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1、基于单片机的LED迎宾屏的设计摘 要本文以单片机 AT89S52 为核心控制器，介绍了 LED 点阵电子显示屏的动态显示的设计过程。单片机控制程序采用单片机 C51 语言进行编辑，通过编程控制各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字符 的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图），也可从标准字库中提取。显示屏采用6416 的 LED 点阵，可以显示4个16*16点阵的汉字。显示方式采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。本系统涵盖了单片机、双向缓冲器74LS245、74HC595级连，64*16 LED 点阵的应用技术。文中详细介
2、绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计等。关键词：单片机，LED，迎宾屏，C51目 录1 绪论11.1 LED电子迎宾屏概述11.2 LED电子迎宾屏的分类11.2.1 按颜色分类11.2.2 按使用场合分类11.2.3 按发光点直径分类21.3 LED迎宾屏的应用21.4 LED迎宾屏的发展趋势32 总体方案分析与设计52.1 点阵模块结构52.2 显示单元的考虑52.3 动态显示原理62.4 滚屏的实现72.5 微控制器的考虑82.6 总体电路结构及工作原理82.6.1 硬件电路框图82.6.2 工作原理93 系统硬件电路设计103.1 单片
3、机控制系统的电路设计103.1.1 单片机机选型103.1.2 复位电路113.1.3 晶振电路113.1.4 AT89S52在电子迎宾屏应用中的优越性123.1.5 单片机系统电路设计123.2 时钟与单片机的接口设计133.2.1 时钟芯片的选型133.2.2 时钟芯片的引脚排列及操作时序133.2.3 时钟芯片与单片机的接口设计163.3 显示单元的电路设计173.3.1 列驱动电路设计173.3.2 行驱动电路设计194 系统软件设计214.1 开发工具及语言214.2 算法的实现214.3 下移效果编程224.4 左移效果编程235 结论276 参考文献287 致谢298 附录301
4、 绪论现在城市中用于装点各种建筑物的绚丽色彩绝大部分用的是霓虹灯，但是霓虹灯具有发热量大，亮度较小，容易损坏，耗电量大等缺点已经不作为现在装饰及广告宣传的主要选择对象。LED电子迎宾屏具有可视度远，亮度高，耗能低，性价比高等优点，在此主要介绍以AT89S52为控制芯片，用88的模组通过级联实现1616的点阵屏，从而用于迎宾显示及广告宣传等。1.1 LED电子迎宾屏概述LED（Light Emitting Diode）即发光二极管是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。LED具有亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、易小型化、结构牢固等优点。LED电子迎宾屏是由矩阵均匀排列的L
5、ED组成。由于LED工作电压低（仅1.5V -3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时）等优点，使得LED电子迎宾屏应用十分广泛。LED电子迎宾屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形，而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。1.2 LED电子迎宾屏的分类1.2.1 按颜色分类(1)单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。 (2)双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。 (3)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
6、六百多万种颜色。 1.2.2 按使用场合分类(1)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。(2)半室外显示屏：发光点居中，一般为10mm，显示面积一般几个平方到几十个平方米，可以在潮湿环境下长期工作。(3)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。1.2.3 按发光点直径分类(1)室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 (2)室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm (3)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
