1、 LED 汉字计时报讯屏参赛学生：* * *系 院：专 业： 摘要 LED 汉字计时报讯屏，以 AVR 单片机为核心，由键盘、驱动电路、LED 屏幕显示等功能模块组成。基于题目基本要求，本系统对驱动电路和动画显示进行了重点设计。本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。本系统不仅成功的实现了要求的基本功能,发挥部分也得到完全的实现,而且有一定的创新功能。 关键字： AVR 单片机 LED 显示屏 动态显示 可视化功能菜单1任务设计1.1 基本要求：设计并制作 LED 电子显示屏和控制器。1.1.1 自制一台简易 16 行
2、*64 列点阵显示的 LED 电子显示屏。1.1.2 自制显示屏控制器，键盘和相应的接口实现多功能显示控制，要求完成 61 分钟内的计时，并能在 16*64 点阵上实时显示计时时间，显示格式为 *：* 。1.1.3 显示屏能显示时间和对应的汉字内容，通过软件自动计时切换显示内容。1.1.4 能够实现清屏，启动，暂停以及关机功能。1.1.5 有顺计时和 60 分钟倒计时功能。1.1.6 对 LED 实现 4 级灰度控制。1.1.7 显示信息具有左移，右移等跑马灯显示效果。1.1.8 实现声音报讯功能。1.2 发挥部分：1.2.1 自制一台多功能的 16 行*64 列点阵显示的 LED 电子显示屏
3、。1.2.2 多种显示方式（包括显示信息的多少） 。1.2.3 实现信息的左滚屏上滚屏等显示方式，预存信息的定时循环显示。1.2.3 实现键盘对菜单的控制。1.3 创新部分1.3.1 增加开机动画，可自动，手动更新显示方式及显示内容。1.3.2 仿电脑界面，实现菜单多级控制1.3.3 实现定时等功能。1.3.4. 图片、动画、播放。2、方案论证2.1 显示部分:显示部分是本次设计最核心的部分，对于 LED8*8 点阵显示有以下两种方案：方案一：静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用 0 和 1 表示,若为 0 ,则表示 L ED 无电流,即暗状态 ;若为 1 则表示二极管被点亮。若给
4、每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有 L ED 的状态保持到下一幅画。对于静态显示方式方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。方案二：动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。动态显示方式方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素. 我
5、们通过实验发现, 当扫描刷新频率 (发光二极管的停闪频率) 为 50Hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感 .。 鉴于上述原因, 我们采用方案二 我们采用的 8*8 点阵 LED 外观及引脚图：8*8 点阵 LED 外观及引脚图等效电路图2.2 芯片的选择方案一：采取并口输入，占用大量 I/O 口资源方案二：选取串口输入，使用较少。所以我们选用串口输入。串口输入我们可以选用芯片有 74HC595。为扩展 I/O 又加 74HC154,154 本身又有驱动力，为了使点阵亮度更高，所以我们行驱动采用了 CMOS 管 8550 三极管作为驱动，由于 8550 的驱动电流比
6、较大，所以驱动力更强，驱动后点阵的亮度更高。方案一：实现时间定时功能，可以用定时器来实现，通过定时器计数实现。但对于启动考试系统时，需要把握准时间。这一点在现实中变得很不方便。方案二：采用 ds1302 芯片实现时间功能，只要设置初始时间，定时考试，方便快捷。所以我们选择了方案二。2.3 中央控制芯片选择方案一：采用 FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，集成度高，稳定性好，易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度。但本系统不需复杂的逻辑功能，对数据处理的速度要求也不高，FPGA 高速处理的优势得不到体现；并且由于其集成度高，
7、成本也偏高。同时由于芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。因此我们放弃了这个方案。 。方案二：采用单片机作为控制器。单片机算术功能强，软件编程灵活，自由度大，而且功耗低，体积小，技术成熟，成本也低。基于以上分析，拟定方案二。我们选用了 ATMEL 公司的 AT mega16 单片机作为系统的控制器，其主要特点有： AVR 单片机便于升级，AVR 程序写入可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作。 AVR 单片机是高速嵌入式单片机，具有高速、低耗、保密的特殊性能。 AVR 单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周
