毕业设计（论文）-基于单片机的LED广告屏的设计毕业论文.doc

北京科技大学本科生毕业设计（论文） 摘要LED（Light Emitting Diode）行业作为一个已经成熟的产业，市场空间巨大，应用前景广阔。通过对LED技术的基本应用的研究可以进一步强化自身的专业技能和强化自己的动手设计能力。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。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。本文介绍了基于单片机STC12的1616LED点阵汉字滚动显示屏的设计。其中着重介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及详细的工作流程和使用说明。本文分为六部分，其中主要内容是系统总体分析，系统硬件设计，系统软件设计三部分。系统总体分析是基础；系统硬件设计是本文的关键及核心部分，该部分首先简单描述系统硬件工作原理，且附以系统硬件设计框图，论述了本次毕业设计所应用的各硬件接口技术和各个接口模块的功能及工作过程；软件设计是系统运行必不可少的部分。本文撰写的主导思想是软、硬件相结合，以硬件为基础，来进行各功能模块的设计。本设计实用性强、操作简单、扩展功能强。本此设计的显示屏的设计具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易实现等优点。关键词是为了文献标引工作从论文中选取出来、用以表示全文主题内容信息款目的单词或术语。如有可能，应尽量用汉语主题词表等词表提供的规范词。不用此信息时，删除此框。关键词：单片机 LED 点阵 汉字显示The Design of LED advertising screen Based on SCMAbstractLED (Light Emitting Diode) industry as a mature industry, the market is huge, the application prospects is broad.Through the application of LED technology, the basic research could further strengthen our professional skills and strengthen our hands design capabilities.One special feature at the LED energy (power direct, indirect energy consumption), the second is almost no ionizing radiation, three improved space utilization.However, the characteristics of LED dot matrix display is not only here, LED dot matrix display using a digital, and digital tube has a practical, cost advantages.LED dot matrix display made out of very durable. LED dot matrix display by the wide attention and rapid development, with the LED display itself has the advantage inseparable. LED dot matrix display is extremely broad prospects for development, the current is moving higher brightness, higher weather resistance, higher luminous density, higher luminous uniformity, reliability, full color direction.This article describes the microcontroller-based STC12 of 1616LED dot matrix character scrolling display design. Which focuses on the LED dot matrix display hardware design ideas, the hardware circuit functions of various parts and principles corresponding software program design, and detailed workflow and instructions for use. This paper is divided into six parts, of which the main contents of the overall system analysis, system hardware design, system software design three parts. Overall system analysis is the foundation; system hardware design is the key and core part of this paper, this section first briefly describe the system hardware works, and attached to the system hardware design diagram, discusses this graduation design