7、 LED迎宾屏的应用LED电子迎宾屏应用极广，可以用于显示重要信息及温馨提示。主要用在以下场合：(1)证券交易、金融信息显示。这一领域的LED电子迎宾屏占到了前几年国内LED电子迎宾屏需求量的50%以上，目前仍为LED电子迎宾屏的主要需求行业。上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED电子迎宾屏。(2)机场航班动态信息显示。民航机场建设对信息显示的要求非常明确，LED电子迎宾屏是航班信息显示系统FIDS(Flight information Display system)的首选产品，首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场
8、、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机场都选用了LED电子迎宾屏。(3)港口、车站旅客引导信息显示。以LED电子迎宾屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统，北京站、北京西站、南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。(4)体育场馆信息显示。LED电子迎宾屏已取代了传统的灯泡及CRT显示屏，四十三届世乒赛主场地天津体育中心首次采用了国产彩色视频LED电子迎宾屏，受到普遍好评，上海体育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了LED电子迎宾屏作为信息显示的主要手段。(5)道路交通信息显示。智能交通系统（ITS）
9、的兴起，在城市交通、高速公路等领域，LED电子迎宾屏作为可变情报板、限速标志等，替代国外同类产品，得到普遍采用。(6)调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等，也在逐步采用高密度的LED电子迎宾屏。(7)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。遍布全国的服务领域均有国产LED电子迎宾屏在信息显示方面发挥作用。(8)广告媒体新产品。除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外，国内一些城市出现了集群LED电子迎宾屏广告系统；列车LED电子迎宾屏广告发布系统也已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广。LED电子迎宾屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用
10、先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它朝着高清析，高亮度，高可靠性方向发展，可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件LED电子迎宾屏以其高亮度、高可靠性等优点成为主要显示产品。1.4 LED迎宾屏的发展趋势现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED电子迎宾屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。(1)高亮度、全彩化蓝色及纯绿色
11、LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。以全彩色户外26显示屏为例，1996年的产品市场价格每平方米在12万元左右，1999年已降至78万人民币/m2，LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED电子迎宾屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED电子迎宾屏的广泛应用会是LED电子
12、迎宾屏产业发展的一个新的增长点。(2)标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED电子迎宾屏的标准化和规范化将成为LED电子迎宾屏发展的一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED电子迎宾屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，生产条件差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场的淘汰，预计今后几年内一批小规模LED电子迎宾屏厂商会
13、逐步淡出，行业的发展趋于有序。(3)产品结构多样化信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED电子迎宾屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED电子迎宾屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED电子迎宾屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED电子迎宾屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED电子迎宾屏在LED电子迎宾屏市场总量中将会占有多数份额。2 总体方案分析与设计2.1 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
