基于單片機SPCE061A的字幕機點陣式字母電子顯示屏的設計制作

魏麗

【摘要】本論文介紹了點陣式字母電子顯示屏的硬件電路設計原理與軟件設計方案，采用SPCE061A系列單片機芯片，得到了一個能夠顯示1個字母或一個數字的8*8 的并可以根據需要擴展的LED點陣式顯示屏。論文中硬件電路決定了LED點陣屏是以動態的方式點亮， 流動是以位進行的， 與字母模存放的形式有關。首先使雙色點矩陣整屏點亮并持續一小段時間，然后全部熄滅并持續一小段時間；再使綠色整屏點亮并持續一小段時間，然后全部熄滅并持續一小段時間；再使紅色整屏點亮并持續一小段時間，然后全部熄滅并持續一小段時間；接著依次顯示英文字符 A，B，C，D；然后使英文字符從左到右、從右到左、從上到下、從下到上動態顯示；最后在屏幕上顯示“鐘表”圖案并循環。

【關鍵詞】單片機 電子顯示屏 硬件電路 軟件設計 主函數

LED字母、數字、漢字點陣式顯示系統是集信息技術、電子技術、光電技術于一體的高科技產品，具有高穩定性、低耗能、高亮度、長壽命、高清晰度和更新方便等特點，以廣告宣傳或傳遞信息的載體等方式廣泛應用于車站、碼頭、商場等公共場所。

本論文在實驗室條件允許的情況下，設計并實現了一個能顯示1 個字母的8 *8 的LED點陣式顯示屏。該系統以SPCE061A系列芯片為核心，結合軟件實現了動態字母的顯示、跳屏及自檢等功能。

一、凌陽16位單片機的概述

1.1單片機SPCE061A的概念。SPCE061A 是繼μnSPTM系列產品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試等功能，SPCE061A 是凌陽科技公司μnSPTM （Microcontroller And Signal Processor） 系列產品中的16位微控制器芯片， 內置32k閃存， 其較高的處理速度使芯片能夠非常容易、快速地處理復雜的數字信號， 適用于數字語音識別等應用領域。在2.6V～3.6V工作電壓范圍內， SPCE061A 的工作速度范圍為0.32～49.152MHz， 具備8通道10位ADC 輸入功能，內置的具有自動增益控制的麥克風輸入功能，雙通道10位DAC音頻輸出功能及A、B兩個I/O口輸入輸出功能。

1.2發展單片機SPCE061A的必要性。凌陽SPCE061A單片機不僅具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴展；較強的中斷處理能力；高性能價格比；低功耗、低電壓等優點外，還有很強的模塊化，例如：位操作模塊、自動語音錄音以及播放模塊。另外，它還配有專門的編譯環境IDE，這些都為軟件的設計提供了方便。在硬件方面，單片機有輸入輸出端口，這就方便了單片機與機器人、計算機的連接。利用凌陽SPCE061A單片機作為整個系統的主控板，驅動機器人中的五個電機和機器人頭部的揚聲器。另外增加了特定人語音識別的功能，通過命令來控制機器人，使機器人智能化。

SPCE061A單片機耗電少，可以滿足很多手提設備、掌上設備低能耗的需求，低能耗也是電子技術一直在追求的一個目標。SPCE061A單片機可方便的用來實現聲音錄制、播放，Midi音樂合成和語音識別，相比別的單片機比較有特色。SPCE061A單片機可方便的完成一系列乘加的運數，實現一些數據處理比較容易，別的單片機一般都不具備這種功能。SPCE061A單片機芯片里具備在線仿真調試電路，使調試和程序下載更加方便，也把仿真器和燒錄器的成本給節省下來了。單片機體積小、質量輕、價格便宜，為學習、應用和開發提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。

1.3單片機SPCE061A的應用領域。目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸，工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種手機、充電器、電話、電風扇、錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械了。因此，單片機的學習、開發與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。

二、基于單片機SPCE061A的字幕機

2.1字幕機背景介紹

2.1.1點矩陣的種類及結構

現在市面上已出現很多有關點矩陣顯示器的商品，如廣告活動字幕機、股票顯示板、活動布告欄等。它的優點是可按需要的大小、形狀、單色或彩色來組合，可與微處理器連接，做各種廣告性文字或圖形變化。 何謂點矩陣顯示器？其實它是由 LED按矩陣方式排列而得名。 點矩陣顯示器的種類，可分為 5*7、5*8、6*8、8*8 等 4 種；而按 LED 發光變化顏色來分，可分為單色、雙色、三色；按LED的極性排列方式又可分為共陽極與共陰極，其結構如所示。以 5*7點矩陣為例，一般市售注明 CA-P（共陽極）、CC-P（共陰極）。

