1.3方案论证与比较
显示部分
显示部分是本次设计最核心的部分，对于LED8*8点阵显示有以下两种方案：
方案一：
静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0和1表示,若为0,则表示LED无电流,即暗状态。
若为1则表示二极管被点亮。
若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所LED的状态保持到下一幅画。
对于静态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。
方案二：
动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。
动态显示方式,可以避免静态显示的问题。
但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。
因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。
动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式,复用的程度不是无限增加的,因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短,发光的亮度等因素.我们通过实验发现,当扫描刷新频率（发光二极管的停闪频率>为50Hz,发光二极管导通时间≥1ms时,显示亮度较好,无闪烁感.。
鉴于上述原因,我采用方案二
驱动方式的选择
方案一：
并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行（8位>方式送入点（列>驱动电路。
每送入一个字节就完成了一个模块的一个行的数据置入,其优点是数据的刷新速度块,这就减轻了上一级控制系统的压力。
在同样的数据处理量的前提下,对处理速度要求的降低,就意味着对系统投入的降低。
同时处理速度的降低也相应地提高了系统的稳定性。
这一设计方案的特点是设计线路简洁,控制方便快速。
系统的整体投入成本比较低,这一设计方案将大大地提高系统的性能价格比。
但是，并行控制驱动方式的缺点是:
因为数据是并行输入的,这就使得单元内的线路接复杂。
由此增加了单元的印刷线路板的设计难度。
同时提高了印刷线路板的密度,对生产加工和调试提出了较高的要求。
方案二：
所谓串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点（列>驱动电路。
其特点是单元内的线路连接简单,这给印刷电路板的设计带来了方便。
同时也减少了印刷电路板的布线密度,从而为生产和调试带来了有利的一面。
然后,单元的可靠性也相应的提高了。
串行控制驱动方式可选用的芯片有:
MC409474LS595、74HC595、6B595、9094等等。
在本次设计中我们采用的芯片是74HC595、74LS38。
鉴于上述原因,我采用方案二
电源模块
方案一：
采用干电池作为LED点阵系统的电源，因为点阵系统耗电量较大，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。
点阵系统要悬挂在墙上，电池总量大，使用会有较大安全隐患。
方案二：
采用200W/5V直流稳压电源作为系统电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全可靠
基于以上分析，我们决定采用方案二
第2章系统硬件设计
2.1AT89C51单片机的结构
2.1.151系列单片机的概述
单片机也被称作“单片机微型计算机”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”，国际上采用“MCU”（MicroControllerUnit>称呼单片机。
如果将8位单片机的推出作为起点<1976年），那么单片机的发展的历史大致可以分为4个阶段。
第一阶段是单片机探索阶段，主要探索如何把计算机的主要部件集成在单芯上；第二阶段是单片机完善阶段，完善了8位单片机的并行总线结构、外围功能单元由CPU集中管理模式、体现控制特性的位地址空间和位操作方式、指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令；第三阶段是向微控制器发展的阶段，说的是在51系列的基本结构的基础上，加强了外围电路的功能，突出了单片机的控制功能，将一些用测控对象的模数转换器、数模转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入芯片中，体现单片机的微控制器特征；第四阶段是单片机的全面发展阶段，很多大半导体和电气厂商都开始加入单片机的研制和生产，单片机世界出现了百花齐放，欣欣向荣的景象。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位、16位、32位通用型单片机，以及小型谦价的专用型单片机。
2.1.2单片机的发展历史
1970年微型计算机研制成功后，随着就出现了单片机。
美国Intel公司在1971推出了4位单片机4004；1972年推出雏形8位单片机8008。
特别是在1976年推出MCS-48单片机以后的30年中，单片机及其相关技术的发展经历了数次的更新换代。
其发展大约每三、四年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻番。
尽管单片机出现的历史并不长，但以8位单片机的推出为起点，单片机的发展已经历了4个阶段。
第一阶段（1976-1978年>：
初级单片机阶段。
这个阶段的单片机以Intel公司的MC-48为代表。
