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摘 要
本系統是從實際應用角度出發，針對當前市場上流行的LED產品的應用領域而設計製作的多功能電子顯示屏，可用於商場導購促銷顯示、新聞與廣告顯示、車站機場班次時間資訊顯示等。
本簡易16行*64列LED電子顯示屏根據題目設計要求，硬體部分主要包括SPCE061A單片機系統、16塊8*8LED點陣顯示模塊構成16*64點陣、顯示驅動電路、SPR4096存儲器、PCF8563實時時鍾電路、鍵盤輸入控制器等部分，還外擴了液晶顯示、溫度實時檢測、無線通訊、電機驅動屏幕旋轉等電路，。本系統不僅能夠實現數字、字母、漢字等預存信息的切換顯示，同時還可以實現信息的定時循環、上下左右滾屏、LED顯示亮度連續可調、實時時間顯示、實時溫度顯示、無線遙控、顯示屏旋轉等擴展功能。另外，本系統可以和PC機通訊，通過PC機串口對顯示信息進行更新。
關鍵詞：LED電子顯示屏 SPCE061A 串列通信
Abstract
The LED lattice display system is a kind of new information display media with the rapid development of the computer, micro-electronics, photoelectron technology.
This 16*64 LED display system includes SPCE061A MCU system, sixteen 8*8 LED lattice moles, display driving circuit, SPR4096 memory mole, PCF8563 as the real-time clock chip, keyboard controller et. In addition, it includes LCD circuit, real-time temperature detective, RF communication circuit. This system can display the numbers, letters, Chinese characters. It can display the information timely and circularly, up-rollingly, down rollingly left-rollingly, right-rollingly. The lightness of the displaying information can be adjusted continuously. Further more, this system can be remote controlled and communicate with PC by COM1 to update the display information.
Keywords: LED lattice display system SPCE061A serial communication
目 錄
一、方案比較 4
1、控制系統 4
2、點陣信息提取方案 4
3、顯示驅動電路 5
二、硬體設計與論證 5
1、主控制單片機 6
2、LED顯示驅動電路 6
3、數據存儲器 8
4、鍵盤液晶顯示模塊 9
5、無線通信模塊 9
6、時鍾電路的設計 10
7、溫度檢測 10
8、列印機的選擇 11
9、旋轉底盤的設計 11
三、系統的軟體設計 11
1、主程序流程圖 12
2、點陣字模信息提取程序流程圖 12
3、LED各顯示程序 12
4、串列通信程序 12
5、PC機客戶程序 12
四、系統功能測試 16
1、測試及製作中所用儀器 16
2、鍵盤各鍵功能 16
3、單元模塊電路測試 16
4、系統整體功能測試 16
五、總結 17
一、方案比較
1、控制系統
LED點陣電子顯示屏的設計一般有兩種方案：
