《单片机原理与接口技术》专业设计-LED点阵广告屏.doc

武汉理工大学华夏学院单片机原理与接口技术专业设计华夏学院单片机原理与接口技术专业设计题 目： led点阵广告屏 学院（系）： 信息工程系 年级专业： 测控1082班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 测控1082 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题 目: 大型动态显示屏控制器的设计 初始条件：1. 运用所学的单片机原理与接口技术知识和数字电路知识；2. 51单片机应用开发系统一套；3. pc机及相关应用软件；要求完成的主要任务:主要以单片机sts89c51为控制器的led点阵显示屏系统的设计，采用动态扫描的方式实现中文字符的动态显示。系统采用pc机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和所存储的显示代码，单片机接收并处理pc机的控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动1616分辨率的led点阵显示屏的扫描显示。1. 完成大型动态显示屏控制器的设计和调试。 2. 撰写课程设计说明书，说明书使用a4打印纸计算机打印，用protel等绘图软件绘制电子线路图纸。 时间安排：第1周 下达课程设计任务书和日程安排，调研和查找资料，明确设计任务要求；第2周 完成方案论证、总体设计和硬件设计；第3周 完成软件设计和程序的编写； 第4周 调试硬件系统和软件程序，完成整个系统的设计和调试；第5周 结果分析整理、撰写课程设计报告，验收和答辩。 指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日基于51单片机原理16x16点阵广告牌的设计摘要 随着社会的不断进步与发展,人们在获取信息的同时,也对信息获取的方法和信息质量有了更高的要求。l ed 具有显示稳定、功耗低、寿命长、显示内容灵活、显示方式丰富、操作简单等特点,被广泛地应用在金融业、车站、通信、学校、体育馆及各种广告宣传中。 本设计主要介绍一种基于89c51单片机构成的l ed 显示屏,该显示屏可通过pc 机和rs232 串行通讯口将显示数据传送到单片机的ram 中,再由单片机显示系统驱动l ed 屏显示出所需的图形或文字。 在模拟本设计时需要用到的有proteus软件和串口调试助手，串口调试助手在与虚拟终端rs232建立连接后将10位数据以自己设定的波特率经max232电平转换后传与单片机的ram中，单片机根据传送内容调用字库扫描码执行刷新或不同方式的动态扫描。 本次设计因本人水平有限有很多的不足，希望大家给予意见。最后感谢在设计过程中李波老师给予的帮助。目 录前言.1第1章 led点阵广告牌系统的设计要求与设计方案.2 1.1 led点阵广告牌的概述.2 1.2 系统主要功能.21.3 方案论证与比较.2第二章 led点阵广告牌系统的总体分析.4 2.1 广告牌的总体框图.4 2.2通讯部分.4 2.3 显示部分.8第三章 led点阵广告牌的硬件设计.10 3.1 at89c51芯片的介绍.10 3.2时钟电路.11 3.3复位电路.12 3.4行数据传输电路.12 3.5列控制电路.13 3.6点阵组合电路.14. 3.7串行通讯电路.14第四章 led广告屏系统的软件设计.16 4.1系统主程序流程图.16 4.2中断程序流程图.17 4.3显示子程序流程图.17 4.4行数据传输子程序.19第5章 设计体会与小结.20参考文献.21附录.22 一.元件清单.22二.程序清单.22三.系统硬件电路图.2628武汉理工大学华夏学院单片机原理与接口技术专业设计前 言 现在广告屏随处可见，led点阵屏以它独特的优点得到了广泛的应用，无论在大街上还是商场里，甚至是家里led点阵显示屏都有得到应用。因此led点阵有着良好的发展前景。 本设计以89c51为基础，制作一个篮球场内显示信息的led点阵，采用pc机为上位机，实现控制点阵进行不同模式的显示，并带有刷新模式。 以pc机为上位机控制，对显示内容及显示方式有了很大的提高，其字库的译码具有很大的应用意义。第1章 led点阵广告牌系统的设计要求与设计方案1.1 led点阵广告牌的概述 led广告牌显示的是要告知人们信息。本设计主要运用于室内篮球场，由串口线连接下位机单片机与上位机pc机，但在此次设计中由虚拟终端rs232与串口调试助手来替代数据传输。该设计的主要实现单片机与pc机的串口通讯和16x16led的点阵显示。