单片机课程设计-点阵LED广告屏的控制系统设计.doc

单片机原理及应用A课程设计报告题 目：点阵LED广告屏的控制系统设计 院 （系）： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 20 16 年 12 月 26 日至20 17 年 1 月 6 日单片机原理及应用A课程设计任务书一、设计（调查报告/论文）题目点阵LED广告屏的控制系统设计二、设计（调查报告/论文）主要内容（1）控制要求：本设计要求利用单片机控制点阵LED广告屏进行对应数字及汉字的滚动显示。要求每位同学在屏幕上显示自己的学号（数字）、姓名（拼音）； （2）设计要求1 设计单片机与点阵LED广告屏之间的硬件连接；2 掌握集成开发环境KEIL的使用，用C51语言编程并仿真调试，通过后在试验箱进行硬件验证。（3）撰写说明书1 含系统硬件设计电路2 含软件设计（程序及必要的说明）3 调试及调试结果，以及在调试过程中出现的问题及解决办法三、原始资料1 74LS164 芯片资料2 74LS373芯片资料四、要求的设计（调查/论文）成果（1）了解点阵式LED广告屏的基本结构、电路特性、接口应用技术等；根据控制要求,完成系统硬件电路设计；（2）在（1）基础上能根据实际工作需要，进行液晶显示界面的任意开发；如：要求每位同学在广告屏上显示自己的学号（数字）、姓名（英文）等； （3）掌握集成开发环境Keil的使用，并能在这个开发环境下利用C51开发点阵LED广告屏幕的应用程序。（4）利用实验室设备进行运行调试。（5）撰写课程设计说明书，课程设计报告内容包括： 设计方案、课程设计过程和设计思想、方法、原理； 控制程序方框图； 参考资料、参考书及参考手册；其他需要说明的问题，例如操作说明、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等；用电脑编排打印，报告格式按照武昌首义学院课程设计管理办法执行。课程设计报告要求内容正确完整，图表清晰，叙述简明，语句通顺，字数不得少于2000汉字；课程设计报告按封面、任务书、设计说明书、图纸、实物照片贴页（实物照片贴在A4复印纸上）、成绩评定表的顺序装订。（6）总结调试过程中出现的问题及解决办法。以上设计课题完成后，均要总结设计结果、提交专业课程设计说明书并进行设计答辩。五、进程安排内容时间下达课程设计任务书。讲解课程设计的任务与要求、进度安排、指导时间、注意事项、提供参考资料。学生到实验室熟悉设备。1天搜集资料、方案论证、初步设计。2天系统设计、绘制系统控制原理图、接线图及软件编程。1天利用实验室设备完成控制系统的硬件接线工作，运行控制程序，进行运行调试。4天方案优化、总结完善、整理资料、撰写课程设计报告1天答辩、课程设计总结。1天共计10天（2周）六、主要参考资料1 关德新.单片机外围器件实用手册.北京：北京航空学院出版社，2008.2 秦龙.单片机C语言应用程序设计实例精讲.北京：电子工业出版社，2008.3 张红润.智能技术系统设计与开发.北京：北京航空航天出版社，2007. 4 陈铁军.智能控制理论及应用. 北京：清华大学出版社，2009.5 鲍可进.C8051F单片机原理及应用.北京：中国电力出版社，2010.6 赵建领.51系列单片机开发宝典. 北京：电子工业出版社，2010.指导教师（签名）： 2016 年 12 月 23 日 目录1、前言12、设计指标及设计要求23、设计简单原理介绍24、系统硬件电路的设计34.1芯片介绍34.2 硬件接线75、软件总体方案及设计流程75.1程序设计75.2数据库提取75.3 源程序85.4 程序调试96、结论1001、 前言 LED点阵显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。目前大多数的LED点阵显示系统自带字库。其显示和动态效果(主要是显示内容的滚动)的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的设计进行。而实际上经常会遇到一些特殊要求的动态显示，比如电梯运行中指示箭头的上下移动、某些智能仪表幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等。这时一般的显示系统就很难达到要求。 另外，由于受到存储器本身的局限，其特殊字符往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。因此就提出了一种利用PC机和单片机控制的LED显示系统通信方法。该方法可以对显示内容进行实时控制，从而实现诸如动态显示效果。同时用户也可以在PC机上进行显示效果的预览，显示内容亦可以即时修改。同时它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。并广泛的用于公交汽车、商店、体育场馆、车站、学校、银行、高速公路等公共场所的信息发布和广告宣传。LED 显示屏发展较快，本此课程设计基于P89C51单片机88 LED汉字点阵滚动显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编写与调试、Proteus软件仿真等基本环节和相关技术。 2、设计指标及设计要求 本设计要求利用单片机控制点阵LED广告屏进行对应数字及汉字的滚动显示。