基于射频无线通信的点阵显示屏设计与实现毕业设计 精品Word格式.docx
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Keyword:
MCU；
LEDLatticeScreen；
RfWirelessTransmission；
RAM
1引言
LED点阵屏是由发光二极管按规律排列所组成的点阵显示屏幕，它可用来显示字符、图案等信息，具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高等特点，因此在信息显示领域得到了广泛应用。
在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示图形和汉字。
LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。
随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所，例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息豆示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。
显然，LED显示已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。
LED点阵显示根据应用领域和要求不同可以分为很多种。
常见的是采用单片机为控制核心的LED点阵显示，显示的数据预先存储在ROM中，当程序运行时，单片机负责依序将ROM中存储的数据进行读取、传输和显示[1]。
这种方式优点在于廉价、现实简单，适用于显示字符少或显示画面不大的场合，并且很少更改显示内容。
但是当显示画面大，显示内容多且较复杂，光靠单片机处理不过来，或者希望能随时改变显示内容或画面时不方便，局限性很大。
并且目前多采用有线数据传输方式的LED点阵屏幕安装和更换位置不便，而采用公用无线收费网络的方式费用较高。
目前，生活中常见的LED显示屏都是采用单片机为控制核心，显示的数据预先存储在ROM中，当程序运行时，单片机负责依序将ROM中存储的数据进行读取、传输和显示。
这种方式优点在于廉价、现实简单，适用于显示字符较少并且很少更改显示内容的情况。
当显示画面大，显示内容多且较复杂，光靠单片机处理不过来，或者希望能随时改变显示内容或画面时不方便，局限性很大。
针对以上不足，本设计研究了由PC来控制点阵屏显示信息，基于射频无线通信技术传输信息的点阵屏显示系统。
本设计除了具有让LED显示终端进行文本显示的基本功能外，还区别于传统的有线方式传输显示信息，可以通过射频无线通信技术传输数据，解决了不能随时更改显示内容的问题，在成本增加不多的情况下解决了安装和更改位置不方便的问题，提高可移动性，也符合嵌入式系统应用的未来发展方向。
2系统总体设计方案
通过对基于射频无线通信的点阵显示屏的分析，本设计所研究的无线LED点阵屏分为上位机和下位机两大部分。
上位机PC端负责显示信息的输入，用VB语言编写软件界面，制作一个可以输入显示信息并一键发送的可视化界面。
当输入文字信息后按确定发送键，VB将显示信息通过串口和无线发射模块发送出去。
下位机以STC89C51单片机为主控芯片，用于显示信息的接收和显示，CC1100模块接收上位机传输的显示信息，通过单片机在点阵屏上显示。
整个设计根据功能分为上位PC机管理模块、无线发射模块、无线接收模块、LED点阵显示模块组成，工作流程如图2-1所示。
上位机PC端用VisualBasic语言编写软件界面，用户可以直接输入显示信息，并确认发送显示。
显示信息数据通过串口通信传送到单片机，并通过无线发射模块CC1100发射出去，上位机管理模块是用户和该系统进行交流的平台。
下位机CC1100模块接收数据后通过单片机把数据存储到RAM中，并显示的点阵显示屏上。
无线发射模块和无线接收模块采用CC1100无线射频通信模块，这是一款集FSK/ASK/OOK/MSK支持实现信息包处理、数据缓冲、群发射、空闲信道评估、链接质量指示和无线唤醒等多种功能为一体的高性能模块，它可以采用曼彻斯特编码进行调制解调它的数据流，能降低误码率。
LED点阵显示模块采用16×
64像素LED点阵屏，能清晰的呈现各种汉字和符号，它由1024个发光二极管排列组合而成，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长的特点，广泛应用于各领域。
3系统硬件电路设计
3.1核心器件介绍
3.1.1STC89C51系列单片机介绍
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，它集成了中央处理单元（MCU）、存储器（RAM/ROM）和各种I/O接口，具有一个完整计算机所需要的大部分部件。
本程序用到的单片机是STC89C51，它是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚如图3-1所示。
1.单片机各引脚功能介绍：
（1）电源引脚
电源引脚接入单片机的工作电源
Vcc（40引脚）：
接+5V电源。
Vss（20引脚）：
接地。
（2）时钟引脚
XTAL1和XTAL2外接晶振引脚。
当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；
当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号[2]。
（3）控制引脚
RST（9引脚）：
复位信号输入端，当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。
