16×16点阵显示屏的设计.doc

河南理工大学本科课程设计报告河南理工大学单片机应用与仿真训练设计报告1616点阵显示屏的设计姓名学号： 魏帅 321008010329 杨新阳 321008010331专业班级： 电气本2010级3班 指导老师： 杨凌霄 王莉 所在学院：电气工程与自动化学院2011年7月 5 日摘要本设计使用简单单片机AT98S52作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动1616的点阵LED显示屏。在本设计中主要用两个74HC595来驱动1616点阵显示屏的列，用两个74HC138来驱动1616点阵显示屏的行，可以最终实现“河南理工大学” “电气学院”十个汉字的自动左移和上移，而且它们的“进”和“出”是以卷帘形式设计的。也就是说，硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。从而可以实现一个室内用的1616点阵LED图文显示屏，在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰，图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。最后，利用烧录器可以很方便的实现单片机与PC机等外围存储设备的数据传输，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面，LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成。LED点阵显示屏可以显示数字或符号, 通常用来显示时间、速度、系统状态等。文章给出了一种基于MCS-51单片机的1616 点阵LED显示屏的设计方案。包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和部分C语言程序等方面。在负载范围内, 只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。- 19 -目录1 概述31.1 LED及LED显示屏31.2 功能要求31.3 方案论证32 系统总体方案及硬件设计52.1 显示屏总体设计方案52.2 列驱动电路52.3 行驱动电路62.4 单片机系统及外围电路73 软件设计83.1 显示驱动程序83.2 系统主程序94 Proteus软件仿真104.1 Proteus软件简介104.1 proteus仿真过程104.3 proteus仿真效果图115 课程设计体会11参考文献11附1 源程序代码12附2 系统原理图181 概述1.1 LED及LED显示屏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。在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。LED 就是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多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。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，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。它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。1.2 功能要求设计一个室内用1616点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰，图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。1.3 方案论证1616的点阵显示屏共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，1616的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是1616的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大的多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另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16行）的同名列共用一套列驱动器。具体就1616的点阵来说，我们把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭； 第十六行之后又重新燃亮第一行，这样反复轮回。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，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以至影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。2 系统总体方案及硬件设计2.1 显示屏总体设计方案 列驱动器 单片机 行驱动器LED显示点阵2.2 列驱动电路列驱动电路有集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，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列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。74HC595的外形及内部结构如图所示。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是串行数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各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输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。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锁存互不干扰。芯片的输出端为QAQH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。 74HC595的引脚74HC595在电路中的连线2.3 行驱动电路本设计中采用两个74HC138译码器实现4线16线输出，来驱动点阵显示屏的行。74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A3），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。74HC138在电路中的连线2.4 单片机系统及外围电路单片机采用AT89S52，采用频率晶振24MHZ，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。3 软件设计3.1 显示驱动程序显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：刷频率（帧频）=1/16T0溢出率 =1/16f/12（65536-t） 其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。图3-1为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。进入中断定时器赋初值 读取行号并增加1 送新行显示数据 消 隐 切换显示数据 发送新行号，打开显示 退出中断 3.2 系统主程序本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上滚动显示“河南理工大学电气学院”这10个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。单元显示屏可以接收来自控制器（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，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。图3-2是系统主程序流程图。开始系统初始化 “卷帘出”显示效果 “上滚屏”显示效果 “左跑马”显示效果 “卷帘入”显示效果4 Proteus软件仿真4.1 Proteus软件简介Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。