Motorola单片机的LED显示系统设计.doc

滨州学院本科毕业设计（论文）Motorola单片机的LED显示系统设计22摘 要本研究是首先通过了解MAX7219驱动芯片与MC68HC08单片机的工作原理，选定控制的微处理器，依次为切入点完成研究、设计；其次了解MOTOROLA单片机的MAX7219显示系统的硬件结构和接口电路原理；从而完成理想的MOTOROLA单片机LED显示系统。共分为两大部分，第一部分为MAX7219驱动芯片与MC68HC08单片机的工作原理。第二部分为MOTOROLA单片机的MAX7219显示系统的硬件结构和接口电路原理是重中之重，核心内容，实现单片机与LED的完美结合。关键词：MC68HC908； MAX7219； LED数码管Motorola MCU LED Display System DesignAbstractThe purpose of this study are, first of all, know MAX7219 driver IC with MCU MC68HC08 working principle, selection of the control of microprocessors, followed by an entry point to complete the study design; followed MOTOROLA know the MAX7219 single-chip display system hardware structure and interface circuit principle; to complete the ideal MOTOROLA Singlechip LED display system.Is divided into two major parts, the first part for the MAX7219 driver chip and the working principle MC68HC08 MCU, MOTOROLAs MAX7219 single-chip display system hardware structure and interface circuit. The second part shows the system hardware design and software design, this part is the most important, the core content, single-chip implementation with the perfect combination of LED.Key words：MC68HC908； MAX7219； LED digital tube 目 录摘 要IAbstractII目 录i第一章 绪论1第二章MC68HC08单片机的基本原理及应用32.1 MC68HC08单片机的概述32.1.1 MC68HC08的简介32.1.2 MC68HC08系列微控制器的主要特点32.1.3 MC68HC08中央处理器CPU0832.2 MC68HC08单片机的指令系统42.2.1指令分类42.2.2寻址方式42.3 MC68HC08汇编语言程序设计42.3.1汇编语言程序格式42.3.2汇编伪指令52.4 MC68HC08单片机的应用6第三章MAX7219驱动芯片的基本原理及应用73.1 MAX7219的概述73.1.1 MAX7219的简介73.1.2 MAX7219内部结构及引脚说明73.2 MAX7219工作原理及使用方法83.3 MAX7219寄存器及初始化设置10第四章MAX7219驱动芯片在MC68HC08单片机中的应用144.1 MAX7219 与MC68HC908GP32 接口应用144.2软件设计16参考文献21谢 辞22第一章 绪 论LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的小灯组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 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。 LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：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。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。近年来，单片机系统以其体积小、功能强、扩展灵活、使用方便等优点，逐渐渗透到各行业的工程实际应用中。而LED显示电路就像单片机系统的眼睛，实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。