单片机课程设计点阵式LED显示.doc

点阵式LED显示(16*16点阵设计)摘要:由于现代电子科学技术的讯速发展，在我们生活的周围到处都会发现，LED灯的广泛存在。LED显示以其组构方式灵活，显示稳定，功耗低，寿命长，技术成熟，成本低廉等特点在车站，证券所，运动场所，交通干道通读各种室内外显示场合的信息发布，公益宣传，环境参数实时，重大少活动倒计时等等得到广泛的应用。以AT89C51单片机为控制器，16*16LED点阵为显示器件构成的数字显示系统。在程序中还可以相应地改变显示字符的样式和显示的个数。以40脚单片机AT89C51为核心，设计了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程 。本设计由于51单片机控制部分，点阵显示部分， 74LS138译码器和74LS273数据地址锁存器驱动部分等构成了一个点阵动态显示，利用单片机I/O口或以扩展锁存器的方式控制点阵显示。关键词：16*16LED点阵，AT89C51，点阵动态显示 目 录1前言12设计的任务与要求23硬件电路设计33.1总体设计方案33.2元器件描述43.2.1 AT89C51单片机43.2.2 74LS138译码器的概述73.2.3 74LS273 8位数据/地址锁存器73.2.4 16*16点阵显示屏幕83.3 89C51应用系统部分电路93.3.1 晶体振电路原理和概述93.3.2 上电复位电路113.3.3 I/O口和扩展锁存器控制点阵显示124 系统软件设计124.1软件设计描述124.2 16*16点阵显示程序135调试以及性能分析19总结20致谢21参考文献221前言 现代信息产业的高速发展，在我们周围LED显示屏作为现代信息化社会的一个闪亮标志。其广泛的应用在室内外需要进行服务的地方，众人皆知在我们生活的领域如电信，邮政大厅，营业部，车站，机场，港口，体育场所等信息的发布，政府政策的发布，各类市场行情信息的发布和宣传等。信息广告在蓬勃发展的市场经济中起着越来越重要的作用。随着技术的不断进步，新产品层出不穷，市场竞争越来激烈，广告的重要性也就更加引发企业的关注。一个成功的企业隔离不开成功的广告，而成功的广告离不开成功的广告技术和发布手段。因此，广告的新颖性，广告的创意引起高层人士的高度重视。在以前电子技术还不发达的时候，我们通常见到的是通过写大字报基挂横幅等来打广告，但那样很不方便，比如要更换内容则要整个都要换掉，而且到了晚上就看不清，非常麻烦。所以在现代信息技术发达的社会，仅仅这样肯定是没有竞争力的，而汉字显示屏的出现，不仅可以随时更改内容，而且到了晚上也特别的醒目，操作也非常的简便，成本低，从而很全有实用性，给人们带来了许多的用途与方便，基于PC 机控制的LED点阵式显示屏的发展技术也非常的快，不仅点阵数高，同时可以显示铁汉字或图形，而且清晰度非常高。还有许多的其它附加功能，又如，可以动态显示，不断的换颜色，可以翻转汉字或图形，还可以反色目前国内外还有更加先进的技术，就是利用液晶显示屏，则更加清晰，但成本比较高。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，而数码管具有补助和，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，更高的发光密谋，武冈市的发光均匀性，可靠性，全色化方向发展。LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。2设计的任务与要求本课程设计的16*16点阵需要32个驱动，分别为16个列驱动及16个行驱动。每个行与每个列可以选中一个发光管，共有256个发光管，采用动态驱动方式。每次显示一行后再显示下一行。本设计是利用实验仪上的16*16LED点阵显示器，编写显示自己名字的中英文字符，最好能移动显示。现在市场上各类基于LED的显示屏较多，但大部分产品为单一模式的LED显示屏，其在显示内容的更换及显示屏的重组等方面都存在不便之处。但随着信息化社会的迅速发展，LED显示屏正在向显示内容丰富、信息更改方便等方面发展。因此制作一款多功能的LED广告显示屏是非常有意义。3 硬件电路设计3.1 总体设计方案工作原理简述：LED点阵电路大体上可以分成单片机本身的硬件、显示驱动电路（74LS138译码器）、控制信号电路（按键）三部分。在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行以及给屏体电路部分发送命令。点阵显示屏体、以及它的各个驱动电路。由于两部分的电路在制板时可以放到一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用中断方式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。此显示电路采用扫描方式进行显示时，由两个I/O口控制点阵的行，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的列选通信号，从第一列开始，按顺序一次对各列进行扫描（把该列与电源的一端接通）。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED，未接通的列所对应的LED熄灭。采用的外加两个按键来分别控制一屏显示的速度和滚动显示的方式，同时有电源对AT89C51单片机和74LS138译码器供电使电使其工作。图1系统框图74LS138译码器输入端A、B、C，其中A连A2，B连A3，C连A4，138使能控制输入端G与总线单元上方的GS相连。点阵显示单元的16*16CS与译码单元YO相连。用8芯片扁平电缆将点阵显示单元的数据总线插座与数据总线单元任一插座相连。