applications and in all of the hardware interface technology Interface module functions and working process; software design is an essential part of system operation. The main idea of this writing is soft and hardware combination, hardware-based, for each functional module design. The design of practical, simple, powerful extension. The display is designed with a small, less hardware, circuit structure is simple and easy to implement.Key Words：LED; Lattice; Chinese character demonstrates- 54 -目录摘要1Abstract2引言41 LED显示屏的介绍51.1LED显示屏的发展背景及国内外研究现状51.1.1LED显示屏的特点61.1.2 LED显示屏的动态扫描81.2LED显示屏的分类81.2.2按使用方向分类81.2.2按使用场合分类91.2.3按发光点的直径分类91.3LED显示屏的显示方案91.4LED的作用及市场前景101.4.1 LED显示屏的作用101.4.2LED的市场前景102系统的总体设计102.1设计目标及采取的方案102.1.1设计目标102.1.2采取方案112.2工作原理112.3总体设计123系统硬件设计133.1各部分电路功能说明133.2AT89C51芯片的简要介绍153.3时钟电路的设计173.4复位电路183.5行驱动电路193.6列驱动电路的设计213.7电源电路的设计223.8LED显示器的设计223.8.1点阵式LED显示屏设计223.8.2LED电子显示屏显示字符原理233.9 汉字显示原理243.9.1LED显示屏电路的设计254系统软件的设计274.1 主程序设计275 系统制作与调试315.1 Proteus软件简要介绍315.2 仿真过程335.3 硬件制作与调试335.3.1 硬件电路板的制作335.3.2 系统硬件调试345.4 系统软件调试34结论36参 考 文 献37附 录38外文资料原文38外文资料译文44在 学 取 得 成 果49致谢50引言LED显示设备是利用发光二极管构成点阵模块或像素单元从而组成的平面式显示装置。它本身具有发光效率高、使用寿命长、结构灵活、色彩丰富以及适应室内外环境能力强等诸多优点。因而广泛应用于码头、公交汽车、商店、学校和银行等公共场合的信息发布与广告宣传。LED显示屏经历了从单色、双色的图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程，自从20世纪八十年代起，LED显示屏的应用领域已经遍布于交通、电信、教育、证券、广告宣传等各个方面。LED 显示屏发展速度是非常快的，本文讲述了基于AT89C51型单片机阐述了1616 LED汉字点阵滚动显示的基本原理、硬件设计与组成、程序编写与调试、Proteus软件仿真技术等基本的环节和相关技术技能。单片机是一种集成的电路芯片，是采用了超大规模集成电路技术的把具有数据处理能力的中央处理器CPU和随机存储器RAM、只读存储器ROM、以及多种I/O口与中断系统、定时器或计时器等功能（有时还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多线路转换器、A/D转换器等多功能电路）集成到一块硅片上组成的一个小却完善的计算机系统。单片机系统广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航海航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。正因为LED显示具有许多优势，所以正在逐渐取代其他显示材料。这是其本身的邮电所决定的。目前一种新的显示材料OLED正在处于研究开发阶段，OLED显示屏是通过有机材料自发光技术，使人们即使在阳光下也能看到显示屏所显示的内容，当然它自身还有其它众多优点。单片机不仅在体积小的趋势上上有所突破，也在向功能多极化平台扩展化方向发展，单片机的发展也自然而然的带动了LED显示屏产业的发展。本文主要讲述基于单片机的LED显示器设计，只是单片机的一个非常简单常见的应用，经改进它能够实现多种图文显示。本文简要讲述了通过单片机控制LED显示器显示文字的原理，以及硬件电路与软件设计的方法，希望能帮助大家了解汉字的点阵显示原理，认识与了解单片机的基本结构、工作原理及其应用方法，并提高对单片机的认识及其技术的运用能力。1 LED显示屏的介绍1.1LED显示屏的发展背景及国内外研究现状在大型商场、车站、码头、地铁站乃至各类办事窗口等越来越多的场合需要用LED点阵来显示图形和汉字。LED显示技术行业已成为一个发展迅速的新兴产业，其市场空间巨大，发展前景广阔1。随着信息技术产业的高速发展，LED显示技术作为信息传播的一种重要手段，已经广泛应用于室内外需要进行服务的内容和服务宗旨宣传的公众场所，比如户内外公共场所的广告宣传、机场车站的旅客引导信息、公交车辆的报站系统、证券以及银行的信息显示、餐馆报价信息的显示、高速公路的可变情报板、体育场馆的比赛转播、楼宇广告及灯饰、交通信号显示灯、景观照明灯等。显然，LED显示技术已成为城市亮化、美化、现代化和信息化的一个极其重要的标志5。LED点阵设计主要应用于电子显示屏，它利用的是发光二极管点阵模块或者像素单元组成的平面式显示屏幕11。由于它所具有的发光效率高、使用寿命长、结构灵活、色彩亮丽丰富以及适应室内室外环境能力强等优点6。