因此，高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。现有的基于AT89C51芯片组成的 LED显示屏控制系统，由于受到微处理器的处理速度、体系架构、外围接口资源等诸多限制。针对以上情况，在利用现有资源的基础上，重新设计和研制了一种全新的，功能更全，可靠性更高，基于MOTOROLA单片机LED显示系统设计。Motorola MC68HC08系列单片机，多采用32.768KHz外部晶体，或内部集成了晶振电路，功能强大，抗干扰能力强。它们构成的显示系统可应用在条状图形显示器、7段数码管显示器、工业控制器显示模板、面板表与LED矩阵显示器等众多场合。高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。常用的LED显示驱动电路有并行译码方式、串行并行转换方式、显示驱动接口芯片方式等。因此，要合理选择LED显示驱动电路与合适的单片机，显示系统硬件设计与软件设计是重中之重，要实现单片机与LED的完美结合。MAX7219是MAXIM公司生产的LED显示驱动器，它可直接驱动多达8个LED数码管或64只发光管，大大方便了显示电路的设计。它与MC14489相比，具有更大的驱动能力、集成度高、编程容易、可数字化调节显示亮度、使用方便等特点。由此可见单片机系统中LED显示驱动电路的研究有着深远的意义，而显示系统硬件设计和系统软件设计的研究是重中之重，核心内容。要完成有机结合的设计，首先要了解MAX7219与MC68HC08单片机的工作原理，选定控制的微处理器，依次为切入点完成研究、设计；其次了解MOTOROLA单片机的MAX7219显示系统的硬件结构和接口电路原理；从而完成理想的MOTOROLA单片机LED显示系统。第二章 MC68HC08单片机的基本原理及应用2.1 MC68HC08的概述2.1.1 MC68HC08的简介Motorola公司的8位微控制器的产量一直居世界第一位，约占整个国际市场的1/3左右。MC68HC08具有速度快、功能强、功耗小及价格低等优点，特别是带有闪速存储器Flash的MC68HC908具有更高的性价比。M68HC08 系列单片机是新一类 Motorola高性能的8位单片机，具有速度高、功能强和价格低等特点，其指令码与M68HC05 完全兼容。Motorola 自1999年推出该系列单片机以来，至今已推出了三十余种不同型号的MC68HC08 单片机。2.1.2 MC68HC08系列微控制器的主要特点MC68HC08系列微控制器的主要特点为（1）采用模块化设计，各种不同型号微控制器由不同模块组成，7天就可 以设计出用户所需的微控制器。（2）采用片内监控ROM，为用户提供了在线编程及在线调试等功能。（3）特色的Flash取代片内EPROM和ROM，其价格低于相同容量的OTP型微控制器。（4）具有锁相环电路，可以使用32kHz的晶振产生8MHz的总线速度，大大降低了干扰。（5）与MC68HC05向上兼容，不同之处主要是：变址寄存器由8位变为16位；堆栈指针SP由6位变为16位；程序计数器也为16位；增加八种寻址方式和78条指令1。2.1.3 MC68HC08中央处理器CPU081.CPU08的结构 MC68HC08微控制器皆以8位的CPU08为中央处理器。CPU08是与CPU05指令代码向上兼容的CPU，但性能更好，速度更快。CPU由三部分组成，分别是算术逻辑单元，控制单元，寄存器组。2.CPU08的特性CPU08的特性为：兼容05系列、5个CPU寄存器、16种寻址方式、算术指令、BCD算术指令、支持高级语言、低功耗模式。3.CPU08的寄存器CPU08的内部寄存器包括5个部分：累加器、变址寄存器、堆栈指针、程序计数器、条件码寄存器。4. CPU08的功能CPU08的功能分为控制部件与执行部件两大模块。2.2 MC68HC08单片机的指令系统2.2.1 指令分类按指令功能MC68HC08可以分为以下各大类：数据传送类指令、算术类指令、逻辑类指令、位操作类指令、转移类指令、其他指令。2.2.2寻址方式一条指令看成由操作码和操作数两部分组成，每一种寻址方式（隐含寻址除外）要求在指令中有两个字节，作为有效地址。在指令执行存储器访问期间，这个值将出现在地址总线上。MC68HC08的寻址方式可分为：隐含寻址方式、立即寻址方式、直接寻址方式、扩展寻址方式、变址寻址方式、相对寻址方式、堆栈寻址方式、存储器到存储器的寻址方式等。2.3 MC68HC08汇编语言程序设计2.3.1汇编伪指令 1.标号与常量汇编语言中，为了方便地表示某个地址、寄存器、储存单元或数据，需要定义一些符号。符号分为标号和常量两类。标号是指令地址的符号表示，子函数名也是标号。常量是指那些在汇编时已经确定数值的量。 2.伪指令 在汇编语言中有一类不与任何处理器指令相对应的伪操作指令伪指令。