基于单片机控制的LED点阵显示屏.doc

洛阳师范学院毕业设计/论文2013届本科毕业设计（一号黑体居中）基于单片机控制的LED点阵显示屏（二号黑体居中)院 （系） 名 称物理与电子信息学院（小三号黑体）专 业 名 称电子信息科学与技术（小三号黑体）学 生 姓 名张三丰（小三号黑体）学 号090524111（小三号Times New Roman）指 导 教 师何大壮教授（小三号黑体）完 成 时 间2013年5月8日（小三号黑体）目 录摘 要I绪 论1第1章 概 述31.1单片机概述31.2 LED点阵数码显示屏概述5第2章 方案论证62.1 单片机芯片的选择方案和论证62.2 显示模块选择方案和论证62.3点阵显示屏扫描方式论证72.4点阵显示屏显示方式论证72.5系统设计最终方案8第3章 系统硬件电路的设计93.1单片机系统及外围电路93.1.1 AT89S51性能介绍及其主要特性93.1.2晶体振荡器特性123.1.3 MCS-51系列单片机的工作方式133.2系统电源设计143.3主要器件介绍153.4显示部分的电路设计及行/列驱动电路18第4章 软件设计214.1显示原理214.1.1 LED的显示原理214.1.2点阵的显示原理224.2设计思路234.3点阵字库字模的提取244.4显示驱动程序244.5主程序流程图254.6调试及能分析25第5章 结束语27致谢28参考文献29附录30绪 论1.选题背景LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。LED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显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。（2）机场航班动态信息显示。（3）港口、车站旅客引导信息显示。（4）体育场馆信息显示。（5）道路交通信息显示。（6）调度指挥中心信息显示。（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。（8）广告媒体新产品等。2.研究现状及发展趋势（1）我国LED产业发展现状我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 （2）LED显示屏的发展趋势现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展2。3.选题意义该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。第1章 概 述1.1单片机概述在30多年里，电子计算机的发展经历了电子管，晶体管，中小规模集成电路到大规模集成电路四个阶段，特别是随着大规模集成电路技术的飞跃发展，20世纪70年代诞生的微型计算机，是计算机应用日益广益。而微型计算机的问世，更进一步推动了单片机时代的到来，是单片机几乎在人类各个角落都表现出了强有力的生命力。(1)单片机的定义及分类单片机是超大规模集成电路发展的产物。它是把组成微型计算机的各种器件，如中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出（I/O）接口电路、定时/计数器、模数（A/D）转换器、数模（D/A）转换器、串行通信接口（SPI、IIC、USB、UATA）、脉宽调制器（PWM）等单元电路都集成到一块芯片上，就构成了一个完整的单元微型计算机（Single Chip Microcomputer）,简称单片机。单片机按用途可分为通用型单片机和专用型单片机两类。通用型单片机有比较丰富的内部资源，性能全面且适应性强，可满足多种用途和需求。通用性单片机是把可开发的内部资源全部提供给用户，用户可根据需求，充分利用单片机的资源，设计一个以通用单片机为核心，再配以其他外围器件来满足各种测量系统的要求，既有一个再设计的过程。通常所说的单片机就是指通用性单片机。然而，有许多应用是使用专门针对某些产品的特定用途而制定的单片机。如家用遥控好器、游戏机、时钟模块、电源模块等中的单片机。这类单片机最大的特点就是针对性强且数量巨大。为此，单片机芯片制造商与产品厂家合作，设计成为专用型单片机。(2)单片机的发展过程及发展趋势单片机的发展过程：1971年intel 公司研制出世界上第一个4位的微处理器；1973年intel 公司研制出8位的微处理器8080；1976年intel 公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。80年代初，intel 公司在MCS-48单片机基础上，推出了MCS-51单片机。也就是说，51单片机最早的出现是在80年代初。(3)单片机的发展趋势面对单片机的广泛需求，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：(1)低功耗CMOS化 MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。 (2)微型单片化 现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做出具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品不仅要求单片机功能强和功耗低，还要求其体积要小。现在许多单片机都具有多种封装形式，其中SMT(表面封装)很受追捧，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。(3)主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。(4)高性能化趋势进一步改进单片机的性能，加快单片机的指令运算速度，加快位处理能力，提高系统控制的可靠性，采用精简指令集结构和流水线技术，可以提高运行速度。这类单片机的运算速度比标准的单片机提高10倍以上。由于这类单片机既有极高的指令速度，可以用软件模拟串口等功能，由此引入虚拟外设的新概念。(5)低成本小型化趋势设计现代电子产品，往往要求体积和整体成本要小。所以，在选用单片机时，除功能成本符合要求外，还要考虑体积。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SSOP、TSSOP、SOP(表面封装)越来越受欢迎，使得有单片机构成的系统正朝着微型化的方向发展。1.2 LED点阵数码显示屏概述(1)LED的简介 LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，发光二极管的核心部分是由p型半导体和 n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过度层p-n结，注入的少数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 LED在我们日常生活的电器中随处可见，极为普通也广为人知。LED具有效率高、光线质量高、能耗小、寿命长等特点，主要可用于平面显示领域、便携设备显示屏、照明以及红外线LED领域等下游应用产品市场。与传统的照明工具相比，LED照明产品，尤其是氮化镓基（GaN）白光LED照明光源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面均有明显优势。(2) 点阵的简介LED点阵显示器，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。点阵显示器有单色和双色两类，可显示红，黄，绿，橙等。LED点阵有44、48、57、58、88、1616、2424、4040等多种；根据像素的数目分为等，双基色、三基色等，根据像素颜色的不同所显示的文字、图象等内容的颜色也不同，单基色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号如5 x 7点阵显示器用于显示西文字母58点阵显示器用于显示中西文，8 x 8点阵用于显示中文文字，也可用于图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过微机或单片机控制驱动。