基于LED點陣顯示屏的實踐教學設計

許多高職、?？圃盒６紩捎?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/實踐教學">實踐教學的方式來提高對學生動手能力的培養(yǎng)，但長時間以來對實踐教學的探索相對薄弱，課程設計存在缺陷。使得學生本身對實踐教學的興趣不高，認識不深，無法將實踐教學的內(nèi)容與課本上所學的知識以及社會需求有機的結(jié)合起來，導致實踐教學效果不明顯，嚴重影響了學生動手能力的提高，甚至成為了制約高職發(fā)展的瓶頸所在。本文通過詳細描述LED電子控制電路的整個過程設計，通過讓學生自己動手從設計電路到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。通過這一系列連續(xù)的工作，使學生切實感受到成就感，提升動手能力，力求使學生對于電子設計產(chǎn)生興趣，進而為以后的電子設計大賽進行人才選拔。

1 LED點陣功能要求

由于8X8點陣的發(fā)光二極管個數(shù)較少(64個)，無法完成一些復雜漢字和符號的顯示任務，因此在實際應用當中常用16X16點陣顯示一個漢字，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。顯示屏的各個工作方式包括對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設計基礎知識、電路分析和焊接能力，熟練掌握電腦操作)。

2 方案設計

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

3 電路設計

本次設計當中的單片機采用AT89S51芯片的最小應用系統(tǒng)，主要包括單片機電路模塊、振蕩電路模塊、復位電路模塊、電源接口模塊以及不低于12 MHz頻率的晶振(波特率為

1 MHz)，來獲得較高的刷新頻率，使顯示更加穩(wěn)定。并采用單片機最小應用系統(tǒng)連接方式，主要包括單片機電路，振蕩電路，復位及接口電源模塊。復位電路采用上電復位與鍵控復位相結(jié)合的方式以處理突發(fā)情況。單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3分別與列驅(qū)動(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)動器相連，用來輸出數(shù)據(jù);P3空閑，可擴展系統(tǒng)的ROM。

1)單片機電路模塊

首先在原理圖當中放置40腳的IC芯片[1]，用來放置單片機，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)擴展。

2)復位電路模塊

單片機復位電路形式多種多樣，本文采用按鍵式復位電路，電路連接如圖1所示，首先將104電容的一端、電解電容的負極和10 kΩ電阻的一端均與單片機的9號管腳相連接;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電容的另一端與復位開關(guān)相接，復位開關(guān)的另一端接電源。復位開關(guān)共有4個管腳，在接線時時選擇對角線接法即可。

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的18腳、19腳分別相連接;然后將兩個22 pF的電容的一端與晶振的兩個管腳相接;最后將兩個電容另一端分別接地即可。

4)電源接口模塊

在單片機最小應用系統(tǒng)板上設計電源接口模塊，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。單片機的31管腳接電源表示使用片內(nèi)ROM。

其中，16X16點陣需要用到32個引腳，因此并不適合直接連接單片機輸出引腳，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。

列驅(qū)動電路由三極管9013構(gòu)成，在74LS154選通某一列的同時會輸出一個低電平，經(jīng)過三極管放大輸送到點陣的列管腳。

單片機的P1口與P3口，直接輸出送顯數(shù)據(jù)同樣經(jīng)過三極管9013放大后與點陣的行相連，根據(jù)原件參數(shù)可知每一發(fā)光二極管發(fā)光電流為8 mA，而每一行需要16個LED發(fā)光二極管同時發(fā)光時，需要128 mA電流，選用三極管9013作為驅(qū)動便可滿足要求。

4 軟件設計

根據(jù)分層設計的思想，將LED屏的系統(tǒng)軟件分為兩部分：顯示驅(qū)動程序作為底層驅(qū)動程序是第一層;控制上層系統(tǒng)的應用程序是第二層，用來建立狀態(tài)機模型，用來產(chǎn)生列掃描信號和其他控制信號，并通過顯示驅(qū)動程序向點陣發(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)應用程序則根據(jù)接收處理程序所生成的狀態(tài)機判斷所應該顯示的狀態(tài)，完成系統(tǒng)的環(huán)境設置(初始化)。由主程序來實現(xiàn)效果處理。整個程序采用C語言編寫。

