基于LED點(diǎn)陣顯示屏的實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

楊楠

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

許多高職、專(zhuān)科院校都會(huì)采用實(shí)踐教學(xué)的方式來(lái)提高對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，但長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的探索相對(duì)薄弱，課程設(shè)計(jì)存在缺陷。使得學(xué)生本身對(duì)實(shí)踐教學(xué)的興趣不高，認(rèn)識(shí)不深，無(wú)法將實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容與課本上所學(xué)的知識(shí)以及社會(huì)需求有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，導(dǎo)致實(shí)踐教學(xué)效果不明顯，嚴(yán)重影響了學(xué)生動(dòng)手能力的提高，甚至成為了制約高職發(fā)展的瓶頸所在。本文通過(guò)詳細(xì)描述LED電子控制電路的整個(gè)過(guò)程設(shè)計(jì)，通過(guò)讓學(xué)生自己動(dòng)手從設(shè)計(jì)電路到PCB制作，再到元件焊接以及電路調(diào)試，最終生產(chǎn)出自己的作品。通過(guò)這一系列連續(xù)的工作，使學(xué)生切實(shí)感受到成就感，提升動(dòng)手能力，力求使學(xué)生對(duì)于電子設(shè)計(jì)產(chǎn)生興趣，進(jìn)而為以后的電子設(shè)計(jì)大賽進(jìn)行人才選拔。

1 LED點(diǎn)陣功能要求

由于8X8點(diǎn)陣的發(fā)光二極管個(gè)數(shù)較少（64個(gè)），無(wú)法完成一些復(fù)雜漢字和符號(hào)的顯示任務(wù)，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中常用16X16點(diǎn)陣顯示一個(gè)漢字，這樣的漢字顯示較為清楚也是目前LED廣告牌的常用顯示方式。顯示屏的各個(gè)工作方式包括對(duì)文字和圖形的顯示有移入移出、靜止等。（此前需要掌握單片機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)、電路分析和焊接能力，熟練掌握電腦操作）。

2 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于LED掃描方式擬采用行列驅(qū)動(dòng)方式控制，按字節(jié)存放，由于并行傳輸所需總線數(shù)量過(guò)大，因此采用串行傳輸疊加處理的方法。也就是在將當(dāng)前行各列數(shù)據(jù)顯示輸出的同時(shí)，將下一行的各列數(shù)據(jù)傳送進(jìn)來(lái)。為了起到疊加處理的效果，鎖存功能在列數(shù)據(jù)的顯示當(dāng)中就顯得尤為重要。

3 電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)當(dāng)中的單片機(jī)采用AT89S51芯片的最小應(yīng)用系統(tǒng)，主要包括單片機(jī)電路模塊、振蕩電路模塊、復(fù)位電路模塊、電源接口模塊以及不低于12 MHz頻率的晶振（波特率為1MHz），來(lái)獲得較高的刷新頻率，使顯示更加穩(wěn)定。并采用單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)連接方式，主要包括單片機(jī)電路，振蕩電路，復(fù)位及接口電源模塊。復(fù)位電路采用上電復(fù)位與鍵控復(fù)位相結(jié)合的方式以處理突發(fā)情況。單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分別與列驅(qū)動(dòng)（74LS154）的 A，B，C，D 引腳相連，用以選通每一列。P1口與P2口與行驅(qū)動(dòng)器相連，用來(lái)輸出數(shù)據(jù)；P3空閑，可擴(kuò)展系統(tǒng)的ROM。

1）單片機(jī)電路模塊

首先在原理圖當(dāng)中放置40腳的IC芯片[1]，用來(lái)放置單片機(jī)，然后將 P0 口（管腳 32～39），P1 口（管腳 1～8）P2 口（管腳 21～28）P3口（管腳 10～17）分別引出排陣用于系統(tǒng)擴(kuò)展。

2）復(fù)位電路模塊

單片機(jī)復(fù)位電路形式多種多樣，本文采用按鍵式復(fù)位電路，電路連接如圖1所示，首先將104電容的一端、電解電容的負(fù)極和10 kΩ電阻的一端均與單片機(jī)的9號(hào)管腳相連接；然后將電解電容的另一端接電源VCC，10 kΩ電阻的另一端接地；最后將104電容的另一端與復(fù)位開(kāi)關(guān)相接，復(fù)位開(kāi)關(guān)的另一端接電源。復(fù)位開(kāi)關(guān)共有4個(gè)管腳，在接線時(shí)時(shí)選擇對(duì)角線接法即可[2]。

3）振蕩電路模塊

電路連接如圖2所示，首先將12 MHz的晶振兩端與單片機(jī)的18腳、19腳分別相連接；然后將兩個(gè)22 pF的電容的一端與晶振的兩個(gè)管腳相接；最后將兩個(gè)電容另一端分別接地即可。

