LED点阵显示屏(二).doc

LED点阵显示屏的设计（二）工 学 部 工学一部专 业自动化班 级B641301学 号B64130109姓 名陈明指导教师应文博负责教师应文博沈阳航空航天大学北方科技学院2010年6月摘 要本设计采用AT89S52单片机作为主控制器，采用LED专用驱动芯片4953和译码器来驱动大小为128×32的LED点阵显示屏。扩展AT29C系列并行FLASH存储器用于存储字符数据和控制信息。扩展外部并行静态RAM，以弥补51单片机内部RAM的不足，协助单片机实现各种滚动显示效果。主控单片机与通信单片机相互配合，完成显示信息和控制参数的更新以及时间和温度信息的实时采集。系统中的LED显示屏可以同时显示上下两行共16个16×16点阵汉字或一行共4个32×32点阵汉字，并可以实时显示当前的时间和温度，通过上位机软件还可以修改显示内容和显示效果。扩展的并行FLASH存储器，使本LED显示系统能够掉电存储2000个字符。因为每个LED显示单元是相互独立的，并且显示的字符数据是采用串行的传输方式，因此，系统的可扩展性得到了大大的提升，多个显示单元的级联也十分方便。LED点阵显示屏产品不仅可以用于室内环境，还可用于复杂、恶劣的室外环境，具有很强的现实应用性。关键词：LED点阵；单片机；并行存储；动态扫描AbstractThis design uses AT89S52 MCU as the main controller,uses the special driving chip 4953 and the decoder chip to drive the 128×32 LED dot matrix display monitor. Series of AT29C parallel FLASH memory expansion used to store character data and control information.Expanded external parallel static RAM in order to compensate the shortage of RAM inside the 51-series MCU, the external RAM assisted the Main Control MCU to accomplish each kind of trundle demonstration effect. The coordination between the Main Control MCU and The Communication MCU, update the character data and the control information as well as the time data and the temperature information real-time gathering.This LED display system can display two lines of 16 16×16 lattice Chinese characters or one line of 4 32×32 lattice Chinese characters,the current time and temperature can be displayed by this system,too. The display contents and the effects can be changed through the upper-computer software. Extended parallel FLASH memory, so that the LED display system can save 2000 characters when the power is off. Each LED display unit is independent of each other,and uses the serial transmission mode to display the character data, therefore the extensibility of this system had greatly ascend, multiple LED display units of cascade is very convenient.LED dot matrix display products not only can be used for indoor environment, but also for complex, harsh outdoor environments, it has a strong