使用Proteus 软件进行单片机系统仿真设计, 是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力；在单片机课程设计和全国大学生电子设计竞赛中，我们使用 Proteus 开发环境对学生进行培训，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映，对单片机的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践证明，在使用 Proteus 进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。因此，Proteus 有较高的推广利用价值。4.1 proteus仿真过程 原理图的绘制程序编写和编译装载HEX代码调试得到仿真效果 4.3 proteus仿真效果图5 课程设计体会在这次毕业设计的过程中我和我的搭档通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些优点，明确了研究目标。为将来从事该行业在一定程度上奠定了基础。在设计过程中，我熟练掌握了proteus仿真软件的基本使用，与此同时也感到proteus仿真软件对我们电气专业的同学来说是一门相当有用的课程。不仅如此，通过这次毕业设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。从这次设计中，我们最重要的感受是：做任何事都有耐心和毅力，否则将一事无成。参考文献1 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计与接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1990.23-252 何立民.单片机应用技术选编.北京：北京航空航天大学出版社，2000.30-333 邬宽明.单片机外围器件实用手册.北京：北京航空航天大学出版社，1998.70-734 张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业电子出版社，1996.55-565 张新成，杨志邦.c语言程序设计.郑州：河南科学技术出版社，2009.55-656 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术.徐州：中国矿大出版社，2004.34-36附1 源程序代码#include #define BLKN 2 /列锁存器数sbit G = 0x97; /P1.7为显示允许控制信号端口sbit RCLK = 0x96; /P1.6为输出锁存器时钟信号端sbit SCLR = 0x95; /P1.5为移位寄存器清端void delay(unsigned int); /延时函数unsigned char data dispram32; /显示缓存/*- 主函数 void main(void)-*/void main(void) unsigned char code Bmp32=/字模表 0x40,0x04,0x3F,0xFE,0x10,0x08,0x00,0x08,0x80,0x48,0x67,0xE8,0x24,0x48,0x0C,0x48, 0x14,0x48,0x24,0x48,0xE7,0xC8,0x24,0x48,0x20,0x08,0x20,0x08,0x20,0x28,0x20,0x10 /*河*/, 0x01,0x00,0x01,0x04,0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x01,0x04,0x7F,0xFE,0x48,0x24,0x44,0x44, 0x5F,0xF4,0x41,0x04,0x41,0x04,0x5F,0xF4,0x41,0x04,0x41,0x04,0x41,0x14,0x40,0x08 /*南*/, 0x00,0x08,0x13,0xFC,0xFA,0x48,0x22,0x48,0x23,0xF8,0x22,0x48,0xFA,0x48,0x23,0xF8, 0x20,0x40,0x20,0x50,0x23,0xF8,0x3C,0x40,0xE0,0x40,0x40,0x44,0x0F,0xFE,0x00,0x00 /*理*/, 0x00,0x00,0x00,0x08,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00, 0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x04,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00 /*工*/, 0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x04,0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x02,0x80, 0x02,0x80,0x02,0x40,0x04,0x40,0x04,0x20,0x08,0x10,0x10,0x0E,0x60,0x04,0x00,0x00 /*大*/, 0x22,0x08,0x11,0x08,0x11,0x10,0x00,0x20,0x7F,0xFE,0x40,0x02,0x80,0x04,0x1F,0xE0, 0x00,0x40,0x01,0x84,0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x05,0x00,0x02,0x00 /*学*/, 0x02,0x00,0x02,0x00,0x02,0x10,0x7F,0xF8,0x42,0x10,0x42,0x10,0x7F,0xF0,0x42,0x10, 0x42,0x10,0x7F,0xF0,0x42,0x10,0x02,0x00,0x02,0x04,0x02,0x04,0x01,0xFC,0x00,0x00 /*电*/, 0x10,0x00,0x10,0x08,0x1F,0xFC,0x20,0x00,0x2F,0xF0,0x40,0x00,0xBF,0xE0,0x00,0x20, 0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x20,0x00,0x22,0x00,0x12,0x00,0x0A,0x00,0x04 /*气*/, 0x22,0x08,0x11,0x08,0x11,0x10,0x00,0x20,0x7F,0xFE,0x40,0x02,0x80,0x04,0x1F,0xE0, 0x00,0x40,0x01,0x84,0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x05,0x00,0x02,0x00 /*学*/, 0x00,0x80,0x78,0x40,0x4F,0xFE,0x54,0x02,0x58,0x14,0x63,0xF8,0x50,0x00,0x48,0x08, 0x4F,0xFC,0x48,0xA0,0x68,0xA0,0x50,0xA0,0x41,0x22,0x41,0x22,0x42,0x1E,0x4C,0x00 /*院*/, 0xF8,0x3F,0xE7,0xCF,0xDF,0xF7,0xBF,0xFB,0xB3,0x9B,0x73,0x9D,0x7F,0xFD,0x7F,0xFD, 0x6F,0xED,0x67,0xCD,0xB3,0x9B,0xB8,0x3B,0xDF,0xF7,0xE7,0xCF,0xF8,0x3F,0xFF,0xFF /*:*/;register unsigned char i,j,k,l;SCON = 0x00; /串口工作模式0：移位寄存器方式TMOD = 0x01; /定时器T0工作方式1：16位方式TR0 = 1; /启动定时器T0P1 = 0x3f; /P1端口初值：允许接收、锁存、显示IE = 0x82; /允许定时器T0中断while (1) delay(3000); /延时2秒 for (i=0;i32;i+) /显示效果：卷帘出 disprami = Bmp10i; if (i%2) delay(100); / delay(3000); for (i=0; i11; i+) /显示效果：上滚屏 for (j=0; j16; j+) for (k=0; k15; k+) dispramk*BLKN = dispram(k+1)*