圖1 復(fù)位電路模塊Fig.1 Reset circuitmodule

圖2 振蕩電路模塊Fig.2 Oscillation circuitmodule

4）電源接口模塊

在單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)板上設(shè)計(jì)電源接口模塊，此模塊利用通用12 V電源接口供電，經(jīng)轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、散熱后提供+5 V的電源VCC供系統(tǒng)使用，具體電路圖如圖3所示。單片機(jī)的31管腳接電源表示使用片內(nèi)ROM。

圖3 電源接口模塊Fig.3 Power interfacemodule

其中，16X16點(diǎn)陣需要用到32個(gè)引腳，因此并不適合直接連接單片機(jī)輸出引腳，這里采用了4－16譯碼器74LS154作為譯碼電路再采用595作為串行輸入8位并行輸出的移位寄存器控制輸出[3]。

列驅(qū)動(dòng)電路由三極管9013構(gòu)成，在74LS154選通某一列的同時(shí)會(huì)輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過(guò)三極管放大輸送到點(diǎn)陣的列管腳。

單片機(jī)的P1口與P3口，直接輸出送顯數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過(guò)三極管9013放大后與點(diǎn)陣的行相連，根據(jù)原件參數(shù)可知每一發(fā)光二極管發(fā)光電流為8mA，而每一行需要16個(gè)LED發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光時(shí)，需要128 mA電流，選用三極管9013作為驅(qū)動(dòng)便可滿(mǎn)足要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)分層設(shè)計(jì)的思想，將LED屏的系統(tǒng)軟件分為兩部分：顯示驅(qū)動(dòng)程序作為底層驅(qū)動(dòng)程序是第一層；控制上層系統(tǒng)的應(yīng)用程序是第二層，用來(lái)建立狀態(tài)機(jī)模型，用來(lái)產(chǎn)生列掃描信號(hào)和其他控制信號(hào)，并通過(guò)顯示驅(qū)動(dòng)程序向點(diǎn)陣發(fā)送需要顯示的數(shù)據(jù)，配合完成發(fā)光二極管顯示屏的顯示掃描工作。系統(tǒng)應(yīng)用程序則根據(jù)接收處理程序所生成的狀態(tài)機(jī)判斷所應(yīng)該顯示的狀態(tài)，完成系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)置（初始化）。由主程序來(lái)實(shí)現(xiàn)效果處理。整個(gè)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序開(kāi)始以后，首先是對(duì)系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置定時(shí)器、串行控制寄存器SCON、中斷和端口；然后判斷來(lái)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)。本項(xiàng)目中移位寄存器采用串行通信方式0，TB8和RB8均設(shè)置為0，因此SCON的值為0x00[4]。整體程序流程圖如圖4所示。

其中漢字顯示可以使用取模軟件實(shí)現(xiàn)，將生成的漢字代碼直接考入寫(xiě)好的程序當(dāng)中即可，學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人喜好任意設(shè)置需要顯示的漢字或語(yǔ)句，從而提升學(xué)生的興趣。

while（k

{ for（j=0；j<22；j++）

//每個(gè)字符顯示22次后顯示下一個(gè)，利用了視覺(jué)暫留太長(zhǎng)顯得不連貫，太短某些點(diǎn)還沒(méi)有點(diǎn)亮就熄滅，無(wú)法組成漢字

{n=0x00；

圖4 軟件詳細(xì)流程圖Fig.4 The flow chart of software

P1=n；

for（m=k*32；m

{ _nop_（）；//空循環(huán)延時(shí)

P2=in1[m]；m++；

//in1[]中存放字形碼

P0=in1[m]；_nop_（）；

n++；_nop_（）；

DelayMs （1）；//調(diào)用延時(shí)

}

n=0x00；

DelayMs（5）； //調(diào)用延時(shí)

for （m=k*32+16；m

{P1=n；_nop_（）；

P2=in1[m]；m++；

P0=in1[m]；_nop_（）；

n++；_nop_（）；

DelayMs （1）； //調(diào)用延時(shí)}

n=0x00；P1=n；

DelayMs （5）； //調(diào)用延時(shí)}

k++；}

4.2 項(xiàng)目仿真

為了進(jìn)一步提高實(shí)際制作PCB板的成功率，程序編寫(xiě)完成之后，在Keil編譯環(huán)境通過(guò)后，建議先用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[5]。

啟動(dòng)Proteus仿真軟件后，從元件庫(kù)中選出此次仿真所用到的元器件按照?qǐng)D5所示原理圖連接電路。

圖5 PCB制版圖Fig.5 The plate-making figure of PCB

在Proteus ISIS中將Keil產(chǎn)生的HEX文件加入AT89S52中，并仿真電路檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求。

5 PCB制作

本文使用protel99se作為PCB制作軟件[6]，指導(dǎo)學(xué)生從繪制原理圖入手，并利用常見(jiàn)封裝對(duì)元件進(jìn)行封裝，特殊元件手動(dòng)繪制元件封裝庫(kù)，最后生成SCH文件，在制作電路板時(shí)應(yīng)注意元器件間的走線及散熱需要預(yù)留適當(dāng)?shù)目臻g，原件布放應(yīng)考慮整體布局的美觀，相關(guān)原件應(yīng)盡量接近。布線時(shí)盡量在元器件背面板上，若實(shí)在困難則依據(jù)“正面橫線，背面豎線”原則，使得整體美觀。

