顯示效果。主程序在開 始的時候設(shè)置要顯示的效果，在顯示效果子程序中，程序判斷需要顯示的效果后 調(diào)用不同的顯示效果處

44、理程序，對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行效果處理， 最后再送入顯 示緩沖區(qū)，等待顯示調(diào)用。其程序流程圖如圖 14所示。顯示效果選檸“圖8顯示效果流程圖5.3遠(yuǎn)程通信設(shè)計在遠(yuǎn)程通信程序中單片機(jī)主要完成接收 PC機(jī)通過串口發(fā)送過來的公交車站點數(shù) 據(jù)。采用中斷接收方式。在中斷服務(wù)子程序中，為了區(qū)別所接收的信號是聯(lián)絡(luò)信 號還是字節(jié)數(shù)、是數(shù)據(jù)還是校驗和，需要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別。 首先在主程 序開始中進(jìn)行設(shè)定，若接受到的是01H,則判定為接收聯(lián)絡(luò)信號；接收到的是02H, 則判定為接收命令信號；若接收到的是 03H,則判定為接收數(shù)據(jù)信號；接收到的 是04H,判定為接收數(shù)據(jù)開始標(biāo)志信號；接收到 05H,判定為結(jié)束接收

45、數(shù)據(jù)標(biāo)志 信號13。程序在初始化后，首先調(diào)用單片機(jī)內(nèi)部ROh區(qū)存儲的站點信息，當(dāng)有遠(yuǎn)程通信的 數(shù)據(jù)到來時候，先將接收到的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)辨別 和處理之后，再送到外部的E2 ROh中，將這些處理之后，再開始調(diào)用外部存儲 器的站點信息。單片機(jī)遠(yuǎn)程通信程序的流程圖如圖16所示。設(shè)置STC89C516RD+串行口工作于第3種方式：9位異步傳輸，波特率由定時器 1的溢出率決定。數(shù)據(jù)幀共12位，四個用于起停和命令標(biāo)志位，8位數(shù)據(jù)放在四 位標(biāo)志位之后，接收時存入 RB8發(fā)送時取TB8中的值，由硬件自動完成。波特 率設(shè)定為9600bps，串行口初始化后，需有一個時間延遲再接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收 完后也需一個時間延遲后再轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)。在串行通信RS232收發(fā)器控制方面，平時置P1.0為低，使串行口處于偵