74LS273锁存器D1D8为数据输入端， Q1Q8为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器，和16*16点阵显示模块相连。其连接图2如下 图2 16*16点阵实验电路图3.2 元器件描述这此课程设计主要采用单片机AT89C51为LED显示屏的控制核心，系统主要包括LED驱动模块、外部扩展锁存器74LS138和74LS273。下面对各模块和器件的设计逐一进行论证阐述。3.2.1 AT89C51单片机AT89C51是一种低电压、高性能CMOS 8位微处理器，它自带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory），俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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和闪存存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C系列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单片机40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。如图3所示图3 AT89C51单片机的外形及引脚排列1、电源(1)VCC-芯片电源，接+5V(2)VSS-接地端；注意：用万用表测试单片机引脚电流表一般为0V或者5V，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介0V-5V之间，其实这只是万用表反映没这么快而已，在某一瞬间单片机引脚电流不是保持在通常情况下0V或者5V的。2、时钟：XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3、控制线：控制线共有4根(1)ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存PO口送出的低8位地址PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROG编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2)PSEN：外ROM读选通信号。(3)RST/VPD：复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在VCC掉电情况下，接备用电源。(4)EA/VPP：内外ROM 选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。VPP功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。4、I/O线89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总路线）。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输出，由于外部下拉为低电平，它将输出电流。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。3.2.2 74LS138译码器的概述74LS138为3线8线译码器，译码器是可以将输入二进制的状态翻译成输出信号，以表示其原来含义的电路。 下图所示是它的型号和外引脚排列图及逻辑功能示意图，E1，是输入选通控制端，当E1=0或者+=1时，译码被禁止，译码器的输出端到全为了；只有当E1=1， +=0，译码器才正常运行，完成译码操作。当输入二进制代码的位数比较多时，可以把几个二进制译码器级联起来完成其译码操作。图4 74LS138 3线-8线译码器引脚图3.2.3 74LS273 8位数据/地址锁存器74LS273是8位数据/地址锁存器具有复位功能、上升沿触发的8位数据锁存器，20个引脚。其功能表见表4，由表可知，当RD 0时，不论CP，D如何变化，触发器可实现异步清零，即触发器为“0”态。当RD1时，只有在CP脉冲上升沿到来时，根据D端的取值决定触发器的状态，如无CP脉冲上升沿到来，无论有无输人数据信号，触发器保持原状态不变。 74LS273的真值表1输入输出MRCLKD001111001074LS273是一种带清除功能的8D触发器，D1D8为数据输入端， Q1Q8为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。其引脚分布如图5所示。图5 74LS273引脚图3.2.4 16*16点阵显示屏幕8*8的LED点阵为单色行共阴模块，单点的工作电压为正向（Vf）=1.8v,正向电流(IF)=18-10mA。静态点亮（64点全亮）总电流为640 mA 总电压为1.8v，总功率为1.15W。动态时取决于扫描频率（1/8或1/16秒）单点瞬间电流可达80-160 mA。16*16点阵表态时16*16*10mA，动态时单点电流80-160 mA。接线方式：当某一行线打高时，某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮：某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线打低时，无论列线如何，对应这一行的点全部暗。其引脚图如图6所示。