方案一：採用可編程邏輯器件作為核心控制器產生LED點陣的行、列驅動信號。由於該系統不僅要實現信息的顯示，還要具備鍵盤控制器、顯示亮度連續可調、實時時鍾顯示、與PC機通訊等功能及其他發揮功能，這就要求需要用中大規模的PLD，設計多個介面電路，開發周期長，不易進一步擴展，同時系統的成本會急劇上升（相對於第二種方案）。因此，本設計並未採用這種方案。
方案二：採用單片機系統來實現。鑒於SPCE061A單片機比傳統的51系列8位單片機具有更加豐富的資源，而且數據處理速度快，同時「61板除了具備單片機最小系統電路外還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復位電路等，體積小，可靠性高。本系統的設計採用雙單片機系統，一個主要用於完成多功能顯示控制功能，另一個主要用於實時時鍾顯示、實時溫度檢測顯示、無線通訊以及其他的擴展發揮部分功能，這樣提供了充足的內部空間和更多的外部介面；同時由於安裝和調試工作可以並行進行，極大地縮短了總體設計和製造的時間。
2、點陣信息提取方案
要用LED點陣來顯示數字、字母和漢字等信息，首先要能夠提取出其字模數據，即一個16*8的點陣數字、字母的字模數據共有16個位元組，一個16*16的點陣漢字的字模數據共有32個位元組。首先要確定點陣信息提取方案。
方案一：固定漢字顯示，就是將要顯示的語句中全部漢字的字母數據依次提取出來，按順序存放在存儲器中，當有顯示任務時，直接取出字模數據送至顯示器即可。這種方法佔用空間少，程序實現簡單，顯示速度快。本系統中對10組預存信息的點陣信息的提取和存儲就是採用這種方案。但是，要想顯示大量的漢字信息或直接對顯示信息進行更新，則幾乎是不可能的事。因此，要實現這樣的功能就要採用第二種方案。
方案二：將標準的點陣信息字模數據的字型檔文件（本系統中採用漢字型檔文件HZK16、ASCII碼庫文件ASC16）裝入外擴ROM存儲器，採用與PC機相同的編碼（機內碼），先進行基於PC機的預處理，提取需顯示內容的機內碼，通過串口發給單片機，單片機首先進行判斷，若是ASCII碼，則直接計算出起始地址，在ASC16文件中指定位置取出連續的16個位元組即為其字模信息；若為漢字，單片機將機內碼轉換為區碼和位碼，再計算出起始地址，在HZK16文件中指定位置取出連續的32個位元組即為其字模信息，然後送到顯示器去顯示。另外，PC機與單片機之間串口通信只是傳輸機內碼，而不是傳輸字模信息，傳輸信息量小，不需要復雜的通信協議。這樣既可以減輕單片機的負擔，而且可以根據要求隨時改變顯示內容，非常簡單靈活。
3、顯示驅動電路
常用的顯示驅動方式有三種：
方案一：串列控制驅動，這種方式的好處是單元內的線路連接簡單，給印刷電路板的設計帶來方便，減少了布線的密度，方便以後的製作與調試，而且相對提高了每個單元的可靠性；
方案二：並行控制驅動，將顯示數據通過並行(一般為8位)方式送入驅動電路，這樣的好處是：相對於串列控制而言，數據的刷新速度快，在處理同等數量的數據時，對處理速度要求可以大大降低，從而提高了系統的穩定性，但也正因為「並行」使單元內的數據線路的連接更加復雜，布線後的排錯難度大大增加；
方案三：採用專用集成電路（ASIC）直接驅動，由於這種專用集成電路是集行控制、列控制和外圍驅動於一體，使系統的穩定性更為可靠，特別適合戶外的大型或者超大型顯示屏。因為這種類型的顯示屏對圖像顯示要求高，不僅要保證圖像的一致性，而且要保證圖像的穩定、高亮。
本次設計的顯示屏僅為16行*64列，更適合採用串列控制這種方式，這樣做既省去了並行控制驅動在製版過程中十分復雜的布線，又因為沒有採用專用集成電路在一定程度上降低了整個系統的成本。
二、硬體設計與論證
根據以上的系統方案比較與分析，本設計的系統總體組成框圖如圖1所示：
圖1 系統的總體組成框圖
系統整體由三大部分構成：
以單片機1#為核心的模塊一：包括16*64LED點陣、驅動電路、STR4096存儲器、無線數傳模塊、旋轉底盤、光電感測器、音箱、列印機。實現功能：主要用來實現點陣的顯示，包括特定標語庫內容的顯示，適時時間顯示、適時溫度顯示，並實現上下左右滾屏等各種花樣顯示；存儲器用來存儲漢字和ASCII碼的點陣庫，並實現掉電不丟失功能；無線模塊實現標語庫更新和接受設置信息；底盤可實現顯示屏的左右轉動，擺動幅度可調；在商場導購中，光電感測器用於檢測人員進出，可與自動門配合使用，音箱播放「歡迎光臨」等語音信息；在廣告牌應用中，列印機用於名片列印。
