魏麗
【摘要】本論文介紹了點(diǎn)陣式字母電子顯示屏的硬件電路設(shè)計(jì)原理與軟件設(shè)計(jì)方案,采用SPCE061A系列單片機(jī)芯片,得到了一個(gè)能夠顯示1個(gè)字母或一個(gè)數(shù)字的8*8 的并可以根據(jù)需要擴(kuò)展的LED點(diǎn)陣式顯示屏。論文中硬件電路決定了LED點(diǎn)陣屏是以動(dòng)態(tài)的方式點(diǎn)亮, 流動(dòng)是以位進(jìn)行的, 與字母模存放的形式有關(guān)。首先使雙色點(diǎn)矩陣整屏點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;再使綠色整屏點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;再使紅色整屏點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;接著依次顯示英文字符 A,B,C,D;然后使英文字符從左到右、從右到左、從上到下、從下到上動(dòng)態(tài)顯示;最后在屏幕上顯示“鐘表”圖案并循環(huán)。
【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 電子顯示屏 硬件電路 軟件設(shè)計(jì) 主函數(shù)
LED字母、數(shù)字、漢字點(diǎn)陣式顯示系統(tǒng)是集信息技術(shù)、電子技術(shù)、光電技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品,具有高穩(wěn)定性、低耗能、高亮度、長(zhǎng)壽命、高清晰度和更新方便等特點(diǎn),以廣告宣傳或傳遞信息的載體等方式廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所。
本論文在實(shí)驗(yàn)室條件允許的情況下,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)能顯示1 個(gè)字母的8 *8 的LED點(diǎn)陣式顯示屏。該系統(tǒng)以SPCE061A系列芯片為核心,結(jié)合軟件實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)字母的顯示、跳屏及自檢等功能。
一、凌陽16位單片機(jī)的概述
1.1單片機(jī)SPCE061A的概念。SPCE061A 是繼μnSPTM系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是,在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能,SPCE061A 是凌陽科技公司μnSPTM (Microcontroller And Signal Processor) 系列產(chǎn)品中的16位微控制器芯片, 內(nèi)置32k閃存, 其較高的處理速度使芯片能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào), 適用于數(shù)字語音識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域。在2.6V~3.6V工作電壓范圍內(nèi), SPCE061A 的工作速度范圍為0.32~49.152MHz, 具備8通道10位ADC 輸入功能,內(nèi)置的具有自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)輸入功能,雙通道10位DAC音頻輸出功能及A、B兩個(gè)I/O口輸入輸出功能。
1.2發(fā)展單片機(jī)SPCE061A的必要性。凌陽SPCE061A單片機(jī)不僅具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴(kuò)展;較強(qiáng)的中斷處理能力;高性能價(jià)格比;低功耗、低電壓等優(yōu)點(diǎn)外,還有很強(qiáng)的模塊化,例如:位操作模塊、自動(dòng)語音錄音以及播放模塊。另外,它還配有專門的編譯環(huán)境IDE,這些都為軟件的設(shè)計(jì)提供了方便。在硬件方面,單片機(jī)有輸入輸出端口,這就方便了單片機(jī)與機(jī)器人、計(jì)算機(jī)的連接。利用凌陽SPCE061A單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的主控板,驅(qū)動(dòng)機(jī)器人中的五個(gè)電機(jī)和機(jī)器人頭部的揚(yáng)聲器。另外增加了特定人語音識(shí)別的功能,通過命令來控制機(jī)器人,使機(jī)器人智能化。