practical applicability.Keywords: LED dot matrix;Microprocessor; Parallel store; Dynamic scanning目 录1 绪 论11.1 课题背景和研究的意义11.2 LED点阵显示屏的发展过程11.3 LED点阵显示屏的分类21.4 LED显示屏的应用实例31.5 课题任务及要求32 LED显示屏的总体方案设计与分析42.1 显示单元的设计42.2 传输方式和可扩展性的设计42.3 扫描方式的设计42.4 滚屏的实现52.5 字模数据的存储方式52.6 上位机与主控单片机的通信、实时时间和温度采集的设计62.7 信号的衰减和抗干扰设计62.8 系统总体结构框图72.9 系统的工作过程73 LED显示屏的硬件设计83.1 主控单片机电路83.1.1 AT89S52单片机介绍83.1.2 AT89S52单片机的标准功能83.1.3 单片机的复位电路93.1.4 单片机的时钟振荡电路103.2 LED显示单元电路113.3 行、列驱动电路123.3.1 行驱动电路123.3.2 列驱动电路143.4 存储器的扩展电路164 LED显示屏的软件设计184.1 开发工具介绍184.2 程序流程图204.2.1 主程序流程图204.2.2 静态模式程序流程图214.2.3 16×16上滚模式程序流程图214.2.4 32×32左滚模式程序流程图224.2.5 时间模式程序流程图234.2.6 主程序初始化程序流程图255 系统的仿真265.1 Proteus仿真软件的介绍265.2 显示屏系统仿真的效果265.2.1 静态模式下的仿真效果265.2.2 16×16上滚模式下的仿真效果285.2.3 32×32左滚模式下的仿真效果295.2.4 时间模式下的仿真效果306 PCB印刷电路板的设计336.1 PCB设计软件Protel 99SE介绍336.2 元件布局及PCB整体结构工艺336.3 布线工艺与准则336.4 PCB实物照片357 LED显示屏的整体调试397.1 LED显示单元板和主控板的焊接组装397.2 整体调试417.2.1 LED显示屏的调试417.2.2 通信单片机的通信调试417.2.3 主控板的整体调试427.3 实际显示效果图427.4 系统升级方案探讨45参考文献47总结48附录 LED点阵显示单元电路图49附录 LED点阵显示屏系统主控板电路图50附录 LED显示屏系统元件清单51附录 LED显示屏系统设计作品实物52附录 设计作品实际效果图54附录 主控单片机程序清单571 绪 论1.1 课题背景和研究的意义随着社会的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，作为人机信息视觉传播媒体的LED点阵显示屏以其高亮度、低工作电压、小功耗、长寿命等优点迅速成长为平板显示的主流产品。LED点阵显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像以及视频流媒体，它不仅可以用于室内环境，如金融证券、体育场馆、邮政电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；还可以用于复杂、恶劣的室外环境，如道路交通、商铺的广告灯箱以及广场宣传等，而且其应用于室外环境时具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED点阵显示屏是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统，是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，也是目前国际上极为先进的显示媒体，所以LED点阵显示屏的发展前景是被公认为最具潜力也是最广阔的。1.2 LED点阵显示屏的发展过程第一阶段，1990年以前是LED显示屏的成长时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展；另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。第二阶段，19901995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速发展，信息技术的各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场。电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏需求量的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，成为新兴的高科技产业。