1.2 系统主要功能 本课程设计的led点阵广告牌系统的主要功能有：显示汉字，实现动态扫描显示，实现从左向右平移显示，带有自刷新功能，显示方式由上位机控制，显示内容集成与单片机片内。1.3 方案论证与比较 方案一：采用并行通讯，静态显示。 并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。并且并行通讯的差错率很高，可靠性不够。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,所有l ed 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：采用串行通讯，动态显示. 串行通信是指 使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别使用于计算机与计算机、计算机与外设之间的远距离通信。串行通讯有很好的查错方式，可靠性高，再加上篮球场内的传输距离约有10米，因此我选择第2种方案.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。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1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感。 由于静态显示方式,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。而动态显示可以避免静态显示的问题，只是在设计时应注意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。且动态显示易于制作和理解。我采用动态显示。第2章 led点阵广告牌系统的总体分析2.1 广告牌的总体框图pc机max232电平转换行驱动电路led点阵at89c51 时钟电路列扫描电路复位电路 图2-1总体框图 广告牌先处于刷新模式，pc机由串口助手与虚拟终端rs232来模拟，上位机的信息由max232进行电平转换以后送入单片机的接收端，然后单片机根据接收的信息进行汉字内容选择，显示方式选择。显示完后进入刷新模式。 2.2 通讯部分 2.1.1rs232串口引脚定义如下：9芯信号方向来自缩写描述1调制解调器cd载波检测2调制解调器rxd接收数据3pctxd发送数据4pcdtr数据终端准备好5gnd信号地6调制解调器dsr通讯设备准备好7pcrts请求发送8调制解调器cts允许发送9调制解调器ri响铃指示器串口的电气特性：（1）rs-232串口通信最远距离是50英尺=15m（2）rs232可做到双向传输，全双工通讯，最高传输速率20kbps（3）rs-232上传送的数字量采用负逻辑，且与地对称逻辑1：-3 -15； 逻辑0：+3+15v。所以与单片机连接时常常需要加入电平转换芯片 2.1.2电平转换芯片max232： max232芯片是maxim公司生产的具有两路接收器和驱动器的ic芯片，其内部有一个电源电压变换器，可以将输入+5v的电压变换成rs-232c输出电平所需的+/-12v的电压。在其内部同时也完成ttl信号电平和rs-232信号电平的转换。所以，采用此芯片实现接口电路只需单一的+5v电源就可以。max232芯片的引脚结构如图2-2所示。其中管脚1-6(c1+,v+,c1-,c2+,c2-,v-)用于电源电压转换，只要在其内部接入相应电解电容即可：管脚7-10和管脚11-14.构成两组ttl信号电平与rs-232信号电平的转换电路，对应管脚可直接与单片机串行口的ttl电平引脚和pc机的rs-232电平引脚相连。 图2-2芯片引脚图 其内结构如下：2.1.3串口通信参数： （1）波特率：rs-232标准规定的数据传输速率为每秒50、75、 100、150、300、600、1200、2400、 4800、9600、19200波特。 （2）数据位：标准的值是5、7和8位，如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ascii码是0127（7位）；扩展的ascii码是0255（8位）。 （3）停止位：用于表示单个包的最后一位，典型的值为1，1.5和2位。由于数是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。 （4）奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。 本设计采用的是10位帧的数据传输格式。