16×16点阵显示屏电路印制板图的设计要点

《基础强化训练》报告

题目：16×16点阵显示屏电路印制板图的设计专业班级：

学生姓名：

指导教师：

武汉理工大学信息工程学院

2010 年7 月13 日

基础强化训练任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目: 16×16点阵显示屏电路印制板图的设计

主要目的就是对学生进行基础课程、基本技能、基本动手能力的强化训练，提高学生的基础理论知

识、基本动手能力，提高人才培养的基本素质。

一、训练内容和要求

1、基础课程和基本技能强化训练

(1)设计一个16 ×16点阵显示屏电路；

(2)对所设计电路的基本原理进行分析；

2、文献检索与利用、论文撰写规范强化训练

要求学生掌握基本的文献检索方法，科学查找和利用文献资料，同时要求学生获得正确地撰写论文的基本能力，其中包括基本格式、基本排版技巧和文献参考资料的写法、公式编排、图表规范制作、中英文摘要的写法等训练。

3、基本动手能力和知识应用能力强化训练

(1)学习PROTEL软件；

(2)绘制电路的原理图和PCB版图，要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范；

4、查阅至少5篇参考文献，按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写基础强化训练报告书，全文用A4纸打印。

二、初始条件

计算机；Microsoft Office Word 软件；PROTEL软件

三、时间安排

1、20010年7 月12日集中，作基础强化训练具体实施计划与报告格式要求的说明；学生查阅相关资料，学习电路的工作原理。

2、2010 年7 月12 日，电路设计与分析。

3、2010 年7 月13日至2010 年7 月15日，相关电路原理图和PCB版图的绘制。

4、2010年7 月16日上交基础强化训练成果及报告，进行答辩。

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

摘要..................................................................... I ABSTRACT ................................................................... II 1．绪论 (1)

2．软件简介 (2)

3．设计内容及要求 (3)

3.1设计目的及主要任务 (3)

3.1.1设计目的 (3)

3.1.2设计任务及主要技术指标 (3)

3.2设计要求 (3)

4．设计思路 (3)

4.1显示原理及控制方式分析 (3)

4.1.1 LED点阵模块结构 (3)

4.1.2 LED 动态显示原理 (4)

4.1.3 LED常见的控制方式 (5)

4.2方案选择 (7)

5．设计原理及单元模块设计 (8)

5.1硬件设计模块图 (8)

5.2硬件电路设计 (9)

5.2.1 单片机主控制模块 (9)

5.2.2 16×16点阵显示模块 (11)

6．原理图的设计及PCB版图的生成 (12)

6.1原理图的设计 (12)

6.2PCB版图的制作 (13)

7. 软件设计思路 (13)

7.1主程序设计流程图如下所示 (14)

7.2电路的C语言源程序设计 (15)

8．强化训练心得体会 (16)

附录I 16×16点阵显示屏电路原理图 (17)

附录II 16×16点阵显示屏电路PCB版图 (18)

附录III 设计电路元件清单 (20)

附录IV 软件设计程序 (21)

参考文献 (23)

摘要

电子技术的发展加快了电子产品更新的步伐，进一步推动了整个信息社会的发展，特别是电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）技术的发展，推动了整个电子设计技术的飞速发展。电子设计中少不了的是电子线路的设计PCB印刷版板的设计。目前人们在计算机上利用电子CAD软件来完成产品的原理图设计和印刷版设计。Protel系列软件以其功能强、界面友好和操作简便快捷等优点已成为EDA行业尤其是PCB设计中发展最快应用时间最长、运用范围最广的MDA软件之一。Altium Designer 09则是Protel的最新推出版本，具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。实现了与机械设计的协作，快速的交互式布线引擎，提高了电路板布线进程。这些功能可以帮助电子工程师们设计更加精密复杂的电路板。

本次设计选用Altium 公司的Altium designer09作为软件平台，设计一个16*16点阵显示屏电路，以AT89s52单片机为核心器件，主要包括串行输入转并行输出模块、单片机I/O扩展模块、点阵显示模块、电源供电模块等几大部分组成。能够实现16×16点阵汉字与图形的左右上下滚动显示，电路采用串行输入转并行输出芯片74HC595，大大节约的单片机的I/O。

关键字：电子设计；Protel；Altium designer；16×16点阵

Abstract

Development of electronic technology to speed up the pace of the electronic product updates, and further promoted the development of the information society, especially the electronic design automation (Electronic Design Automation, EDA) technology, promoting the rapid development of electronic design technology. Electronic design and ultimately the design of electronic circuit board PCB print design. At present it on a computer using electronic CAD software to complete the schematic design of products and print design. Protel Series software for its functionality, user-friendly and simple in the EDA industry, the advantages have become especially PCB design of the fastest growing application of the longest and most widely used software of MDA. Protel Altium Designer 09 is the latest release version, with automatic routing, automatic layout, logical testing, logic simulation and other powerful features. Realized in collaboration with the mechanical design, fast interactive routing engine, improved circuit board layout process. These features can help electronic engineers to design more sophisticated circuit boards.