授課當(dāng)中可以通過(guò)2課時(shí)來(lái)講解protel的基本應(yīng)用，從軟件的安裝到原理圖制作，再到最后的PCB設(shè)計(jì)以及SCH和PCB元件庫(kù)的制作。

實(shí)際操作當(dāng)中可通過(guò)學(xué)生實(shí)際設(shè)計(jì)PCB電路并完成布線，而在最后的電路焊接及調(diào)試過(guò)程中提供已經(jīng)設(shè)計(jì)好的統(tǒng)一的電路板供學(xué)生使用，圖5所示為PCB板電路圖，圖6為實(shí)際制作好的PCB電路板。

圖6 PCB實(shí)物圖Fig.6 The real figure of PCB

6 調(diào)試及性能分析

LED顯示屏硬件電路只要硬件質(zhì)量可靠，引腳焊接正確，一般無(wú)需調(diào)試即可以正常工作。從理論上來(lái)講，24 Hz以上的刷新率就能看到連續(xù)穩(wěn)定的顯示，刷新率越高，顯示越穩(wěn)定，同時(shí)刷新率越高，顯示驅(qū)動(dòng)程序占的CPU時(shí)間也越多。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證明，在肉眼條件下刷新率維持50 Hz以上時(shí)已基本可以滿(mǎn)足日常的顯示需求，然而當(dāng)刷新率增加到85 Hz以上時(shí)畫(huà)面顯示效果并沒(méi)有明顯改善。

本方案所設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣LED電子顯示屏電路，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，較易擴(kuò)展體積及色彩；且顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足；并且能夠穩(wěn)定的、清晰并且無(wú)串碼的顯示圖形文字；可完成顯示內(nèi)容的靜止、移出移入等多種顯示方式。

7 結(jié) 論

職業(yè)院校在實(shí)現(xiàn)陶行知提出的“生活即教育，社會(huì)即學(xué)校，教學(xué)做合一，在做中學(xué)”為核心觀點(diǎn)的生活教育理論方面有著得天獨(dú)厚的條件，可以通過(guò)安排大量實(shí)訓(xùn)時(shí)間來(lái)增加學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力以及對(duì)實(shí)驗(yàn)等設(shè)備的操作能力，突出專(zhuān)科、高職院校的特點(diǎn)努力培養(yǎng)高素質(zhì)的操作人員。因此，合理設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與目的就成了高職院校教職人員的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。本文正是基于這一目的，設(shè)計(jì)出了一款較為容易實(shí)現(xiàn)的LED點(diǎn)陣顯示電路，通過(guò)讓學(xué)生親自動(dòng)手參與從電路的設(shè)計(jì)到PCB制作，以及元件的焊接再到最后的整體調(diào)試，直至通過(guò)點(diǎn)陣顯示不同的漢字這一整套制作流程，讓學(xué)生們了解電路板的制作過(guò)程及原理，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，更重要的是通過(guò)文字的輸出提高同學(xué)們對(duì)電子技術(shù)課的興趣，真正做到學(xué)以致用，讓大家知道平日上課所學(xué)的理論知識(shí)在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中具體的運(yùn)用。同時(shí)，我們通過(guò)對(duì)參與本門(mén)實(shí)訓(xùn)的兩屆學(xué)生進(jìn)行的問(wèn)卷調(diào)查得出，學(xué)生們普遍覺(jué)得進(jìn)行這樣的實(shí)訓(xùn)很大程度上提升了他們的學(xué)習(xí)興趣，使大家覺(jué)得學(xué)有所用，這些都不是單純理論的學(xué)習(xí)能夠體會(huì)到的，同時(shí)也對(duì)今后課程的開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我們還對(duì)用人單位進(jìn)行了隨機(jī)走訪，從反饋情況來(lái)看，普遍認(rèn)為參與過(guò)本門(mén)實(shí)訓(xùn)的學(xué)生在對(duì)電子類(lèi)學(xué)科的學(xué)習(xí)中興趣明顯增強(qiáng)，在工作中也更愿意鉆研，動(dòng)手能力更強(qiáng)。因此我們得出開(kāi)設(shè)類(lèi)似這樣學(xué)生興趣濃厚的實(shí)訓(xùn)能夠有效的提升教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)提高學(xué)生們的動(dòng)手能力，在今后的課程設(shè)計(jì)中也應(yīng)加大力度研究開(kāi)設(shè)更多的類(lèi)似實(shí)訓(xùn)。

[1]余錫存.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

[2]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].4板.北京：高等教育出版社，2003.

[4]陳明熒.8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5]李光飛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6]及力.Protel 99SE原理圖與PCB設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.