我所用的串口传送工具为串口调试助手，它本身自带10位的传送格式，1个起始位，8个数据位，1个停止位。篮球场传送的数据量不大，不需要很强大的检错方式，基于适合就是最好的原则，所以我选用10位帧来传送数据。一次传送一个数据帧。 2.1.4串口通信的接收过程： 异步通信：接收器和发送器有各自的时钟；同步通信：发送器和接收器由同一个时钟源控制。rs232是异步通信。 （1）开始通信时，信号线为空闲（逻辑1）,当检测到由1到0的跳变时，开始对“接收时钟”计数。 （2）当计到8个时钟时，对输入信号进行检测，若仍为低电平，则确认这是“起始位”，而不是干扰信号。 （3）接收端检测到起始位后，隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为d0位数据。若为逻辑1, 作为数据位1；若为逻辑0，作为数据位0。 （4）再隔16个接收时钟，对输入信号检测一次，把对应的值作为d1位数据。.，直到全部数据位都输入。 （5）检测校验位p（如果有的话）。 （6）接收到规定的数据位个数和校验位后,通信接口电路希望收到停止位s(逻辑1)，若此时未收到逻辑1，说明出现了错误，在状态寄存器中置“帧错误”标志。若没有错误，对全部数据位进行奇偶校验，无校验错时，把数据位从移位寄存器中送数据输入寄存器。若校验错，在状态寄存器中置奇偶错标志。 （7）本幀信息全部接收完，把线路上出现的高电平作为空闲位。 （8）当信号再次变为低时，开始进入下一幀的检测。如图2-5所示图2-5单片机常用11.0592m的的晶振，这个奇怪数字是有来历的：波特率为9600bps每位位宽t1=1/9600s，晶振周期t2=1/11.0592/1000000s单片机机器周期t3=12*t2，t1/t3=96即对于9600bps的串口，单片机对其以96倍的速率进行采样。如果单片机晶振用的不正确，会对串口接受产生误码。2.2 显示部分 2.2.1电源模块选择用干电池作为led点阵系统的电源，由于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。采用一片lm7805三端稳压器，耗电电流为100ma左右的电源作为系统电源，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，我决定采用采用lm7805三端稳压器电源作为系统电源。2.2.2驱动电路的选择：电路中行方向由at89c51的p0口完成扫描，由于p0口没有上拉电阻，因此接一个4.7k*8的排阻上拉。p0口外接2个并联驱动的74hc595移位寄存器做并行传输电路。列方向则由2个74ls138并联完成扫描，它由89c51的p1.0-p1.3控制扫描输入p1.4-p1.5控制芯片使能。并外接16个470r电阻限流。又因为每个二极管的驱动电流为10ma-30ma因此在电阻后应该加三级管进行驱动，但仿真中部需要考虑驱动能力，为了仿真方便因此不接入驱动三级管。2.2.3工作原理利用单片机进行led汉字显示平设计与制作是利用单片机控制技术，编写程序，通过程序控制led的显示，显示所要显示的内容。技术线路为通过程序控制at89c51芯片输出高低电平，高低电平控制分别控制led的亮和灭，最终达到所要显示的内容。在显示电路中，主要上位机的命令实现各种显示要求的选择与切换。本设计介绍一种实用的汉字显示屏的制作，考虑到电路元件的易购性，没有使用8*8的点阵发光管模块， 而是直接使用了256个高量度发光管，组成了16行16列的发光点阵。同时为了降低制作难度， 仅作了一个字的轮流显示，实际使用时可根据这个原理自行扩充显示的字数。我们把行列总线接在单片机的io口，然后把扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。但是若将led点阵的行列端口全部直接接入89c51单片机，则需要使用32条io口，这样会造成io资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。因此，我们在实际应用中只是将led点阵的16条行线由p0口和74hc595控制，至于列选扫描信号则是由2个3-8线译码器74ls138来选择控制，这样一来制只使节约了很多io资源，为单片机系统扩充使用功能提供了条件。