所以它被广泛应用于各类场合。19世纪70年代最开始的GaP、GaAsP同质结构的红、黄、绿三色低发光效率的LED已经开始应用于指示灯、数字以及文字的显示1,2,3。从此LED开始进入了多种应用领域，包括宇宙航天、飞机、汽车、工业上的应用、通信、消费类型产品等，遍及国民经济的各部门以及千家万户7。到1996年底LED现实点阵在全世界的销售额已达到几十亿美元7。到2012年底空前的上百亿美元之高。尽管多年以来LED一直受着颜色与发光效率的限制，但由于GaP和GaAsP 的LED具有寿命长、可靠性高,工作电流小、可与TTL、CMOS数字电路模式兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青睐9。在最近十年来，高亮度化、全色化问题一直是LED材料与器件工艺技术研究的最前沿课题2。超高亮度(UHB)指的是发光强度达到或着超过100mcd的LED，又称坎德拉(cd)级的LED3。高亮度A1GaInP和InGaN LED的研制进展十分的迅速，现已达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的高性能水平10。1991年日本东芝公司和美国HP公司联合研制成InGaA1P 620nm橙色的超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黄色超高亮度LED的实用化7,8,11。同年，东芝公司研制成功InGaA1P 573nm黄绿色超高亮度LED，法向光强达到了2cd6。1994年日本日亚公司研制成功InGaN 450nm蓝(绿)色超高亮度LED4。至此，彩色显示所需要的三原色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都成功的达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示技术成为了现实。我国发展LED起步于上个世纪七十年代，产业出现于八十年代13。在全国约有100多家企业，95%的厂家都从事着后道封装生产，所需管芯几乎全部从外国进口而来19。通过几个“五年计划”推动着技术改造、技术攻关以及引进国外先进设备和部分关键技术，我国的LED的生产技术已向前跨进了一大步。1.1.1LED显示屏的特点和很多应用技术用语一样，LED汉字屏并没有一个公认的严格定义，一般把显示文字的LED显示屏称为汉字屏5,6,9。汉字显示屏的主要特征是只控制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7。LED器件的颜色可以是单色的、双色的，甚至还可以是多色的7。LED汉字显示屏的外观可以做成条形，叫做条形汉字显示屏，简称条屏；也可以按一定高宽比例做成矩形的平面汉字显示屏。其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理上并无区别9。不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。通常我们先把需要显示的文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式显示数据。对于只控制通断的汉字显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1，否则填0。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样时可行的9。这样依照所需显示的汉字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。组成一个字的点阵，其大小也可以有1616、2424、3232、4848等不同规格11。 用点阵方式构成文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式汉字显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。 条屏常用于简短明确的信息，例如显示车站、机场的车次、航班信息，或者商厦的欢迎词，或写字楼的办公区的简短通知等等。平面显示屏多用来显示比较复杂的信息，如车站显示多列列车的到开时刻、机场显示各航班运行情况以及证券交易场所显示股票行情等。点阵显示方式适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。点阵显示器在整个显示单元的所有位置上布置了LED器件。而像数码管一类的LED显示器只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置是空白。因此，点阵显示器在相同面积情况下，其价格要比数码管贵。另一方面，由于数码管可显示的信息有限，只有09（或再扩展到AF）几个字符，这些字符的变化是靠组合7段LED的发光与否实现的，由于段数不多，所以其显示数据和控制电路都比较简单。而点阵显示器，它要对点阵上LED进行控制，并能生成所有可能显示的图形文字，其显示数据和控制电路自然要复杂的多。因此，在有些场合显示信息虽然需要变化，但其特点或格式有一定变化范围的限制，也就是说不要求显示任意变化的信息。这时，我们不一定非得采用点阵显示方式不可。例如，在证券交易所的股票行情信息显示屏上，主要显示内容可以分成两大部分：一部分是股票名称，另一部分是股票行情。前者因为千变万化，所以必须采用点阵显示方式；而后者是由数字、小数点及正负号组成，因而完全可以使用数码管等器件进行显示。这时，在一个屏上混合使用数码管和点阵显示单元，这种屏称之为混合屏。显然，在同等条件下，混合屏的造价要低于点阵屏。还有一种情况，虽然显示的图形或文字比较复杂，但不需要变化，这时可以直接把LED发光灯按所需显示的图文布置在印刷电路板上，全部LED发光灯一齐控制，要么全部点燃，要么全部熄灭，控制电路自然非常简单。