1 控制第五行显示 接高 9 控制第一行显示 接高2 控制第七行显示 接高 10 控制第四行显示 接低3 控制第二行显示 接低 11 控制第六行显示 接低4 控制第三行显示 接低 12 控制第四行显示 接低5 控制第八行显示 接高 13 控制第一行显示 接高6 控制第五行显示 接低 14 控制第二行显示 接高7 控制第六行显示 接高 15 控制第七行显示 接低8 控制第三行显示 接高 16 控制第八行显示 接低图6 16*16点阵引脚图3.3 89C51应用系统部分电路以下是AT89C51应用系统设计包括晶振电路和上电复位电路，以及单片机I/O口或以扩展锁存器方式控制的点阵显示。3.3.1 晶体振电路原理和概述单片机本身如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作，电路应在唯一的时钟信号控制下，严格地按规定时序工作。而时钟电路就用于产生单片机工作所需要的时钟信号。AT89C-51单片机时钟电路示意图如图7所示图7 AT89C-51单片机时钟电路示意图在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容C1、C2形成反馈电路，可构成稳定的自激振荡频率范围通常是1.212MHZ。若晶体振荡器频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。在上图中，使用晶体振荡器时，C1、C2取值（3010）pF；使用陶瓷振荡器时，C1、C2取值（4010）pF。C1、C2的取值虽然没有严格的喜怒无常，但电容的大小影响振荡电路的稳定性和快速性，通常取值2030pF，在设计印制电路时，晶振和电容等应尽可能靠近芯片，以减少分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用。振荡脉冲在片内通过一个时钟发生电路二分频后越冬作物为系统的时钟信号。片内时钟发生电路实质上是一个二分频的触发器，其输入来自振荡器，输出为二相时钟信号，即状态时钟信号，其频率为fose/2；状态时钟三分频后为ALE信号，其频率为fose/6；状态时钟六分频为机器周期，其频率为fose/12。也可以由外部时钟电路睛内输入脉冲信号作为单位片机的振荡脉冲。这时外部脉冲信号是经XTAL1引脚引入的，而XTAL2引脚悬空或接地。对外部设备信号的点空比没有要求，但高低持续的时间不应小于20ns。这种方式常用于多块芯片同时工作，便于同步。其外部脉冲接入方式如图8所示图8 AT89C51单片机外部时钟输入接线图3.3.2 上电复位电路上电自动复位操作要求接通电源后自动实现复位操作。如图9（a）(b)所示图9 上电自动复位电路图(a)所示为最简单的复位电路。上电瞬间由于电容C上无储能，其端电压挖为零，RST获得高电平，随着电容器C的充电，RST引脚上的高电平将爱河下降，当RST引脚上的电压小于某一数值后，单片机就脱离复位状态，进入正常工作模式。只要高电平能保持复位所需要的时间（约两个机器周期），单片机就能实现复位。相比于图(a)，图 (b)所示的电路只是增加了二极管VD和电阻R。其优越性在于停电后，二极管VD给电容C提供了快速放电通路，保证再上电时RST为高电平，从而保证单片机可靠复位。正常工作时，二极管反偏，对电路没影响。断电后，VCC逐渐下降，当VCC=0JF ，电容C通过VD迅速放电，恢复到无电量的寝状态，为下次上电复位做好准备。3.3.3 I/O口和扩展锁存器控制点阵显示本次课程设计的硬件实验采用Dais-52FD单片机实验箱来实现单片机I/O口和扩展锁存器相结合的方式控制16*16点阵显示自己名字的中英文字符。I/O口分别提供字形代码（列码）、扫描信号（行码），凡字形代码位为“1”、行扫描信号为“1”点亮该点，否则熄灭；通过逐行扫描循环点亮字形或曲线。I/O口地址分配情况如下表2所示：扩展名称口地址用处控制方式273（4）0FFE3H列代码1扩展锁存器273（1）0FFE0H列代码2扩展锁存器273（3）0FFE2H行扫描1扩展锁存器273（2）0FFE1H行扫描2扩展锁存器表2 I/O口地址分配4 系统软件设计4.1 软件设计描述16*16的点阵LED关键部分是硬件电路的设计，软件设计就相对要灵活的多，硬件搭建起后，我们就可以对单片机编写相应的程序来实现不同的显示功能，还可以添加很多的动态效果，又如卷入卷出、滚支，帘出帘入等等，只要程序可以办的到的它都能实现。本文主要介绍软件驱动程序的一个关键部分，就是74LS138的移位操作，我们是通过74LS138的译码输出来选通行，相对应我们要对74SL138写一个字，使其选通相应的列，这样就完成了一次LED的扫描操作主，由于人的视觉暂留，只要设置不同的扫描周期就可以产生不同的动态效果。扫描周期的确定可以是模糊的，也可以是精确的。所谓模糊的，就是根据经验，和人的视觉暂留的时间来估计起时，可能需要经过几次的尝试才能达到较好的显示效果。所谓精确的就是根据人的视觉暂留时间，和所扫描的点阵数量来精确计算扫描周期，通过定时器来实现较为精确的扫描周期。这种耗时一般不用这么精确，选择模糊的判断和几次尝试就能达到很好的显示效果了。单片机在上电后能自动执行一次复位操作，同时开始接收外部晶振的信号输入。从程序中的列扫描序列中读取列码的地址，并从码字表中反复读取行码的地址，由I/O口输出信号对LED点阵进行选通点亮，然后判断拉幕次数，显示出相应的字符来。显示一幕后拉幕次数加1，再送新的幕次和行码地址。