基于點(diǎn)陣顯示屏的單片機(jī)原理綜合實(shí)驗(yàn)*

王虹 龐姣 梁曉琳

(河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定 071002)

0 引言

單片機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制、儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，各高校都將單片機(jī)教學(xué)納入到教學(xué)計(jì)劃中，設(shè)置了多門相關(guān)課程[1]。《單片機(jī)原理》課程實(shí)踐性強(qiáng)，需要通過實(shí)驗(yàn)課上的實(shí)踐環(huán)節(jié)才能加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握[2]。為了讓學(xué)生掌握文獻(xiàn)檢索、硬件電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、焊接和系統(tǒng)調(diào)試的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與方法，以及Proteus、Keil uVision、Altium Designer等軟件的使用，設(shè)計(jì)了基于“點(diǎn)陣顯示屏”的單片機(jī)綜合型實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括點(diǎn)陣顯示屏的Proteus仿真設(shè)計(jì)和實(shí)物設(shè)計(jì)兩部分。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)基于51系列單片機(jī)和8×8 LED點(diǎn)陣的模塊化顯示電路，各模塊之間可級聯(lián)，可顯示漢字、字符和數(shù)字等常規(guī)信息。學(xué)生首先根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。在考慮實(shí)驗(yàn)室條件和成本的前提下完成芯片選型。確定總體方案后在Proteus軟件中設(shè)計(jì)仿真電路，在Keil uVision軟件中完成基于C51語言的程序編寫和調(diào)試。參考仿真電路完成實(shí)際電路的設(shè)計(jì)和制作，將程序下載到實(shí)物中調(diào)試功能。在實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。下面以單片機(jī)控制4級級聯(lián)的16×16LED點(diǎn)陣屏為例介紹具體的實(shí)驗(yàn)過程。

2 點(diǎn)陣顯示屏Proteus仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 顯示模塊驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

Proteus軟件是Lab Center Electronics公司推出的一款實(shí)用單片機(jī)仿真設(shè)計(jì)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation，EDA)工具軟件，可以在該軟件中繪制原理圖，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[3]。為了達(dá)到較好的漢字顯示效果，將4塊共陰極8×8LED點(diǎn)陣拼接成1塊16×16的LED點(diǎn)陣模塊，針對16×16的LED點(diǎn)陣模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的行列驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)控制電路。

采用STC89C52單片機(jī)作為核心器件設(shè)計(jì)點(diǎn)陣顯示模塊的控制電路，用來發(fā)送指令、控制顯示內(nèi)容，單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成[4]。

74HC154型4/16譯碼器是一款高速CMOS器件，可以接收4位高電平有效的二進(jìn)制地址輸入，并提供16個(gè)互斥的低電平有效輸出[5]。選用74HC154作為LED顯示模塊的行驅(qū)動(dòng)芯片，其16位譯碼輸出用來選通LED顯示模塊的16個(gè)行。

74HC595是8位串行輸入、并行輸出的移位緩存器[6]。選用2片74HC595級聯(lián)作為點(diǎn)陣顯示模塊的列驅(qū)動(dòng)芯片。在SHCP引腳的上升沿，串行數(shù)據(jù)由DS輸入到內(nèi)部移位緩存器，同時(shí)緩存器最高位的數(shù)據(jù)由引腳輸出。74HC595的并行輸出控制點(diǎn)陣的8個(gè)列，作為級聯(lián)引腳。

2.2 程序設(shè)計(jì)

顯示驅(qū)動(dòng)程序主要包括74HC595寫函數(shù)、中斷服務(wù)函數(shù)和主程序。將要顯示的字符輸入取模軟件得到相應(yīng)的16進(jìn)制編碼，保存在數(shù)組中。主程序首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入while循環(huán)等待中斷。在中斷服務(wù)函數(shù)中調(diào)用595寫函數(shù)寫入一行數(shù)據(jù)。為了保證動(dòng)態(tài)掃描顯示時(shí)可以看到穩(wěn)定的圖像，設(shè)置每2ms發(fā)生一次中斷。中斷使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，工作方式1(16位計(jì)數(shù)器)。單片機(jī)外部晶振為12MHz，定時(shí)2ms需要向TH0送入0xF8，向TL0送入0x30。74HC595寫函數(shù)中，單片機(jī)通過for循環(huán)將要寫入的8位數(shù)據(jù)按位輸出到74HC595的DS端，并在其SHCP(第11引腳)引腳上產(chǎn)生符合時(shí)序要求的移位時(shí)鐘信號，驅(qū)動(dòng)74HC595將數(shù)據(jù)讀入緩存。74HC595寫函數(shù)參考代碼如下：

在Keil uVision平臺下編寫C51程序生成.HEX目標(biāo)文件，雙擊Proteus電路圖中的單片機(jī)，將該可執(zhí)行文件加載到編程文件屬性，程序運(yùn)行后可以看到顯示結(jié)果[4]。4級16×16LED級聯(lián)的顯示屏仿真電路和顯示“河北大學(xué)”四個(gè)漢字的仿真結(jié)果如圖1所示。

3 點(diǎn)陣顯示屏實(shí)物設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖2為16×16點(diǎn)陣顯示模塊電路原理圖，模塊間通過74HC595的Q7"和DS引腳級聯(lián)。單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)可根據(jù)學(xué)時(shí)靈活掌握，學(xué)時(shí)不足時(shí)可以直接使用單片機(jī)開發(fā)板。單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意：(1)設(shè)計(jì)5V電源供電電路。(2)設(shè)計(jì)串口通信電路或引出串口使用USB-TTL程序下載器寫入程序。(3)單片機(jī)P0口作為通用I/O口(漏極開路)需外接上拉電阻；P1、P2和P3口為內(nèi)部弱上拉(內(nèi)部約30kΩ的上拉電阻)，可根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流大小判斷是否外接上拉電阻[4]。(4)用單排針引出單片機(jī)I/O，便于后期功能擴(kuò)展。

圖1 仿真電路及顯示結(jié)果

圖2 點(diǎn)陣顯示模塊原理圖

圖3 點(diǎn)陣顯示屏實(shí)物

用杜邦線連接4級16×16LED點(diǎn)陣顯示屏及單片機(jī)控制板，搭建硬件電路。使用ISP軟件將程序下載到單片機(jī)，調(diào)試程序。圖3所示為實(shí)際電路顯示“河北大學(xué)”四個(gè)漢字時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。學(xué)生在實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上可以完成擴(kuò)展項(xiàng)目。如增加屏幕滾動(dòng)顯示功能；增加時(shí)鐘芯片設(shè)計(jì)電子時(shí)鐘；增加傳感器實(shí)現(xiàn)參數(shù)測量與顯示等。

4 結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可靈活擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)中使用了Proteus軟件的仿真設(shè)計(jì)和調(diào)試功能，減少了反復(fù)制作和修改硬件電路的時(shí)間，降低成本，提高效率。在仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生進(jìn)一步完成實(shí)際“點(diǎn)陣顯示屏”的設(shè)計(jì)與制作，可以讓學(xué)生體會(huì)到仿真與實(shí)際間的差距，增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在完成該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的過程中，學(xué)生對專業(yè)知識的掌握程度和具備的專業(yè)素質(zhì)可以得到更全面的檢查和鍛煉。該實(shí)驗(yàn)以項(xiàng)目開發(fā)為驅(qū)動(dòng)力，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究思維和創(chuàng)新意識，教學(xué)效果良好。