汉字显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。最常用的是单色汉字显示屏。单色屏多使用红色或橘红色或橙色LED点阵单元。双色显示屏和多色显示屏，在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，各颜色的显示点阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色汉字显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。1.1.2 LED显示屏的动态扫描一个LED数码管需要一个七段显示译码器驱动，多个LED组成的多为显示电路就需要给每个LED都用一个译码器驱动，这通常称为静态显示。所谓动态显示，就是让给为LED按照一定的顺序轮流地发光显示。只要扫描频率大于50Hz，就观察不到闪烁现象，人眼看起来很稳定。与静态驱动显示相比，动态扫描显示具有以下优点：第1、 能显著降低LED的功耗，这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要第2、 能大大减少LED的外部引线，给印制板的设计和安装带来方便；第三、能采用BCD码多路输出的方式，不仅使译码、驱动电路大为简化，还可以与PC相连等。目前，动态扫描显示技术己被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和智能显示屏中。数字动态扫描显示电路在数字显示领域中有良好的应用价值，数字动态扫描显示电路，在数字显示领域中的应用越来越广泛，有简单的，也有复杂的；有用中规模集成电路实现的，也有用大规模集成电路实现的；有用纯硬件电路直接实现的，也有软硬件结合实现的。1.2LED显示屏的分类1.2.2按使用方向分类 LED数码显示屏：显示元器件为七段码数码管，适于制作各类时钟屏、利率屏等其它显示数字的电子显示屏。LED点阵图文显示屏：显示元器件是由许许多多排列均匀的发光二极管构成的点阵显示模块，适于显示文字、图像等诸多信息。LED视频显示屏：显示设备是由许多发光二极管构成，可以显示视频以及动画等各种视频图像文件17。1.2.2按使用场合分类 室内显示屏：发光点比较小，一般在3mm-8mm之间，显示面积一般为几至十几平方米。室外显示屏：面积一般为几十平方米甚至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作显像，具有防风吹、防雨淋、防潮湿、是应工作温度范围大等功能20。1.2.3按发光点的直径分类室内屏：3mm、3.75mm、5mm。室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、20mm、21mm、22mm、26mm。1.3LED显示屏的显示方案1.点阵模块方案： 最开始的设计方案，自室内伪彩点阵方案屏发展而来。优势：原材料成本低最有优势，且生产加工工艺简单，质量稳定。缺点：色彩的一致性差，马赛克现象较为严重，显示效果较差。2.单灯方案：为解决点阵屏的色彩问题而开发出的一种方案，借鉴户外显示屏技术的一种方案，同时将户外的像素复用技术（也叫像素共享技术，虚拟像素技术）移用到了室内显示屏中来。优势：色彩一致性方面比点阵模块方式的要好很多。缺点：混色的效果不佳，视角不够开阔，水平方向左右视角观看会有色差。加工较为复杂，抗静电要求较高。实际像素分辨率很难做到10000点以上。3.贴片方案：采用贴片发光管为显示元件的方案。优势：色彩一致性较高，视角等重要显示指标是现有方案里最好的一种，尤其是三合一表贴的混色效果更为出色。缺点：加工工艺繁琐，成本太过高昂。4.标贴方案：实际就是单灯方案的一种改进形式，现在还处于完善进程之中。优势：在显示色彩一致性上有较好表现，视角等首要指标和标贴方案差别不是很明显，但成本较低，显示效果中规中矩，分辨率较高。缺点：加工还是较为复杂，抗静电要求显得略高。 1.4LED的作用及市场前景1.4.1 LED显示屏的作用（1）起到商品宣传，吸引顾客注意的作用。（2）起到店面装饰美化，提高企业文化档次的作用。（3）用于照明，标新立异的作用明显。（4）起到知识普及的作用（可用于播放企事业单位的产品的小信息，相关行业的知识等）。 （5）起到公告板的作用（促销，招聘信息发布等。高效、低成本）。（6）起到渲染气氛的作用。上级领导及各种贵宾莅临参观、指导时通过显示屏幕可以播放欢迎词。在各种重大节日的世界播放节日庆祝词等。不可否认，商家建立广告牌的最终目标就是要宣传商品信息，吸引目标顾客注意力，尽最地大可能赚取最大的利润。而LED广告牌昂好满足了这个目的成为了企业宣传的第一选择。1.4.2LED的市场前景目前由于LED显示屏造价较为昂贵，主要应用于比较高档的场合，主要集中在众多城市的繁华场所，作为多媒体广告的一个重要部分。单双色LED显示屏主要应用在交通、银行、证券交易等场所。随着科学技术的进步和人们生活水平的提高， LED显示屏将逐渐应用于各个行业以及人民生活的各个领域。2系统的总体设计2.1设计目标及采取的方案2.1.1设计目标毕业设计是学生完成本专业教学计划达成培养目的的最为重要的教学环节，是教学计划中综合性最高的实践性教学环节，它有利于培养学生正确的思想、学习和工作作风，提高学生综合运用本专业知识和分析解决实际应用问题的具体能力，具备工程技术人员所必须具备的基本素质能力等方面具有重要的指到锻炼意义。本次设计所借助的单片机为AT89C51，研究以其使LED显示屏实现滚动显示汉字的方法，研究应用Proteus软件设计LED滚动汉字显示器电路和仿真，研究Keil软件编译调试程序，并模拟仿真出LED滚动汉字显示屏。本设计的理论基础为单片机技术基础，微机原理，模拟电子技术和数子电子技术。例如AT89C51芯片的一些工作原理是基于MCS51的基础上通过改进改善完成的。