4.2 16*16点阵显示程序16*16点阵显示实验程序如下： ORG 0000H LJMP XB13;=点阵扫描子程序=X01A: CLR A ;清列值 MOV 0EH, A ;指向零列X023: MOV A, 0EH ;取列值 CLR C SUBB A, #10H ;减16(十进制数) JC X0D2 ;末满16列继续扫描下一列 RET ;本次扫描完毕返回主程序X0D2: MOV 0F0H, #02H MOV A, 0EH MUL AB ;当前列值与“2”进行十进制调正 MOV 82H, A ;调正结果送数据指针DPTR MOV 83H, 0F0H LCALL XB1F ;取与当前列对应的扫描代码 MOV 20H, A ;= LCALL XB4E ;扫描代码送高八位锁存器 ;= MOV A, 0EH ;取列值 MOV 0F0H, #02H ;当前列值与“2”进行十进制调正 MUL AB ADD A, #01H ;调正结果加1送数据指针DPTR MOV R7, A CLR A ADDC A, 0F0H MOV 82H, R7 MOV 83H, A LCALL XB1F ;取与当前列对应的扫描代码 ;= PUSH DPH ;扫描代码送低八位锁存器 PUSH DPL MOV DPTR,#0FFE0H MOVX DPTR,A ;= MOV A, #01H ;代码扫描从第一行开始 MOV R6, #00H MOV R0, 0EH ;取与当前代码扫描对应的列值 INC R0 ;列指针加1 SJMP X083X07E: CLR C ;当前代码扫描对应行的查找 RLC A ;行高八位左移一位 XCH A, R6 RLC A ;行低八位带进位左移一位 XCH A, R6X083: DJNZ R0, X07E ;不为当前代码扫描对应行返上继续调正 ;= MOV DPTR,#0FFE2H ;当前行码送高八位锁存器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FFE1H ;当前行码送低八位锁存器 MOV A,R6 MOVX DPTR,A MOV R6,#80H ;当前行锁定显示250u秒 DJNZ R6,$ ;= CLR A ;关闭显示 MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A ;行高八位锁存器清零 INC DPTR MOVX DPTR,A ;行低八位锁存器清零 POP DPL POP DPH ;= INC 0EH ;列指针加1 AJMP X023 ;继续下1行 ;=X097: CLR A MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A INC DPTR MOVX DPTR,A ;=X0A0: CLR A ;清扫描个数寄存器 MOV R5, A ;从第一个开始扫描X0A2: MOV A, R5 ;取当前扫描个数 CLR C;= 确定要显示的汉字个数=; 用户可自定义汉字个数 SUBB A, #19H ;共扫描83个汉字 JNC X0A0 ;扫描个数满83个返回从第一个开始 MOV A, R5;= 确定显示为循环方式=;用户可自定义为移位循环方式 MOV DPTR,#STLS ;指向汉字表首址 MOV 0F0H, #20H ; 设定以完整的一个汉字为最小循环单位 MUL AB ADD A, dpl MOV 0ah, A MOV A, dph ADDC A, 0F0H MOV 09H, A CLR A MOV R4, AX0BD: MOV A, R4 CLR C SUBB A, #64H ;每个汉字扫描64次 JNC X0CF ;当前汉字扫描次数满64次转 MOV R2,09H MOV R1, 0AH ACALL X01A INC R4 ;扫描次数加1 SJMP X0BDX0CF: INC R5 ;扫描个数加1指向下一个汉字 SJMP X0A2;= 汉字代码表=STLS: ;- 文字: 春 -DB 001H,000H,001H,000H,03FH,0FCH,001H,000H,01FH,0F8H,002H,000H,0FFH,0FEH,004H,020H,DB 008H,018H,03FH,0EEH,0C8H,024H,00FH,0E0H,008H,020H,008H,020H,00FH,0E0H,000H,000H,MOV R0, #7FH CLR AXB16: MOV R0, A DJNZ R0, XB16 MOV 81H, #20H JMP X097;=查找与当前列对应的汉字代码子程序=XB1F: MOV A, 82H ;本次扫描首址与当前列值相加 ADD A, R1 ;低八位相加 MOV 82H, A ;送DPL MOV A, 83H ;高八位相加 ADDC A, R2 ;再加低八位进位位CY MOV 83H, A ;送DPH CLR A MOVC A, A+DPTR ;取汉字代码 RET ; 返回 ;=XB4E: PUSH DPH PUSH DPL MOV DPTR,#0FFE3H MOVX DPTR,A POP DPL POP DPH RET;- END5 调试以及性能分析调试主要分为硬件调试和软件调试：硬件调试：在焊接电路板的时候，应该从最基本的最小系统开始，分模块，逐个进行焊接测试。在对各个硬件模块进行测试时，要保证软件正确的情况下去测试硬件，要不然发生错误时，就不知道哪一方面错了。当然，在设计的过程中也存在着失误和不足，在测试中进行修改了。对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。 软件调试：软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，由于以前所学是单片机汇编语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用汇编语言编写。刚刚开始，编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。但是，在实际写如C51中，LED显示屏出现各种各样的乱码，通过再次认真仔细分析多次修改程序后，程序能够正常运行。这个方案设计的16*16的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定。此次系统设计结果较好，LED显示屏能很好的显示信息。LED显示屏由四块8*8的