4.1 主程序設計

系統(tǒng)主程序開始以后，首先是對系統(tǒng)初始化，包括設置定時器、串行控制寄存器SCON、中斷和端口;然后判斷來狀態(tài)機的狀態(tài)。本項目中移位寄存器采用串行通信方式0，TB8和RB8均設置為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現(xiàn)，將生成的漢字代碼直接考入寫好的程序當中即可，學生可以根據(jù)個人喜好任意設置需要顯示的漢字或語句，從而提升學生的興趣。

4.2 項目仿真

為了進一步提高實際制作PCB板的成功率，程序編寫完成之后，在Keil編譯環(huán)境通過后，建議先用Proteus仿真軟件進行仿真實驗。

啟動Proteus仿真軟件后，從元件庫中選出此次仿真所用到的元器件按照圖5所示原理圖連接電路。

在Proteus ISIS中將Keil產(chǎn)生的HEX文件加入AT89S52中，并仿真電路檢驗系統(tǒng)運行狀態(tài)是否符合設計要求。

5 PCB制作

本文使用protel99se作為PCB制作軟件，指導學生從繪制原理圖入手，并利用常見封裝對元件進行封裝，特殊元件手動繪制元件封裝庫，最后生成SCH文件，在制作電路板時應注意元器件間的走線及散熱需要預留適當?shù)目臻g，原件布放應考慮整體布局的美觀，相關(guān)原件應盡量接近。布線時盡量在元器件背面板上，若實在困難則依據(jù)“正面橫線，背面豎線”原則，使得整體美觀。

授課當中可以通過2課時來講解protel的基本應用，從軟件的安裝到原理圖制作，再到最后的PCB設計以及SCH和PCB元件庫的制作。

實際操作當中可通過學生實際設計PCB電路并完成布線，而在最后的電路焊接及調(diào)試過程中提供已經(jīng)設計好的統(tǒng)一的電路板供學生使用，圖5所示為PCB板電路圖，圖6為實際制作好的PCB電路板。

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，一般無需調(diào)試即可以正常工作。從理論上來講，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，同時刷新率越高，顯示驅(qū)動程序占的CPU時間也越多。經(jīng)過大量實驗證明，在肉眼條件下刷新率維持50 Hz以上時已基本可以滿足日常的顯示需求，然而當刷新率增加到85 Hz以上時畫面顯示效果并沒有明顯改善。

本方案所設計的點陣LED電子顯示屏電路，設計簡單，成本較低，較易擴展體積及色彩;且顯示屏各點亮度均勻、充足;并且能夠穩(wěn)定的、清晰并且無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)院校在實現(xiàn)陶行知提出的“生活即教育，社會即學校，教學做合一，在做中學”為核心觀點的生活教育理論方面有著得天獨厚的條件，可以通過安排大量實訓時間來增加學生的實際動手能力以及對實驗等設備的操作能力，突出?？?、高職院校的特點努力培養(yǎng)高素質(zhì)的操作人員。因此，合理設計實訓內(nèi)容與目的就成了高職院校教職人員的一項重點工作。本文正是基于這一目的，設計出了一款較為容易實現(xiàn)的LED點陣顯示電路，通過讓學生親自動手參與從電路的設計到PCB制作，以及元件的焊接再到最后的整體調(diào)試，直至通過點陣顯示不同的漢字這一整套制作流程，讓學生們了解電路板的制作過程及原理，不僅提高了學生的動手能力，更重要的是通過文字的輸出提高同學們對電子技術(shù)課的興趣，真正做到學以致用，讓大家知道平日上課所學的理論知識在現(xiàn)實當中具體的運用。同時，我們通過對參與本門實訓的兩屆學生進行的問卷調(diào)查得出，學生們普遍覺得進行這樣的實訓很大程度上提升了他們的學習興趣，使大家覺得學有所用，這些都不是單純理論的學習能夠體會到的，同時也對今后課程的開展打下了堅實的基礎。我們還對用人單位進行了隨機走訪，從反饋情況來看，普遍認為參與過本門實訓的學生在對電子類學科的學習中興趣明顯增強，在工作中也更愿意鉆研，動手能力更強。因此我們得出開設類似這樣學生興趣濃厚的實訓能夠有效的提升教學質(zhì)量，切實提高學生們的動手能力，在今后的課程設計中也應加大力度研究開設更多的類似實訓。