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第2章 总体方案设计

2.1 功能
实现的功能：
（1）逐字显示
（2）向左向右显示滚动
（3）可加速，可减速
2.2 方案设计
2.2.1 选择显示单元
单独显示一个文字不得少于1616点阵才可以完整被显示出来，为了能更清晰、在远距下看到显示内容效果，设计使用了4个88点阵像素直径5mm红色的LED点阵组成的1616点阵的LED阵列，使得所有内容都能够得到更好的显示效果，可在约远50米处都可以清晰看到。而显示一行文字时，则额外需要1616红色点阵滚动显示，例如本设计显示内容为“我们毕业了！”
2.2.2 动态扫描显示方式
理论上，不论是显示字符或图像，我们都在可以在发光二极管装置设上对应的每个点去构成图案或字符。在88点阵的配置中，实际显示要大得多，需要成本非常高，因此常使用另一种动态扫描显示方式。
动态扫描是指在一个时间上的一个线只需转动，使得扫描驱动电路可以实现相同的名称的多个行（例如8行）和共享一组驱动器。对于88网格，连接的LED的所有相同的行的阳极一起，并连接所有的LED的同一行的阴极（共同阳极连接），首先发出的发光和锁存器中的第一行的对应的数据，然后选择第一行点亮一定时间，然后熄灭，然后数据和锁存器的第二行被发送出去，然后在第二行被选择为光将为同一时间，然后熄灭；依次进行直至第八行后，第一行是重新点燃，然后重复。当此周期是足够快（每秒超过24倍），在屏幕上延时停留的图形可以被人的视觉所暂时保留。
2.2.3 单片机型号的择优考虑
因设计需求要实现在显示屏上左右滚动，且传输方式为串行方式，所以优先考虑8位单片机。一般来说，最常用的8位单片机有两个系列分别是：51系列、AVR系列，这两种系列皆可满足实验的实现，但在综合这两款单片机的优缺点上，AVR系列的时钟频率最高只有16MHz，而恰好熟悉的51系列的STC89C51RC单片机是我们熟悉的一个型号，其时钟频率能达到80MHz，不会造成资源的浪费，且价格低，具有较强的兼容性，是实验的最佳选择。

第3章 系统硬件设计

3.1 硬件整体设计概述及功能分析
显示系统的具体设计主要是主机、通信系统、单片机系统、解码电路和带有16×16点显示器的攻击电路。下面描述了一个特定的过程。高级PC和控制指令，以及通过通信系统发送到显示单片机的代码内容。单片机代码经过处理并显示为一个命令，通过I/O端口和解码控制电路显示显示内容的代码是一个连续的输出到串行并行转换和平行输出。最后，通过显示驱动电路的电压和电流处理，可以获得用于LED显示的显示电流。
根据硬件的功能结构图选择合适的设备。该设备不仅需要实现所需要的功能，但也与整个系统兼容。查询资料和最终硬件原理后，如图3-1。

图3-1 硬件整体设计
该系统具有以下功能和要求：
1）LED屏幕的表面必须能完整地显示不少于一个汉字字符，且显示必须足够的清晰易见。
2）驱动电路必须提供可以在LED显示要求范围内必要的Voltage和Electricity。
3）译码和解码电路必须满足单片机和驱动电路对高低频率输入和输出的识别要求。
4）单片机应能接收计算机指令和显示内容，并能控制LED屏幕，端口的运行能力应当足以启动解码电路。应用程序也必须满足扫描频率的最低要求。
5）MCU是可以从ISP下载程序和得到供电电源，所以不需要再建额外电源。
6）通过串行端口实现单片计算机和主计算机之间的通信。因此端口的通信速度和数据传输的可靠性如果无法满足显示要求的话，信息会无法正常进行传输影响运行结果。
3.2 控制单元设计
控制单元是整个显示系统的核心。该系统以51单片机为基本设备，与上位机发送的过程控制指令和显示内容进行通信。数据直接输出，控制解码电路中LED图像的显示内容和状态。
首先考虑选择单片机51系列中的合适型号作为控制单元的主控芯片。根据设计的要求，芯片必须具备易编程能力，能在软件设计里烧录程序进行编译。另外，选择的单片机的执行速度要尽可能地快，这样能提高LED显示器的扫描速度。因此，STC89C51RC被选择作为控制单元的主控制芯片。
3.2.1 STC89C51RC简介
STC89C51RC是一种低电压、高性能cmos8位和4KB微处理器的可擦除可编程只读存储器，通常称为微控制器存储器。由于八个CPU多功能和16GB的闪存都合并到单个芯片上，这是一个微型电脑有效集成控制系统，并提供了许多灵活、低成本的解决方案。因此，STC89C51RC芯片经常用于智能电子设计和生产。其结构图如图3-2。