第三阶段，1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高、产业格局基本完善的时期。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功、上海世博会的召开等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展。1.3 LED点阵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：显示器件是许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于显示文字、图像信息。按使用场合分类室内显示屏：发光点较小，一般3mm8mm，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、防尘等功能。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。1.4 LED显示屏的应用实例LED条形屏应用实例如图1.1所示。图1.1 LED条形屏应用实例LED图文屏应用实例如图1.2所示。图1.2 LED图文屏应用实例1.5 课题任务及要求本设计主要利用AT89S52单片机控制大小为128×32的LED点阵显示屏显示文字信息，通过与VB编写的上位机软件进行串行通信，可以随时改变LED显示屏的显示内容和显示方式。设计一个LED显示屏，应具有以下功能：同时显示两行共16个16×16点阵汉字或一行共4个32×32点阵汉字。可以有多种文字的运动方式和显示样式，如文字的上移、下移、左移、右移等，以及阴文和阳文样式。在显示汉字信息的同时，可以实时显示时间、日期、温度等信息。2 LED显示屏的总体方案设计与分析2.1 显示单元的设计用LED点阵模块显示一个汉字字符，通常需要4块8×8的点阵模块组合成大小为16×16的LED点阵显示矩阵来实现。考虑到驱动电路的能力和安装更换的方便，本设计将8块8×8的点阵模块组合成大小为32×16的LED点阵显示矩阵作为一个LED显示单元来使用。根据设计要求，整个屏幕应能同时显示两行共16个16×16点阵汉字或一行共4个32×32点阵汉字。因此本设计需要用8个LED显示单元模块拼接成大小为128×32的LED点阵显示屏。2.2 传输方式和可扩展性的设计本设计要求的LED显示屏大小为128×32。如果采用并行的数据传输方式，这就需要相当多的列数据线，一方面需要占用主控单片机大量的I/O端口，另一方面因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，为日后扩展升级带来极大的麻烦，而且采用并行的数据传输方式会造成每个显示单元的电路结构不同，进而导致单元板PCB电路结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式，采用独特的串行锁存技术，本设计中通过控制四根控制总线就能实现各显示单元之间的列数据的锁存。采用串行锁存技术的的优点：每个显示单元的电路结构完全相同，不涉及到列数据的地址分配，降低了PCB布局及布线的难度。每个显示单元的PCB结构都是完全一样的，可以方便于批量生产，降低了成本。可以随意改变显示单元的在整个显示屏中的位置，安装、维修方便简单。2.3 扫描方式的设计LED点阵显示系统中的显示方式可分为静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线繁多复杂。动态显示采用动态扫描的方式工作，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。这种动态扫描的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。在动态扫描的显示过程中，扫描相隔最远的两行所占用的时间存在一个阈值，超过个阈值就会导致在扫描到最后一行的时候，人眼已经看不到第一行视觉暂留的影像，因此一个周期内扫描的行数太多就会导致显示屏整体有明显的闪烁感；一周期内扫描的行数太少，又会增加串行数据输入口的个数。综合考虑AT89S52单片机的运算速度和I/O端口资源分配情况，采用1/16的动态扫描方式，即扫描的行数为16，这样将显示屏分为上、下两个屏，每个屏大小为128×16，两屏同时进行1/16动态扫描显示文字字符信息。2.4 滚屏的实现文字字符的显示位置在屏幕上实现方向性的移动，即称为“滚屏”。滚屏可以由硬件电路来实现，但完全依靠硬件电路来实现滚屏无疑增加了设计难度和额外的硬件成本，而且对日后系统的维修和升级也带来很大的困难，因此本设计采用软件算法实现静态、左滚屏、上滚屏和静态加左滚动混合等常见滚屏方式。