基于LED點(diǎn)陣顯示屏的實(shí)踐教學(xué)設計

許多高職、專(zhuān)科院校都會(huì )采用實(shí)踐教學(xué)的方式來(lái)提高對學(xué)生動(dòng)手能力的培養，但長(cháng)時(shí)間以來(lái)對實(shí)踐教學(xué)的探索相對薄弱，課程設計存在缺陷。使得學(xué)生本身對實(shí)踐教學(xué)的興趣不高，認識不深，無(wú)法將實(shí)踐教學(xué)的內容與課本上所學(xué)的知識以及社會(huì )需求有機的結合起來(lái)，導致實(shí)踐教學(xué)效果不明顯，嚴重影響了學(xué)生動(dòng)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(guò)詳細描述LED電子控制電路的整個(gè)過(guò)程設計，通過(guò)讓學(xué)生自己動(dòng)手從設計電路到PCB制作，再到元件焊接以及電路調試，最終生產(chǎn)出自己的作品。通過(guò)這一系列連續的工作，使學(xué)生切實(shí)感受到成就感，提升動(dòng)手能力，力求使學(xué)生對于電子設計產(chǎn)生興趣，進(jìn)而為以后的電子設計大賽進(jìn)行人才選拔。

1 LED點(diǎn)陣功能要求

由于8X8點(diǎn)陣的發(fā)光二極管個(gè)數較少(64個(gè))，無(wú)法完成一些復雜漢字和符號的顯示任務(wù)，因此在實(shí)際應用當中常用16X16點(diǎn)陣顯示一個(gè)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(gè)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動(dòng)方式控制，按字節存放，由于并行傳輸所需總線(xiàn)數量過(guò)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據顯示輸出的同時(shí)，將下一行的各列數據傳送進(jìn)來(lái)。為了起到疊加處理的效果，鎖存功能在列數據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，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(lái)獲得較高的刷新頻率，使顯示更加穩定。并采用單片機最小應用系統連接方式，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分別與列驅動(dòng)(74LS154)的A，B，C，D引腳相連，用以選通每一列。P1口與P2口與行驅動(dòng)器相連，用來(lái)輸出數據;P3空閑，可擴展系統的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(lái)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(kāi)關(guān)相接，復位開(kāi)關(guān)的另一端接電源。復位開(kāi)關(guān)共有4個(gè)管腳，在接線(xiàn)時(shí)時(shí)選擇對角線(xiàn)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(gè)22 pF的電容的一端與晶振的兩個(gè)管腳相接;最后將兩個(gè)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)轉換、穩壓、散熱后提供+5 V的電源VCC供系統使用，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ROM。

其中，16X16點(diǎn)陣需要用到32個(gè)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。

列驅動(dòng)電路由三極管9013構成，在74LS154選通某一列的同時(shí)會(huì )輸出一個(gè)低電平，經(jīng)過(guò)三極管放大輸送到點(diǎn)陣的列管腳。

單片機的P1口與P3口，直接輸出送顯數據同樣經(jīng)過(guò)三極管9013放大后與點(diǎn)陣的行相連，根據原件參數可知每一發(fā)光二極管發(fā)光電流為8 mA，而每一行需要16個(gè)LED發(fā)光二極管同時(shí)發(fā)光時(shí)，需要128 mA電流，選用三極管9013作為驅動(dòng)便可滿(mǎn)足要求。

4 軟件設計

根據分層設計的思想，將LED屏的系統軟件分為兩部分：顯示驅動(dòng)程序作為底層驅動(dòng)程序是第一層;控制上層系統的應用程序是第二層，用來(lái)建立狀態(tài)機模型，用來(lái)產(chǎn)生列掃描信號和其他控制信號，并通過(guò)顯示驅動(dòng)程序向點(diǎn)陣發(fā)送需要顯示的數據，配合完成發(fā)光二極管顯示屏的顯示掃描工作。系統應用程序則根據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)，完成系統的環(huán)境設置(初始化)。由主程序來(lái)實(shí)現效果處理。整個(gè)程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

