基于STC12C5A60S2单片机的LED显示屏硬件设计

摘要：设计使用宏晶科技的8位单片机STC12C5A60S2作为中央控制器，结合NAND闪存芯片K9F4008存储汉字库的8×128点阵LED数字屏，该点阵LED数字屏具有存储信息后离线显示的功能。可应用到多种显示环境，尤其像汽车等移动工具上的脱机显示环境。
关键词： LED显示; 单片机; NAND Flash存储器; 点阵字库
       自上世纪90年代以来，随着LED显示技术设计制造水平的不断提高，LED数字屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED数字屏以其特有的显示介质，在大面积，全天候，高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED显示技术发展的十几年中，新器件和新技术不断采用，制造成本逐渐降低，生产分工不断细化，但大量应用的同时也暴露出LED显示技术的若干缺陷，总体上技术尚未成熟，标准尚未完全建立，有许多方面值得进行更深入的研究与改进。
     随着大规模集成电路的迅猛发展，微处理器的运算、控制能力大大增加，单片计算机已在很多工业及民用系统中承担智能化的任务，与迅猛发展的运算速度相比，其端口扩展能力则逊色得多(数目有限且扩展困难)，因此研发过程中不得不在节省端口上投入大量精力，目前国内为解决端口扩展问题可采用软件处理的方式，这样加重了软件编写的难度，或采用扩展端口的专用芯片。这两种方法将引起软件成本的提高或硬件电路复杂度的提高,不利于一些小型系统的研发，STC12C5A60S2单片机具有多种串行传输模式,在一定程度上解决了这个矛盾。
     LED数字屏应用非常广泛，不仅能显示文字，还能显示各种图形、图表，甚至各种动画效果，是广告宣传、新闻传播的有力工具。
     本文采用STC12C5A60S2单片机、接口NAND 闪存和上位PC机,实现了对16×128点阵LED数字屏的控制。
1 芯片选型
1.1 屏体
     由于屏体是商业成品，因此系统芯片的选型首选为能与屏体配合的芯片。屏体自备电源，能直接将蓄电池的能量转变为5 V的直流电源，并且这个电源也通过屏体的接口电缆输出到系统板上。因此系统可直接引用该电源，不必自备电源电路。
1.2 单片机
     综合考虑屏体和系统需求，选用国内宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机STC12C5A60S2。
     STC12C5A60S2是新一代高速8051单片机，其指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路,其工作电压范围是3.5 V~5.5 V，满足要求的电压。由于是单周期的8051（传统8051是12周期）,可选择较易于获得准确波特率的11.059 2 MHz晶振，而不必担心工作速度降低。
     STC12C5A60S2有60 KB的用户应用程序空间，256 B的RAM和1024 B的XRAM。能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另有与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。
     STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2有36个通用I/O口，大部分可位控，并具有强推挽输出的能力，足够系统使用。
     STC12C5A60S2有4个16 bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA模块，能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。
1.3 闪存
　    因为16×16点阵的汉字库容量在250 KB左右，而MCS51的寻址空间只有64 KB。接口大于64 KB容量的普通存储芯片就必须进行总线扩展，采用两次锁存地址的方法来读写，既需要复杂的电路，又占用较长的存取时间。同样，NOR闪存与EPROM的引脚结构相类似，有同样的接口复杂性，成本也十分高。要实现单片机与字库芯片的简单接口（不需扩展），只能选用串行结构的存储器或命令、地址和数据复用总线结构的存储器。
     串行结构的存储器多为EEPROM，没有很大的容量，不适合做字库芯片。因此只有选用命令、地址和数据复用总线的NAND闪存作为字库存储芯片。
     字库所需的容量不大，但最好能5 V供电，且编程的缓存要求较小的芯片。SAMSUNG公司出品的K9F4008W是一款512 KB的NAND闪存，仅有8个IO端口,且工作电压范围较广(3 V~5.5 V),可以兼容3 V和5 V的硬件系统，并且帧编程时仅需要32 B的缓冲，正适合作为字库存储的芯片。
     因此,闪存芯片的可电擦写特性页非常适用于需要更换字库的场合。故该芯片是十分理想的汉字库存储器。
2 电路设计
     根据系统整体结构设计的电路的原理图如图1所示。
   
   3 总体设计