用软件算法来完成各种滚屏方式，实际上是对显示缓冲区的显示数据进行运算处理，由于AT89S52的内部RAM只有256B，不能满足本设计的128×64显示屏对显示缓冲区大小要求，因此本系统扩展了外部RAM。采用软件算法来完成各种滚屏效果，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。2.5 字模数据的存储方式对于字模数据存储方式的问题，目前使用最广泛的技术是：通过上位机软件将待显示的字符转换为点阵字模数据，再通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在非易失性的存储器中。在扫描显示的过程中按规定的方式取出保存在非易失性存储器中的字模数据，再进行处理。对于一个16×16点阵的汉字字模数据而言，需要连续读取32字节的字模数据，因此对非易失性存储器的读取速度就要有很高的要求，若读取速度太慢，那么LED显示屏会因为字模数据加载时间过长而造成整体显示的闪烁。常见的非易失性存储器的存储方式主要分为SPI、I2C和并行等存储方式。由于AT89系列单片机没有SPI、I2C接口，若要使用SPI、I2C这类总线协议的存储器，就需要用软件模拟SPI、I2C总线的时序，这样也会占用一定的时钟周期，降低了字模数据的读取速度。因此设计采用并行的数据存储方式。2.6 上位机与主控单片机的通信、实时时间和温度采集的设计在实际使用中，更改显示内容和显示方式需要主控单片机与上位机通信，主控单片机将上位机发送过来的控制信息和字符的字模信息保存在FLASH存储器中，以保证在断电时信息不会丢失。设计要求中还需要显示实时时钟和实时温度信息，这就需要对时钟芯片和温度传感器进行实时的数据采集，如果这些任务全部交给主控单片机来完成，肯定会导致整个动态扫描程序周期变长，从而导致显示屏整体的闪烁，甚至无法完整的显示一屏文字信息。为了减轻主控单片机的负担，本设计的通信、实时时钟和实时温度采集的任务由通信单片机来完成，当主控单片机需要显示实时时钟和实时温度信息时，通过发出读取连络信号，就可以在相应的缓冲区中取出当前的时钟和温度信息，将这些信息转换为相应的字模数据，并在显示屏上扫描显示出来。2.7 信号的衰减和抗干扰设计由于控制信号和字模数据信号是经过LED显示单元一级一级向后传递的，如果显示屏有很多个显示单元，那么控制信号和字模数据将会有不同程度的衰减，衰减的信号将容易受到干扰，造成显示信息的破坏。因此系统在每一级的显示单元都加入了总线驱动芯片，以保证控制信号和字模数据有足够的功率传递到下一级显示单元。此外，由于LED显示屏的工作电流受显示内容和显示方式的影响，因此整个系统的工作电流也在时刻变化，这就造成了系统电压的波动。这种电压波动中含有高频成分，也含有低频成分，轻则会对周围无线电环境造成电磁污染，重则使系统时钟紊乱，逻辑错误。这种干扰同样也会导致显示信息的破坏。为解决这一问题，在每个显示单元的电源和地的旁边并联了两个电解电容，过滤掉电源中的高频脉动成分，稳定了系统的电源电压。2.8 系统总体结构框图通过上述对各种方案的比较与分析，构建系统总体结构框图如图2.1所示。图2.1 系统总体结构框图因为本设计中的上、下显示屏同时进行1/16动态扫描，所以上、下两屏共用相同的行扫描信号。系统中扩展的FLASH存储器和外部RAM共用相同的8位并行数据总线和16位地址总线。在新数据下载、实时时间和实时温度采集时，通信单片机与主控单片机之间通过两条联络信号线DOWN和BUSY互相配合协助完成数据的传递。2.9 系统的工作过程主控单片机在上电初始化完毕后会等待通信单片机发出启动信号，主控单片机检测到启动信号后，从FLASH存储器中读取控制信息，再根据控制信息执行对应模式的显示任务。当有新的控制信息和字模数据下载时，通信单片机向主控单片机发出新数据下载信号并等待主控单片机完成新数据下载前的准备工作，主控单片机准备完毕后，向通信单片机回应准备完成信号，并等待通信单片机完成接收。当通信单片机接收完成后，再次向主控单片机发出启动信号，主控单片机重新开始执行对应模式的显示任务。3 LED显示屏的硬件设计3.1 主控单片机电路3.1.1 AT89S52单片机介绍本设计采用AT89S52单片机，AT89S52是美国ATMEL公司生产的51系列单片机，它是一种低功耗、高性能8位CMOS微控制器，具有8K系统可编程FLASH存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上的FLASH不仅允许程序存储器在常规编程器上编程，还适用于在线编程下载，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。