考虑到p0口必需设置上拉电阻，我们采用4.7 k排电阻作为上拉电阻 第三章 广告牌的硬件设计 本设计采用以at89c51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由at89c51芯片、时钟电路、复位电路、行数据输入电路、列扫描驱动电路(74ls138)、1616 led点阵、通讯电路7部分组成，如图3-1所示：行驱动电路点阵显示pc机rs232atc89max232 复位电路列扫描电路时钟电路 图3-1硬件电路图 3.1 at89c51芯片的介绍at89c51是一种带4 kb闪烁可编程可擦除只读存储器(falsh programmable and erasable read onlymemory，fperom)的低电压、高性能cmos型8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel公司高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1 000次写擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到at89c51芯片。其主要参数及引脚图及其功能如下：主要性能参数：1）与mcs-51产品指令系统完全兼容2）4k字节可重擦写flash闪速存储器3）1000次擦写周期4）全静态操作：0hz24mhz5）三级加密程序存储器6）128*8字节内部ram7）32个可编程i /o口线8）低功耗空闲和掉电模式9）6个中断源图3-2 at89c51引脚图at89c51是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（eprom）和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash 存储器单元，内置功能强大的微型计算机的at89c51提供了高性价比的解决方案。 at89c51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，at89c51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。 3.2 时钟电路由at89c51的18，19脚的时钟端(xtall及xtal2)以及12 mhz晶振x1、电容c2，c3组成，采用片内振荡方式。图3-3时钟电路 3.3 复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。采用简易的上电复位电路，主要由电阻r18电容c7，开关k1组成，分别接至at89c51的rst复位输入端。图3-4复位电路3.4行数据传输电路根据如图3-5所示的74hc595的管脚对控制端说明：mr（10脚）指低电平时将移位寄存器数据清零；st_cp（11引脚）指上升沿时数据寄存器的数据移位；q1到q7指下降沿移位寄存器数据不变；st_cp（12脚）指上升沿时移位寄存器的数据进入存储寄存器，下降沿时存储器数据不变。通常将rck置为低电平，当移位结束后，在rck端产生一个正脉冲，更新显示数据；g（13脚）指高电平时禁止输出。如果单片机引脚不紧张可单独控制它。用2片595组长行数据传输电路如图3-6.图-5芯片引脚图3-6行数据输入 3-5列控制电路 列控制器件是74ls138是3-8线译码器，它具有3个数据输入端、3个使能端，只有当s1为高电平，二s2和s3之和为低电平时，才能正常工作，输出低电平有效。此设计采用2片74ls138和每个输出端串联一个470r电阻起一定限流作用，然后与p1口相连作为显示屏的列选择线。电路图如3-7.图3-7扫描电路3-6点阵组合电路 此点阵为共阴极组合，控制列选低电平有效。r0-r15为行数据端，c0-c15为列控制端，在proteus中4片8x8就组成了16x16点阵。电路如图3-8.图3-8点阵组合电路 3-7串行通讯电路串行通讯电路有rs232及max232组成主要是将上位机的信息及控制命令传入单片机的p2.0-p2.2来控制扫描方式及显示方式。主要电路如图3-9.图3-9通讯电路第4章 led点阵广告屏系统的软件设计4.1 系统主程序在主程序模块中，主要完成端口的定义，设置通讯波特率和初始化并开中断，调用扫描子程序并等待中断，并由p2.0口显示除刷新外的子程序是否被执行。 当单片机运行时，系统进入刷新界面，当有中断来时验证是否为标志量，如果是则标志位减1，并进入刷新界面，不是则直接进入刷新界面。当标志量确定，接收数据后进入显示子程序，显示完后跳入刷新界面。程序流程图如下：开始端口定义设置波特率d=1？显示子程序中断程序ri=1？初始化，开中断 nyny3.2中断程序流程图 3.3显示子程序流程图初始化 刷新 nd=1?ny方式？y片选，列控制赋初值方式1方式2102201片选，列控制赋初值片选，列控制赋初值行子程序子程序返回子程序返回字数？