基于LED点阵显示屏的实践教学设计

2016-01-28 11:51
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许多高职、专科院校都会采用实践教学的方式来提高对学生动手能力的培养，但长时间以来对实践教学的探索相对薄弱，课程设计存在缺陷。使得学生本身对实践教学的兴趣不高，认识不深，无法将实践教学的内容与课本上所学的知识以及社会需求有机的结合起来，导致实践教学效果不明显，严重影响了学生动手能力的提高，甚至成为了制约高职发展的瓶颈所在。本文通过详细描述LED 电子控制电路的整个过程设计，通过让学生自己动手从设计电路到PCB 制作，再到元件焊接以及电路调试，**终生产出自己的作品。通过这一系列连续的工作，使学生切实感受到成就感，提升动手能力，力求使学生对于电子设计产生兴趣，进而为以后的电子设计大赛进行人才选拔。

1.LED 点阵功能要求

由于8X8 点阵的发光二极管个数较少（64 个），无法完成一些复杂汉字和符号的显示任务，因此在实际应用当中常用16X16 点阵显示一个汉字，这样的汉字显示较为清楚也是目前LED 广告牌的常用显示方式。显示屏的各个工作方式包括对文字和图形的显示有移入移出、静止等。（此前需要掌握单片机设计基础知识、电路分析和焊接能力，熟练掌握电脑操作）。

2 方案设计
对于LED 扫描方式拟采用行列驱动方式控制，按字节存放，由于并行传输所需总线数量过大，因此采用串行传输叠加处理的方法。也就是在将当前行各列数据显示输出的同时，将下一行的各列数据传送进来。为了起到叠加处理的效果，锁存功能在列数据的显示当中就显得尤为重要。
3 电路设计
本次设计当中的单片机采用AT89S51 芯片的**小应用系统，主要包括单片机电路模块、振荡电路模块、复位电路模块、电源接口模块以及不低于12 MHz 频率的晶振（波特率为1 MHz），来获得较高的刷新频率，使显示更加稳定。并采用单片机**小应用系统连接方式，主要包括单片机电路，振荡电路，复位及接口电源模块。复位电路采用上电复位与键控复位相结合的方式以处理突发情况。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 分别与列驱动（74LS154）的A，B，C，D 引脚相连，用以选通每一列。P1 口与P2 口与行驱动器相连，用来输出数据；P3空闲，可扩展系统的ROM。

1）单片机电路模块
首先在原理图当中放置40 脚的IC 芯片[1]，用来放置单片机，然后将P0 口（管脚32~39），P1 口（管脚1~8）P2 口（管脚21~28）P3 口（管脚10~17）分别引出排阵用于系统扩展。

2）复位电路模块

单片机复位电路形式多种多样，本文采用按键式复位电路，电路连接，首先将104 电容的一端、电解电容的负极和10 kΩ 电阻的一端均与单片机的9 号管脚相连接；然后将电解电容的另一端接电源VCC，10 kΩ 电阻的另一端接地；**后将104 电容的另一端与复位开关相接，复位开关的另一端接电源。复位开关共有4 个管脚，在接线时时选择对角线接法即可。

3）振荡电路模块
电路连接，首先将12 MHz 的晶振两端与单片机的18 脚、19 脚分别相连接；然后将两个22 pF 的电容的一端与晶振的两个管脚相接；**后将两个电容另一端分别接地即可。

4）电源接口模块
在单片机**小应用系统板上设计电源接口模块，此模块利用通用12 V 电源接口供电，经转换、稳压、散热后提供+5 V的电源VCC 供系统使用。单片机的31 管脚接电源表示使用片内ROM。

其中，16X16 点阵需要用到32 个引脚，因此并不适合直接连接单片机输出引脚，这里采用了4-16 译码器74LS154作为译码电路再采用595 作为串行输入8 位并行输出的移位寄存器控制输出。

列驱动电路由三极管9013构成，在74LS154选通某一列的同时会输出一个低电平，经过三极管放大输送到点阵的列管脚。

单片机的P1 口与P3 口，直接输出送显数据同样经过三极管9013 放大后与点阵的行相连，根据原件参数可知每一发光二极管发光电流为8 mA，而每一行需要16 个LED 发光二极管同时发光时，需要128 mA 电流，选用三极管9013 作为驱动便可满足要求。

4 软件设计
根据分层设计的思想，将LED 屏的系统软件分为两部分：显示驱动程序作为底层驱动程序是第一层；控制上层系统的应用程序是第二层，用来建立状态机模型，用来产生列扫描信号和其他控制信号，并通过显示驱动程序向点阵发送需要显示的数据，配合完成发光二极管显示屏的显示扫描工作。系统应用程序则根据接收处理程序所生成的状态机判断所应该显示的状态，完成系统的环境设置（初始化）。由主程序来实现效果处理。整个程序采用C 语言编写。

