51單片機的LED點陣屏設計

1、51單片機的LED點陣屏設計1 引言點陣顯示是集微電子技術(shù)、計算機技術(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)和計算機控制技術(shù)在客車上的日益廣泛的應用，客車內(nèi)的路牌顯示器也經(jīng)歷了從燈光路牌、

2、翻板式電子模塊路牌、CRT顯示、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LCD液晶顯示器相比，已處于下風，目前LED和LCD顯示

3、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

4、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屏，通常采用計算機同步控制的靜態(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，且由于采用靜態(tài)顯示，亮度高；其缺點是硬件電路復雜，成本高。室內(nèi)使用的由88LED點陣拼成的顯示屏也有同步和異步之分，同步控制顯示屏由計算機作為主控器，異步控制顯示屏的主控器可采用單片機。單片機控制的單色顯示屏由于結(jié)構(gòu)簡單，成

5、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)單片機是新一代增強型8051單片機標準的制定者，致力于提供滿足用戶需求的世界級高性能單片機技術(shù)，在業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，銷售網(wǎng)絡覆蓋全國。在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，以極低的價格和完善的服務贏得了用戶的長期信賴。在廣受歡迎的STC89C51全系列單片機的基礎(chǔ)上，現(xiàn)全力推出“1個時鐘/機器周期”的單片機,全面提升8051單片機性能。用該單片機作為系統(tǒng)的中央控制單元，負責產(chǎn)生

6、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)設計要求，顯示方式要具有掉電存儲功能，因此，在單片機外圍電路加上I2C總線的EEPROM，利用單片機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EEPROM內(nèi)，這樣，即使斷電顯示方式也仍然存儲在該EEPROM里面，單片機再重新讀取該EEPROM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機通信、控制界面以及安全措施，從而大大豐富了系統(tǒng)功能，提高了系統(tǒng)的可操作性，使達到交互式與智能化，符合未來交通系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡化的發(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

7、態(tài)顯示、動態(tài)顯示和定時顯示控制，另外用來應對交通突發(fā)事件，作為應急告示，達到疏散交通，保護人們安全的目的。設計時考慮到系統(tǒng)的擴展加上升級模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程升級；加上公交車到站時間預測模塊，可以預測到公交車到站的時間，方便行人；加上網(wǎng)絡模塊，可以連接互聯(lián)網(wǎng)，直接通過互聯(lián)網(wǎng)進行控制，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、半導體器件、數(shù)字電子電路、大規(guī)模集成電路、單片機及微機等各個方面，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行討論，主要闡述了LED器件的應用基礎(chǔ)和工作原理，以及LED點陣模塊的構(gòu)

8、成和工作原理。2.1 LED器件的應用基礎(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)字化設備的出現(xiàn)，LED數(shù)碼管和字符管得到了廣泛的應用。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。其核心部分是具有注入復合發(fā)光功能的PN結(jié)。環(huán)氧樹脂封裝外殼除具有保護芯片的作用外，還具有透光聚光的能力，以增強顯示效果。LED器件通常用砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）等半導體材料制成。當向LED器件施加正向電壓時，

9、器件內(nèi)部的電子與空穴直接復合而產(chǎn)生能量，以光的形式釋放出來，產(chǎn)生半導體發(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

10、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、橙等顏色。按照點陣規(guī)模大小分有44、48、57、58、88、1616、2424、3232、4040等。按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 88點陣結(jié)構(gòu)圖1為88單基色點陣的結(jié)構(gòu)圖，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出88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。當對應的某一列置高電平，另一列置低電平時，則在該行和列的交叉點上相應的二

11、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)相當成熟。實現(xiàn)方案非常多。本文要設計的是客車內(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CR

12、T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作為監(jiān)視器；缺點是：耗電量巨大， CRT顯示器在陽光下的顯示效果不理想。（2）LED點陣顯示屏設計方案：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

13、者等離子）設計方案：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)絡傳送。這種方案的優(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，適應現(xiàn)代化建設的發(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控制電路和顯示驅(qū)動電路兩大部分組成，一般的單片機控制部分采用ATMEL公司的51系列單片機，考慮到它

14、的ROM相對較小，這里采用增強型的51單片機STC89C516RD+(宏晶科技)單片機，顯示驅(qū)動部分由16片88 LED點陣模塊和相應的驅(qū)動電路組成，位碼掃描信號和段碼信號都有單片機提供。由CPLD器件組成的控制電路，具有很高的可靠性和設計靈活性，所實現(xiàn)的顯示效果樣式較多，但采用可編程邏輯器件CPLD的設計成本相對較高。由于采用由單片機組成的控制電路已能完成設計的要求，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

15、功能是LED點陣的顯示和定時顯示控制。DS1302為時鐘芯片，為顯示準確的時間； DS18B02是溫度控制芯片，顯示車內(nèi)的溫度；AT24C256是容量為256Kbit的E2ROM，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88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