第2章 方案论证2.1 单片机芯片的选择方案和论证AT89S51与AT89C51相比,外型管脚完全相同，AT89C51的HEX程序无须任何转换可直接在AT89S51运行,结果一样。AT89S51比AT89C51新增了一些功能，支持在线编程和看们狗是其中主要特点。它们之间主要区别在于以下几点：(1)引脚功能:管脚几乎相同,变化的有,在AT89S51中P1.5,P1.6,P1.7具有第二功能,即这3个引脚的第二功能组成了串行ISP编程的接口。(2)编程功能：AT89C51仅支持并行编程，而AT89S51不但支持并行编程还支持ISP再线编程。在编程电压方面,AT89C51的编程电压除正常工作的5V外,另Vpp需要12V,而AT89S51仅仅需要4-5V即可。(3)烧写次数更高:AT89S51标称烧写次数是1000次,实为1000-10000次,这样更有利开始学习者反复烧写,降低学习成本。(4)工作频率更高:AT89C51极限工作频率是24MHZ,而AT89S51最高工作频率是33MHZ,(AT89S51芯片有两中型号,支持最高工作频率分别为24MHZ和33MHZ)从而具有更快的计算速度。 (5)电源范围更宽:AT89S51工作电压范围,达4-5.5V,而AT89C51在底于4.8V和高于5.3V的时侯则无法正常工作。 (6)抗干扰性更强:AT89S51内部集成看门狗计时器(Watchdog Timer),而AT89C51需外接看门狗计时器电路,或者用单片机内部定时器构成软件看门狗来实现软件抗干扰。所以选择采用AT89S1作为主控制系统。2.2 显示模块选择方案和论证方案一：采用LED发光二极管动态扫描,所需LED发光二极管和相应的驱动电路太多，相应的电路板也会很大，功耗增大,性价比太低，且布线较为复杂。所以不采用了LED发光二极管作为显示。方案二：采用点阵式8*8模块显示，其是由八行八列的发光二极管组成，由4块点阵式8*8点阵模块组成16*16点阵显示屏，对于显示文字比较适合 ,且价格也相对合理,所以用此种作为显示。2.3点阵显示屏扫描方式论证从理论上讲，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所对应的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为静态驱动显示方式。16*16的点阵共需要256个发光二极管，显然单片机并没有这么多的端口，如果偶们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16*16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很是庞大，因为我们仅仅是16*16点阵，在实际应用中的显示屏往往要比这大得多，这样在锁存器的选择上的成本将很大。因此在实际中显示屏几乎都不采用这种选择，而采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的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16行）的同名同列共用一套驱动器。具体就16*16点阵来说，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有在同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第1行发发光管亮灭的数据并锁存，然后选通使第一行使其燃亮一段时间，然后熄灭；再送出对应第2行发发光管亮灭的数据并锁存，然后选通使第一行使其燃亮相同的一段时间，然后熄灭；第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样的轮回的速度足够快，（每秒24次以上），由于人眼睛的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形了2.4点阵显示屏显示方式论证方案一：串行方式显示。这种方式可同时显示4个16l6点阵汉字或8个168点阵的汉字、字符或数字。点阵显示屏每个单元由16个88点阵LED显示模块、行信号选择译码器74HC138、数据移位寄存器74HC595和行驱动器组成。单元显示屏可以接收控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。此方案为点阵显示屏系统中比较常用的，所用器件也比较常用，容易买到。但是它存在一个致命的缺点，就是刷新速度不够快。如果要驱动64列点阵显示，通用51单片机会比较吃力，出现比较严重的闪烁停滞现象。此外，要实现文字的左右移动和调整移动速度等功能，都会给软件设计带来较多困难。 方案二：并行方式显示。可以通过锁存器芯片来扩展IO口，达到控制LED点阵的64个列线的目的。方案中运用2片锁存器74HC595来组成2组双缓冲寄存器，驱动LED点阵的2组列线，用两片3/8译码器74HC138对LED点阵的16行进行扫描。在送每一行的数据到LED点阵前，先把数据分别送到第1个74HC595,然后再给第2个74HC595送锁脉冲，数据一起输出到LED点阵列中，这样就避免了各行数据显示不同步问题。由于并行数据传输速度比串行快，所以字符闪烁的问题得到较好地解决，文字左右移动也比较容易控制。综上所述，本设计最终选择了这个方案。2.5系统设计最终方案综上各方案所述,对此次作品的方案选定: 采用AT89S51作为主控制系统; LED16*16模块作为动态扫描并行显示。第3章 系统硬件电路的设计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组成。3.1单片机系统及外围电路3.1.1 AT89S51性能介绍及其主要特性AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。(1).主要特性： 8031 CPU与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环) 全静态工作：0Hz-24KHz 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路(2).管脚说明：AT89S51是40脚双列直插芯片。图3-1是其引脚图。图3-1 AT89S51引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0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口缓冲器能接收输出4TTL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。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，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，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（ILL）这是由于上拉的缘故，同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口还具有第二功能，功能如表3-2。端口第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（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）表3-2 P3口的第二功能：I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1该场效应管就导通对地呈现低阻抗,此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1若先执行置1操作则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准备动作所以这类I/O口被称为准双向口89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了P1口外P0P2P3口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，保持RST两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。