3.1.2 AT89S52单片机的标准功能AT89S52具有以下标准功能： 8k字节FLASH；256字节RAM；32位I/O口线；看门狗定时器；2个数据指针；三个16位定时器/计数器；一个6向量2级中断结构；全双工串行口；片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 的工作频率可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式：空闲模式和掉电保护模式。在空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器停止振荡，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。采用DIP-40封装的AT89S52单片机实物图如图3.1所示，引脚定义如图3.2所示。图3.1 采用DIP-40封装的AT89S52单片机实物图图3.2 采用DIP-40封装的AT89S52单片机引脚定义3.1.3 单片机的复位电路单片机的复位电路如图3.3所示。图3.3单片机复位电路RST是单片机的复位引脚，当单片机在上电的瞬间，由电阻R2和电容C14组成的RC电路开始充电，由于电容上电压不能突变，所以RST引脚出现高电平。RST引脚出现的高电平将会随着对电容C14充电过程而逐渐回落，最终C14充电完毕，RST引脚上的电压为0，完成单片机的复位操作。3.1.4 单片机的时钟振荡电路单片机的时钟振荡电路如图3.4所示。图3.4单片机的时钟振荡电路时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用，可以说它是单片机的心脏，用于产生单片机工作时所需要的时钟信号，控制着单片机的工作节奏。在AT89S52单片机的内部有一个用于产生振荡的高增益反相放大器，XTAL1和XTAL2引脚和分别为此放大器的输入端和输出端，其振荡频率的范围为1.224MHz，该放大器与作为反馈元件的片外晶体Y1一起构成自激振荡器，电容C15、C16作为谐振电容，主要起帮助振荡器起振的作用。由于C15、C16的电容值对振荡频率也有影响，因此常用调节谐振电容容量大小的方法对时钟信号频率进行微调，C15、C16的典型值为30pF。3.2 LED显示单元电路由于本设计的LED显示屏是在室内使用的，所以对LED点阵模块的亮度要求不是很高，本设计采用单色3mm点阵模块LG12088BH，这种点阵模块的的亮度不仅可以满足室内使用的要求，而且它最大的优点是单位面积内发光像素点较多，因此这种点阵模块的分辨率较高，即使在较近的距离也可以很清晰地显示文字信息，此外，多个点阵模块拼接组合后的显示屏体积也很小，摆放或悬挂更方便自由。单色3mm点阵LG12088BH实物图如图3.5所示。图3.5 单色3mm点阵LG12088BH实物图LED显示单元电路是由多个LED点阵模块按照同名行和同名列的相连方法连接组合而成的。LED显示单元电路图如图3.6所示。图3.6 LED显示单元电路3.3 行、列驱动电路3.3.1 行驱动电路行驱动电路主要由行选通电路和行功率驱动电路两部分组成。行选通电路：行选通电路采用3-8译码器74HC138来实现，用两个74HC138扩展成一个4-16译码器，为LED显示单元进行1/16动态扫描提供行扫描信号。74HC138的引脚定义如图3.7所示。图3.7 译码器74HC138的引脚定义行功率驱动部分：由于显示单元的一行像素点较多，这就需要很大的驱动电流，所以采用LED专用驱动芯片4953来实现，4953的内部是两只大功率的MOSFET，每一个MOSFET最大驱动电流可达5A。4953的管脚定义如图3.8所示。图3.8 LED驱动芯片4953的引脚定义行驱动是驱动电路的关键，LED显示单元的绝大部分功率消耗都是由行驱动电路提供的，所以LED显示单元必须要有一个稳定功率输出的行驱动电路。LED显示单元的行驱动电路如图3.9所示。图3.9 LED显示单元的行驱动电路3.3.2 列驱动电路列驱动电路采用锁存器74HC595来实现，74HC595具有串入并出的锁存功能，它可以串行输入要显示的字符数据，并把数据以并行的方式锁存到对应的列线地址上。74HC595具有两级数据锁存功能，在锁存上一次数据的同时，只要锁存控制信号RCK无跳变，输出引脚Q0Q7则不会发生变化，仍然锁存上一次的数据内容。这样显示单元可以在锁存上一次数据的同时，串行输入下一次待显示的字符数据，节省了串行输入的时间。此外74HC595还具有一个级联引脚，当最高位Q7的数据进行串行位移后，Q7位移前的的数据将出现在Q7上，以方便多个芯片级联使用。74HC595的引脚定义如图3.10所示。