这个系列的单片机内集成有8位CPU、I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4KB，具有简单的中断功能，无串行接口。
第二阶段（1978-1982年>：
单片机完善阶段。
在这一阶段推出的单片机其功能有较大的增强，能够应用于更多的场合。
这个阶段的单片机普遍带有串行I/O口，多级中断处理系统，16位定时器/计数器，片内集成的RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64KB。
一些单片机片内还集成了A/D转换接口。
这类单片机的典型代表有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6081和Zilog公司的Z8等。
第三阶段（1982-1992>：
8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。
在此阶段，尽管8位单片机的应用已广泛普及，但为了更好地满足测控系统嵌入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。
这个阶段的代表为8051系列。
许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051内核，推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。
其主要技术发展如下：
1外围功能集成。
满足模拟量直接输入的ADC接口；满足伺服驱动的PWM；保证程序可靠运行的程序监控定时器WDT（俗称看门狗>。
2出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线和接口，如SPI、I2C总线、单总线（1-Wire>等。
3出现了满足分布系统并突出控制功能的现场总线接口，如CAN等。
4在程序存储器方面广泛使用了片内程序存储器技术，出现了片内集成EPROM、EEPROM、FlashROM、MaskROM、OTPROM等各种类型的单片机，以满足不同产品开发和生产的需要，也为最终取消外部储存器扩展奠定了良好的基础。
与此同时，一些面向更高层次的应用，推出了16位单片机，典型代表有Intel公司的MCS-96系列单片机
第四阶段（1993-现在>：
百花齐放阶段。
现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放和技术创新，以满足日益增长的广泛需要。
其主要方面如下：
1单片机嵌入式系统是面对最底层的电子技术应用，从简单的玩具、小家电到复杂的工业控制系统、智能仪表、电器控制，以及发展到机器人、个人信息终端、机顶盒等，因此，面对不同的应用对像，不断推出适用于不同领域要求的、从简易性能到多功能的单片机系列。
2大力发展专用型单片机。
早期的单片机以通用型为主。
因为单片机设计、生产技术的提高，周期的缩短，成本的下降，以及许多特定的电子产品，如家电类产品的巨大市场需求能为，推动了专用型单片机的发展。
在这类产品中采用专用型单片机，具有成本低、资源利用率高、系统外围电路少、可靠性高的优点。
因此，专用单片机也是单片机发展的一个主要方向。
3致力于提高单片机的综合品质。
采用先进的技术来提高单片机的综合品质，如提高I/O口的驱动能力，增强抗静电和抗干扰措施，加宽（降低>工作电压，降低功耗。
2.1.3单片机的发展趋势
综观30多年的发展过程，作为嵌入式系统的核心--单片机，正在朝着多功能、多选则、高速度、低功耗、低价格、大容量及加强I/O功能等方向发展。
其进一步的发展趋势是多方面的。
1全盘CMOS化
COMS电路具有许多优点，例如极宽的工作范围、极佳的低功耗管理特性等。
CMOS化已经成为目前单片机及其外围器件及其外围器件流行的半导体工艺。
2采用RISC体系结构
早期的单片机大多采用CISC体系结构，指令复杂，指令代码、周期数不统一；指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。
例如，MCS-51系列单片机，当外部时钟为12MHz,其单周期指令运行速度仅为1MIPS。
采用RISC体系结构和精简指令后，单片机的指令绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序储存器的宽度（8位增加到16位>实现了一个地址单元存储一条指令。
在这种系统结构中，很容易实现并行流水线的操作，大大提高了指令的运行速度。
目前一些RISC体系结构的单片机，如美国ATMEL公司AVR系列单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。
与MCS-51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行的速度可达12MIPS。
这样，一方面可以获得指令的高速运行，另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟的频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。
3多功能集成化
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件不仅包括一般常用的电路，例
如定时器/计数器、模拟比较器、A/D转换器、串行通信接口、WDT电路、LCD控制器等，有的单片机为了构成控制网络或形成局部网络，内部含有局部网络控制模块CAN总线，以方便地构成一个控制成一个控制网络。
为了能在变频控制中方便地使用单片机，形成最具有经济效益的嵌入式控制系统。