本論文設計采用共陰極為LED的外形及共陰極LED的陣列結構。通過編程控制各顯示點對應LED陽極和陰極端的電平，就可以有效的控制各顯示點的亮滅。

三、結論

3.1實驗環境

3.2μnSP集成開發環境

本論文的實驗開發環境為unSP IDE 2.0.0。

IDE2.0.0作為μnSP IDE 工具截止現在（2005-11-11）最新的一個版本，它不但繼承以前版本IDE的特點，同時增加了一些新的功能，集納了眾多用戶在使用μnSP IDE 過程中提出的一些意見，并包含了一些新的例程。 IDE2.0.0 在編譯優化、代碼查錯定位等方面都有了一定的進步，用戶在使用本版 IDE 時，應該可以體會到，其對代碼的嚴謹性有了更高的要求。而在新版 IDE 的各個方面，都有所加強，用戶在使用過程當用會有所體會。 新添加功能、加強原有功能等， 都沒有改變 unSP IDE 一慣的使用方法， 所以用戶可以參考 unSP IDE184的用戶手冊，以學習μnSP IDE 的基本操作及相關知識，這在 IDE2.0.0 的使用當中是保持不變的。

μnSPTM 集成開發環境集程序的編輯、編譯、鏈接、調試以及仿真等功能為一體。具有友好的交互界面、下拉菜單、快捷鍵和快速訪問命令列表等，使編程、調試工作方便且高效。此外，它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模擬硬件的各項功能來調試程序。

3.3 硬件原理

系統設計

在這里使用 8*8 雙色點矩陣進行說明。

根據題目要求畫出系統框圖，參考如下：

在程序中控制點矩陣按照從左到右依次顯點，最后可以得到字符‘A。具體說來先顯示第一幅圖片持續一小段時間（在程序中使用 4KHz 的時基信號進行掃描，即持續 1/4096 秒） ，然后再顯示第二幅圖片，顯示第三幅圖片，顯示第四幅圖片，顯示第五幅圖片，然后再重新顯示第一幅圖片……這樣一直循環進行。由于掃描的時間非?？?，應用視覺效應，就可以看見字符‘A。

點陣式字母顯示屏的結構。電路包含電源電路、復位電路、時鐘電路、單片機控制電路、記錄電路、驅動電路和 LED點陣屏顯示電路等七大部分。電源電路通過變壓元件為整個電路提供5V的工作電位，復位電路可在需要時為單片機手動 復位清零 ，使整個 電子顯示屏初始化；時鐘電路是單片機的工作驅動電路；單片機內的程序控制著整個電路，其輸出通過譯碼器SN74LS154譯碼作為點陣屏的驅動；記錄電路記錄單片機的工作特性，當出現錯誤時報警，亦即報警電路；驅動 電路包含陽極驅動和陰極驅動 ，分別驅動＼點陣屏陽極和陰極。譯碼器 SN74LS154的輸出經三極管 TP后的輸出為陽極驅動，移位寄存器 SN74LS595 的輸出為陰極驅動，從而使整個點陣屏顯示電路正常工作，顯示出所要求的字母或漢字。

在主函數流程圖中調用點亮整屏顯示包括紅色與綠色，調用顯示字符，調用動態效果，調用顯示時鐘等函數。

先對相關變量進行初始化；循環掃描亮 8行LED（ 稱點亮一幀圖象）；一幀圖象掃描完畢后， 列指針向右移動 1位， 再掃描下一幀圖象。為了控制字母共動的速度， 有時候要對一幀圖象掃描數次后才將列指針移位……依次類推，列指針共向右移動 8位。這樣，主觀上感覺到圖象向左滾（ 移） 動；移動一個字母（ 列指針右移 8位）后，字指針向下一個字母。再重復上述過程。這樣，我們就能在顯示屏上看到持續不斷的滾動字母信息了。

顯示字符函數、向左、向右、向上、向下移動字符函數中對計數變量進行初始化，對這幾種模式用變量進行標識，初始化需要顯示的字符指針，初始化列掃描指針。

3.4軟件設計方案

硬件電路決定了LED點陣屏是以動態的方式點亮， 流動是以位進行的， 與字母模存放的形式有關。表1是以左移位，橫向字母，從上往下方式取模。來說明流動程序算法。

設計基本思路

第一步： 先對相關變量進行初始化。

第二步：循環掃描亮 8行L E D（ 稱點亮一幀圖象）。

第三步： 一幀圖象掃描完畢后， 列指針向右移動 1位， 再掃描下一幀圖象。為了控制字母共動的速度， 有時候要對一幀圖象掃描數次后才將列指針移位……依次類推， 列指針共向右移動 8位。這樣， 主觀上感覺到圖象向左滾（ 移） 動。