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。AT89SXX系列单片机实现了ISP下载功能，故而取代了89CXX系列的下载方式，也是因为这样，ATMEL公司已经停止生产89CXX系列的单片机，现在市面上的AT89CXX多是停产前的库存产品。(3).芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.1.2晶体振荡器特性 AT89S51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输 出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2-3(A)外部振荡电路 (B)外部时钟驱动电路。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 Cl、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 Cl、C2虽 然没有十分严格的要求，但电容容量的大 ，会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30pF10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择 40pF10F。C2(A)外部振荡电路 (B)外部时钟驱动电路图3-3(A)外部振荡电路 (B)外部时钟驱动电路其中：石英晶体时：C1，C230pF10pF ，陶瓷滤波器：C1，C240pF10pF 用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图5右图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，最高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。3.1.3 MCS-51系列单片机的工作方式单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、单步执行方式、掉电和节电方式以及EPPROM编程和校验方式(1).复位方式计算机在启动运行时都需要复位，复位使中央处理器CPU和内部其它器件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。MCS-51系列单片机有一个复位引脚RET，高电平时有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RET端出现2个机器周期以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位，如图3-4所示。(A)上电复位电路 (B)按钮复位电路图3-4(A)上电复位电路(B)按钮复位电路MCS-51的复位电路：只要RET保持高电平，MCS-51单片机将循环复位。复位期间，ALE/PESN输出高电平。RET从高电平变为低电平后，PC指针变为0000H,使单片机从程序存储器地址为0000H的单元开始执行程序。(2).空闲节电模式在空闲工作模式状态，CPU 保持睡眠状态而有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内 RAM 和 有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续 执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24 个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止 CPU 访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免在复位结束时可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令 后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 (3).掉电模式： 在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内 RAM 和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断 INT0 和 INT1 激活。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变 RAM 中的内容，在 Vcc 恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。3.2系统电源设计在单片机的应用系统中，由于单片机正常工作电压的需要，所以经常要用到三端稳压电路，用来给单片机应用系统提供稳定的直流供电电压，需采用集成稳压器。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24，用来区别输出电流和封装形式等， 其中78L调系列的最大输出电流为100mA， 78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。它的封装也有多种（塑料封装的稳压电路具有安装容易、价格低廉等优点，因此用得比较多。 79系列除了输出电压为负。引出脚排列不同以外，命名方法、外形等均与78系列的相同。 在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。在78/79 * 系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。其中封装TO-220的图形以及引脚序号、引脚功能如附图3-5所示。LM7805稳压芯片输出电压为正5伏，输出电流100mA。输入电压应该在9-10伏，输入电压应该高出输出电压4-5伏。图3-6是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2/C3、C4分别为输入端和输出端滤波电容，D1为输入端二极管，保护电源极性输入相反时的保护。当输出电流较大时，7805应配上散热板。 7805典型应用电路图如图3-6所示。图3-5 LM7805各种型号 图3-6 7805典型应用图3.3主要器件介绍(1).74LS13874HC138:74LS138 为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 74LS138的作用:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器图3-774LS138引脚图 图3-8 74LS138译码器内部电路表3-9 74LS138的功能表：输入输出S1 S2+S3 A2 A1 A0 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y70 X 1 1 1 1 1 111X100000000X X XX X X0 0 00 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 11 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0我们可以从表3-9看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。