14、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8
15、8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测试获得。图2-1 88单色LED模块内部电路LED点阵显示时，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，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。2.2 显示单元的考虑最常见的单色LED电子迎宾屏为88点阵的模块，显示一个简体汉字，至少需要1616的点阵，故本设计显示每个汉字采用4个88点阵LED模块，为了达到很直观的显示及视觉效果，采用了像
16、素直径为5mm的88点阵LED模块拼接成6416点阵的LED阵列。因些需要用16个88的LED模块拼接成6416的矩阵。整个屏幕能同时显示四个汉字，这样每个汉字则为1616的点阵，能在50米处仍清晰阅读。2.3 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
17、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
18、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Y0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
19、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电子迎宾屏上将呈现出一个
20、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，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
21、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。2.4 滚屏的实现字符的位置在屏幕上实现移动，即术语滚屏。可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。因此本设计采用软件算法实现左滚屏、下移滚屏等常见滚屏方式。用软件来完成滚屏算法，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 微控制器的考虑单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机，目前按单片机内部数据通道的宽度，把它们分为4位，8位，16位及32位单片机。因设计中采用软件方式实现滚屏，因此，在要求成本最低的情况下，我们选用AT89S52单片机
22、就可达到要求。2.6 总体电路结构及工作原理2.6.1 硬件电路框图通过前面对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图2-3所示。图2-3 LED电子迎宾屏硬件框图在图2-3中，X0、X1Xn为显示单元。每个显示单元由二个88点阵的LED模块和二个8位宽的移位锁存器构成。所有显示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。而每个显示单元的列数据则由二个8位移位锁存器并行输出口提供。中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。MCU用通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。MCU通过I/O口
23、和时钟芯片DAC12887进行通信，然后读取里面的时间数据，最后显示在LED迎宾屏上。电源则为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。2.6.2 工作原理单片机上电后，就开启中断，中断的目的是为实现按键调速，只要检测到中断I/O口为低电平，速度就会变快或变慢。这段代码不包括在循环之内，只需要执行一次。接着MCU读取时钟芯片的时间数据并保存起来，在需要显示时间的时候，将时间数据发送显示屏。然后送入8*8位列数据，紧接着将模组的第一行拉为高电平，则第一行被点亮，延时一段时间后，须关闭全部显示（即消隐）后，再送入第二行的列数据，并点亮第二行，以这样规律的顺序循环点亮整个迎宾屏，则显示了一屏数据。只要保
24、持显示一屏的时间不大于0.01s，我们就不会感觉有闪烁。3 系统硬件电路设计3.1 单片机控制系统的电路设计3.1.1 单片机机选型根据方案论证的结果，设计采用51系列的AT89S52作为主控芯片。如图3-1 图3-1 AT89S52实物图 图3-2 AT89S52的引脚图所示，AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令。系统及AT89S52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理
25、器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口。图3-2是AT89S52的引脚及I/O口：1VCC：电源正极。2GND：电源负极。3P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外