图3.10 74HC595的引脚定义LED显示单元的列驱动电路如图3.11所示。图3.11 LED显示单元的列驱动电路LED显示单元所使用的行选通芯片74HC138、行功率驱动芯片4953、列驱动芯片74HC595、总线驱动芯片74HC245均采用SOP封装，采用表面贴装工艺使组装焊接工作变得更简单，更便于维修更换，并降低了成本，同时LED显示单元板的厚度可以做的更薄，更轻巧美观。3.4 存储器的扩展电路为了弥补51单片机内部RAM的不足，系统使用6264进行外部RAM的扩展。6264是8K×8的并行静态RAM存储器。为了在断电时保存控制信息和字模信息，本设计同时扩展了并行FLASH存储器AT29C020A。在整个系统中，RAM和FLASH共用8条数据总线和16条地址总线，并配合片选信号选通使用不同的存储器。由于AT89S52的P0为数据地址复用端口，因此本设计在扩展存储器时使用了地址锁存器74HC373，配合ALE信号来锁存低8位地址，完成数据的读取。此外，为了防止总线冲突，本设计使用总线驱动芯片74HC245对高8位地址进行隔离，防止主控单片机和通信单片机的地址线相互干扰。RAM的扩展电路如图3.12所示，FLASH存储器的扩展电路如图3.13所示。图3.12 RAM的扩展电路图3.13 FLASH存储器的扩展电路4 LED显示屏的软件设计4.1 开发工具介绍单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开开发软件来完成系统程序的编写、编译、调试。本设计所使用的开发软件是Keil Vision3。Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件之一，软件开发界面如图4.1所示。图4.1 Keil Vision3软件开发界面使用汇编语言编写的源程序要编译为单片机可执行的机器码，生成“.HEX”或“.BIN”文件，再烧写入单片机的程序存储器中才能运行。编译机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了，大都使用机器汇编。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码， MCS-51单片机早期使用汇编软件A51进行汇编，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行的开发MCS-51系列单片机的软件，这一点从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。Keil C51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil Vision的主要构成如图4.2所示，大致描述了Keil Vision所提供的工作环境和用户的基本操作流程。图4.2 uVision所提供的工作环境和用户的基本操作流程。4.2 程序流程图4.2.1 主程序流程图主程序流程图如图4.3所示。图4.3 主程序流程图4.2.2 静态模式程序流程图在静态模式下，显示的文字信息停留在显示屏上而不做任何滚屏操作，显示屏可以作为电子条幅屏使用。静态模式程序流程图如图4.4所示。图4.4 静态模式程序流程图4.2.3 16×16上滚模式程序流程图在16×16上滚模式下，文字信息由下至上滚动显示，此模式可用于大量信息的快速显示。16×16上滚模式程序流程图如图4.5所示。图4.5 16×16上滚模式程序流程图4.2.4 32×32左滚模式程序流程图在32×32左滚模式下，文字信息由右向左滚动显示。32×32左滚模式程序流程图如图4.6所示。图4.6 32×32左滚模式程序流程图4.2.5 时间模式程序流程图在时间模式下，时间和文字信息可以分上、下屏同时显示。时间显示过程可分为日期滚动显示阶段和时间停留显示阶段。在日期滚动显示阶段，日期信息由右向左滚动显示；在时间停留显示阶段，时间和温度信息以静态模式显示。日期滚动显示和时间停留显示循环进行，文字信息则一直在下屏由右向左滚动显示。时间模式程序流程图如图4.7所示。图4.7 时间模式程序流程图4.2.6 主程序初始化程序流程图主程序初始化程序流程图如图4.8所示。图4.8 主程序初始化程序流程图主控单片机的完整程序清单详见附录。5 系统的仿真5.1 Proteus仿真软件的介绍Proteus软件是英国Labcenter Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus从原理图绘制、代码调试、单片机与外围电路协同仿真和一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。