SPCE061A單片機(jī)耗電少,可以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求,低能耗也是電子技術(shù)一直在追求的一個(gè)目標(biāo)。SPCE061A單片機(jī)可方便的用來實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放,Midi音樂合成和語音識(shí)別,相比別的單片機(jī)比較有特色。SPCE061A單片機(jī)可方便的完成一系列乘加的運(yùn)數(shù),實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易,別的單片機(jī)一般都不具備這種功能。SPCE061A單片機(jī)芯片里具備在線仿真調(diào)試電路,使調(diào)試和程序下載更加方便,也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來了。單片機(jī)體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜,為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí),學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。
1.3單片機(jī)SPCE061A的應(yīng)用領(lǐng)域。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域,幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置,飛機(jī)上各種儀表的控制,計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸,工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理,廣泛使用的各種手機(jī)、充電器、電話、電風(fēng)扇、錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制,以及程控玩具、電子寵物等等,這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此,單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。
二、基于單片機(jī)SPCE061A的字幕機(jī)
2.1字幕機(jī)背景介紹
2.1.1點(diǎn)矩陣的種類及結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在市面上已出現(xiàn)很多有關(guān)點(diǎn)矩陣顯示器的商品,如廣告活動(dòng)字幕機(jī)、股票顯示板、活動(dòng)布告欄等。它的優(yōu)點(diǎn)是可按需要的大小、形狀、單色或彩色來組合,可與微處理器連接,做各種廣告性文字或圖形變化。 何謂點(diǎn)矩陣顯示器?其實(shí)它是由 LED按矩陣方式排列而得名。 點(diǎn)矩陣顯示器的種類,可分為 5*7、5*8、6*8、8*8 等 4 種;而按 LED 發(fā)光變化顏色來分,可分為單色、雙色、三色;按LED的極性排列方式又可分為共陽極與共陰極,其結(jié)構(gòu)如所示。以 5*7點(diǎn)矩陣為例,一般市售注明 CA-P(共陽極)、CC-P(共陰極)。
本論文設(shè)計(jì)采用共陰極為L(zhǎng)ED的外形及共陰極LED的陣列結(jié)構(gòu)。通過編程控制各顯示點(diǎn)對(duì)應(yīng)LED陽極和陰極端的電平,就可以有效的控制各顯示點(diǎn)的亮滅。
三、結(jié)論
3.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境
3.2μnSP集成開發(fā)環(huán)境
本論文的實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境為unSP IDE 2.0.0。
IDE2.0.0作為μnSP IDE 工具截止現(xiàn)在(2005-11-11)最新的一個(gè)版本,它不但繼承以前版本IDE的特點(diǎn),同時(shí)增加了一些新的功能,集納了眾多用戶在使用μnSP IDE 過程中提出的一些意見,并包含了一些新的例程。 IDE2.0.0 在編譯優(yōu)化、代碼查錯(cuò)定位等方面都有了一定的進(jìn)步,用戶在使用本版 IDE 時(shí),應(yīng)該可以體會(huì)到,其對(duì)代碼的嚴(yán)謹(jǐn)性有了更高的要求。而在新版 IDE 的各個(gè)方面,都有所加強(qiáng),用戶在使用過程當(dāng)用會(huì)有所體會(huì)。 新添加功能、加強(qiáng)原有功能等, 都沒有改變 unSP IDE 一慣的使用方法, 所以用戶可以參考 unSP IDE184的用戶手冊(cè),以學(xué)習(xí)μnSP IDE 的基本操作及相關(guān)知識(shí),這在 IDE2.0.0 的使用當(dāng)中是保持不變的。
μnSPTM 集成開發(fā)環(huán)境集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試以及仿真等功能為一體。具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等,使編程、調(diào)試工作方便且高效。此外,它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模擬硬件的各項(xiàng)功能來調(diào)試程序。
3.3 硬件原理
