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单片机点阵屏

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    第7章16×16点阵LED电子显示屏的设计 7.1功能要求 设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏,要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 7.2方案论证 从理论上说,不论显示图形还是文字,只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光,就可以得到我们想要的显示结果,这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16×16的点阵共有256个发光二极管,显然单片机没有这么多端口,如果我们采用锁存器来扩展端口,按8位的锁存器来计算,1 6×16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大,因为我们仅仅是1 6×16的点阵,在实际应用中的显示屏往往要大得多,这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几 ≠都不采用这种设计,而采用另一种称为动态扫描的显示方法。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮,这样扫描驱动电路就可以实现多行(比如16行)的同名列共用一套列驱动器。具体就1 6×16的点阵来说,把所有同l行的发光管的阳极连在一起,把所有同一列的发光管的阴极连在一起(共阳的接法),先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第l行使其燃亮一定的时间,然后熄灭;再送出第2行的数据并镇存,然后选通第2行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;-…·第16行之后,又重新燃亮第1行,腹轮回。当这样轮回的速度足够快(每秒24次以上),由于人眼的视觉暂留现象,就能看到 显示屏上稳定的图形了。 采用扫描方式进行显示时,每行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个列驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中,按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去,这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。显然,采用并行方式时,从控制电路到列驱动器的线路数量大,相应的硬件数目多。当列数很多时,并行传输的方案是不可取的。 采用串行传输的方法,控制电路可以只用一根信号线,将列数据一位一位传往列驱动器,在硬件方面无疑是十分经济的。但是,串行传输过程较长,数据按顺序一位一位地输出给列驱动器,只有当一行的各列数据都已传输到位之后,这一行的各列才能并行地进行显示。这样,对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备(传输)和列数据显示两个部分。对于串行传输方式来说,列数据准备时间可能相当长.在行扫描周期确定的情况下,留给行显示的时间就太少了,以致影响到LED的亮度。 解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题,可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时,传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的,列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析,可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备来说,它应能实现串人并出的移位功能;对于列数据显示来说,应具有并行锁存的功能。这样,本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时,串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据,而不会影响本行的显示。图7 .1为显示屏电路实现的结构框图。 图7.1 显示屏电路框图 7.3系统硬件电路的设计 硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分 7.3.1单片机系统及外围电路 单片机采用89C51或其兼容系列的芯片,采用24MHz或更高频率的晶振,以获得较高的刷新频率,使显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连,用来送显示数据。P1口低4位与行驱动器相连,送出行选信号;P1.5~P1.7口则用来发送控制信号。PO和P2 口空着,在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。16×16点阵显示屏的硬件原理图如图7 .2所示。 7.3.2列驱动电路 列驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位串人并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行各列数据的同时,传送下一行的列数据,即达到重叠处理的目的。 74HC595的外形及内部结构如图7.3所示。它的输入侧有8个串行移位寄存器,每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲,在其上升沿发生移位,并将SI的下一个数据打人最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端,也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打人信号,其上升沿将移位寄存器的输出打人到输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号,只有当其为低时锁存器的输出才开放,否则为高阻态。SCLR信号是移位寄存器的靖0输入端,当其为低时移位寄存器的输出全部为o。由于SCK和RCK两个信号是互相独立的,所以能够做到输人串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为QA~QH.最高位QH可作为多片74HC595级联应用时,向上一级的级联输出。但因QH受输出锁存器打人控制,所以还从输出锁存器前引出了QH’,作为与移位寄存器完全同步的级联输出。 7.3.3行驱动电路 单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LSl54译码后生成1 6条行选通信号线,再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列的LED进行显示,按每一LED器件20 mA电流计算,16个LED同时发光时,需要320 mA电流,选用三极管8550作为驱动管可满足要求。 7.4系统程序的设计 显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据,并产生各种控制信号,使屏幕按设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理,可把显示屏的软件系统分成两大层:第一层是底层的显示驱动程序,第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据,并负责产生行扫描信号和其它控制信号,配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置(初始化)、显示效果处理等工作,由主程序来实现。 从有利于实现较复杂的算法(显示效果处理)和有利于程序结构化考虑,显示屏程序适宜采用c语言编写。 7.4.1显示驱动程序 显示驱动程序在进人中断后首先要对定时器T0重新赋初值,以保证显示屏刷新率的稳定,1/16扫描显示屏的刷新率(帧频)计算公式如下: 刷新率(帧频)=1/16×T0溢出率 =1/16×fosc/12(65536—to) (7_1) 其中fosc为晶振频率,to为定时器T0初值(工作在16位定时器 模式)。 然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号,从显示缓存区内读取下一行的显示数据,并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象,驱动程序先要关闭显示屏,即消隐,等显示数据打人输出锁存器并锁存,然后再输出新的行号,重新打开显示。图7.4为显示驱动程序(显示屏扫描函数)流程图。 图7.4 显示驱动程序流程图 7.4.2 系统主程序 系统主程序开始以后,首先是对系统环境初始化,包括设置串口、定时器、中断和端口;然后以“卷帘出”效果显示一个图形(),停留约3 s;接着向上滚 动显示“我爱单片机”5个汉字及1个图形,停留约3 s;再向左跑马显示“我爱单片机”这5个汉字及1个图形,然后以“卷帘人”效果隐去图形()。由于单片机没有停机指令,所以可以设置系统程序不断地循环执行上述显示效果。 图7 .5是系统主程序的流程图。 图7.5 系统主程序流程图 7.5调试及性能分析 LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠,引脚焊接正确,一般无需调试即可正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定时器TO的溢出率和单片机的晶振频率决定,表7.1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。 表7. l 显示屏刷新率(帧频)与TO初值关系表(24MHz晶振) 刷新率/HZ 25 50 62.5 75 85 100 120 TO初值 0xEC78 0xF63C 0xF830 0Xf97E 0xFA42 0XFB1E 0xFBEE 从理论上来说,24 Hz以上的刷新率就能看到连续稳定的显示,刷新率越高,显示越稳定,同时刷新率越高,显示驱动程序占用的CPU时间也越多。实验证明,在目测条件下刷新率40 Hz以下的画面看起来闪烁较严重,刷新率50 Hz以上的已基本觉察不出画面闪烁,刷新率达到85 Hz以上时再增加画面闪烁将没有明显改善。 显示效果处理程序的内容及方法非常广泛,其调试过程在此不作具体讨论-读者可对照源程序自行分析。 这个方案设计的16×16点阵LFD图文显示屏,电路简单,成本较低,且较容易扩展成更大的显示屏;显示屏各点亮度均匀、充足;显示图形或文字稳定、清晰无串扰;可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。 7.6控制源程序清单 以下是16×16点阵LED电子显示屏的源程序,分别采用C语言及汇编语言编写。C程序在Keil μVision2 V2.30 (C51 .exe V7.0)环境下调试通过。

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