汇编伪指令是提供给汇编程序的指令，伪指令没有对应的机器码3。ORG定位伪指令格式：ORG （注释）ORG伪指令把由表达式决定的值赋给程序计数器。EQU赋值伪指令格式：标号 EQU （注释）EQU伪指令把表达式的值赋给前面的标号，因而它能把一个非程序计数器的值赋给前面的标号。FCB字节常数定义伪指令格式：（标号）FCB表达式（，表达式， ，表达式）（注释）FCB伪指令可有一个或多个由逗号分隔的操作数。FCC字符串常数定义伪指令格式：（标号） FCC 分隔符 字符串 分隔符FCC伪指令用于把一个ASC码字符串存入相连的存储器中。RBM保留存储器字节伪指令格式：（）RBMRBM把程序计数器加上由表达式决定的值，从而保留了一块存储区，它的字节长度等于表达式的值。END表示汇编程序结束格式：END（）2.3.2汇编语言程序格式用户的汇编程序由一行行汇编语句组成，每行语句可包括以下4个部分：标号，操作码，操作数和注释。每一个语句的操作码说明这条语句的执行功能。操作数可以是地址或数据，也可以是空缺。为了使程序便于编写和阅读，可以给一个语句制定一个标号，还可以适当的加注释，对语句的作用进行说明2。1标号在一行语句的开头部分为标号部分，它可为以下2种形式之一。（1）标号的第一个字符是*时，表示该行为注释行，汇编程序忽略注释行。（2）可执行语句标号的第一个字符必须是英文字母，后面可以接英文字母、数字、美元符、和下横线符。通常用代表某种含义的英文缩写来表示，标号由1至15个字符组成，标号中使用的大写或小写是不相同的。标号通常用来表示转移语句的转向地址或程序的起始地址或数据地址等。2操作码操作码部分位于标号后，两者之间至少用一个空格或制表符相分隔。操作码部分应包含正确的汇编指令助记符或汇编伪指令。操作码可以分为两大类：指令码，它们与机器指令一一对应；伪指令码，他们由汇编程序所使用，用于控制汇编操作。3操作数操作数部分的处理方式与操作码有关。如有操作数，他必须在操作码后，并且必须用一个以上空格或制表符分隔。操作数部分可由符号、表达式组成，它的各部分组成之间必须用逗号分隔。2.4 MC68HC08单片机的应用MC68HC08系列单片机，多采用32.768KHz外部晶体，或内部集成了晶振电路，功能强大，抗干扰能力强。它们构成的显示系统可应用在条状图形显示器、7段数码管显示器、工业控制器显示模板、面板表与LED矩阵显示器等众多场合。Motorola单片机的LED显示系统设计，可节省单片机的端口资源,有效简化显示屏的电路结构,提高了整个显示系统的可靠性。在单色视频、动画、文字等LED信息显示方面,本系统有一定的应用价值。近年来，单片机系统以其体积小、功能强、扩展灵活、使用方便等优点，逐渐渗透到各行业的工程实际应用中。而LED显示电路就像单片机系统的眼睛，实时地向人们传递着系统工作的各种状态信息和处理结果。因此，高效、方便的LED显示驱动电路是构成完善的单片机系统必不可少的元素。常用的LED显示驱动电路有并行译码方式、串行并行转换方式、显示驱动接口芯片方式等。下面将介绍显示驱动芯片MAX7219的应用举例。第三章 MAX7219驱动芯片的基本原理及应用3.1 MAX7219的概述3.1.1 MAX7219的简介MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行输入输出共阴极显示驱动器。该芯片MAX7219是一个采用3线串行接口的8位共阴极7段LED显示驱动器。它与微处理器的接口非常简单，仅用3个引脚与微处理器相应端连接即可实现最高10MHz串行口。MAX7219的位选方式独具特色，它允许用户选择多种译码方式译码选位，而且，每个显示位都能个别寻址和刷新，而不需要重写其他的显示位，这使得软件编程十分简单且灵活。另外，它具有数字和模拟亮度控制以及与MOTOROLA SPI，QSPI及MATIONAL MICROWIRE串行口相兼容等特点。MAX7219采用3线串口传送数据，占用资源少且硬件简单，只需一个外部电阻即可方便地调节LED的亮度；可灵活地选择显示器的个数( 18个, 级联可成倍增加)；可进行译码或不译码显示；内含硬件动态扫描控制，可设置低功耗停机方式。MAX7219 内部设有扫描电路, 除了更新显示数据时从单片机接收数据外, 平时独立工作, 极大地节省了MCU 有限的运行时间和程序资源。使用MAX7219 后，系统硬件结构简洁、程序流程清晰、控制灵活方便，应用于仪器仪表、医疗设备及智能家电等领域，可省去很多锁存器、译码器及驱动器，大大提高显示部分的集成程度，因此这种显示驱动方式在单片机系统设计中有着广阔的应用前景。3.1.2 MAX7219的内部结构及引脚说明该芯片采用24脚DIP和SO封装，内含158RAM数字和功能控制寄存器。它是一个采用3线串行接口的8位共阴极7段LED显示驱动器。可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED4。 