第四步： 移動一個字母（ 列指針右移 8位）后，字指針向下一個字母。再重復上述過程。這樣 ， 我們就能在顯示屏上看到持續不斷的滾動字母信息了。

四.實驗步驟

4.1 設計思路

4.1.1 如何用單片機寫字母顯示器的系統

LED點陣電子顯示屏我設計兩種方案：

方案一：采用可編程邏輯器件作為核心控制器產生LED點陣的行、列驅動信號。由于該系統不僅要實現信息的顯示，還要具備鍵盤控制器、顯示亮度連續可調、實時時鐘顯示、與PC機通訊等功能及其他發揮功能，這就要求需要用中大規模的PLD，設計多個接口電路，開發周期長，不易進一步擴展，同時系統的成本會急劇上升（相對于第二種方案）。因此，本設計并未采用這種方案。

方案二：采用單片機系統來實現。鑒于SPCE061A單片機比傳統的SPCE061A系列8位單片機具有更加豐富的資源，而且數據處理速度快，同時“61板除了具備單片機最小系統電路外還包括有電源電路、音頻電路（含MIC輸入部分和DAC音頻輸出部分）、復位電路等，體積小，可靠性高。本系統的設計采用雙單片機系統，一個主要用于完成多功能顯示控制功能，另一個主要用于實時時鐘顯示、實時溫度檢測顯示、無線通訊以及其他的擴展發揮部分功能，這樣提供了充足的內部空間和更多的外部接口；同時由于安裝和調試工作可以并行進行，極大地縮短了總體設計和制造的時間。

4.1.2 點陣信息提取方案

將標準的點陣信息字模數據的字庫文件（本系統中采用漢字庫文件HZK16、ASCII碼庫文件ASC16）裝入外擴ROM存儲器，采用與PC機相同的編碼（機內碼），先進行基于PC機的預處理，提取需顯示內容的機內碼，通過串口發給單片機，單片機首先進行判斷，若是ASCII碼，則直接計算出起始地址，在ASC16文件中指定位置取出連續的16個字節即為其字模信息；若為漢字，單片機將機內碼轉換為區碼和位碼，再計算出起始地址，在HZK16文件中指定位置取出連續的32個字節即為其字模信息，然后送到顯示器去顯示。另外，PC機與單片機之間串口通信只是傳輸機內碼，而不是傳輸字模信息，傳輸信息量小，不需要復雜的通信協議。這樣既可以減輕單片機的負擔，而且可以根據要求隨時改變顯示內容，非常簡單靈活。

4.1.3 硬件電路設計

在日常生活中，經?？梢钥吹礁鞣N各樣的電子顯示牌，有大型的也有小型的；有很多都是利用點陣LED 顯示器組合而成的，掌握點陣 LED 的原理及使用方法有助于了解這類產品的工作原理、設計思想等。

4.1.4 硬件和軟件設計

綜合所有資料，總體設計硬件部分和軟件部分。

使用點矩陣顯示字符以及動態顯示效果，練習點矩陣顯示的基本使用。具體如下： 首先使雙色點矩陣整屏（包括紅色與綠色）點亮并持續一小段時間（大約 1 秒） ，然后全部熄滅并持續一小段時間；再使綠色整屏點亮并持續一小段時間，然后全部熄滅并持續一小段時間；再使紅色整屏點亮并持續一小段時間，然后全部熄滅并持續一小段時間；接著依次顯示英文字符 A，B，C，D；然后使英文字符從左到右、從右到左、從上到下、從下到上動態顯示；最后在屏幕上顯示“鐘表”圖案并循環。

實驗中獲得的點陣式字母或數字電子顯示屏是以SPCE061A系列單片機為核心控制點陣的顯示與流動。 可顯示1個字母、數字或漢字。 且在必要時可變通地增加 8*8 LED顯示牌擴展到 4個或更多個字母的系統。該系統通過跳線決定要顯示的內容， 設計所需的部件較少。 原理簡單 ，具有設計先進、顯示活潑、可動態滾動顯示字母或圖案的能力。除此之外該系統還具有自檢功能，通過報警聲的不同，識別不同的故障。