8、期内执行。 中断响应速度快。AVR 单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。 I/O 口功能强,具有 A/D 转换电路,，AVR 单片机的 I/O 口是真正的 I/O 口，能正确反映 I/O 口输入/输出的真实情况。 AVR 单片机内带模拟比较器，I/O 口可用作 A/D 转换，可组成廉价的 A/D 转换器。ATmega16 器件具有 8 路 10 位 A/D。 AVR 单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱( 飞 ),提高了产品的抗干扰能力。 具有掉电标志 POF 和掉电状态下的中断恢复模式。 由此可见，该单片机能较好的完成题目所
9、要求的各项功能。2.4 键盘选择方案一：采用独立式键盘。由于各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键被按下。不仅如此，我们仅用了四个按键就实现了对整个 LED 显示屏的各种功能的操作控制。此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。方案二：采用行列式键盘。它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行线信号和列线信号分别通过两个接口和 CPU 相连，通过行列扫描法判定按键的位置，此方案适用于按键较多的场合。方案三：采用并串转换。将口线数据输入到单片机的串行口，利用串行通信方式 0 扩展键盘接口，这样节省了 IO 口，但牺牲了速度。综合考虑，采用方案
10、一。3、总体方案3.1 工作原理:利用单片机 AT mega16 单片机作为本系统的中控模块。点阵 LED 电子显示屏显示器为主要的显示模块，把单片机内部的数据显示出来,并且可以实现滚动显示。在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。3.2 总体设计设计总体框图如图4、系统硬件设计（单元电路设计及分析）4.1 AT mega16 单片机最小系统：最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分。下图为 AT mega16 单片机的最小系统。电源系统框图AT mega16键盘输入控制LED 大屏幕显示4.2 键盘模块键盘模块：为了使软件编程简单，每个按键都通过一个 4.7K 的上拉电阻
11、接电源+Vcc,按键的另一端接地。当有键按下时，与该键相连的 P1 口的相应位变为低电平，单片机检测到该变化后即转到相应的键处理程序，同时在程序中点亮 LED 点阵。模块电路如图4.3 LED 显示模块键盘电路最小系统电路图点阵数据串行输入, 器件为 移位寄存器 74HC595，用于位选信号寄存 , 由 8550 点亮各列,64 列中每次只有一列被驱动, 采用逐列扫描方式。对于字符和图形显示也可以用点阵处理, 其显示原理和方法相同.电路如图LED 显示电路4.4 整体电路系统整体电路如下：图 9 整体电路5、系统软件设计5.1 主程序如图确定实现功能返回关机结束5.2 显示子程序流程如图开始启
12、动主菜单功能选择开始查找显示汉字数据放入 RAM 中将 数 据 传 入 74HC595列扫描64 列是否扫完返回6、测量及其结果分析6.1 基本部分测试与分析6.11 测试仪器：秒表 、万用电表、软件仿真、PC 机6.12 基本要求部分的测试与分析：（1）系统上电后，显示“请稍后”几秒后显示“大雁开机动画”此后默认进入时间显示（包括、年、月、日、时间、星期） 。（2）对于按键可以实现的功能，逐一对其进行测试。（3）显示方式及内容与理论相符。6.2 发挥部分测试与分析6.21 可视化多级功能菜单显示方式分别演示 ，与理论相符。6.3 创新部分测试与分析6.31 分别进入各级子菜单进行测试（1）动
13、画演示，与理论相符（2）音乐播放演示，与理论相符（3）图片播放演示，与理论相符（4）闹钟演示，与理论相符7、设计总结在整个设计中我们做了很多的实验，在一开始我们用了 74HC154 作为位选，可是在实验中发现驱动电流很弱，以至于点阵不亮，我们不惜麻烦又从新设计了方案。以此，我们总结出方案的选择的重要性。我们也体会到了团队的力量。在这次大赛中我们学到了很多东西。8、参考资料1基于单片机结构的智能系统设计与实现 沈红卫 编 电子工业出版社2单片机原理与接口技术 黄惠媛 编 海洋出版社3单片机应用技术 周平 伍云辉 编 电子科技大学出版社48051 单片机实践与应用 吴金戌 沈金阳 郭庭吉 编 清华大学出版社5 AVR 单片机原理及测控工程应用 刘海成 编著 北京航空航天大学出版社6 基于 51 系列单片机的 LED 显示屏开发技术 靳桅 邬芝权 李骐 刘全 编著北京航空航天大学出版社7 C 语言程序设计 主编 郭浩志 北京邮电大学出版社