图3-2 STC89C51RC结构图

第5章 作品测试

5.1 程序编写
Keil uVision4可以编写程序，测试程序，可以将汇编语言、C语言等高级语言进行编译，使得单片机能读写的语言。使用Keil uVision4软件进行程序编写，如图5-1。

图5-1 程序编写界面
（1）新建工程命名为led1616，并添加“AT89C51”单片机。因为Keil软件不支持STC，但可以选择AT代替，都是8051内核，两者可以通用。如图5-2所示：

图5-2 器件选择
（2）新建Text文件并命名为“led1616.c”，在“Target”中加载“led1616.c”文件，单击“close”按钮。如图5-3所示：

图5-3 加载文件
（3）在“led1616.c”文件中写入相关程序。如图5-4所示：

图5-4 编写程序
（4）查看编译结果无错误生成“HEX”文件。

图5-5 生成“HEX”文件
5.2仿真调试
（1）使用proteus(ISIS 7 Professional)进行电路模拟，出现如图5-6窗口：

图5-6 仿真界面
（2）从元件库中添加所需的元器件：如51单片机，4个8*8点阵模块，LCD1602显示屏，74HC595，排阻等，如图5-7：

图5-7 器件选择
(3)对各个模块和元器件进行布局和连接，连接最终结果如图5-8：

图5-8 器件连接
（4）把已经成功编译的ASCII文本文件，即“HEX文件”加载到STC89C51RC单片机上。
（5）点击“RUN”按钮运行仿真测试。
5.3仿真结果
经过认真的调整和修改，系统实现了题目所要求的中文字“我们毕业了”动态显示，如图5-8所示。

图5-8 仿真结果
关于设计所使用的Keil uVision4软件和Proteus模拟电路软件，两款软件皆是大学期间所学习了解的软件。通过这次设计，加深了我对软件的认识、使用。因为uVision4的编译和调试工具具有与ARM器件较好的兼容性这一特点，充分利用这一特点实现更好的程序开发。Proteus更是能最大限度的节约成本，同时更方便检查出电路的问题所在，先使用软件进行仿真开发成功后再进行实物设计，能缩短直接开发设计的时间，并极度提升设计效率。两款软件结合使用，使我对单片机系统的从虚拟到实际设计更容易掌握。
5.4 硬件调试
硬件调试主要是使用测试器件对实物进行检查，排查硬件中可能存在的问题，操作步骤如下：
①在未通电状态下，对照电路图认真检查已组装好的电子电路。使用万用表对各个引脚的连接点进行检查，检查电路的通阻是否和预期设计一样，同时检查所有VCC与GND是否有短路现象。因为在设计中使用了较多的“走锡”焊接和飞线焊接方式如图5-9，整体焊接比较错乱复杂。所以在检查时候，这一步需要使用万用表一一排查，消耗的时间也较长，发现存在很多虚焊的地方，此时要重新补锡焊接。

图5-9 走锡焊接与飞线焊接
②确保电路板无短路现象后，进行通电测试，观察元件是否冒烟、异常发烫等问题，如有异常情况发生需立刻断掉电源，重新一一检查，需额外检查发生异常的器件是否受损，应当立即更换。
5.5 整机的调试
完成软件和硬件的各部分调试后，还需要完成整机调试，就是将烧录程序到单片机运行，给予电源提供。但是功能并没有成功实现，又一次进行硬件检测，仍然发现是焊接时不小心把51单片机的两个引脚之间有焊锡存在导致的，经小心去除多余焊锡后，可以正常启动显示预期内容。后来考虑在远距离黑暗情况下，人的视觉感知反应时间会发生迟缓，看到的文字会不清晰，对此修改了程序中的延时程序，调整控制1帧的画面显示时间，得到了更好的效果显示。
5.6 设计期盼
随着课题的结尾，我对LED的理解也加深了。LED技术一直处于高速发展中，LED的应用也在我们的日常生活中常常见到。但对本课题的51单片机的点阵式LED电子显示屏的处理还是比较简单的方式，希望能完善到可以用通过无线传送改变显示内容的信息面板，及时更新显示实时信息，这样在面对紧急消息的通知、公告上，能够第一时间告知乃至全国人民，如在2020年新型冠状病毒抗疫阶段，某些疫情信息、防疫措施的全面公告上LED电子显示屏可以作为传递信息工具发挥极其重要的作用；甚至期望在未来LED显示屏的功能可以做到人声与文字的同译，在重要的会议上可以作为字幕显示屏。

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