5.2 显示屏系统仿真的效果5.2.1 静态模式下的仿真效果静态模式下的16×16字符阳文仿真效果图如图5.1所示。静态模式下的16×16字符阴文仿真效果图如图5.2所示。图5.1 静态模式下的16×16字符阳文仿真效果图图5.2 静态模式下的16×16字符阴文仿真效果图静态模式下的32×32字符阳文仿真效果图如图5.3所示。静态模式下的32×32字符阴文仿真效果图如图5.4所示。图5.3 静态模式下的32×32字符阳文仿真效果图图5.4 静态模式下的32×32字符阴文仿真效果图5.2.2 16×16上滚模式下的仿真效果16×16上滚模式下的阳文仿真效果如图5.5所示。16×16上滚模式下的阴文仿真效果如图5.6所示。图5.5 16×16上滚模式下的阳文仿真效果图图5.6 16×16上滚模式下的阴文仿真效果图5.2.3 32×32左滚模式下的仿真效果32×32左滚模式下的阳文仿真效果如图5.7所示。32×32左滚模式下的阴文仿真效果如图5.8所示。图5.7 32×32左滚模式下的阳文仿真效果图图5.8 32×32左滚模式下的阴文仿真效果图5.2.4 时间模式下的仿真效果时间模式下的阳文仿真效果如图5.9、图5.10所示。时间模式下的阴文仿真效果如图5.11、图5.12所示。图5.9 时间模式下的日期滚动阶段阳文仿真效果图图5.10 时间模式下的时间停留阶段阳文仿真效果图图5.11 时间模式下的日期滚动阶段阴文仿真效果图图5.12 时间模式下的时间停留阶段阴文仿真效果图6 PCB印刷电路板的设计6.1 PCB设计软件Protel 99SE介绍本设计采用Protel 99SE PCB设计软件作为原理图和PCB的绘制工具。Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。Protel 98率先集成了软件界面，Protel 99增加了仿真功能和PLD设计和信号完整性分析。Protel 99SE是Protel公司于2000年推出的，它是Protel家族中性能较为稳定的一个版本。它不仅是以前版本的升级，更是一个全面的、集成的、全32位的电路设计系统。Protel 99SE的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。6.2 元件布局及PCB整体结构工艺本设计为产品化设计，因此首要考虑元件布局的紧凑性。对元件布局进行优化，能有效的降低布线难度和生产的工艺要求。布局要能使各LED点阵模块紧密契合，还要注意各PCB之间的衔接，以便于用户扩展显示单元。从布线难度、铜膜载流容量、PCB热弯曲效应、机械强度成本等方面考虑。本设计采用双面PCB板。6.3 布线工艺与准则布线的时候首先考虑的是正确性，其次逐步修改布局及走线使其美观大方。在自动布线的基础上，根据100mil/A的经验载流容量修改大电流路径走线宽度及过孔尺寸。遵守在安全间距的前提下尽量增加线宽的原则。为进一步提高系统的电磁兼容性，除了在关键的地方增加滤波电容外，PCB走线也是一个重要的影响因素。布线的时候要遵照高频电路布线规则：少走直角线、顶层底层经纬布线、信号线上尽量避免过孔、尽量缩短走线路径、在DGND、AGND网络设置大面积敷铜等等。考虑到LED显示单元的可维修性和可扩展性，本设计的LED点阵模块没有直接焊接到PCB板上，而是在引脚的连接处采用SIP8封装插座接口，便于LED点阵模块的维修和更换，同时在显示单元板的两端分别使用了IDC-14封装的插座接口，以便于板间级联。考虑到本设计的整个外壳制作，将串口通信、温度传感、电源指示等部分电路独立制成一块通信接口板，通信接口板采用IDC-10的插座与主控板相连。本设计的LED显示单元PCB结构图如图6.1、图6.2所示。主控板PCB结构图如图6.3、图6.4所示。图6.1 LED显示单元PCB顶层预览图6.2 LED显示单元PCB底层预览图6.3 LED显示屏系统主控板PCB顶层预览图6.4 LED显示屏系统主控板PCB底层预览6.4 PCB实物照片本设计的LED显示单元板PCB实物如图6.5、图6.6所示。主控板PCB实物如图6.7、图6.8所示。通信接口板实物如图6.9所示。图6.5 LED显示单元板PCB实物正面图6.6 LED显示单元板PCB实物背面图6.7 LED显示屏系统主控板PCB实物正面图6.8 LED显示屏系统主控板PCB实物背面图6.9 通信接口板实物及与主控板的连接7 LED显示屏的整体调试7.1 LED显示单元板和主控板的焊接组装对照硬件原理图，焊接硬件。硬件实物图如图7.1、图7.2、图7.3、图7.4所示。焊接完成后，仔细检查主控板和每块显示单元板上的芯片焊接方向是否正确，在通电之前用万用表的二极管档测量电源端口，检查电源输入端是否有短路。确认无误后通电测试各测试点的电压电流值，检查是否在正常