在单片机正常工作时，此引脚应为≤0.5V的低电平。
/Vpp（31引脚）外部程序存储器访问允许控制端，当
为高电平时，单片机读片内程序存储器（4KBFlash存储器），但在PC值超过0FFH时，将自动转向外部程序存储器中的程序。
当
/Vpp引脚为低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器，地址为0000H-FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。
Vpp为该引脚的第二功能，为编程电压输入端。
对于89C52系列单片机，在对片内Flash固化编程时，加在Vpp引脚的编程电压为+5V或+12V。
/PROG（30引脚）
为低8位地址锁存允许信号，在系统扩展时，
的负跳沿用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，然后P0口再作为数据端口，以实现低位地址和数据的隔离，形成分时复用。
是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，
信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器[3]。
此外，单片机在运行时，
端一直有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率fosc的1/6，（即6分频）。
该正脉冲信号可作为时钟源或定时信号使用。
但是要注意，每当89C51访问外部RAM时，要丢失一个
脉冲。
此时严格意义来说，用户不宜用
作为精确的时钟源或定时信号。
PROG为该引脚的第二功能，在对片内Flash存储器编程时，此引脚为编程脉冲的输入端
（29引脚）为外部程序存储器读选通信号，在单片机读外部ROM时，此引脚输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。
此引脚接外部程序存储器的OE（输出允许）端，在访问外部RAM时，
信号无效。
归纳起来为可以分为以下几种情况：
内部ROM读取时，PSEN不动作；
外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次；
外部RAM读取时，两个PSEN脉冲被跳过不会输出；
外接ROM时，与ROM的OE脚相接。
（4）P0口为单片机的引脚32~引脚39，是漏极开路的双向I/O口，有两个功能：
当P0口用作地址/数据复用口时，相当于一个真正的双向口，用作与外部存储器的连接，输出低八位地址和输入输出八位数据；
当P0口用作通用I/O口时，由于需要片外接上拉电阻，端口不存在高阻抗状态，为一个准双向口，为保证引脚信号的正确读入，应首先向锁存器写入1。
单片机复位后，锁存器被置1；
当P0口由原来的输出状态转变为输入状态时，应首先置锁存器为1，方可执行输入操作。
（5）P1口为单片机的引脚1~引脚8，是专为用户使用的准双向I/O口，其内部有上拉电阻，可作为普通的I/O输入时，应先向端口的输出锁存器写入1。
P1口可驱动4个LS型TTL负载。
（6）P2口为单片机的引脚21~引脚28，为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址”1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
（7）P3口为单片机的引脚10~引脚17，是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，有两个功能，作为准双向I/O使用，其内部有上拉电阻，还可以提供第二功能，由特殊寄存器来设置。
P3口的第二功能如表3-1所示。
表3-1P3口的第二功能
信道位
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行口的输出
P3.1
TXD
串行口的输入
P3.2
外部中断0的中断请求输入
P3.3
外部中断1的中断请求输入
P3.4
T0
计数器0的计数输入
P3.5
T1
计数器1的计数输入
P3.6
外部数据存储器的写选通信号
P3.7
外部数据存储器的读选通信号
2.单片机最小系统电路介绍
（1）时钟电路
89C51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响到单片机系统的稳定性。
STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3-2（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用[4]。
外部方式的时钟电路如图3-2（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图3-2时钟电路
（2）复位及复位电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-2所示。
表3-2一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
TL0
PSW
TH0
SP
07H
TL1
DPTR
TH1
P0-P3
FFH
SCON
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3-3所示。
图3-3复位信号的电路逻辑图
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