This design selected Altium company’s Altium designer09 as a software platform to design a 16 * 16 dot matrix display circuit to AT89s52 microcontroller as the core devices, including serial input parallel output switch module, MCU I / O expansion modules, lattice display module, power supply module of several major components. To achieve 16 ×16 dot matrix character and graphic scroll up and down the left and right, the circuit switch in parallel with the serial input output chip 74HC595, significant savings in the MCU I / O.

Keywords: electronic design; Protel; Altium designer; 16 × 16 dot mat

1．绪论

电子技术突飞猛进，正朝着大规模、高密度、小型化、微型化的方向发展，电路板的设计工艺日趋复杂、精美和完善。目前人们在计算机上利用电子CAD软件来完成产品的原理图设计和印刷版设计。Protel系列软件以其功能强、界面友好和操作简便快捷等优点已成为EDA行业尤其是PCB设计中发展最快应用时间最长、运用范围最广的软件之一。Altium designer09是Altium公司开发的一款基于Windows操作系统的电路辅助设计软件，其功能非常强大，是电路CAD领域的主流产品。它是第一个将所有的设计工具集成于一身的板级设计系统，从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照设计者自己的设计方式实现。

Altium designer09采用优化的设计浏览器，通过把设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和输出等技术的完美融合，为用户提供了全新的设计解决方案，使用户可以轻松的进行各种复杂的电路板设计。

LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件是由多个独立的LED发光二极管封装组成。LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、多色化方向发展。LED点阵显示屏可以显示数字、符号，通常用来显示时间、速度、简单的字等。本文给出基于AT89s52单片机的16×16点阵LED 电子显示屏电路的设计方案包括系统的硬件设计方案硬件电路图及PCB设计板图。在负载允许范围内只需要简单的级联就可以对屏进行扩展，是一种成本低廉的图文显示方案。

作为电子专业的学生，学会几种电路设计软件是十分必要的，科技的发展步伐越来越快，一些简单的数字元件是不能满足发展的需求的，为满足社会的发展需求，集成电路应运而生，从小规模集成电路到超大规模集成电路，使单个芯片的功能越来越高，对于一个设计方案的衡量通常是以使用芯片的数目和价格达到最少作为技术、经济的最佳指标。因此，为了跟上时代的步伐，巩固所学的理论知识，学校给予了大力支持。为能够把理论与实践相结合，达到学以致用目的，在学期末安排了Protel软件的强化训练，增强了学生解决实际问题的能力，强化了学生的动手能力。Altium designer09则是Protel系列设计电路尤其是PCB印刷电路制作中很实用的一款。具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。这些功能可以帮助电子工程师们提高电路板布线进程，设计更加精密复杂的电路板。

2．软件简介

本次设计以Altium Designer为软件平台。Altium Designer 09是Protel软件原厂商Altium公司推出的Protel系列软件的最新高端版本。Altium Designer是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是世界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

Altium Designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer成为电子产品开发的完整解决方案－一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。

Altium 创新电子设计平台，形成了一个完整的一体化电子设计环境，以全新的方式创建和推出智能型关联电子产品。Altium Designer Winter 09则具有电路板设计和制造功能，具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。

3．设计内容及要求

3.1设计目的及主要任务

3.1.1设计目的

（1）．学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握Protel系列软件设计原理图、

制作PCB板图的基本方法。

（2）．加强对单片机的认识，通过调试来进一步认识其功能。

（3）．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

3.1.2设计任务及主要技术指标

应用51系列单片机设计一个16×16点阵显示屏电路，完成如下基本任务：（1）．能够实现16×16点阵的静态和动态图形或汉字的显示；

（2）．显示屏要求余光小，能够实现显示图形的左右上下滚动循环显示；

（3）．具有较好的扩展性，能够实现多个系统的级联。

3.2设计要求

（1）．使用Protel系列软件绘制16×16点阵显示屏电路原理图。

（2）．使用Protel系列软件对16×16点阵显示屏电路进行检查调试，生成电路PCB版

图。

4．设计思路

4 .1显示原理及控制方式分析

4.1.1 LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，

具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。

根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图像等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。

图1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

图1 8×8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号。如5x7点阵显示器用于显示西文字母，5×8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。

4.1.2 LED 动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显

示各种图形或文字信息。

点阵式LED 汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED 显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图2中，红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED 的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED 的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED 点阵模块中，若在某行线上加高电平（用“1”表示），在某列线上加低电平（用“0”表示）。则行线和列线交叉点处的LED 就会有电流流过而发光。

现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。其过程如图2

所示

4.1.3 LED 常见的控制方式

目前常见的是并行传输方式如图3所示，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU ）的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个16×16

点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两图2 用动态扫描显示字符“B”的过程

根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。

图3

随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。

（1）．以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。

（2）．以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。

(3)．以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并

行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高，开①①发难度较大。

(4)．以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。因此，以ARM 为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