以單片機2#為核心的模塊二：包括4*4鍵盤、液晶、無線數傳模塊。實現功能：該部分實現遙控器的功能，可以遙控設置顯示屏的滾動模式，選擇標語庫，設置時間，設置擺頭幅度；實現標語庫的更新。（鍵盤使用說明見附錄一）
以上位PC機為核心的模塊三：包括上位機軟體和MAX232。實現功能：上位機主要實現標語庫的數據更新，上位機軟體通過MAX232將更新內容（漢字或者ASCII碼的機內碼）送到單片機2#，然後無線傳輸到單片機1#實現數據更新。
以下是各單元電路的具體設計：
1、主控制單片機
採用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為主控制器。由於SPCE061A內置有2K字的SRAM和32K字的內存FLASH，能滿足本系統數據處理及LED點陣顯示所需數據的存儲要求；CPU時鍾頻率高達49.152MHz，能滿足刷新速度要求。另外，「61板」功能較強、性價比高，具有體積小、集成度高、易擴展、功耗小等優點，簡化主控制系統的硬體電路設計，可靠性高，而且凌陽單片機具有C語言風格的匯編語言，有與標准C兼容的C語言，C語言函數可以與匯編函數互相調用，使其開發更加容易，實現整個系統更加簡單。
2、LED顯示驅動電路
本次設計中16行*64列LED電子顯示屏的製作以及其顯示驅動電路的設計製作都是非常關鍵的部分。下面主要介紹一下顯示驅動電路的設計。
本LED點陣屏採用動態掃描的方式顯示，即逐行掃描，工作時先將一行點陣字模通過列驅動輸出，然後運用解碼器選中對應行，使該行得以顯示，接著再送下一行數據，再選中下一行有效，直到16行全被掃描一遍。至此，一幅完整的文字信息就顯現出來。然後在反復掃描這16行直至顯示新的信息。採用這種方式的優點是耗電少，成本低，壽命長，但是也存在顯示亮度及內容顯示穩定的問題。根據視覺滯留原理，根據視覺滯留原理，每屏的完整的顯示時間應控制在20ms之內，即50Hz，人眼看上去才不會覺得閃爍。由於要掃描16 行的點陣，所以每行的時間絕不能超過20ms÷16=1.25ms，同時也不是每行的掃描時間越短越好，因為LED的亮度同電流的大小和維持時間的長短有關。LED點陣塊的單點靜態電流一般在10mA左右，由於占空比是1/16，所以單點的動態電流最大可以達到160mA。在維持時間恆定的情況下，電流越大（不超過額定電流），點陣亮度也越亮，而在電流恆定的情況下，需要一段維持時間來保持亮度。試驗表明當輸入LED的電流為15mA時，維持時間至少需要1ms，否則LED呈微亮狀態。由於設計時設置SPCE061A單片機的時鍾頻率為24MHz，而每次傳送移行的字模數據有64位，經計算傳輸所需的時間小於1ms，這樣就能充分利用列驅動74HC595的鎖存功能，即在它接收下一行待顯示的數據，還沒有鎖存新數據的這段時間來顯示本行的內容，這樣就不需要額外加延時來增加顯示屏的亮度。採用這個方法就不要再增加LED的列驅動器件，從而使整個硬體結構更簡化，成本降低。
行信號的處理是由四十六解碼器CD4514來完成解碼，輸出為高。由於顯示屏行的組成是多個模塊並聯而成的，因而行驅動得功率要求比較大，而且我們進行行掃描時需要所選行為低，故加反相驅動器ULN2803來滿足要求。
列信號的處理列信號的處理主要由8片8位帶鎖存的串入並出移位寄存器74HC595來完成。從單片機IO口串列輸出的64位點陣數據隨著移位時鍾的作用逐位移動到對應位置，在接收到鎖存信號後，將數據並行輸出至LED的列線，最後在行驅動信號作用下點亮一行LED象素。
顯示掃描電路的電路圖如圖2所示。
圖2 LED顯示掃描驅動電路
3、數據存儲器