26、部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节，需外部上拉电阻。4P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，能驱动4 个TTL逻辑电平。P1.0和P1.2分别作定时器2/计数器2。5P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。6P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-1所
27、示。在Flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。表3-1 P3口第二功能引脚第二功能方向P3.0RXD（串行口输入）输入P3.1TXD（串行口输出）输出P3.2INT0（外部中断0输入）输入P3.3INT1（外部中断定输入）输入P3.4T0（定时/计数0的外部输入）输入P3.5T1（定时/计数1的外部输入）输入P3.6WR（片外数据存储器写选通）输出P3.7RD（片外数据存储器读选通）输出3.1.2 复位电路上电复位采用电平方式开关复位。如图3-3所示。 上电复位用RC电路，电容用20F，电阻用10K。3.1.3 晶振电路单片机的晶振频率应低于30MHZ，所以我们采用12MHZ，加
28、两个30pF电容。图3-4所示。 图3-3 复位电路图 图3-4 晶振电路图3.1.4 AT89S52在电子迎宾屏应用中的优越性对于单色动态条幅屏的应用需要，AT89S52单片机有以下突出的优点：（1）较高的处理速度和时钟频率，能实现条屏的各种移动算法。（2）成本较低，仅需要几元钱就可以买到。（3）有内部E2PROM，可用于掉电存放条屏显示数据。 （4）看门狗，使条屏可以工作在恶虐的电磁环境下。（5）宽电压范围，条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行。（6）丰富的I/O口，可以代替LED行扫描用的行选通译码器器，降低产品成本。3.1.5 单片机系统电路设计根据本条屏的实际运用要求，参考单片机
29、官方数据手册上的应用指南，设计单片机系统电路如图5-5所示。图3-4 单片机系统电路在图3-4中，有源晶振为单片机提供12MHz时钟的频率，其时钟的频率精度以及稳定性都很高。根据单片机数据手册约定，外部有源时钟从XTAL1脚输入，XTAL2可以保持浮空。图中100uF的电解电容和10K的电阻构成微分电路，在系统上电的瞬间，为单片机RESET脚提供约2mS的高电平脉冲，使单片机上电后立即可靠复位。在单片机的VCC电源端，并联上20uF独石电容，为单片机的供电电源进行滤波和高频旁路，滤除MCU及有源晶振对电源系统造成的高频脉动成分，提高系统的稳定性，降低对外电磁辐射。旁路电容采用独石电容，其优点是
30、高频特性优良。在高频电流通过的时候，独石电容介质上的损耗小，因而对高频成分的容抗较小，旁路效果优于电解电容，金属膜纸介电容，瓷片电容等。而且独石电容的耐压较高，在高电压脉冲下不易击穿。3.2 时钟与单片机的接口设计3.2.1 时钟芯片的选型采用美国达拉斯（Dallas）公司的DS12C887来作为实时时钟芯片，为系统提供了详细的年、月、日、星期和小时、分钟等时间信息。DS12C887是一款COMS技术实时时钟芯片，其主要功能性能如下：（1）带有内部晶体振荡器并内置有锂电池，可以在无外部供电的情况下保存数据10年以上。（2）具有秒、分、时、星期、日、月、年计数，并有闰年修正功能。（3）时间显示可
31、以选择24小时模式或者带有“AM”和“PM”指示的12小时模式。（4）时间、日历和闹钟均具有二进制码和BCD码两种形式。（5）内部具有闹钟中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断，且3个中断源可分别由软件屏蔽。（6）内部有128BRAM，其中，15B为时间和控制存储器，113B为通用RAM。所有RAM单元都具有掉电保护功能，因此可被用作非易失性RAM。（7）可输出可编程的方波信号。3.2.2 时钟芯片的引脚排列及操作时序DS12887的管脚排列如图3-5：图3-5 DS12887管脚排列74HC595的管脚功能描述见表3-2：表3-2 74HC595的管脚功能描述管脚号管脚名称功能描述管脚号管脚
32、名称功能描述1MOT时序选择13CS片选2NC悬空14AS地址使能3NC悬空15R/WINTEL写4AD0地址和数据总线16NC悬空5AD1地址和数据总线17DS读数据6AD2地址和数据总线18RESET复位7AD3地址和数据总线19IRQ中断输出8AD4地址和数据总线20NC悬空9AD5地址和数据总线21NC悬空10AD6地址和数据总线22NC悬空11AD7地址和数据总线23SQW方波输出12GND电源地端24VCC电源该芯片采用并行方式输入和输出数据，这样就减少了单片机与时钟芯片的通信时间，并增加了读取数据的可靠性。时序选择（MOT）：当此脚接到Vcc时，选用的是MOTOROLA总线时序,
