单片机控制LED汉字显示点阵的设计A.doc

单片机控制LED汉字显示点阵的设计摘 要：本文给出基于AT89C51单片机控制的1616单色LED点阵显示屏设计方案,采用动态显示原理,配合优化的程序设计,在动态扫描方式下,得到较高刷新速率、画面清晰的显示效果。 本设计是由控制电路和显示电路组成，每个显示模块由4块8*8LED显示屏组成，可显示一个汉字，显示电路可扩展。能实现了文字的静态和移动画面,程序控制汉字左右移动。控制电路由7805稳压块供电保证电路在5V电压下稳定工作。关键词：LED显示屏；单片机AT89C51芯片；74LS154芯片；7805稳压块引言 LED电子显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅猛发展而形成的一种电子广告媒体，已经渗透到工业、农业、交通、金融及信息广告等各个行业，用于显示字符、图像等信息。LED电子显示屏采用LED发光二极管，将多个发光二极管以点阵的形式排列构成LED阵列，这种显示屏具有耗电省、成本低、清晰度高、寿命长等优点。本文重点提出了基于AT89C51单片机系统的单色屏控制电路、显示电路设计方法，及其软件实现的算法。1 系统设计思路1.1 设计任务 设计并制作一个单片机为控制核心的单色LED点阵显示系统，系统实现的功能及要求如下：（1）显示图形画面，清晰无闪烁（2）显示文字（3）汉字方式的变化功能（左移、右移）1.2 数学模型 对于点阵型LED显示可以采用共阴极或共阳极，本系统采用共阴极，其硬件电路如图1所示。当行上有一负脉冲选通信号时，列端四位数据为1者发光二极管导通点亮。这样只需要将图形或文字的显示码作为列信号且对应于行信号的0逐行扫描，就可以逐行点亮点阵。由于扫描时间很快和人眼的视觉暂留效应，就可以显示图形或文字。例如，若要图中所示16个LED显示一方框，则：1） 行14上加循环选通脉冲2） 对应行选通时，在列端（四位数据端）分别加下列数据：行及行选通 A B C D 1 1 1 1 1 2 1 0 0 1 3 1 0 0 1 4 1 1 1 1这样，当选通第一行时列信号为1111，选通第二行时列信号为1001，选通第三行时列信号为1001，选通第四行时列信号为1111，当刷新频率足够高时，由于人眼的视觉暂留特性，便可观察到稳定的方框。图1.1 44共阴极LED阵列1.3 方案选择论证 LED电子显示屏的系统组成主要由单片机控制模块、显示模块（电子显示屏屏体由若干模块组成）组成。针对任务要求，我们发现此项设计的核心部分在扫描方式的选择以及数据输出的不同形式上。因此，设计方案的比较主要对此展开。1.3.1 方案的提出 方案一：静态显示方案二：采用动态扫描法1.3.2 方案的比较 方案一静态显示就是对LED电子显示屏中的每一像素点都通过硬件单独控制，整个LED显示屏所有的LED同时显示。此方式最大优点是程序设计简单，且画面无闪烁。但这种设计存在致命的缺点：电路复杂，硬件利用率低，成本巨大。所以此方式一般不被采用。方案二采用动态扫描实现显示过程。动态扫描法是利用人眼的视觉暂留特性而实现的一种显示方法，即当刷新速率足够高时，人眼就察觉不出显示屏画面更迭的闪烁。若要显示一帧画面，先送出第一行的数据，然后选通并点亮第一行，延时；此后送出第二行的数据，同样选通、点亮并延时；依次将所有行扫描完，即给出了一帧的画面。1.3.3 方案的确定 在此次设计中我们采用“动态扫描法”方法，优点是该方法简单，充分利用单片机的资源。具体设计如下。2 汉字显示的原理 每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。用8位的AT89C51单片机控制，由于单片机的总线为8位,一个字需要拆分为2个部分。一般我们把它拆分为上部和下部，上部由8*16点阵组成下部也由8*16点阵组成。在本设计中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的p3.0-p3.7口。方向为p3.0到p3.7 ,显示汉字“安”时，p3.4,p3.7点亮,由上往下排列， p3.0 灭，p3.1 灭, p3.2 灭p3.3 灭, p3.5 亮,p3.6 灭。即二进制00001001，转换为16进制为 09h。上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，即从p2.7向p2.0方向扫描，从上图可以看到，这一列全部为不亮， 即为00000000，16进制则为00h。然后单片机转向上半部第二列，仍为p0.4,p0.7点亮，为00001001，即16进制09h。这一列完成后继续进行下半部分的扫描，p2.1点亮，为二进制00000010，即16进制02h.