MAX7219内部结构框图表3.1 引脚说明引脚号名称功能说明1Din串行数据输入端。在CLK的上升沿数据被锁入芯片内16位移位寄存器2，3，58，10，11DIG0DIG78位LED位选线，从共阴极LED中吸入电流4，9GND地线（两个GND必须接在一起）12Load输入数据，连续数据后的16位在Load端的上升沿时被锁定13CLK时钟输入，最高时钟频率为10MHz，在CLK的上升沿，数据被移入内部移位寄存器14172023SegASegG。DP7段驱动和小数点驱动，它为显示器提供电流18Iset电流设置。该脚通过一个电阻与V+相连，设置峰值段电流19V+电源电压，+5V24Dout串行数据输出。从Din输入的数据在16.5个时钟周期后此端有效3.2 MAX7219的工作原理及使用方法MAX7219与MCU连接采用三根串行线相连，它们分别是串行数据线，时钟线和加载线。串行数据是以16位数据包的形式从DIN脚串行输入，在CLK的每一个上升沿一位一位送入芯片内部，LOAD脚在第16个CLK上升沿出现的同时或者之后但在下一个CLK上升沿到达之前对输入的数据进行锁存，否则送入的数据将丢失。MAX7219与MCU的典型连接如下图3.1所示。操作者只需编程发送16位数据包，就能简单地操作LED的位选以及段选，设置和改变MAX7219的工作模式。16位数据包的数据格式如下： MAX7219时序图表3.2 16位数据包数据格式D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0地址MSB 数据 LSB图3.1 MAX7219与MCU典型连接6其中：D7D0：8位数据位，D7最高位，D0为最底位；D11D8：4位地址位；D15D12：无关位，通常全取1。 MAX7219通过D11D84位地址位译码，可寻址14个内部寄存器，分别是8个LED显示位寄存器，5个控制寄存器和1个空操作寄存器。LED显示寄存器由内部88静态RAM构成，操作者可直接对位寄存器进行个别寻址，以刷新和保持数据，只要V超过2V（一般为5V）。 控制寄存器包括：译码模式，显示亮度调节，扫描限制（选择扫描位数），关断和显示测试寄存器。3.3 MAX7219寄存器及初始化设置1.MAX7219寄存器MAX7219内部具有14个可寻址数字和控制寄存器。其中有8个数字寄存由一个片内88双端口SR实现。它们可直接寻址，因此可对单个数进行更新并且通常只要V超过2V数据就可以保留下去。除了8个数位寄存器外，还有无操作、译码方式、亮度调整、扫描位数、睡眠模式和显示器测试6个控制寄存器。无操作寄存器用于多片MAX7219级联在不改变显示或不影响任意控制寄存器条件下，它允许数据从DIN传送到DOUT。睡眠模式控制寄存器用于节省电源消耗，延长显示器的使用寿命。上电时所有的控制寄存器都复位，显示器都熄灭，芯片进入睡眠模式。显示器测试寄存器有正常与预测两种两种设定模式，数据字节的D0位置0为正常模式，D0置1为测试模式。译码方式控制寄存器可以设置每个数位工作于BCD译码方式或者非译码方式，控制字节的8位正好对应8个数位，该位为1表示该数位工作于BCD码方式，为0表示该数位工作于非译码方式。 非译码方式数据位对应LED图 显示器的亮度可以通过模拟方式调整，在Vcc与Iset引脚之间外接一只电阻Rset,调节该电阻的大小即可改变显示器的亮度。2.初始化设置MAX7219的驱动程序首先必须对5个控制寄存器初始设置即初始化，各控制寄存器设置含义如下：（1）译码模式选择寄存器（地址F9H）：共有4种译码模式供选择，当数据位全0时选择“非译码方式”。在此方式下，8个数据位分别一一对应7个段和小数点。通常选择此方式。（2） 扫描限制寄存器：地址FBH；用于设置显示的LED个数（18），当D2D1D0111、D7D6D5D4D3无关时，可接8个LED管。（3）亮度调节寄存器：地址FAH，共有16级选择，用于LED显示亮度的强弱设置。（4）关断模式寄存器：地址FCH，有两种模式选择：一种是关断状态模式（D00）；一种是正常操作状态（D01），通常选择正常操作状态。（5）显示测试寄存器：地址FFH；有两种选择用于设置LED是测试状态还是正常操作状态：当在测试状态时（D01）各位全应亮，一般选择正常操作状态（D00）以下表3.3为寄存器地址分配表：表3.3 寄存器地址分配表寄存器名称地址D15D12D11D10D9D8空操作0000Digit 00001Digit 10010Digit 20011Digit 30100Digit 40101Digit 50110Digit 60111Digit 71000译码模式1001亮度调节1010扫描限制1011关段模式1100显示测试1111在此需特别说明一点，由于MAX7219内部16位寄存器的位号与从Din发送来的串行数据的位号刚好相反，所以数据在发送以前必须进行颠倒，即D0变成D15，D1变成D14表3.4 初始化设置各项的选择及对应数值设置项目选择颠倒后的数值（16位）显示亮度17/325F1FH扫描限制07位DFEFH译码方式非译码方式9F00H显示测试正常操作FF00H关断方式正常操作3F80H 第四章MAX7219驱动芯片在MC68HC08单片机中的应用4.1 MAX7219 与MC68HC908GP32 接口应用MAX7219有驱动8个数码管的能力，但实际应用中不一定恰好是8个。