33、当它接到地或不接时，选用的是INTEL总线时序。在迎宾屏设计中，选择INTEL总线时序。R/W：在INTEL总线下作为写数据。DS：在INTEL总线下作为读数据。地址锁存（ALE）：下降沿锁存地址。复位（RESET）：复位脚对时钟、日历、RAM无效。系统上电时复位脚要保持低电平200ms以上DS12887才可以正常工作。中断输出（IRQ）：当中断状态位和对应的中断允许位有效时，IRQ的输出保持为低。复位和读C寄存器都可以清除IRQ中断信号。没有中断时，IRQ呈高阻状态，其他中断源还可以挂接到中断总线上。由于IRQ是漏极输出，故需外接上拉电阻。片选输入（CS）：所有数据传输开始于CS下降沿，CS
34、在传输期间必须保持为低电平。要读取时钟芯片内的数据，必须严格地遵守其读写协议及时序。其读时序如图3-6所示，写时序如图3-7所示。图3-6 DS12887读时序该时序图为DS12887的读数据时序，首先由MCU把写、读及地址使能（ALE）端拉为高电平，然后MCU再送入一个字节的地址信号到数据端，接着拉低片选端，每一次地址使能端（ALE）下降沿把待读地址的信号送给DS12887；紧接着拉低读数据端，等待几十纳秒的时间，最后MCU完成读取DS12887的目标地址一个字节的数据。图3-7 DS12887写时序该时序图为DS12887的写数据时序，首先由MCU把写、读及地址使能（ALE）端拉为高电平，
35、然后MCU再送入一个字节的地址信号到数据端，接着拉低片选端，每一次地址使能端（ALE）下降沿把待写数据的地址的信号送给DS12887；紧接着拉低写数据端，最后MCU完成写入一个字节的数据到DS12887的目标地址。3.2.3 时钟芯片与单片机的接口设计参考DS12887官方提供的应用指南，结合本系统的具体要求，设计DS12887与单片机的接口电路如图3-8所示。图3-8 DS12887与单片机的接口DS12887的供电电压为5V，可以直接与单片机的电源相接。在RST端口，接电源正极，MOT端口悬空代表为INTEL总线方式，SQW端为方波输出端口，在设计中没有应用到，也将此端口悬空。3.3 显示
36、单元的电路设计为了提高点阵LED的视觉亮度，本设计用行线做扫描线，列线做数据线。每行的显示占空比为直流情况下的1/16。每个点阵内部有红色发光体。发光管有8根行线，8根列线。设计显示单元以及行列驱动电路见附图1。3.3.1 列驱动电路设计本设计采用四个88点阵红色的LED模块拼接成一个1616的单色模块使用。这样能获得较大的显示单元尺寸和发光亮度。本设计中，每个1616点阵的列驱动电路由两个串联的8位移位锁存器74HC595构成。74HC595是为Motorola的SPI总线开发的一款串并转换芯片。由于74HC595的输入输出电平兼容LSTimeL,NMOS,CMOS电平，且具有较强的输出负载
37、能力，而被广泛地运用于MCU（微控制器）、MPU（微处理器）的I/O口扩展。74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度，每个并行输出端口均能承受20mA的灌电流和拉电流。这个特点保证了不用增加额外的扩流电路即可轻松的驱动LED。它输入端允许500nS的上升（下降）时间，对严重畸形的时钟脉冲仍能检测。这样就可以容纳较大的传输线对地电容，使本设计的抗干扰能力增强。74HC595并行输出端与LED模块列线之间通过20的电阻连接，这里电阻起到分压，去除红色LED的并联嵌位作用。使红绿两组LED均能正常发光。由于LED电子迎宾屏的工作电流时刻在变化，造成了系统电压的波动。这种电压波动有高
38、频成分，也有低频成分。轻则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。为避免此，在每个74HC595的电源VCC和GND旁边都并联了两个电容，用于滤波和退耦。稳定系统电压，旁路掉电源中的高频脉动成份。消除自激，减小对外杂散电磁辐射，提高EMI电磁兼容性。74HC595的引脚如图3-9，逻辑功能图3-10所示。图3-9 74HC595管脚图 图3-10 74HC595逻辑图 74HC595的管脚功能描述见表3-3所示：表3-3 74HC595的管脚功能描述管脚号管脚名称功能描述管脚号管脚名称功能描述1QB锁存器输出，三态9Q,H串行输出2QC锁存器输出，三态10SCLR移位寄存器
39、清零端3QD锁存器输出，三态11SCK数据输入时钟4QE锁存器输出，三态12RCK锁存时钟5QF锁存器输出，三态13OE输出使能6QG锁存器输出，三态14SER串行数据输入7QH锁存器输出，三态15QA锁存器输出，三态8GND电源负16VCC电源正4 6 7为低是 移位寄存器的输 出全部为 0。由于SRCLK和RCLK 两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为Q0Q7，最高位Q7 可作为多片74HC595 级 联应用时向上一 级的级联输出。 但因 Q7受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了 Q7*作为 与移位 寄存器 完全同 步的 级联输 出。
40、由74HC595组成的列驱动器如图4 所示由8 片74HC595组成 64列的驱动，由 16个三极管驱动16 行。第一片驱动器的SER端连接单片机输出的串行列显示数据，其 Q7*端连接下一片的 SER 端，各片均采用同样的方法组成8片的级联。各片相应的 SRCLK、SRCLR、RCLK 端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据 清除信号和输出锁存 器打入信号 。这样的结构，使得各片串行移位能把 64列的显示数据一次输入到相应的移位寄存器输出端。移位结束后，控制器引出打入信号，64列数据一起打入相应的输出锁存器，然后选通相应的行，该行的各列按照显示数据的要求进行显行驱动电路，行 选通信