有的单片机内部清空设置了专门用于变频控制的脉宽调制电路PWM。
4片内存储器的改进与发展
目前新型单片机一般在片内集成了两种类型的存储器：
随机读/写存储器SRAM，作为临时数据存储器用于存放工作数据；只读ROM，作为程序存储器用于存放系统控制程序和固定不变的数据。
片内存储器的改进与发展方向是扩大容量，以及提高ROM数据的易写和保密性等。
1>片内存储容量的增加。
新型单片机一般在片内集成的SRAM128字节~1KB，ROM的容量一般为4~8KB。
为了适应网络、音视频等高端产品的需要，高档单片机在片内集成了更大容量的RAM和ROM存储器。
例如ATMEL公司的ATmega16片内的SRAM为1KB，FlashROM为16KB。
而该系列的高端产品ATmega256片内集成了8KB的SRAM、256KB的FlashROM和4KB的EEPROM。
2>片内程序存储器由EPROM型向FlashROM发展。
早期单片机在片内往往没有程序存储器或片内集成了EPROM型的程序存储器。
将程序存储器集成在单片机内，可以大大提高单片机的抗干扰能力，提高程序的保密性，减少硬件设计的复杂性和空间等许多优点，因此片内集成程序存储器已成为新型单片机的标准方式，但EPROM具有须用12V高压编程写入。
紫外线光照擦除以及重写入次数有限等缺点，这给使用带来了不便。
新型单片机则采用FlashROM、MaskROM、OTPROM作为片内程序存储器，FlashROM在通常（如5V/3V>下就可以实现程序的写入和擦除操作，重写次数在10000次以上，并可实现在线编程写入的ISP技术优点，为使用带来了极大的方便。
采用MaskROM的微控制器称为掩膜芯片，它在芯片制造过程中就将程序“写入”其中，并永远不能改写。
采用OTPROM的微控制器，其芯片出厂时片内程序存储器是“空的”，它允许用户将自己编写好的程序一次性地编程写入，之后再已无法更改了。
MaskROM和OTPROM适用于大批量产品的生产，而EPROM和FlashROM则适用于产品的设计开发及学习培训时使用。
3>程序保密化。
一个单片机嵌入式系统的系统程序是系统最重要的部分，是知识产权保护的核心。
为了防止片内程序被非法读出复制，新型单片机往往对片内程序存储器进行加锁加密。
当系统程序写入片内程序存储器后，可以再对加密保护单元编程，使芯片加锁。
加锁加密后，从芯片外部则无法读取片内系统程序代码。
若将加密单元擦除，则片内程序也同时被擦除掉，这样便达到了程序保密的目的。
5ISP、IAP及ISP、IAP技术的开发和应用
ISP（InSystemProgrammable>称为在线系统可编程技术。
随着微控制器在片内集
成EEPROM、FlashROM的发展，推动了ISP技术在单片机中的应用。
在ISP技术的基础上立首先实现了系统程序的串行编程写入，使得不必将焊在PCB印刷电路板上的芯片取下，就可直接将程序下载到单片机的程序存储器中，淘汰了专用程序下载写入设备。
其次基于ISP技术的实现，使得模拟仿真开发技术重新兴起。
在单时钟、单指令运行的RSIC结构的单片机中，可实现PC机通过串行电缆对目标板系统的在线仿真调试。
在ISP技术应用的基础上，又发展了IAP（InApplicationProgrammable>技术，也称在应用可编程技术。
利用IAP技术，实现了用户可随时根据需要对原有系统方便地在线更新软件、修改软件，还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。
6实现全面的功能管理
采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能，它包括
传统CMOS单片机的低功耗运行方式，即休闲方式（IdleMode>、掉电方式（Power
DownMode>。
双时钟技术。
配置高速（主时钟>和低速（子时钟>两个时钟系统。
当不需要高速运行时，转入子时钟控制下，以降低功耗。
片内外围电路的电源管理。
对集成在片内的外围接口电路实行供电管理，当外围电路不再运行时，关闭其供电。
低电压节能技术。
CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低系统的供电电压，能大幅降低器件的功耗。
新型单片机往往具有宽电压（3~5V>或低电压（3V>运行的特点，低电压、低功耗是手持便携式系统重要的追求目标，也是绿色电子的发展方向。
7以串行总线方式为主的外围发展
目前，单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方向是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。
采用串行总线方式扩展的外围扩展技术具有方便、灵活、
电路简单及占用I/O资源少的特点。
采用串行总线虽然比采用并行接口数据传输慢，
但随着半导体电路技术的发展，大批采用标准串行总线通信协议（如SPI、I2C、1-
Wire等>的外围芯片器件的出现，使传输速度不断提高（可达到1~10Mb/s>。
采用片内集成程序存储器而不必外部并行扩展程序存储器，加之单片机嵌入式系统有限速度的要求，使得串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求，成为流行的提扩展方式，而采用并行接口的扩展技术则成为辅助方式。
8单片机向片上系统SOC发展
SOC（SystemOnChip>是一种高度集成化、固化的芯片级集成技术，其核心思想是把除了无法集成的某些外部电路和机械部分之外所有外围电路全部集成在一片芯片之中。
现在一些新型单片机（如AVR系列单片机>已经是SOC的雏形，在一片芯片中集成了各种类型和更大容量的存储器，以及更多性能、更加完善、更强大的功能电路接口，这使得原来需要几片甚至十几片芯片组成的系统，现在只用一片就可以实现。