扫描位数寄存器用于设置显示器数码管的实际扫描个数，由扫描位数寄存器的D2D0设定，其数据为0H时，表示仅扫描数位0，数据为01H时，扫描数位0与数位1，如此类推，直至数据为7H，表示8个全扫描。8个全扫描时，扫描速率为800Hz，只扫描图4.1 MAX7219与MC68HC908的接口应用N个时，扫描速率为8FOSC/N。应注意扫描的位数变化对亮度有明显影响。当扫描的数码管等于或少于3个时，单个数位驱动器将消耗较大的功率，因而必须依据使用的数码管实际数量调整电阻RSET的大小限制消耗的电流7。显示器测试寄存器有正常与测试两种设定模式，数据字节的D0位置0为正常模式，D0置1为测试模式。测试时，以31/32的占空比扫描MAX7219全部数位段，使得所有显示器的所有段以最大的亮度点亮7。性能特点： 高性能HC08架构对M6805、M146805和M68HC05系列的目标代码完全向上兼容,低功耗设计（完全静态，具有静止和等待模式）,最大内部总线频率为5V电压下8-Hz，3V电压下4-Hz,振荡器选项为晶体振荡器或RC振荡器，具有安全特性的16KB用户程序FLASH存储器，512字节片上RAM，两个16位双通道定时器（TIM1和TIM2），每个通道都具有可选输入捕捉，输出比较和PWM功能，通过TIM2进行外部时钟输入选择串行通信接口模块（SCI），多主IIC模块（MMIIC），13通道10位模数转换器（ADC），26个输入输出端口为具有内部上拉的8个键盘中断、11个LED驱动（电流阱）、2个具有上拉的25mA漏极开路I/O。电路原理图如下：4.2 软件设计在单片机RAM中建立一个LED显示缓冲区，显示缓冲区首地址为30H，末地址为45H，分别对应各显示位的位地址和段码，用程序控制数据以16位数据包的形式串行送入，见表4.1：表4.1显示缓冲区各单元数据内存单元地址内容说明30H#8FH指向LED的第一位31H#6EH第一位显示H32H#4FH指向LED的第二位33H#8EH第二位显示E34H#CFH指向LED的第三位35H#1CH第三位显示L36H#2FH指向LED的第四位37H#1CH第四位显示L38H#AFH指向LED的第五位39H#FCH第五位显示O40H#6FH指向LED的第六位41H#76H第六位显示Y42H#EFH指向LED的第七位43H#FCH第七位显示O44H#1FH指向LED的第八位45H#7CH第八位显示U/ /译码控制寄存器在程序设计时，只要将30H45H单元的内容通过串行口发送即可。由于MAX7219能对LED显示位进行位寻址，所以发送数据时既可以只对需要改变的某一位或几位发送，也可以一次发送8组数据，对芯片所驱动的LED全部刷新，但不需要改变的位只是把原来的内容重发一次，这完全由程序控制，以下给出每次发送8组数据的程序。当串行口把8位数码串行移位输出后，TI置1，可把TI作为状态查询标志8。1.显示子程序清单:DISP：MOVSCON，00H；串行口方式0工作CLRES；禁止串行中断DISP1：CLRP10；LOAD变低MOVR0，30H；显示缓冲区首址MOVR1，0FH；设置8位显示DISP2：MOVSBUF，R0；串行输出JNBTI，；状态查询INCR0DJNZR1，DISP2SETBP10；LOAD变高NOP；延时NOPCLRTI；请发送中断标志RET；返回2.MAX7219驱动程序：/ /管脚定义Sbit LOAD=P12：/ /MAX7219片选 12脚Sbit CLK=P10/ /MAX7219串行时钟 13脚/ /寄存器宏定义#define DECODE MODE 0x0#define INTENSITY 0x0A/ /亮度控制寄存器#define SCAN LIMIT 0x0B/ /扫描界限寄存器#define SHUT DOWN 0x0C/ /关断模式寄存器#define DISPLAY TEST 0x0F/ /测试控制寄存器/ /函数声明Write7219 （unsigned char address, unsigned char dat） Unsigned char i: LOAD=0； / /拉底片选线，选中，器件/ /发送地址For(i=0：i8：i+)/ /移位循环8次 CLK=0；/ /清零时钟总线 DIN=(bit) (address&0x80)：/ /每次取高字节 address=1：/ /左移一位