設計題目要求能增大到10組預存信息，且顯示信息具有掉電保護功能，同時考慮到要把漢字點陣字型檔文件HZK16（261K位元組）和ASCII碼點陣字型檔文件ASC16（4K位元組）裝入到ROM存儲器中，以便根據機內碼在字型檔中定址，找到對應的字模，提取後再送到點陣顯示屏顯示。因為SPCE061單片機的內存Flash只有32K，還要存放程序，因此需外擴數據存儲器。我們選擇了凌陽「61板」的配套模組SPR4096。SPR4096是一個高性能的4M-bit（512K位元組）FLASH，分為256個扇區，每個扇區為2K位元組。SPR4096串列介面的工作頻率可達5MHz，數據存取速度和存儲容量都能夠達到我們的要求。硬體圖連接如圖3所示：
圖3 SPR4096硬體連接圖
4、鍵盤液晶顯示模塊
為使用鍵盤作為顯示屏控制器，實現多功能顯示控制，我們使用智能型鍵盤顯示控制晶元HD7279A作為4*4鍵盤與單片機之間的介面，其與微處理器僅需4條介面線，採用串列通信方式，佔用CPU埠少，同時HD7279得到鍵盤碼後通過中斷服務程序把按鍵信息送給單片機，使單片機可以騰出更多時間質性其他操作。設計中我們需要用液晶模塊顯示遙控單片機菜單的各信息。在本系統中選用了OCM4×8C模塊，可以顯示字母、數字元號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能，既可採用並行介面，又可採用串列介面，連線較為方便。HD7229、OCM4×8C與單片機連接原理圖如圖4所示。
5、無線通信模塊
在本設計中，我們採用了兩塊61板，1#板主要用於完成控制LED顯示屏，2#板主要用於鍵盤液晶控制、實時時鍾、實時溫度檢測顯示、與PC機通訊以及其他的擴展發揮部分功能。兩板之間採用無線通訊進行數據傳輸。為滿足系統的要求我們選擇了SRWF-1型微功率無線數傳模塊，該模塊的特點是：高抗干擾能力和低誤碼率、完善的通訊協議、數據實時同步、看門狗實時監控、傳輸距離遠、低功耗及休眠功能高可靠性，體積小、重量輕。
圖4 鍵盤顯示電路
SRWF-1型模塊提供2個串口3種介面方式，COM1為TTL電平UART介面，COM2由用戶自定義為標準的RS-232/RS-485介面（用戶只需拔/插短路器再上電即可改變介面類型）。SRWF-1提供的兩個串口，在使用時注意以下事項：（1）對於空中接收的數據，SRWF-1通過串口轉送給終端設備時，COM1和COM2同時輸出，即用戶如果在COM1和COM2各連接了1個設備，他們都可同時收到數據；（2）對於由終端設備送來，准備向空中發射的數據，SRWF-1隻能正確接收COM1或COM2其中1個串口送來的數據，否則將造成數據通訊混亂。如終端設備在向COM1發送1個0x12（數據正在傳送）時，再向COM2發送1個0x34，模塊將收到一個數據串0x12，0x34。
圖5 SRWF-1與用戶設備介面電路
註：沒有使用的引腳可以懸空不連。但不能連接長懸空線，以免引入干擾。
6、時鍾電路的設計
系統要求實現實時時間的顯示，這里我們選用串列日歷時鍾晶元PCF8563，，與單片機的連線大為減少，極大的節省了單片機的系統資源。PCF8563與單片機的介面電路如圖6所示。而且該部分電路還加了掉電保護功能，在主供電系統意外斷電時，即Vcc為0V時，D1截止， 3.6V備用電源通過D2繼續給PCF8563供電,保證8563的正常運行。
圖6 PCF8563時鍾電路
7、溫度檢測
本系統擴展了實時溫度檢測顯示功能，選用DS18B20一線式數字溫度感測器，通過單片機讀取當前環境溫度可通過鍵盤切換顯示時間和溫度。
圖6 DS18B20與單片機的介面電路
8、列印機的選擇
本系統還擴展了列印機功能，在廣告牌應用中用來列印名片等相關信息。我們選擇了北京市興偉機電應用技術研究所研製的微型熱敏/針打列印機。通過通用的ESC/P列印命令實現字元的列印。
圖7 列印機介面控制時序圖
9、旋轉底盤的設計
針對應用的需要，系統擴展了顯示屏旋轉功能，用普通小型直流電機提供動力，由變速箱減速並加大驅動能力，實現顯示屏幕左右擺動，並且幅度可調。
圖8 直流電機驅動電路
三、系統的軟體設計
本系統的軟體部分主要包括主程序、點陣字模信息提取程序、LED各顯示程序、串列通信程序以及PC機客戶程序等。
1、主程序流程圖
見圖8。