4.1 主程序設計

系統主程序開(kāi)始以后，首先是對系統初始化，包括設置定時(shí)器、串行控制寄存器SCON、中斷和端口;然后判斷來(lái)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(shí)現，將生成的漢字代碼直接考入寫(xiě)好的程序當中即可，學(xué)生可以根據個(gè)人喜好任意設置需要顯示的漢字或語(yǔ)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(shí)際制作PCB板的成功率，程序編寫(xiě)完成之后，在Keil編譯環(huán)境通過(guò)后，建議先用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗。

啟動(dòng)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(xué)生從繪制原理圖入手，并利用常見(jiàn)封裝對元件進(jìn)行封裝，特殊元件手動(dòng)繪制元件封裝庫，最后生成SCH文件，在制作電路板時(shí)應注意元器件間的走線(xiàn)及散熱需要預留適當的空間，原件布放應考慮整體布局的美觀(guān)，相關(guān)原件應盡量接近。布線(xiàn)時(shí)盡量在元器件背面板上，若實(shí)在困難則依據“正面橫線(xiàn)，背面豎線(xiàn)”原則，使得整體美觀(guān)。

授課當中可以通過(guò)2課時(shí)來(lái)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(shí)際操作當中可通過(guò)學(xué)生實(shí)際設計PCB電路并完成布線(xiàn)，而在最后的電路焊接及調試過(guò)程中提供已經(jīng)設計好的統一的電路板供學(xué)生使用，圖5所示為PCB板電路圖，圖6為實(shí)際制作好的PCB電路板。

6 調試及性能分析

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(wú)需調試即可以正常工作。從理論上來(lái)講，24 Hz以上的刷新率就能看到連續穩定的顯示，刷新率越高，顯示越穩定，同時(shí)刷新率越高，顯示驅動(dòng)程序占的CPU時(shí)間也越多。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗證明，在肉眼條件下刷新率維持50 Hz以上時(shí)已基本可以滿(mǎn)足日常的顯示需求，然而當刷新率增加到85 Hz以上時(shí)畫(huà)面顯示效果并沒(méi)有明顯改善。

本方案所設計的點(diǎn)陣LED電子顯示屏電路，設計簡(jiǎn)單，成本較低，較易擴展體積及色彩;且顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足;并且能夠穩定的、清晰并且無(wú)串碼的顯示圖形文字;可完成顯示內容的靜止、移出移入等多種顯示方式。

7 結論

職業(yè)院校在實(shí)現陶行知提出的“生活即教育，社會(huì )即學(xué)校，教學(xué)做合一，在做中學(xué)”為核心觀(guān)點(diǎn)的生活教育理論方面有著(zhù)得天獨厚的條件，可以通過(guò)安排大量實(shí)訓時(shí)間來(lái)增加學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力以及對實(shí)驗等設備的操作能力，突出專(zhuān)科、高職院校的特點(diǎn)努力培養高素質(zhì)的操作人員。因此，合理設計實(shí)訓內容與目的就成了高職院校教職人員的一項重點(diǎn)工作。本文正是基于這一目的，設計出了一款較為容易實(shí)現的LED點(diǎn)陣顯示電路，通過(guò)讓學(xué)生親自動(dòng)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試，直至通過(guò)點(diǎn)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(guò)程及原理，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，更重要的是通過(guò)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)的理論知識在現實(shí)當中具體的運用。同時(shí)，我們通過(guò)對參與本門(mén)實(shí)訓的兩屆學(xué)生進(jìn)行的問(wèn)卷調查得出，學(xué)生們普遍覺(jué)得進(jìn)行這樣的實(shí)訓很大程度上提升了他們的學(xué)習興趣，使大家覺(jué)得學(xué)有所用，這些都不是單純理論的學(xué)習能夠體會(huì )到的，同時(shí)也對今后課程的開(kāi)展打下了堅實(shí)的基礎。我們還對用人單位進(jìn)行了隨機走訪(fǎng)，從反饋情況來(lái)看，普遍認為參與過(guò)本門(mén)實(shí)訓的學(xué)生在對電子類(lèi)學(xué)科的學(xué)習中興趣明顯增強，在工作中也更愿意鉆研，動(dòng)手能力更強。因此我們得出開(kāi)設類(lèi)似這樣學(xué)生興趣濃厚的實(shí)訓能夠有效的提升教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)提高學(xué)生們的動(dòng)手能力，在今后的課程設計中也應加大力度研究開(kāi)設更多的類(lèi)似實(shí)訓。