8255芯片的工作方式是在微机原理中介绍的。三极管和74LS154的工作原理也分别在模拟与数子电路里介绍过的。通过本设计不仅可以把以前学过的知识重新温习，而且可以在查阅课外资料时还有好多芯片都是以学过的芯片为基础的，并且在其基础上进行改进和完善。这次毕业设计使我在学校学习的理论知识与实贱应用有机地结合了起来，同时也培养我独立思考、勇于创新的科学态度和钻研精神，也使我在踏上工作岗位做了一次提前的锻炼。2.1.2采取方案（1）利用单片机控制技术控制LED的显示，再结合单片机的程序作线路布置，即硬件设计。（2）行列电路设计，分析电路图确定整个系统大概的规模。（3）进行系统分析，通过系统分析，确定该系统该具有哪些功能，有哪些模块，各个模块之间是怎样联系的，以及怎样组合的。（4）确定所需的元器件，然后通过电路图进行连接。（5）集合程序调试，调试整个系统模块的功能，看各个功能是否能正常运行，并找出程序中的错误，改正这些错误。（6）最终能在模拟的LED电路板上显示所要的汉字。2.2工作原理LED汉字显示屏的设计与制作是单片机控制技术的一种有效利用，在这个平台上通过编程，控制LED现实所需要显示的内容。其技术线路是这样的，通过程序控制AT89C51芯片输出高低电平，通过输出的高低电平分别控制不同区域LED的亮和灭，最终达到显示所要显示内容的目标。本设计介绍的是一种实用的汉字显示屏的制作方法，其显示屏是通过四块8*8LED点阵屏组合成16*16LED的显示屏，通过程序控制LED显示所要显示的汉字，实际使用时可根据需要显示的汉字改写程序。汉字的显示要通过行扫描与列扫描来完成，把行总线与列总线连接在单片机的I/O口，然后把需要扫描的代码送入总线中，即可实现汉字的显示。如果想要将LED点阵的所有行列端口全部直接接入AT89C51单片机输出端口，将会需要使用32条I/O端口，这样会造成I/O资源的耗尽，系统也再无扩充的余地，因此，我在设计中将LED点阵的16条行线与两片74HC595的并行输出端之间通过4.7k的电阻连接，列选扫描信号由4-16线译码器74HC154来选择控制，这样一来列选控制和行选控制共使用了单片机的8个I/O口，节约了很多I/O资源，为系统扩展提供了条件。2.3总体设计通过2.2的工作原理，我简要画出该系统的框图。总体设计框图如图2.1。单片机LED显示屏列驱动器行驱动器时钟电路复位电路 电源电路图2.1 总体设计电路图3系统硬件设计3.1各部分电路功能说明本设计采用以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、列扫描驱动电路、88 LED点阵5部分组成。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，为很多嵌人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。时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端(XTAI 1及XTAL2)以及12 MHz晶振X 、电容C4、C5组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1 ，R2，电容C1 ，开关K 组成，分别接至AT89C51的RST复位输人端。LED点阵显示屏采用8*8共64个象素的点阵，可通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布。我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。我们在实际应用中是将LED点阵的8条列线通过驱动电路接在PO口8条行线通过限流电阻接在P2口，考虑到PO口必需设置上拉电阻，我们采用1k排电阻作为上拉电阻。汉字扫描显示的基本过程是这样的：通电后由于电阻R ，电容cl的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C、C3 、X 以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机AT89C51按照设定的程序在P2和P0接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行列线(高电平驱动)，从而选中相应的象素LED发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。再改变取表地址实现汉字的滚动显示。 点阵式LED滚动汉字显示屏硬件电路设计框图如图一所示。电路包括单片机、电源电路、时钟电路、复位电路、驱动电路和LED点阵电路等。本设计的核心是利用单片机读取显示字型码，通过驱动电路对1616 LED点阵进行动态列扫描，以实现汉字的滚动显示。本设计选用的单片机为ATMEL公司的AT89C51，显示屏采1616 LED点阵。电源电路通过变压整流元件为单片机和其他电路提供稳定的+5V工作电压，时钟电路是单片机的驱动电路，复位电路可在需要时，手动使单片机程序计数器复位清零。通过阳极驱动电路向1616点阵送字型码，通过阴极驱动电路对1616点阵进行列扫描，本设计采用74HC138利用Proteus软件设计点阵式LED滚动汉字显示屏硬件电路。在Proteus软件中，单片机模型本身包含了工作电源和可改变的工作频率，因此在仿真时无需设计电源电路和时钟电路。需要说明的是在Proteus软件目前版本中还没有1616点阵模块，本设计中采用Proteus软件中现有的88点阵模块组合成一个1616点阵模块。1616点阵的阳极驱动由P0口经输出缓冲器构成，在本设计中需要用两片，分别送出上8行和下8行的字型码。1616点阵的阴极驱动由P2口经74HC138译码后动态扫描1616点阵的各列，本设计中需要两片74HC138译码器，循环扫描各列 ,显示一个完整的汉字需要扫描32次。