4.1 主程序设计
系统主程序开始以后，首先是对系统初始化，包括设置定时器、串行控制寄存器SCON、中断和端口；然后判断来状态机的状态。本项目中移位寄存器采用串行通信方式0，TB8和RB8 均设置为0，因此SCON 的值为0x00[4]。。

       其中汉字显示可以使用取模软件实现，将生成的汉字代码直接考入写好的程序当中即可，学生可以根据个人喜好任意设置需要显示的汉字或语句，从而提升学生的兴趣。
     while（k<l）
     {       for（j=0；j<22；j++）
     //每个字符显示22 次后显示下一个，利用了视觉暂留太长显得不连贯，太短某些点还没有点亮就熄灭，无法组成汉字
    {n=0x00；

    P1=n；
    for（m=k*32；m<k*32+16；m++）//先显示汉字的上半部
    { _nop_（）；//空循环延时
    P2=in1[m]；m++；
    // in1[]中存放字形码
    P0=in1[m]；_nop_（）；
    n++；_nop_（）；
    DelayMs （1）；//调用延时
    }
    n=0x00；
    DelayMs （5）； //调用延时
    for （m=k*32+16；m<k*32+32；m++）//再显示汉字的下半部
    {P1=n；_nop_（）；
    P2=in1[m]；m++；
    P0=in1[m]；_nop_（）；
    n++；_nop_（）；
    DelayMs （1）； //调用延时
    }
    n=0x00；P1=n；
    DelayMs （5）； //调用延时
    }
    k++；
    }
4.2 项目仿真

为了进一步提高实际制作PCB 板的成功率，程序编写完成之后，在Keil 编译环境通过后，建议先用Proteus 仿真软件进行仿真实验。

启动Proteus 仿真软件后，从元件库中选出此次仿真所用到的元器件按照原理图连接电路。

在Proteus ISIS 中将Keil 产生的HEX 文件加入AT89S52中，并仿真电路检验系统运行状态是否符合设计要求。

5 PCB 制作
本文使用protel99se 作为PCB 制作软件[6]，指导学生从绘制原理图入手，并利用常见封装对元件进行封装，特殊元件手动绘制元件封装库，**后生成SCH 文件，在制作电路板时应注意元器件间的走线及散热需要预留适当的空间，原件布放应考虑整体布局的美观，相关原件应尽量接近。布线时尽量在元器件背面板上，若实在困难则依据“正面横线，背面竖线”原则，使得整体美观。

授课当中可以通过2 课时来讲解protel 的基本应用，从软件的安装到原理图制作，再到**后的PCB 设计以及SCH和PCB 元件库的制作。

实际操作当中可通过学生实际设计PCB 电路并完成布线，而在**后的电路焊接及调试过程中提供已经设计好的统一的电路板供学生使用，

6 调试及性能分析
LED 显示屏硬件电路只要硬件质量**，引脚焊接正确，一般无需调试即可以正常工作。从理论上来讲，24 Hz 以上的刷新率就能看到连续稳定的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新率越高，显示驱动程序占的CPU 时间也越多。经过大量实验证明，在肉眼条件下刷新率维持50 Hz 以上时已基本可以满足日常的显示需求，然而当刷新率增加到85Hz 以上时画面显示效果并没有明显改善。
本方案所设计的点阵LED 电子显示屏电路，设计简单，成本较低，较易扩展体积及色彩；且显示屏各点亮度均匀、充足；并且能够稳定的、清晰并且无串码的显示图形文字；可完成显示内容的静止、移出移入等多种显示方式。

7 结论
职业院校在实现陶行知提出的“生活即教育，社会即学校，教学做合一，在做中学”为核心观点的生活教育理论方面有着得天独厚的条件，可以通过安排大量实训时间来增加学生的实际动手能力以及对实验等设备的操作能力，突出专科、高职院校的特点努力培养高素质的操作人员。因此，合理设计实训内容与目的就成了高职院校教职人员的一项重点工作。本文正是基于这一目的，设计出了一款较为容易实现的LED 点阵显示电路，通过让学生亲自动手参与从电路的设计到PCB 制作，以及元件的焊接再到**后的整体调试，直至通过点阵显示不同的汉字这一整套制作流程，让学生们了解电路板的制作过程及原理，不仅提高了学生的动手能力，更重要的是通过文字的输出提高同学们对电子技术课的兴趣，真正做到学以致用，让大家知道平日上课所学的理论知识在现实当中具体的运用。同时，我们通过对参与本门实训的两届学生进行的问卷调查得出，学生们普遍觉得进行这样的实训很大程度上提升了他们的学习兴趣，使大家觉得学有所用，这些都不是单纯理论的学习能够体会到的，同时也对今后课程的开展打下了坚实的基础。我们还对用人单位进行了随机走访，从反馈情况来看，普遍认为参与过本门实训的学生在对电子类学科的学习中兴趣明显增强，在工作中也更愿意钻研，动手能力更强。因此我们得出开设类似这样学生兴趣浓厚的实训能够有效的提升教学质量，切实提高学生们的动手能力，在今后的课程设计中也应加大力度研究开设更多的类似实训。