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在這里使用 8*8 雙色點(diǎn)矩陣進(jìn)行說明。
根據(jù)題目要求畫出系統(tǒng)框圖,參考如下:
在程序中控制點(diǎn)矩陣按照從左到右依次顯點(diǎn),最后可以得到字符‘A。具體說來先顯示第一幅圖片持續(xù)一小段時(shí)間(在程序中使用 4KHz 的時(shí)基信號(hào)進(jìn)行掃描,即持續(xù) 1/4096 秒) ,然后再顯示第二幅圖片,顯示第三幅圖片,顯示第四幅圖片,顯示第五幅圖片,然后再重新顯示第一幅圖片……這樣一直循環(huán)進(jìn)行。由于掃描的時(shí)間非??欤瑧?yīng)用視覺效應(yīng),就可以看見字符‘A。
點(diǎn)陣式字母顯示屏的結(jié)構(gòu)。電路包含電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、單片機(jī)控制電路、記錄電路、驅(qū)動(dòng)電路和 LED點(diǎn)陣屏顯示電路等七大部分。電源電路通過變壓元件為整個(gè)電路提供5V的工作電位,復(fù)位電路可在需要時(shí)為單片機(jī)手動(dòng) 復(fù)位清零 ,使整個(gè) 電子顯示屏初始化;時(shí)鐘電路是單片機(jī)的工作驅(qū)動(dòng)電路;單片機(jī)內(nèi)的程序控制著整個(gè)電路,其輸出通過譯碼器SN74LS154譯碼作為點(diǎn)陣屏的驅(qū)動(dòng);記錄電路記錄單片機(jī)的工作特性,當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)報(bào)警,亦即報(bào)警電路;驅(qū)動(dòng) 電路包含陽極驅(qū)動(dòng)和陰極驅(qū)動(dòng) ,分別驅(qū)動(dòng)\點(diǎn)陣屏陽極和陰極。譯碼器 SN74LS154的輸出經(jīng)三極管 TP后的輸出為陽極驅(qū)動(dòng),移位寄存器 SN74LS595 的輸出為陰極驅(qū)動(dòng),從而使整個(gè)點(diǎn)陣屏顯示電路正常工作,顯示出所要求的字母或漢字。
在主函數(shù)流程圖中調(diào)用點(diǎn)亮整屏顯示包括紅色與綠色,調(diào)用顯示字符,調(diào)用動(dòng)態(tài)效果,調(diào)用顯示時(shí)鐘等函數(shù)。
先對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行初始化;循環(huán)掃描亮 8行LED( 稱點(diǎn)亮一幀圖象);一幀圖象掃描完畢后, 列指針向右移動(dòng) 1位, 再掃描下一幀圖象。為了控制字母共動(dòng)的速度, 有時(shí)候要對(duì)一幀圖象掃描數(shù)次后才將列指針移位……依次類推,列指針共向右移動(dòng) 8位。這樣,主觀上感覺到圖象向左滾( 移) 動(dòng);移動(dòng)一個(gè)字母( 列指針右移 8位)后,字指針向下一個(gè)字母。再重復(fù)上述過程。這樣,我們就能在顯示屏上看到持續(xù)不斷的滾動(dòng)字母信息了。
顯示字符函數(shù)、向左、向右、向上、向下移動(dòng)字符函數(shù)中對(duì)計(jì)數(shù)變量進(jìn)行初始化,對(duì)這幾種模式用變量進(jìn)行標(biāo)識(shí),初始化需要顯示的字符指針,初始化列掃描指針。
3.4軟件設(shè)計(jì)方案
硬件電路決定了LED點(diǎn)陣屏是以動(dòng)態(tài)的方式點(diǎn)亮, 流動(dòng)是以位進(jìn)行的, 與字母模存放的形式有關(guān)。表1是以左移位,橫向字母,從上往下方式取模。來說明流動(dòng)程序算法。
設(shè)計(jì)基本思路
第一步: 先對(duì)相關(guān)變量進(jìn)行初始化。
第二步:循環(huán)掃描亮 8行L E D( 稱點(diǎn)亮一幀圖象)。
第三步: 一幀圖象掃描完畢后, 列指針向右移動(dòng) 1位, 再掃描下一幀圖象。為了控制字母共動(dòng)的速度, 有時(shí)候要對(duì)一幀圖象掃描數(shù)次后才將列指針移位……依次類推, 列指針共向右移動(dòng) 8位。這樣, 主觀上感覺到圖象向左滾( 移) 動(dòng)。
第四步: 移動(dòng)一個(gè)字母( 列指針右移 8位)后,字指針向下一個(gè)字母。再重復(fù)上述過程。這樣 , 我們就能在顯示屏上看到持續(xù)不斷的滾動(dòng)字母信息了。
四.實(shí)驗(yàn)步驟
4.1 設(shè)計(jì)思路
4.1.1 如何用單片機(jī)寫字母顯示器的系統(tǒng)
LED點(diǎn)陣電子顯示屏我設(shè)計(jì)兩種方案:
方案一:采用可編程邏輯器件作為核心控制器產(chǎn)生LED點(diǎn)陣的行、列驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于該系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)信息的顯示,還要具備鍵盤控制器、顯示亮度連續(xù)可調(diào)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示、與PC機(jī)通訊等功能及其他發(fā)揮功能,這就要求需要用中大規(guī)模的PLD,設(shè)計(jì)多個(gè)接口電路,開發(fā)周期長(zhǎng),不易進(jìn)一步擴(kuò)展,同時(shí)系統(tǒng)的成本會(huì)急劇上升(相對(duì)于第二種方案)。因此,本設(shè)計(jì)并未采用這種方案。