RP3为排阻，含有8个电阻，作P0口各位的上拉电阻，以保证P0口能够输出高电平。复位电路的作用是，在任何时刻可以手动复位单片机，使程序重新执行。本设计的核心是利用单片机读取显示字型码，通过驱动电路对1616 LED点阵进行动态列扫描，以实现汉字的滚动显示。本文所设计的目标是在16x 16 LED点阵上实现汉字显示。汉字点阵控制电路选用AT89C51。选用416译码器74HC138作为行选址逻辑控制端，AT89C51的P0、P2口作为列数据输入端。用Proteus软件设计点阵式LED滚动汉字显示屏硬件电路。在Proteus软件中，单片机模型本身包含了工作电源和可改变的工作频率，因此在仿真时无需设计电源电路和时钟电路。需要说明的是在Proteus软件目前版本中还没有1616点阵模块，本设计中采用Proteus软件中现有的88点阵模块组合成一个1616点阵模块。1616点阵的阳极驱动由P0口经输出缓冲器输出，在本设计中需要用两片，分别送出上8行和下8行的字型码。1616点阵的阴极驱动由P2口经74HC138译码后动态扫描1616点阵的各列，本设计中需要两片74HC138译码器，循环扫描各列，显示一个完整的汉字需要扫描32次。RP3为排阻，含有8个电阻，作P0口各位的上拉电阻，以保证P0口能够输出高电平。复位电路的作用是，在任何时刻可以手动复位单片机，使程序重新执行。译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。其功能是将给定的输入码组进行“翻译”，变换成对应的输入信号，对每一种可能的输入组合，使输出通道中相应的一路有信号输出,一个且仅一个输出信号为有效电位。74HC138为变量译码器，也称二进制译码器，它是一种四线十六线译码器, 译码的输入端有4个，输出端有16个，并有两个选通端（使能端），当选通端1、2均为低电平时，译码器处于工作状态，可将地址输入端（A0A3）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出18。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。为译码输出端，输出是低电平有效，即在选通时，每输入一个二进制代码将使对应的一个输出端为低电平，而其它输出端均为高电平的无效信号，也可以说对应的输出端被“译中”19。 3.2AT89C51芯片的简要介绍AT89C51是一种带4kB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、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。他是一种高效微型控制器，它灵活性高，价格低廉，常用于嵌入式控制系统。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。其引脚分配见图3.1。图3.1 AT89C51芯片引脚图AT89C51拥有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。AT89C51的主要性能参数：（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）128*8字节内部RAM；（5）32个可编程I /O口线；（6）低功耗空闲和掉电模式；（7）6个中断源。在这次设计中所用到的AT89C51管脚说明： P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接出4个TTL门电流，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。P3口：P3口管脚是8个内部带上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示。表3.1 AT89C51特殊功能口管脚号管脚名备选功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0记时器0外部输入P3.5T1记时器1外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3时钟电路的设计时钟电路是为准确记时而专门设计的内置或外置电路，对于单片机来说时钟电路是必不可少的它是单片机运算的时钟支持，单片机可以看做是时钟驱动下的时序逻辑电路。其基本功能主要为，单片机内置计时、作为通讯时钟发生器、时间中断源等21。单片机内部虽有振荡电路，但要形成时钟必须在外总附加电路。因为由于出厂设置和温漂等原因，内置时钟往往不够精确，单片机的时钟产生方法有如下两种，内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出时的时钟信号。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路25。出于设计简单经济适用本设计选用内置计时。利用单片机XTAL1与XTAL2管脚以及12MHz晶振X1、瓷片电容C4，C5组成（图三）。对于与晶振串联的电容，是没有定值要求的，其主要作用是维持时钟的稳定性和晶振的精度，电容大会稳定一些但精度会降低，电容小会降低抗干扰性，一般情况下30PF是比较典型的值，对于本设计，由于LED显示屏需要长期的独立工作，所以稳定性上面的要求会更高一些，所以两个电容选择33PF更为妥当。图3.2 时钟电路图3.4复位电路复位电路设计的好坏直接关系到整个电路质量的好坏，不可靠的复位电路会引起死机及程序走飞现象。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。本设计采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1，R2，电容C1，按键开关组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端（图二）。