毕业论文--LED点阵广告的仿真设计.doc

毕业设计题 目: LED点阵广告的仿真设计 所属系、部 : 电子信息与电气工程系 年级、 专业: 电气101班 姓 名: 李 小 容 学 号: 201001012037 指 导 教 师: 冉 会 中 完 成 时 间: 2013 年5月 任务要求：1 毕业设计（论文）的主要内容及基本要求主要内容：设计LED点阵显示字或图形，按下不同的按键，显示不同的字符。要求：熟悉单片机、熟悉矩阵键盘，熟悉仿真工具proteus和keil； 2 指定查阅的主要参考文献及说明1 王静霞. 单片机应用技术. 北京:电子工业出版社,20092 刘焕平, 童一帆.单片机原理与接口技术. 北京:航空航天大学出版社, 20073 芮延年. 传感器与检测技术. 江苏:苏州大学出版社, 20054 楼然苗.李光飞.单片机课程设计指导.北京:航空航天大学出版社, 20075 汪德彪. MCS-51单片机原理及接口技术（第二版）电子工业出版社，2009,66 其他3进度安排设计（论文）各阶段内容起 止 日 期1查阅相关资料或调研市场上的广播控制系统2013 年3月 13日-3月25号2设计方案分析，比较各种方案的优缺点2013年3月26日4月10日3系统的框架和硬件选型及电路设计2013年4月11日4月18日4程序编写和调试2013年4月19日5月10日5论文撰写和修改2013年5月11日5月20号摘要 LED点阵电子显示屏是一种新型信息显示媒体，集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定，制作简单和安装方便等特点，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面。 本文设计了一款以单片机AT89C51为控制器的LED点阵显示屏系统设计的16*16LED点阵广告牌。给出了系统框图，硬件模块设计图、软件流程图和程序。硬件模块设计方面，主控制系统采用单片机控制方式，实现点阵 LED显示屏的驱动及信息的保存与显示。LED显示点阵主要由LED、字模及其电路构成。通过单片机的控制驱动电路，采用扫描方式进行显示。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。关键词: 单片机； LED； 点阵Abstract: LED dot-matrix display is a new information display medium, set of microelectronics technology, opto-electronics technology, computer technology, information processing in one large display systems.With its bright, wide dynamic range, high brightness, long life and stable performance, producing simple and easy installation features, widely used in advertising, security, dissemination of information, news releases, and so on. Design section of this article to monolithic design of LED dot-matrix display system for controller AT89C51 16*16LED lattice Billboard.System block diagram is given, module design of hardware, software, flow charts and programs.Hardware module design of main control system controlled by single-chip approach, driven to achieve dot-matrix LED display and preservation and display of information.LED display the main LED dot matrix, matrix and its circuits.By single-chip computer control driving circuit, scanning mode for display.For ease of expansion and change, the software design is modular in structure, make program logic more concise.Key Words: Single-Chip-Computer; LED; dot matrix目 录前言11 系统需求分析及方案设计11.1 系统需求分析和功能设计11.2 系统方案设计12系统硬件设计22.1 器件选择及器件特点22.2 硬件电路33系统软件实现43.1 主程序设计44 系统评价54.1 系统的优点54.2 系统需要改进的地方55 结论6谢 辞7参考文献8附录917前言 当今社会在飞速发展无疑能源、健康、空间的利用，成了人们着重关注的对象。而在这个信息传递极速的社会，LED的出现给人们带来了希望之光。LED的特色之处一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三提高空间利用率。而这些特色又恰好解决了上述的三种问题。然而LED点阵显示屏的特点不仅仅于此LED点阵显示屏用的是数码管，而数码管具有实用,便宜等优点。做出来的LED点阵显示很耐用。LED点阵显示屏之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与LED显示屏本身所具有的优点分不开的。LED点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。多个 LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，即形成LED点阵图文显示屏。其主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。