2、點陣字模信息提取程序流程圖
見圖9。
3、LED各顯示程序
LED顯示屏的顯示方式有靜止、上下滾屏、左右滾屏等多種方式。其中上下滾屏顯示程序類似，左右滾屏顯示程序類似，其他多花樣的顯示方式程序都是在此基礎上進行改動而來的。因此主要給出靜態顯示、上移顯示、左移顯示這三種典型方式的程序流程圖，見圖10、圖11、圖12。
4、串列通信程序
每當向PC機客戶程序里輸入新顯示內容並發送給單片機時，單片機就產生串列中斷，接受待顯示信息的機內碼，然後再利用點陣字模信息提取程序得到點陣數據送到LED顯示屏顯示。單片機接受數據採用中斷的方式。串列中斷程序流程圖見圖13。
5、PC機客戶程序
本系統的PC機客戶程序是採用Visual Basic 6.0進行開發的，主要利用其串列通信控制項MSComm，其主要流程圖及運行效果見圖14、圖15。
圖8 主程序流程圖 圖9 點陣字模信息提取程序流程圖
圖10 靜態顯示程序流程圖 圖11 上移顯示程序流程圖
圖12 左移顯示程序流程圖
圖13 串列中斷程序流程圖 圖14 PC機客戶程序流程圖
圖15 PC機客戶控製程序的界面
四、系統功能測試
1、測試及製作中所用儀器
GDS-820C型雙蹤數字示波器、UNT-T型台式數字萬用表、
SK1731SL2A直流穩壓電源、F10型數字合成函數信號發生器、
聯想PC、烙鐵等
2、鍵盤各鍵功能
1 2 3 4
5 6 7 8
9 0 ./+ C/-
確定 上 下 取消
「0—9」 ：數字鍵；
「. /+」 ：小數點/數據加1；
「C/-」 ： 刪格/數據減1；
「確定」 ：進入菜單，保存設置
「取消」 ：返回上一級菜單
「上」 ： 菜單上翻，插入點左移
「下」 ： 菜單下翻，插入點右移
3、單元模塊電路測試
1）LED點陣測試：用程序實現所有點陣全部點亮，顯示部分點陣塊無法完全點亮，更換點陣塊後顯示正常。
2）無線數傳測試：由單片機#2無線發送1000位元組數據，單片機#1接收並存儲，通過開發環境查看接收數據，發送一百次，成功接收100次，經測試系統穩定；
3）與上位機通信測試：上位機循環發送1000位元組數據，單片機接收並校驗，接受成功後送液晶顯示，然後停止發送，經測試接收時間相對於人的反映時間可以忽略。測試20次，成功接受20次。
4）鍵盤液晶測試：用鍵盤控制菜單進出，上下翻頁，鍵盤無抖動，液晶無閃爍。
4、系統整體功能測試
各單元模塊整合後，系統上電,顯示屏上顯示預存信息,通過2#機上的鍵盤可以成功控制1#機上的顯示,包括預存信息切換顯示、翻頁、上下滾屏、左右滾屏、對流、展開等各花樣顯示方式、LED顯示屏亮度連續可調，能成功地顯示出字母、數字、漢字等信息，通過按鍵可以控制顯示實時時間、實時溫度等信息，而且斷電後，重新開機，預存的顯示信息與時間均可掉電保護。通過PC機的客戶程序發送需更新信息數據到2#機，由2#機通過無線數傳模塊發送給1#機，可以成功地更新顯示內容。
經過多次測試，整個系統工作穩定可靠，能夠實現上述所有功能。
五、總結
我們製作的這套LED點陣電子顯示屏系統不僅完成了題目要求的基本功能和發揮功能，還在實時溫度檢測顯示、無線遙控、顯示方式等方面有所創新。本系統以凌陽16位單片機SPCE061A為核心部件，最終完成了競賽題目中要求的各項任務，包括可以控制16*64LED點陣顯示屏實現信息的左右滾屏、顯示屏亮度連續可調、實時時間和實時溫度的顯示等，在設計過程中，力求硬體線路簡單，充分發揮軟體在編程方面靈活的特點，來滿足系統設計的要求。
在競賽的過程中，我們遇到了許多突發性的不太好解決的問題，例如，在整個系統的調試過程中，我們體會到無論是硬體還是軟體的調試都要注意模塊化，要從最底層開始，逐級通過後才能進行下一步的工作；同時在聯合調試的過程中，應注意各模塊之間的時序配合問題，有時都是正確的模塊程序卻因為按照不恰當的順序來執行從而導致程序運行結果完全出錯。
通過這次比賽，我們深深的體會到了團隊間的共同協作的重要性，提高了自己的動手能力和解決問題的能力。
❼ 基於單片機的液晶GPS定位信息顯示器設計
的液晶GPS定位信息顯示器設
你理解的多少,探討完整的