要求每位同学在屏幕上显示自己的学号（数字）、姓名（拼音）； 系统设计要求掌握点阵LED广告屏与单片机之间进行电路连接设计，并根据此设计进行软件编程，编程后首先进行仿真调试，调试通过后进行硬件调试，最终结果必须显示自己的学号及姓名拼音，并且滚动显示速度及方向均可调。3、设计简单原理介绍 理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而用另外一种称为动态扫描的显示方法。动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如8行）的同名列共用一套驱动器。具体就8x8的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第8行之后，又重新燃亮第1行，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，人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉的惰性。视觉惰性可以理解为光线对人眼视觉的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通性。实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。不致于引起闪烁感觉的最低反复通断频率称为临界闪烁频率。通过实验证明临界闪烁频率大约为24Hz。因此采用每秒24幅画面的电影，在人看起来就是连续活动的图象了。同样的原理，日光灯每秒通断50次，而人看起来却是一直亮的。由于视觉具有惰性，人们在观察高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值。视觉惰性可以说是LED显示屏得以广泛应用的生理基础。首先，在LED显示屏中可以利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点燃，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。就能够看到显示屏上稳定的图形了。采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。4、系统硬件电路的设计 系统硬件电路大致上可以分为单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。4.1芯片介绍本次实验中采用了MCS-51单片机及部分芯片（74LS377、74LS164、74LS240）MCS-51单片机的介绍：图4-1 AT89C51引脚图P1口是准双向口，做通用I/O口使用。P1口的锁存电路结构与P0口相同，但其输出只有一个场效应晶体管T1与内部上拉电阻组成。其输入与输出原理特性与P0口作为通用I/O口使用一样，作为输入口使用时，必须先向对应的锁存器置“1”,使T1截止；作为输出口使用时，由于可以提供电流负载，因此不必像P0口那样需要外接上拉电阻。74LS377芯片的引脚图：图4-2 74ls377引脚图MCS一51单片机的P0口兼用数据线和低8位地址线。为了将数据线和低8位地址线分离出来，需要在单片机外部增加地址锁存器。目前常用的地址锁存器芯片有74LS377、8282、74LS573等。其内部结构图如下：图4-3 74ls373内部图74LS164简介： 在单片机系统中，如果并行口的IO资源不够，那么我们就可以用74Ls164来扩展并行1O口，节约单片机IO资源。74LSl64是一个串行输入并行输出的移位寄存器，并带有清除端。 74LS164 8位移位锁存器只用2个IO引脚就足以起到8个IO引脚的作用，然而单片机都必须连接上很多外围设备，单单Po、P1、P2、P3这4组IO口引脚数才32根，在实际应用上很容易出现引脚不够用的尴尬情况，为此有必要拓展IO口的应用。 74LSl64结构74LSl64 8位移位锁存器有14只引脚，如图1所示，引脚说明如表1所列。表1 74LS164引脚功能 图4-4 74ls164引脚图当清除端(CLR)为低电平时，输出端(QOQ7)均为低电平。串行数据输入端(A，B)可控制数据。当A、B任意一个为低电平时，则禁止新数据的输入，在时钟端(CLK)脉冲上升沿作用下QO为低电平；当A、B有一个高电平时，则另一个就允许输入数据并在上升沿作用下确定串行数据输入口的状态。表2 74LS164工作方式74LS164 8位移位锁存器是通过内部门电路的使能与禁能实现串行输入的，数据可以异步清除，内部典型时钟频率为36 MHz，典型功耗为80 mw。由于74LS164 8位移位锁存器的内部时钟频率为36 MHz，速度已经非常快了，那么性能上的瓶颈就有可能发生在单片机身上，如传统的8051系列单片机，当其T作在12 MHZ时，Io的跳变极限时间就是1us而已，要知道74LSl64 8位移位锁存器的内部时钟频率为36 MHz，即每检测一位数据的时间约为003uS，这样74LS164 8位移位锁存器从移位输入到并行输出IO跳变花费的时间就可能是1uS8+003uS8824uS，再加上多余的指令浪费的时间约10us，那么通过74LSl64 8位移位锁存器实现移位输入转并行输出总共浪费的时问就接近20us了。虽然可以节约IO资源，但是对于性能越差的单片机浪费的时间就越多，这仅仅适用于对时间要求不严格的。