基于LED點陣顯示屏的實踐教學(xué)設(shè)計

許多高職、?？圃盒６紩捎?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/實踐教學(xué)">實踐教學(xué)的方式來提高對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，但長時間以來對實踐教學(xué)的探索相對薄弱，課程設(shè)計存在缺陷。使得學(xué)生本身對實踐教學(xué)的興趣不高，認(rèn)識不深，無法將實踐教學(xué)的內(nèi)容與課本上所學(xué)的知識以及社會需求有機(jī)的結(jié)合起來，導(dǎo)致實踐教學(xué)效果不明顯，嚴(yán)重影響了學(xué)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(xì)描述LED電子控制電路的整個過程設(shè)計，通過讓學(xué)生自己動手從設(shè)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(xué)生切實感受到成就感，提升動手能力，力求使學(xué)生對于電子設(shè)計產(chǎn)生興趣，進(jìn)而為以后的電子設(shè)計大賽進(jìn)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(fù)雜漢字和符號的顯示任務(wù)，因此在實際應(yīng)用當(dāng)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(jī)設(shè)計基礎(chǔ)知識、電路分析和焊接能力，熟練掌握電腦操作)。

2 方案設(shè)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(dāng)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(jìn)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(dāng)中就顯得尤為重要。

3 電路設(shè)計

本次設(shè)計當(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

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(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(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(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)位開關(guān)相接，復(fù)位開關(guān)的另一端接電源。復(fù)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(jī)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(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)板上設(shè)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(jī)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(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。

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(jī)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(shè)計

根據(jù)分層設(shè)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(yīng)用程序是第二層，用來建立狀態(tài)機(jī)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(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)。由主程序來實現(xiàn)效果處理。整個程序采用C語言編寫。

4.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序開始以后，首先是對系統(tǒng)初始化，包括設(shè)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(jī)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(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現(xiàn)，將生成的漢字代碼直接考入寫好的程序當(dāng)中即可，學(xué)生可以根據(jù)個人喜好任意設(shè)置需要顯示的漢字或語句，從而提升學(xué)生的興趣。

4.2 項目仿真

為了進(jìn)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(jìn)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(yùn)行狀態(tài)是否符合設(shè)計要求。

5 PCB制作

本文使用protel99se作為PCB制作軟件，指導(dǎo)學(xué)生從繪制原理圖入手，并利用常見封裝對元件進(jìn)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(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(dāng)中可以通過2課時來講解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)計以及SCH和PCB元件庫的制作。

實際操作當(dāng)中可通過學(xué)生實際設(shè)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(shè)計好的統(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(dāng)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(shè)計的點陣LED電子顯示屏電路，設(shè)計簡單，成本較低，較易擴(kuò)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(xué)校，教學(xué)做合一，在做中學(xué)”為核心觀點的生活教育理論方面有著得天獨(dú)厚的條件，可以通過安排大量實訓(xùn)時間來增加學(xué)生的實際動手能力以及對實驗等設(shè)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(shè)計實訓(xùn)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(shè)計出了一款較為容易實現(xiàn)的LED點陣顯示電路，通過讓學(xué)生親自動手參與從電路的設(shè)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(xué)生們了解電路板的制作過程及原理，不僅提高了學(xué)生的動手能力，更重要的是通過文字的輸出提高同學(xué)們對電子技術(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)的理論知識在現(xiàn)實當(dāng)中具體的運(yùn)用。同時，我們通過對參與本門實訓(xùn)的兩屆學(xué)生進(jìn)行的問卷調(diào)查得出，學(xué)生們普遍覺得進(jìn)行這樣的實訓(xùn)很大程度上提升了他們的學(xué)習(xí)興趣，使大家覺得學(xué)有所用，這些都不是單純理論的學(xué)習(xí)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(chǔ)。我們還對用人單位進(jìn)行了隨機(jī)走訪，從反饋情況來看，普遍認(rèn)為參與過本門實訓(xùn)的學(xué)生在對電子類學(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，動手能力更強(qiáng)。因此我們得出開設(shè)類似這樣學(xué)生興趣濃厚的實訓(xùn)能夠有效的提升教學(xué)質(zhì)量，切實提高學(xué)生們的動手能力，在今后的課程設(shè)計中也應(yīng)加大力度研究開設(shè)更多的類似實訓(xùn)。