这时时钟频率选用6MHz，电容取22uF，电阻R取1KΩ。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通来实现。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3-4（b）所示；
而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3-4（c）所示。
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3-4复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图3-4（a）上电复位方式。
89C51单片机功能如表3-3所示。
表3-3STC89C51主要功能
主要功能特性
性能介绍
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
3.1.2CC1100无线模块介绍
这是一款由美国TI公司的CC1100无线收发设计的一款高性能433M无线收发模块，设计旨在用于极低功耗RF应用。
其主要针对工业、科研和医疗以及470-510MHz和950-960MHz频带的短距离无线通信设备。
它特别适用于那些针对日本ARIBSTD-T96标准和中国470-510MHz短距离通信设备的无线应用。
CC1100可支持固定数据包长度协议和可变数据包长度协议。
可变或固定数据包长度模式可用于长达255字节的数据包。
对更长的数据包而言，必须使用无长度限制的数据包模式。
在可变数据包长度模式下，通过同步字后面的第一个字节来配置数据包长度。
数据包长度被定义为有效负载数据，但不包括长度字节和可选CRC。
CC1100支持三种不同类型的数据包过滤：
地址滤波，最大长度滤波和CRC滤波，最大限制的避免了错误代码的接收。
CC1100无线模块采用GFSK调制，工作在433.05-434.79M的国际通用ISM频段，最高调制速率可达500KBPS。
基于SPI接口方式，最少只需5个IO口即可，很方便于各种MCU连接[5]。
管脚定义如表3-4所示。
表3-4CC1100模块引脚表
管脚次序
管脚定义
功能描述
1
3.3V
电源输入（方形焊盘）
2
SI
SPI输入
3
SCK
SPI时钟
4
SO
SPI输出
5
GDO2
通用数据输出2
6
GND
接地
7
GDO0
通用数据输出0
8
CSN
SPI使能
模块大小40mm×
19mm，2.0mm间距的双排插针接口（注意：
万能版的孔间距为2.54mm，模块的引脚间距为2.00mm，需要使用2.54mm转2.00mm的杜邦线才能连接），使用外置弹簧天线设计，开阔地100K速率下，收发10个字节的数据量测试距离最远约300米左右。
CC1100性能优势明显，归纳为以下几点：
（1）工作频率433M符合国际通用ISM法规,430-464M宽频工作，满足多点通信和跳频通信需要。
（1）支持2FS,GFS和MSK调制方式。
（2）内置硬件CRC校验和点对多点通讯地址控制。
（3）快速启动时间，从休眠到RX或TX状态240uS。
（4）内置硬件CRC校验和点对多点通讯地址控制。
（5）低功耗，休眠状态时，电流仅为0.1uA。
（6）模块所有的IO口均加隔离电阻保护，静电防护和抗干扰能力更好。
CC1100属于高精度器件，使用时要格外注意，具体注意事项可以归纳为以下几点：
（1）静电：
无线模块为静电敏感器件，使用时请注意静电防护，特别是在干燥的冬季尽量不用收去触摸模块上的器件，以免造成不必要的损坏。
（2）电源：
无线模块推荐使用纹波小的直流电源，工作电压建议在3.3V工作。
模块的接地要稳定可靠，地线尽量靠近电源总地。
如使用开关电源的话，一定要加强退藕，以免开关电源的纹波和尖峰脉冲影响模块的工作特性。
（3）单片机：
如果模块工作在3.3V时，不考虑低功耗的话，可以直接和5V单片机系统连接，如果是连51系列的单片机P0口的话，请加10K的上拉电阻。
另模块的SPI速率最高能支持到10M，一般建议在1M或几百K的SPI速率即可。
（4）测试：
模块采用外置弹簧天线，此天线容易受外部线路影响，使用时，此天线底下和周围请不要走线路或摆放器件，可以的话最好完全悬空。
对433M，各种材质均有一定的影响，一般的塑料影响不大，如有金属物体会产生比较明显的影响，此时建议使用SMA馈线来外接SMA天线。
有关模块使用的芯片详细规格请参考TI公司的CC1101的DATASHEET。
CC1100无线模块应用范围非常广，控制处理、无线数据连接、遥测、小型无线网络；
车辆监控、防盗；
机器人控制，飞思卡尔智能车控制；
智能家庭、家居应用和无线传感、安全系统；
智能玩具；
无线抄表、门禁系统、小区传呼；
工业数据采集系统、生物信号采集、水文气象监控；
游戏无线控制器；
无线传感器、无线语音。
3.1.3点阵显示屏芯片介绍
1.74HC595芯片介绍
74HC595是具有8位移位寄存器、1个存储器和三态输出功能的芯片[6]。
其中，移位寄存器和存储器分别使用不同的时钟。
数据在SH-cp（11引脚）的上升沿输入到移位寄存器中，在ST-cp（12引脚）的上升沿输入到存储寄存器中去。
当两个时钟连在一起时，则移位寄存器会一直比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入端（14引脚Ds）、一个串行输出（9引脚
）和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能端OE为低电平，存储寄存器的数据输出到总线。
74HC595引脚图如图3-5所示。
图3-574HC595引脚图
74HC595芯片总共14个引脚，是双列直插型封装。
各引脚功能如下表3-5所示：
表3-574HC595引脚功能图
引脚
功能
Q0-Q7
八位并行输出端
级联输出端，将它接下一个595的DS
DS
升级会员 