74LS240芯片资料它是一块具有驱动功能的四路反向器，除反向功能外，还可以起到隔离作用，保护单片机机芯的内部电路，增加输出口的扇出电流，提高负载能力。图4-5 74ls240引脚图4.2 硬件接线图4-6 系统硬件图5、软件总体方案及设计流程5.1程序设计显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。5.2字形码提取 假设显示字母“L”，形成的代码为0x00,0x3c,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00；只要把这些代码分别送到相应的行线上面，即可实现“L”的字母显示。我的学号和姓名的缩写点阵显示代码：0x00,0x3c,0x10,0x08,0x04,0x24,0x18,0x00; /20x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00; /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00; /10x00,0x08,0x08,0x7c,0x28,0x28,0x28,0x28; /40x00,0x3c,0x10,0x08,0x04,0x24,0x18,0x00; /20x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00; /10x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00; /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00; /10x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00; /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00; /10x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00; /10x00,0x3c,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00; /L0x00,0x44,0xaa,0xaa,0xaa, 0x92,0x82,0x00; /W5.3 源程序#includereg51.h#includeabsacc.h #define uchar unsigned char#define address XBYTE0xff55sbit p10=P10;sbit p11=P11;unsigned char code led=0x00,0x3c,0x10,0x08,0x04,0x24,0x18,0x00, /20x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00, /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00, /10x00,0x08,0x08,0x7c,0x28,0x28,0x28,0x28, /40x00,0x3c,0x10,0x08,0x04,0x24,0x18,0x00, /20x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00, /10x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00, /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00, /10x00,0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18,0x00, /00x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00, /10x00,0x3e,0x08,0x08,0x08,0x18,0x08,0x00, /10x00,0x3c,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x00, /L0x00,0x44,0xaa,0xaa,0xaa,0x92,0x82,0x00; /W main( )unsigned char w ;unsigned int n,t,i,y,a,j ;while (1) for(n=0;n104;n+) for(t=0;t80;t+) w=0x01;for(i=0;i8;i+)a=(wi);for(y=0;y8;y+)p11=1;a=1;p10=CY;p11=0;address=ledi+n;for(j=0;j40;j+);address=0x00;5.4 程序调试 单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的，许多硬件故障在软件调试时才能发现，但通常要先排除系统中明显的硬件故障。 根据硬件逻辑设计图，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，必要时可用万用表检测线路通断情况。在进行目测检查时发现未将CSO接口接地，在发现这个问题后及时的将CSO接口与地线连接。对硬件检查完成后在KEIL软件上进行程序编