其优点不仅减少了系统的体积，降低了成本，而且也大大提高了系统硬件的可靠性和稳定性。
2.1.4单片机的特点
单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活，强大的控制功能，以便实现实时监测系统的输入量，控制系统的输出量，实现自动控制。
因为单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温，强电磁干扰，甚至含有腐蚀性的气体，因而单片机控制系统还必须具有抗辐射能力。
单片机CPU与通用微机CPU相比，具有以下的特点：
1抗干扰性强，工作温度范围宽。
通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较低。
2可靠性高。
在工业控制中，任何差错都有可能造成极其严重的后果。
3控制功能很强，数值计算能力较差。
而通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但是控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。
4指令系统比通用微机系统简单。
5更新换代速度比通用微机处理器慢得多，Intel公司1980年推出标准MCS-51内核8051，80C51单片机芯片后，持续生产，使用10年，直到1996年3月才被增强型MCS-51内核8XC5X系列取代。
2.1.5单片机的应用
目前单片机的应用已经深入国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用，其应用领域主要有智能仪器表，机电一体化，实时控制，民用电子产品及国防工业等。
其主要体现在以下几个方面：
1单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地应用于实验室，交通运输工具，计量等各种仪器仪表中，可使用仪器仪表智能化，提高了它们的测量精度，加强了它们的功能，简化了它们的结构，便于使用，维护和改进。
例如：
电度表校验仪，电阻，电容，电感测量仪器，船舶航行状态记录仪器，烟叶水分测试器，智能超声波测厚仪器等。
单片机在智能仪表中的应用，不仅使传统的仪器仪表发生了根本性的变化，也促进仪器仪表行业的发展。
2单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是机械工业发展的重要方向。
机电一体化产品是指集机械技术，微电子技术，自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。
例如：
微机控制的数控机床等。
单片机的出现促进了机电一体化的进程，它作为机电产品中的控制器，能充分发挥它的体积小，可靠性高，控制功能强，安装方便等优点，大大提高了机器的功能，提高了机器的自动化，智能化程度。
3单片机在实时控制中的应用
单片机也可广泛地应用于各种实时控制系统中，如对工业上各种窑炉的温度，酸度，化学成分的测量和控制，使系统工作于最佳状态，提高系统的生产效率和产品的质量。
在航空航天通信，遥控，遥测，工业机器人控制等各种实时控制和实时数据采集系统中都可以用单片机作为控制器。
4在军工领域的应用
利用单片机的可靠性高，适应的温度范围宽，能适应各种恶劣的环境的特点可以广泛应用于导弹控制，智能武器装备，航天飞机导航系统等领域。
5单片机在分布式多机系统中的应用
利用单片机可以构成分布式多机系统，系统中由若干台单片机组成的功能各异的仪器设备各自完成特定的任务，再通过通信相互联系，协调完成整个任务。
这使得系统可同时采集或处理的信息更多，单片机的应用进入了一个新的阶段。
6在民用电子产品中的应用
单片机在民用电子产品中的应用，能明显提高产品的性能价格比，提高产品在市场的竞争能力，受到了产品开发商和用户的双重青睐。
目前高档的家用电器，电子玩具等几乎都是由单片机来作为控制器的。
2.1.6单片机的基本系统结构
单片机的基本系统也称为最小系统，这种系统所选择的单片机内部资源已能满足系统的硬件需求，不需要外接存储器或I/O接口。
这种单片机内含有用户的程序存储器。
例如：
EPROM型单片机，FlashMemory型单片机，定制的ROM型单片机。
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理>的微处理器（CPU>，随机存取数据存储器（RAM>，只读程序存储器（ROM>，输入输出电路（I/O口>，可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI>，显示驱动电路（LCD或LED驱动电路>，脉宽调制电路（PWM>，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。
单片机基本系统结构如图2-1所示：
图2-1单片机基本系统结构
2.1.7单片机的组成
下图是单片机典型组成框图，由图可见它通过内部总线把计算机的各主要部件连为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。
其中，地址总线的作用是为进行数据交换时提供地址，CPU通过将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线用于在CPU与存储器或I/O接口之间或存储器与外设之间交换数据；控制总路线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答线等。
单片机结构框图
51系列有3种封装形式，一种是DIP
升级会员 