16、陣，那么該屏可以一次顯示4個漢字。采用掃描方式進行顯示時，分成兩步，對于每行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個列驅(qū)動器，由單片機給出行選通信號，從第一行開始依次對各行進行掃描，對于列，根據(jù)各列所存數(shù)據(jù)，確定相應的列驅(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@示數(shù)據(jù)從單片機到驅(qū)動芯片是以串行方式傳輸?shù)?，由于串行傳輸?shù)目刂齐娐泛唵?，設計容易，缺點是串行數(shù)據(jù)傳輸

17、需要很長的時間，不過這可以由軟件來彌補，也可考慮單片機的控制速度。顯示驅(qū)動電路由74HC595組成。74HC595輸入端是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)可以同時進行傳入，行列數(shù)據(jù)準備好后，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)動相當于對發(fā)光管脈沖供電，要獲得與直流驅(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度，脈沖驅(qū)動電流的平均電流

18、I1與直流電流I2相同，它們與脈沖電流幅值If的關(guān)系為If=Ton/Th，I1是掃描周期，Ton是導通時間，占空比是1/16，掃描頻率應大于24HZ，I取8mA，那么I=816=128mA，發(fā)光管壓降取2V，那么每個發(fā)光管應串接50的電阻。行驅(qū)動最大瞬間電流能達到12880=10.240A。LED顯示屏驅(qū)動電路的設計，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)動電路的設計為例為進行分析：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的點亮時間占總時間的1/n，只要每行的刷

19、新速率大于50Hz，利用人眼的視覺暫留效應，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的點亮時間占總時間的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，人們就可以看到一幅完整的文字或畫面。常規(guī)型驅(qū)動電路的設計一般是用串入并出的通用集成電路芯片如74HC595或MC140

20、94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，而以達林頓三極管如TIP127等作為行掃描管。如以單色點陣、16行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?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經(jīng)過88=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通，相當于第一行LED的正端都接高平，顯然第一行LED管子的亮、滅取決于74HC595中所鎖存的信號；在第一

21、行LED管子點亮的同時，在74HC595中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?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。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AVR系列單片機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。在具體的設計當中要綜合考慮，如單片機的資源是否滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)是否有嚴格的速度要求，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

22、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。4.2.1 控制器的比較及選型PIC系列單片機：PIC單片機采用精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機具有獨特的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位單片機相比，可以達到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的仿真芯片，所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持，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

23、直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便。PIC以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復熔絲的可能性極小。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：是一種新型的單片機。運行速度快，一個時鐘周期執(zhí)行一條指令。硬件應用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，具有預取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時，預先把下一條指令取進來，使得指令可以在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。AVR單片機是多累加器型，數(shù)據(jù)處理速度快。超功能精簡指令，具有32個通用工作寄存器，相當于有32條立交橋，可以快速通行。相當多的單片機只有一

24、個累加器，就像一條獨木橋，所有事都要通過累加器，速度慢。AVR單片機系列中有128B4KB的SRAM靜態(tài)隨機數(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代碼完成同一任務實例來比較，8 MHz AVR單片機的速度相當于224 MHz的80C51單片機，AVR比80C51快28倍。AVR是低功耗單片機，具有休眠省電功能(Power Down)及閑置(Idle)低功耗功能。一般耗電在12.5 mA；對于典型功耗情況，WDT關(guān)閉時為100 nA，更適用于電池供電的應用設備。有的器件最低1.

25、8 V即可工作?？啥啻螣龑懙腇lash，且具有多重密碼保護鎖死(Lock)功能。I/O口功能強、驅(qū)動能力大，具有輸入/輸出、三態(tài)高阻輸入，也可設定內(nèi)部拉高電阻作輸入端的功能，以便于應用到各種所需的場合(多功能I/O口)。51系列單片機：51系列是指是兼容Intel公司51指令集的單片機系列的統(tǒng)名稱。這種單片機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

26、；（5）兩個（或三個）定時器/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制；（6）五（或六個）個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；（7）一個全雙工UART接口（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；（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。可以看出MCS-51系列單片機也是一款功能強大的單片機。STC89C51RC/RD+系列單片機是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾/ 高速/ 低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機，12 時鐘 / 機器周期

27、和6時鐘/機器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。特點如下：（1）.增強6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051CPU；（2）工作電壓：5.5V3.4V（5V單片機）/3.8V2.0V（3V單片機）；（3）工作頻率范圍：040MHz，相當于普通8051的080MHz實際工作頻率可達48MHz；（4）用戶應用程序空間4K/8K/13K/16K/20K/32K/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）復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉（普通8 051傳統(tǒng)I /O口），P0口是開漏輸出，作為總線擴展用

28、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）EEPROM功能；（9）看門狗；（10）內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路（D 版本才有），外部晶體 20M 以下時，可省外部復位電路；（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

29、個UART；（14）工作溫度范圍：075/40+85；（15）封裝：PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。從以上幾種型號單片機的比較中可以看出，PIC單片機、AVR單片機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系列單片機齊全，再考慮本系統(tǒng)對CPU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。4.2.2 EEPROM存儲器的選用為了能將系統(tǒng)所設定的常數(shù)，如更新的站點信息，設定的定時顯示時間在系統(tǒng)掉電之后仍能恢復，在設計時必須考慮將常數(shù)保存起來。由于STC89C516RD+單片機片內(nèi)沒有EEPROM，須采用外部擴展方式