电容在上接高电平，电阻在下接地，中间为RST。这种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。首先RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位1、上电复位：上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。2、手动复位：首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。图3.3 复位电路图3.5行驱动电路为节省I/O口资源，方便于扩展，行驱动电路采用串口输入。本设计电路中行方向由两片74HC595完成扫描，它由AT89C51的P3.0-P3.3控制，将LED点阵的16条行线与两片74HC595的并行输出端之间通过4.7k的电阻连接。74HC595是一款低噪声低功耗、高速的COMS移位寄存器，能够驱动15个TTL的负载3。该器件包含一个8位串行输入，并行输出的移位寄存器及带有三态输出控制的8位D型存储器。移位寄存器和存储器分别由独立的时钟提供信号。移位寄存器内置直接清零，串行输入和用于级联的串行输出功能。时钟的上升沿触发移位寄存器和存储器。如果同一个时钟提供信号，则移位寄存器的状态必须比存储器提前一个脉冲信号。74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器6，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管显示不会产生闪烁感。74HC595有很多功能，在点阵显示中用到的串行输入并行输出是其中的一个功能，是通过寄存器选择的。对于动态显示，行扫描主要处理字模，需要把整个字的字模都打入到595芯片，通过595来处理，通过子模各个位的移动来实现要显示的字7。在LED点阵显示屏中，74HC595 的主要作用为：（1）驱动，CMOS的74HC595 驱动LED点阵显示屏没有问题。（2）串行输入转并行输出，非常节约资源，从而可以降低对处理器的I/O资源的需求量。（3）具有三态输出锁存。 （4）可多个级联，可以很方便的用于更大的LED点阵屏驱动4。74HC595引脚见图三。图3.474HC595引脚见图3.4，其引脚功能为:Q1Q7: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。Q7: 级联输出端，它可接下一个595的SI端。/MR：主复位端，低电平有效位端，低点平时将移位寄存器的数据清零。SHCP：移位寄存器时钟输入，上升沿时数据寄存器的数据移位，下降沿移位寄存器数据不变。STCP：存储寄存器时钟输入，上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。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。/OE：低电平时输出，高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。DS：串行数据输入。SI: 串行数据输入端。Q0：锁存器输出端。VCC：接电源。GND：接地。3.6列驱动电路的设计列驱动电路的选择如果采取并口输入，会占用大量I/O口资源。而选取串口输入，I/O口资源使用较少。所以我选用串口输入。本设计中列方向由416译码器74HC154完成扫描，它由AT89C51的P1.0-P1.3控制。74HC154是一种单片4 线16 线译码器，非常适合用于高性能存储器的译码器。只要控制端/E1、/E2任意一个为高电平，A、B、C、D任意电平输入都无效。/E1、/E2必须都为低电平才能操作芯片。当两个选通输入/E1 和/E2 为低时, 它可将4 个二进制编码的输入译成16 个互相独立的输出之一。实现解调功能的办法是：用4 个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。 图3.574HC154引脚说明：/Y0-/Y15：输出端。 GND：接地。 /E1，/E2：使能输入端，低电平有效。 AO-A3：地址输入端。 VCC：接电源。74HC154 是4线-16线译码器/解调器，其功能为：（1）将4个二进制编码输入译成16个彼此独立的输出之一。（2）将数据从一个输入线分配到16个输出的任意一个而实现解调功能。（3）输入箝位二极管简化了系统设计。（4）与大部分TTL和DTL电路完全兼容。3.7电源电路的设计由于点阵系统耗电量较大,如果采用干电池作为LED点阵系统的电源，使用干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。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，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LM7805三端稳压器电源作为系统电源，见图3.6。图3.6 电源电路的设计3.8LED显示器的设计3.8.1点阵式LED显示屏设计显示部分是本次设计最核心的部分，本设计的16*16LED点阵显示屏通过四个8*8LED点阵显示屏扩展而成，见图3.7。图3.7 16*16LED显示屏图对于8*8 LED点阵显示有以下两种方案：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LED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。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