41、号来源 于单 片机按 照时序 要求 所给出的二进制行号，为一行显示时间保持行号的稳定，行号需要经锁存器锁存。开始扫描新的一行时，由单片机 P1 口输出 4bit 二进制信号并发出锁存器的打入信号，行号经两片 74HC138 组成 4/16 译码器译码后，生成 16 条行选通信号线，再经过驱动器 74HC245 驱动对应的行。采用译码器方案，可以保证同一时刻只选通一条行线，从而达到显示的稳定性。3.3.2 行驱动电路设计因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无合适的集成电路来胜任。因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，如图3-11所示。图3-11 两种三极管扩流方式（共集，共射）共集驱动方式
42、，又称射极跟随器，当电源电压足够时，在负载上获得的电压始终等于基极对地电压Ub减去发射结压降Ube。硅管的Ube一般为0.7V左右，因此在5V供电系统中，在负载上最多能获得4.3V的电压，若Ic=1 A 则在三极管上的管耗为1A0.7V=0.7W，管耗较大，需选用中功率的管子。还有一个重要的特点，共集电路的基极是用高电平驱动，而单片机在复位期间，所有I/O口都呈现高电平。这样的话，在开机上电复位的瞬间，在所有的行线上都会获得电压。而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击，使电源电压跌落，单片机工作异常。而使用共射驱动方式的话，同样的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管
43、耗只有0.3W。因此可选用小功率器件。共射电路的基极驱动是用低电平，这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。同时，大部分单片机的I/O是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱的拉电流。因此，综合权衡利弊，本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。4 系统软件设计4.1 开发工具及语言本系统的处理器是兼容8051指令集的单片机AT89S52。为此，首选Keil Vision作为其开发工具。Keil Vision是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。其功能强大，生成的代码紧凑，是目前世界上使用最广的51系列兼容单片机开发工具。本设计中，
44、单片机软件是采用C51语言编写，C51语言是ANSI C的扩展集，其语法结构、关键字等与ANSI C绝大部分是相同的。与汇编相比，C51语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势。编程采用的是C言语，应用C51编程具有以下优点：（1）C51管理内部寄存器和存储器的分配，编程时，无需考虑不同存储器的寻址和数据类型等细节问题。（2）程序由若干函数组成，具有良好的模块结构。 （3）有丰富的子程序库可直接引用，从而大大减少用户编程的工作量。 （4）C言语和汇编言语可以交叉使用，汇编言语程序代码短、运行速度快，但复杂运算编耗时。用汇编言语编写与硬件有关的部分，用C言语编写与硬件无关的
45、运算部分程序，充分发挥两种言语的长处，提高开发效率。4.2 算法的实现在显示屏幕比较小的情况下，为了能显示更多的内容，普遍采用的方法是移位显示，移位显示广泛应用于条型迎宾屏，它的特点是可以显示的内容比屏幕大、显示效果良好、编程简单等。在显示过程中，送数据到列有二种方式：一种为移动处理数据，即通过C语言中的移动函数，将8位数据向左或向右移动一位，这样就实现了循环移动，这种方式处理速度慢，但代码比较少，导致对硬件依赖较高，相应的增加了成本。一种为动态读取数据，即采用动态的方式去读取数据，而不需要去移动，这种处理速度会很快，对硬件要求相对较低，但是代码复杂。对于迎宾屏来说，我们的成本要求最低，因此选
46、择第二种方式，可以实现上移，下移，左移，右移效果；同时成本最低。4.3 下移效果编程下移：分为移入与移出，移入的规律是先将显示屏的最后一行的数据显示在第一行一段时间，其它行空白；然后将最后一行数据下移到第二行显示一段时间，同时，原来倒数第二行的数据显示在第一行显示一段时间。依次这样循环，直到显示整屏数据，这样就完成了移入效果。移出的规律是第一次先将显示屏的第一行的数据显示在第二行一段时间、第二行数据显示在第三行、第N行数据显示在第N+1行，这样就会溢出一行，第二次也和第一次一样，这样会溢出二行，依次这样循环，直到溢出十六行，这样就产生了移出效果。下移效果流程图如图4-1所示：是否否是程序入口若悬河是否改变显示内容显示当前一屏数据下移一行显示是否达到显示时间返回图4-1 下移效果流程图下移效果函数如下：/*此函数是将要显示的内容从第一行到第十六行慢慢移入显示屏，能够实现移入效果，没有参数也没有返回值*/void