4.2方案选择

基于系统功能与价格等多方面考虑，本次设计采用At89s52单片机为核心控制器件，运用四个74HC573来控制四个点阵的行和列，采用动态扫描的方式，巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性，来实现将连续的几帧画面高速的循环显示，从而显示出一幅图或一个汉字。通过移动行或列的扫描方向来实现上下左右滚动显示。

5．设计原理及单元模块设计

5. 1硬件设计模块图

根据设计任务的要求，经过分析可以将整个点阵显示屏电路系统分成七个模块，即为单片机小系统模块、I/O口扩展模块、16×16点阵显示模块以及串行输入转并行输出模块等。本设计的原理框图如下图4所示：

图5

5. 2 硬件电路设计

5.2.1 单片机主控制模块

本此设计综合考虑成本及功能，选择ATMEL 公司的89系列单片机，它是具有卓越的性能、低廉的价格、完美兼容性、快捷便利的电擦除操作、低电压，低电源，低功耗的一款应用广泛的八位单片机。

如图5所示AT89s52是40脚双列直插封装的8位微处理器。

复位方式有两种：按键复位与软件复位。由考虑到程序的简洁、避免冗长，本设计采用按键复位，在芯片的复位端口外接复位电路，通过按键对单片机输入一个高电平脉冲，达到复位的目的。如图6为外接复位按键复位方式：

5.2.2 16×16点阵显示模块

考虑节约单片机的I/O口资源以及显示系统的可扩展性，本次设计采用串行输入转并行输出控制器74HC595分别来控制点阵的行和列。如下图7 所示，控制四个点阵只需四个端口D1～D4即可，大大节约了单片机的I/O口资源。

图７

6．原理图的设计及PCB 版图的生成

6.1原理图的设计

本次设计以Altium Designer Winter 09为软件平台，为了更好的熟悉与学习Altium Designer 软件，设计中自己绘制了一些元件库与封装库，如下图8 所示

原理图绘制中应注意总线的绘制方法，添加总线标识符。制作封装时应以元件实际图 8-1 89s52单片机

大小为标准，画封装图。绘制中应注意元件封装图与原理图引脚序号对应。

6.2 PCB版图的制作

PCB版图的设计是电路设计的第二个重要阶段，也是电路设计步骤的最终环节。只

有在完成PCB设计后才能真正进行实际电路的最后设计。本次设计采用双面板来完成16×16点阵显示屏PCB版的制作。双面板包括顶层和底层，顶层一般为元器件界面，底层一般为焊层面。利用Altium Designer Winter 09来设计印刷电路板时如下图9为设计PCB

板的流程图：

，

在生成网络表的时候仔细检查封装引脚图序号与原理图引脚图序号是否一致，知道没错误为止，导入网络表，生成PCB图，规划好板子的大小与层数等要素，按照连线就进原则，摆好元件位置。布线时先进行自动布线，布好后进行手动改动与调整。最后进行敷铜操作，敷铜时注意板层的分开操作，逐步进行。最后生成3D效果图检查连接与元件是否正确。

7. 软件设计思路

本次设计采用了C51语言编写程序。在程序设计过程中，为了有效的完成任务，把所有要完成的任务精心的分割成若干个相对独立的任务模块，这些模块是得任务便得相对简单，容易编写，容易检测，容易阅读和维护。这是所谓的模块化程序设计思想。

7.1 主程序设计流程图如下所示

根据设计要求，本项目的软件工作应完成串行输入转并行输出、16×16点阵显示图形汉字、电源供电及ISP程序下载等功能。软件流程框图如下图10所示。

7.2 电路的C语言源程序设计

根据点阵显示屏系统电路的软件流程图，可以得知最终要实现的功能是16×16点阵显示不同图形与汉字。能够实现图形或汉字的左右上下滚动显示，从而可以简单地将这几种显示用几个不同的显示函数来表示，即为

void displayl(uchar code *p)；//左移动显示函数

void displayr(uchar code *p)；//右移动显示函数

void displayu(uchar code *p)；//上移动显示函数

void displayd(uchar code *p)；//下移动显示函数

根据一般的显示函数的编法方法，要保证显示的持久性一般采用死循环语句来实现。因此显示程序不能单独执行太久，需要与其他指示程序分时执行。要求扫描速度很快才能稳定显示。为了使整个系统时间精确稳定，采用定时器中断处理变量。主要的函数如下所示：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit SHCP=P1^0; //Shift regster

sbit STCP=P1^1; //Storage regester

sbit DI=P1^2; //date in

void delay(uint); //delay 函数

void set(uchar); // 串行输入函数

void displayl(uchar code *p)；//左移动显示函数

void displayr(uchar code *p)；//右移动显示函数

void displayu(uchar code *p)；//上移动显示函数

void displayd(uchar code *p)；//下移动显示函数

uchar code tableh[]={}；//显示字符代码---- C51取模软件

void main(){}