30、。在系統(tǒng)的設計過程中，為了取得較大的系統(tǒng)余量，常采取存儲芯片AT24C256，按照1616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)傳送速率在標準工作方式下為100kbit/s，在快速方式下，最高傳送速率可達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進行通信，并根據(jù)地址識別每個器件。采用I2C總線標準的單片機或IC器件，其內(nèi)部不僅有I2C接

31、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行檢測，從而實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)既簡單又靈活的擴展與控制。表1 24C256的管腳介紹4.2.3 控制單元和存儲單元電路用PC機實現(xiàn)的主要功能包括單片機顯示子系統(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50

32、Hz，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，但是當顯示速度很慢的時候，該方法容易使整屏的刷新率降低，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)達到設定值，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?！败浂〞r器”的設定值可以通過上位機PC機來改變，這樣既可實現(xiàn)LED

33、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，實際上是單片機定時中斷程序進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

34、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)容進行更改，從而完成相應點陣數(shù)據(jù)的移位操作。具體操作方法是：設置一個顯示緩沖區(qū)，該區(qū)應包括兩部分，一部分用來保存當前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)預裝載區(qū)，用來保存即將進入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+采用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

35、更改。由于預裝載區(qū)保存了1個漢字點陣數(shù)據(jù)，即1616點陣，所以當前顯示緩沖區(qū)的內(nèi)容只能移動16列。當下一個滾動到來時，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，并在預裝載區(qū)存入該漢字的點陣數(shù)據(jù)。然后重復執(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。設計時可采用如下方法：首先將LED顯示屏對應的顯示緩沖區(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)并進行掃描顯示，這樣就可達到打字顯示的效果。DS1302慢速充電時鐘芯片包括實

36、時時鐘/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（復位）、（2）DO（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31字節(jié)的多字節(jié)形式傳送至時鐘/RAM或從其中送出。DS 1302設計成能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存數(shù)據(jù)和時鐘信息。傳感器部

37、分采用美國dallas半導體公司的DS18B20.溫度測量范圍為-55+125，DS18B20是一種繼DS1820之后新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測的溫度。DS18B20是支持“一線總線”接口的溫度傳感器，對DS18B20讀出或?qū)懭胄畔H需要一條線路，因此電路連接簡單，一條線上可同時擴展多個傳感器，以增加測量的準確性，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，更靈活。4.2.4 遠程通信電路在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同 的設備可以方便地連接起來進行通訊。 RS-232-C接口（又稱 EIA RS-232

38、-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。一些設備與PC機連接的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，傳輸線采用屏蔽雙絞線。由RS-232C標準規(guī)定在碼元畸變小于4%的情況下，傳輸電

39、纜長度應為50英尺，其實這個4%的碼元畸變是很保守的，在實際應用中，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分別進行短接，將2、3腳引出通過MAX232電平轉(zhuǎn)換后連接到單片機的串口，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，單片機的晶振頻率最好選用11.0592MHZ，有利于正確傳輸數(shù)據(jù)12。 圖5 遠程通信電路5 系統(tǒng)軟件設計5.1 顯示屏主體顯示本設計采用LED點陣顯示屏設計方案，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

40、在ROM內(nèi)部的站點信息讀出，送至單片機的RAM，初步的進行漢字點陣轉(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、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。 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，能達到更好的顯示效

41、果。主程序在開始的時候設置要顯示的效果，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理程序，對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行效果處理，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。 圖8 顯示效果流程圖 5.3 遠程通信設計在遠程通信程序中單片機主要完成接收PC機通過串口發(fā)送過來的公交車站點數(shù)據(jù)。采用中斷接收方式。在中斷服務子程序中，為了區(qū)別所接收的信號是聯(lián)絡信號還是字節(jié)數(shù)、是數(shù)據(jù)還是校驗和，需要對接收到的數(shù)據(jù)進行辨別。首先在主程序開始中進行設定，若接受到的是01H，則判定為接收聯(lián)絡信號；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；

42、接收到的是04H，判定為接收數(shù)據(jù)開始標志信號；接收到05H，判定為結(jié)束接收數(shù)據(jù)標志信號13。程序在初始化后，首先調(diào)用單片機內(nèi)部ROM區(qū)存儲的站點信息，當有遠程通信的數(shù)據(jù)到來時候，先將接收到的數(shù)據(jù)送到單片機內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，進行數(shù)據(jù)辨別和處理之后，再送到外部的E2 ROM中，將這些處理之后，再開始調(diào)用外部存儲器的站點信息。單片機遠程通信程序的流程圖如圖16所示。設置STC89C516RD+的串行口工作于第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志位，8位數(shù)據(jù)放在四位標志位之后，接收時存入RB8，發(fā)送時取TB8中的值，由硬件自動完成。波特率設定為9600bps，串行