字数？子程序返回16列？取下帧首址8列？延时子程序扫描列使能字模地址改变16列？16列？取下帧首址8列？延时子程序扫描列使能行子程序字模地址改变取下帧首址8列？延时子程序扫描列使能行子程序 nynnyynnynyynnyy3.4行传送子程序流程图子程序返回595管脚输出数据传送完字节取码指针加18位传送完位传送取当前一个字节595呈现高电平，设置传送字节数行数据传送子程序 nyny第五章 设计体会与小结 虽然本设计只使用了一块1616 led点阵，电路简单，但是已经包涵了led显示屏的电路基本原理和基本程序，只要扩展单片机的io接口，并增加一些led点阵和相关芯片，就能设计出更大面积、更多花样的led显示屏。因此本文对同类设计具有一定的理论和实践参考价值。本设计的理论基础是单片机，微机原理，模拟和数子电路。比如at89c51芯片的一些工作原理是在mcs51的基础上通过改进完成的。pc机的主要知识是微机原理里面的。三极管和74ls138、74hc595的工作原理也分别在模拟和数子电路里介绍过。通过本设计不仅把以前学过的知识重新温习，而且在查阅课外资料是还有好多芯片都是以学过的芯片为基础，并且在其基础上改进和完善的。通过专业设计的实施可以使学生把在校学习的理论知识和实际应用有机地结合起来，同时也能培养我独立思考、勇于创新的科学态度和钻研精神，为我将要踏上工作岗位做一次提前的锻炼。由于多方面原因我没有做硬件方面的东西，也没有进一步的调试。所以具体的程序烧录下载没有完成。但理论的部分我一一介绍了，弄懂了里面的工作原理，信号出入作用的地方。达到了毕业设计的目标。另外也有些遗憾，如果有硬件的东西和软件的效果会更有说服力。毕业设计使我在以下几个方面有所明显提高：融会和贯通所学习专业的基本概念、基本理论和基本技能。综合运用所学专业理论知识和技能分析，提高解决实际问题的能力。以科学的、实事求是的态度进行科学试验和工程实践的动手操作能力。提高文献阅读和使用能力。参考文献1. 李群芳、张士军、黄建.单片微型计算机与接口技术（第3版）.电子工业出版社，2008.2. 朱清慧、张凤蕊、王志奎.proteus教程.清华大学出版社，2008.2. 张义和、王敏男、余春长.列说51单片机（c语言版）.人民邮电出版社.2010.3. 刘全、邬芝权.基于51系列单片机的led显示屏开发技术.北京航天航空 大学出版 社.20095. 张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术.北京：国防工业出版社，1999.附录1 元件清单 名称数量规格470r /8w16电阻4.7k*8排阻1 2n555116小功率npn三极管led2573mm白发红高亮度30p2电解电容1uf/50v4瓷片电容1uf1电解电容at89c511或at89s5140pin ic座1插89c51用12m1晶体74ls1382lm78051稳压ic电源插座1稳压电源174hc59522. 程序清单 程序： sh_cp bit p0.0 st_cp bit p0.1 dds bit p0.2 mr bit p.03 oe bit p0.4 e1 bit p1.3 e2 bit p1.4 d bit p2.0 org 0000h ajmp main org 0023h ajmp intv org 0030h main: mov tmod,#20h mov th1, #oe6h mov th2, #0e6h setb tr1 mov scon,#50h setb es x: setb ea mov 20h,00h mov 30h,#01h crl dloop: lcall d jb d, x sjmp loop intv: crl ri ;中断程序 mov a,30h xrl a,01h jnz b mov a,subf anl a,0ffh jnz c dec 30h ajmp cb: mov 20h,subf setb d crl ea c: pop dph pop dpl mov dptr,#loop push dpl push dph reti d: clr mr ；显示子程序 clr st_cp nop setb st_cp setb mr clr oe jnb d ,w cjne 20h,#01h,y mov r4,#ok-tab+1 h: lcall a inc dptr inc dptr inc dptr djnz r4,h rety: mov r4,#3h lcall a mov a,#32h movc a , a+dptr djnz r4, a ret