LED点阵的汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如1616 点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。由于LED的众多优势，在市场中得到了广泛的应用，主要应用领域有：（1）、信号指示应用：信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域，约占LED应用市场的4%左右。（2）、显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等， LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%25%，显示屏幕可分为单色和彩色。（3）、照明应用：便携灯具，汽车用灯，特殊照明。由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD显示器背光源等。以及投影仪用RGB光源。1 系统需求分析及方案设计1.1 系统需求分析和功能设计利用AT89C51单片机进行LED点阵显示屏的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与形式。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。我们将LED点阵的16条列线直接接在P0口和P2口，至于行选扫描信号则是由4-16线译码器74HC154来选择控制，这样一来列选控制只使用了单片机的4个I/O口，节约了很多I/O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1 k排电阻作为上拉电阻。1.2 系统方案设计设计方案一：以AT89C51单片机为控制中心LED点阵广告。AT89C51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。 设计方案二：以8031单片机为控制中心的LED点阵广告。8031有以下特点，（1）32个I/O接口，（2）基于MCS-51核的处理器结构，（3）2个定时/计数器，（4）5个中断源。但是8031没有程序存储器。综合这两个方案，为了更好、更简洁的完成任务，选择方案一。框图如下： 系统总体框图2系统硬件设计2.1 器件选择及器件特点 整个电路由单片机AT89C51， 1个74HC154, 1个RESPACK-8，4个8*8的LED组成。该电路所设计的电子屏可显示多个汉字，需要4个8*8 LED点阵模块，可组成1616的点阵。2.1.1 AT89C51芯片的介绍AT89C51是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL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，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机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。AT89C51引脚即外观如图3.1所示。图2.1 AT89C51的管脚图2.1.2 74HC154芯片的介绍 74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。74HC154引脚即外观如图2.2所示 图2.2 74HC154的引脚图2.1.3 点阵式汉字LED显示屏设计(1) 16*16点阵LED原理及应用设计LED点阵显示屏时必须掌握点阵工作原理才能进行更深层设计。Proteus中只有57和88等LED点阵，并没有1616LED点阵，而在实际应用中，要良好地显示一个汉字，则至少需要1616点阵。16*16LED点阵实质上就是4块8*8点阵LED级联而成的，下面我们就首先介绍使用88点阵构建1616点阵的方法，并构建一块1616LED点阵，用于本例的显示任务。首先，从Proteus的元件库中找到“MATRIX-8X8-RED”元器件，并将四块该元器件放入Proteus文档区编辑窗口中。此时需要注意,如果该元器件保持初始的位置（没有转动方向），我们要首先将其左转90，使其水平放置，那么此时它的左面8个引脚是其行线，右边8个引脚是其列线（当然，如果你是将右转，则右边8个引脚是行线）。然后我们将四个元器件对应的行线和列线分别进行连接，使每一条行线引脚接一行16个LED，列线也相同。并注意要将行线和列线引出一定长度的引脚，以便下面我们使用。连接好的1616点阵如图3.4所示。图3-2为8*8点阵LED引脚图，其等效电路如图3-3所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。 图3-2 8*8点阵LED引脚图 图3-3 8*8点阵LED等效电路图图3.4 点阵模块组合(2) LED点阵的显示文字图形原理LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。以1616点阵为例，把所有同一行的发光管的阴极连在一起，把所有同一列的发光管的阳极连在一起（共阴的接法），先送出对应第1列发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1列使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2列的数据并锁存，然后选通第2列使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16列之后，又重新燃亮第1列，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上的汉字的每一笔都是同时出现的。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。显示数据可通过单片机的P0，P2口传输到点阵列引脚。LED点阵显示模块进行的方法有两种：（1）水平方向（X方向）扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：此时用一个P口输出列码决定哪一列能亮（相当于位码），用另一个P口输出行码（列数据），决定该列上哪个LED亮（相当于段码）。