71LS138有三个附加的控制端。当、时，输出为高电平(S1)，译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。图3-10 用两片74LS138接成的4线16线译码器。图3-10 用两片74LS138接成的4线16线译码器 (2).74HC595右图3-11为74HC595引脚图。74HC595的数据引脚：Q1-Q7: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。QH: 级联输出端。我将它接下一个595的SI端。图3-11 74HC595引脚图SI: 串行数据输入端。74HC595的控制端说明：SCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常将它连接Vcc。SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。Q0-Q1-Q2-.-Q7；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级）RCK(12脚)：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（5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级），更新显示数据。/G(13脚): 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。注：74HC164和74H595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流(25mA)比74595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器，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，数码管没有闪烁感。与74HC164只有数据清零端相比，74hc595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能 OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。74HC595各个引脚的功能：Q17 是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口；Q7 串行输出口，其应该接SPI总线的MISO接口；STcp 存储寄存器的时钟脉冲输入口；SHcp 移位寄存器的时钟脉冲输入口；OE的非 输出使能端；MR的非 芯片复位端；Ds 串行数据输入端。其中74HC595的功能表如表3-12。表3-12 74HC595的功能表输入输出 功能SHCPSTCPOEMRDSQ7QnLLNCMR为低电平时紧紧影响移位寄存器 LLLL空移位寄存器到输出寄存器 HLLZ清空移位寄存器，并行输出为高阻状态 LHHQ6NC逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态移入，例如，以前的状态6（内部Q6”）出现在串行输出位。 LHNCQn移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出 LHQ6Qn移位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达保持寄存器并输出。 （H高电平状态，L低电平状态，上升沿，下降沿，Z高阻 ，NC无变化 ，无效，当MR为高电平，OE为低电平时，数据在SHCP上升沿进入移位寄存器，在STCP上升沿输出到并行端口。）3.4显示部分的电路设计及行/列驱动电路(1).认识8*8点阵模块图3-13 LED8*8外型尺寸注：所有尺寸以毫米或英寸为单位，未注明的公差0.25mm。图3-14是一种8*8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图，其单点工作电压Uf为18 V，正向电流IF为810 mA。当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮；而当其某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应这一行的点全部为暗。用四块8x8点阵显示可构成16*16点阵显示器，可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的16*16点阵显示器，可将这256个点称为一页，这样，显示字符时。只要对一页中对应的亮灭进行控制即可。图3-14 行共阳8*8点阵显示器内部结构图及外形(1).行驱动电路行驱动电路有集成电路74HC595组成。它是一个8位串入并出 的移位寄存器和一个8位的输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行割裂数据的同时，传送下一行的行数据，即达到重叠处理的目的。74HC595的内部结构如上文介绍，它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是下一个数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，其在上升沿发生移位，并将下一个数据打入最低位。移位后的各位信号在各位信号出现在各位移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。引脚G是输出三台们的开放新号，只有其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻状态。SCLK信号是移位寄存器的清0输入端，当其位低时移位寄存器的输出全部为0.由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出所存互不干扰。芯片的输出端为Q0-Q7,最高位Q7可作为多片74HC595的级联应用时，向上一级的级联输出。但因为Q7受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH,作为与移位寄存器完全同步的级联输出。每当spi_shcp上升沿到来时,spi_ds引脚当前电平值在移位寄存器中左移一位，在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移一位，同时Q7也会串行输出移位寄存器中高位的值，这样连续进行8次，就可以把数组中每一个数（8位的数）送到移位寄存器；然后当spi_stcp上升沿到来时，移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里，并从Q17引脚输出(2).列驱动电路单片机P2口低4位输出的列线经两个级联的74HC138译码后，生成16条列选通信号线，再通过驱动器对应的行线。一条线上要带动16列的LED进行显示，按每一列LED器件20mA电流计算，16个LED 同时发光时，需要320mA的电流选用三极管8550作为驱动管可满足要求。图3-15 列驱动电路原理图第4章 软件设计4.1显示原理点阵的显示是通过发光二极管的亮灭来表现的，下面通过LED数码管的显示来引入LED点阵的显示。4.1.1 LED的显示原理数码管是由8个发光二极管构成的显示器件，如图41（a）为发光亮段，可显示09十个数字。在数码管中，若将二极管的阳极连接在一起，称为共阳极数码管；若将二极管的阴极连接在一起，称为共阴极数码管如图41（b）.当发光二极管导通时，它就会发光。每个二极管就是一笔画，若干个二极管发光时，就构成了一个显示字符。+5V (a) 数码管段码显示 (b) 发光二极管的共阴极、共阳极接法图4-1(a)数码管段码显示 (b)发光二极管的共阴极、共阳极接法将单片机的I/O口与数码管的ag及h相连，高电平的位对应的发光二极管亮，这样，