方案二:采用單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。鑒于SPCE061A單片機(jī)比傳統(tǒng)的SPCE061A系列8位單片機(jī)具有更加豐富的資源,而且數(shù)據(jù)處理速度快,同時(shí)“61板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)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(fù)位電路等,體積小,可靠性高。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雙單片機(jī)系統(tǒng),一個(gè)主要用于完成多功能顯示控制功能,另一個(gè)主要用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示、實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)顯示、無線通訊以及其他的擴(kuò)展發(fā)揮部分功能,這樣提供了充足的內(nèi)部空間和更多的外部接口;同時(shí)由于安裝和調(diào)試工作可以并行進(jìn)行,極大地縮短了總體設(shè)計(jì)和制造的時(shí)間。
4.1.2 點(diǎn)陣信息提取方案
將標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)陣信息字模數(shù)據(jù)的字庫文件(本系統(tǒng)中采用漢字庫文件HZK16、ASCII碼庫文件ASC16)裝入外擴(kuò)ROM存儲(chǔ)器,采用與PC機(jī)相同的編碼(機(jī)內(nèi)碼),先進(jìn)行基于PC機(jī)的預(yù)處理,提取需顯示內(nèi)容的機(jī)內(nèi)碼,通過串口發(fā)給單片機(jī),單片機(jī)首先進(jìn)行判斷,若是ASCII碼,則直接計(jì)算出起始地址,在ASC16文件中指定位置取出連續(xù)的16個(gè)字節(jié)即為其字模信息;若為漢字,單片機(jī)將機(jī)內(nèi)碼轉(zhuǎn)換為區(qū)碼和位碼,再計(jì)算出起始地址,在HZK16文件中指定位置取出連續(xù)的32個(gè)字節(jié)即為其字模信息,然后送到顯示器去顯示。另外,PC機(jī)與單片機(jī)之間串口通信只是傳輸機(jī)內(nèi)碼,而不是傳輸字模信息,傳輸信息量小,不需要復(fù)雜的通信協(xié)議。這樣既可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān),而且可以根據(jù)要求隨時(shí)改變顯示內(nèi)容,非常簡(jiǎn)單靈活。
4.1.3 硬件電路設(shè)計(jì)
在日常生活中,經(jīng)??梢钥吹礁鞣N各樣的電子顯示牌,有大型的也有小型的;有很多都是利用點(diǎn)陣LED 顯示器組合而成的,掌握點(diǎn)陣 LED 的原理及使用方法有助于了解這類產(chǎn)品的工作原理、設(shè)計(jì)思想等。
4.1.4 硬件和軟件設(shè)計(jì)
綜合所有資料,總體設(shè)計(jì)硬件部分和軟件部分。
使用點(diǎn)矩陣顯示字符以及動(dòng)態(tài)顯示效果,練習(xí)點(diǎn)矩陣顯示的基本使用。具體如下: 首先使雙色點(diǎn)矩陣整屏(包括紅色與綠色)點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間(大約 1 秒) ,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;再使綠色整屏點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;再使紅色整屏點(diǎn)亮并持續(xù)一小段時(shí)間,然后全部熄滅并持續(xù)一小段時(shí)間;接著依次顯示英文字符 A,B,C,D;然后使英文字符從左到右、從右到左、從上到下、從下到上動(dòng)態(tài)顯示;最后在屏幕上顯示“鐘表”圖案并循環(huán)。
實(shí)驗(yàn)中獲得的點(diǎn)陣式字母或數(shù)字電子顯示屏是以SPCE061A系列單片機(jī)為核心控制點(diǎn)陣的顯示與流動(dòng)。 可顯示1個(gè)字母、數(shù)字或漢字。 且在必要時(shí)可變通地增加 8*8 LED顯示牌擴(kuò)展到 4個(gè)或更多個(gè)字母的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過跳線決定要顯示的內(nèi)容, 設(shè)計(jì)所需的部件較少。 原理簡(jiǎn)單 ,具有設(shè)計(jì)先進(jìn)、顯示活潑、可動(dòng)態(tài)滾動(dòng)顯示字母或圖案的能力。除此之外該系統(tǒng)還具有自檢功能,通過報(bào)警聲的不同,識(shí)別不同的故障。