能亮的列从左到右扫描完16列（相当于位码循环移动16次）即显示出一个完整的图像。（2）竖直方向（Y方向）扫描，即逐行扫描方式（简称行扫描方式）：此时用一个P口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个P口输出列码（行数据，行数据为将列数据的点阵旋转90度的数据）决定该行上哪些LED灯亮（相当于段码）。能亮的行从上向下扫描完16行（相当于位码循环移位16次）即显示一帧完整的图像。本设计应用的是第一种的扫描方法，即水平方向（X方向）扫描。每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均由256个点阵来表示，我们可以把每一个点理解为一个像素。一般我们使用的16*16的点阵宋体字库是每一个汉字在纵横各16点的区域内显示的。汉字库从该位置起的32字节信息记录了该字的字模信息。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。表2.1 材料清单元件清单名称型号数量8*8LED点阵MATRIX-8*8-RED4单片机芯片AT89C511排阻RESPACK-814-16译码器74HC15412.2 硬件电路1.行驱动电路：如图，用74HC154控制行扫描电路。2. 列控制电路可直接接上单片机P0,P2口。如图 3系统软件实现3.1 主程序设计3.1.1流程图（1）主程序的工作流程如图4-1所示。系统初始化表中读取数据到显示存储区器读取显示控制命令选择显示方式调用相应显示子程序开 始 图4-1 主程序流程图3.1.2 主程序main()int i,j,scan;while(1)for(i=0;i4;i+)for(j=0;jrepeat;j+)for(scan=0;scan16;scan+)SA=scan;LI1=di0scan;LI2=di1scan;delayms(1);4 系统评价4.1 系统的优点本系统具有如下优点：1. 硬件少，结构简单，应用广泛。2. LED数码管动态扫描显示，工作效率高，价格低廉。3. 容易实现，性能稳定可靠等。4.2 系统需要改进的地方 本次设计只能循环显示，不能同时显示4个汉字，如果能外加锁存器，那么就可以同时显示4个汉字，在LED显示方面，要维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。在人类能够接受的刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。这就大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。 锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和IO引脚便可以释放。可以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。5 结论本文设计了一款以单片机AT89C51为控制器的LED点阵显示屏系统设计的16*16LED点阵广告牌。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。 总结本文的设计工作，主要做了下面几点工作： 一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些优点，明确了研究目标。并且通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。并证实了自己的思路：“查资料思考总结运用找出差错，再查资料和向别人询问再次运用”的正确性。二在这次设计的过程中更加巩固了 PROTEUS 软件的基本知识，觉得PROTEUS对电子专业的同学来说是一个很有用的软件。在运用PROTEUS时可以运用一些快捷的标号，总线的方法画图，这样既能使电路图清晰，简单，更能大大提高画图速度三通过这次设计，重新复习并进一步增强了动手的能力，学以致用，把知识运用到实际生活中才是根本目的。四存在问题：没有考虑仿真软件是一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板会由于譬如连接不当，相邻器件间的干扰等等的问题导致在仿真软件中能良好运行的程序，出现显示问题，经过排查和合理的器件摆放焊接，问题解决。总体来说这次的设计很成功，达到了预想的目的：学到了知识，提高了能力，完成了任务。有点缺憾是时间有限，不能进一步深入和扩散学习和研究。希望有时间可以对程序和电路图作更进一步的改进。 总之通过本次(1616位点阵LED)的设计，理论知识学习和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。为后继的学习和工作奠定的基础。 谢 辞 到此为止，在为期一个多月的时间里，通过不懈的努力，今天终于可以完成毕业设计论文最后的部分，毕业设计的即将完成，乃至学业的即将完成，在这个漫长而又短暂的过程中,有多少可敬的师长、同学和朋友给了我莫大的支持与帮助。在这里请接受我诚挚的谢意!首先，感谢这三年来一直培育、教导我的各科教师，他们用自己的青春为祖国的下一代谱写着知识的海洋，是他们一步一步、一点一点的为我打下学习的基础，引导我以后的工作、生活、学习走向正确的道路。其次，感谢我的毕业指导老师冉会中老师，是她一个文件，一个软件从邮箱、QQ.以不同的方式，不同的方法给我一最新的信息，是她耐心的指导，细心的讲解，才使我有了自己的一条清晰的思路，才能更快更好的完成毕业设计。 最后，再一次感谢所授于我知识的老师们，是你们一点一滴教会我社会知识，也是你们赋予我科学知识，感谢冉会中老师，毕业设计期间给您添了不少麻烦，电话，短信，乃至到办公室找您，您总是那么热情，那么贴心，您辛苦了.老师，您们辛苦了. 参考文献1 王静霞. 单片机应用技术. 北京:电子工业出版社,20092 刘焕平, 童一帆.单片机原理与接口技术. 北京:航空航天大学出版社, 20073 芮延年. 传感器与检测技术. 江苏:苏州大学出版社, 20054 楼然苗.李光飞.单片机课程设计指导.北京:航空航天大学出版社, 20075 汪德彪. MCS-51单片机原理及接口技术（第二版）电子工业出版社，2009,6附录 附录1整体电路原理图附录2完整程序#include#d