依照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描32个8位,可以得出汉字“安”的扫描代码为：09H,00H,31H,00H,21H,01H,21H,21H21H,62H,21H,92H,0AFH,14H,61H,08H21H,08H,21H,14H,21H,0E2H,21H,03H21H,00H,2BH,00H,31H,00H,00H,00H由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像,都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。我们可以用汉字字模生成软件，得到所需字的代码，下面是“安”字的代码 11 11 1111111111111111111111111111 11 11 11 11 11 11 11 11 111111111111111111111111111111 11 11 11 11 1111 11 1111 11 1111 11 11 1111 1111 1111 11 其它字的生成和“安”字相同，在此不再重复。3 系统硬件设计3.1 系统框图如图3.1 图3.1 系统框图 功能描述 本设计是以单片机AT89C51做为控制核心，通过74LS154译码器扩展了单片机的输出口，并且可以扩展多列，丰富其输出。通过向单片机AT89C51烧录不同的控制程序，可以实现不同的显示画面及多种花样。 3.2 控制部分设计与实现P3口,p2口控制行，由于p3口没有上拉电阻，因此接8个普通的4.7k 1/8w电阻，为提高负载能力，行方向接16个2n5551的NPN三极管驱动。列方向则由416译码器74LS154完成扫描，它由AT89C51的P1.0-P1.3控制。同样，驱动部分则是16个2n5401的三极管完成的。电路的供电部分为一片LM7805三端稳压块，耗电电流为100Ma左右。控制模块方框图如图3.2图3.2 控制模块方框图3.3 AT89C51功能简介AT89C51是一种低功耗，高效能的片内含有4KB快闪可编程/擦除（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且于89C51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储器对程序存储器重复编程。89C51主要性能如下：1 与MCS-51微控制器系列产品兼容。2 片内含有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（Flash Memory）。3 存储器可循环写入/擦除1000次。4 存储数据保存时间为10年。5 宽工作电压范围：Vcc可为2.7V6V。6 全静态工作：可从0HZ至16MHZ。7 程序存储器具有三级加密保护。8 123*8位内部RAM。9 32条可编程I/O线。10 两个16位定时器/计数器。11 中断结构具有5个中断源和2个优先级。12 可编程全双工串行通道。13 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。3.4 驱动电路设计与实现341驱动电路简介驱动电路是指包括LED阵列的驱动显示电路，显示屏的主要技术要求是由驱动模块直接实现的，其中包括：显示（单色）、刷新速率、显示亮度、使用场所（户内或户外）为保证在整屏刷新时有足够的亮度，我们将驱动模块的大小设计为88的独立模块组，整块屏体由若干功能完全一致的独立单元模块要求尺寸拼装而成。驱动电路作为驱动模块中的基本电路，包括输出数据的驱动和行选驱动（即行、列驱动），其设计要求应满足给定的LED阵列的显示亮度。在电路设计中，我们采用4/16译码器选通要显示的那一列。驱动电路方框图如图3.3。图3.3 驱动电路方框图4 系统软件设计4.1软件算法 软件的设计是该设计的关键部分之一，对文字的输出控制不仅多而且复杂，其中要用到很多的多重循环，同时还要考虑显示屏的刷新率、C51和汇编语言的机器执行效率问题，故软件算法的高效极为重要。这些都是该系统设计着重解决的问题。4.2 显示程序的算法421 静止画面程序静止画面和移动画面都是通过反复列扫描实现的，静止画面是一次显示一个汉字，所显示的汉字没有动态效果。每一列画面的显示是通过顺序点0-15列实现的。为了保证画面稳定无闪烁，列与列之间的扫描时间间隔都不能超过人眼的视觉暂留时间0.1s。其中刷新速度是由每一列的显示时间决定的，而亮度则是由一列灯点亮后的延时长短决定的，调整这些参数可以改变相应的指标，程序流程图如图4.1，静止画面的算法如下：1）将要显示的汉字的字模数据存储在数据表中，每两字节存储一行的扫描数据，32个字节由小到大依次存储0到15行的数据。2）P3.0P3.7口输出第07行地址3）P2.0P2.7口输出第816行地址4）P1.0P1.3口输出到74LS154的A0A3口5）74LS154的Y0Y15依次控制第015列图4.1 程序流程图程序清单： ORG 0030H MAIN: MOV A,#00H ;初始化，清除画面 MOV P3,A ;清除P3口 MOV P2,A ;清除P2口 MOV R0,#00H ;取码指针存入R0 Y2: MOV R4,#00H ;扫描指针清零 Y3: MOV A,R4 ;扫描指针存入A MOV P1,A ;扫描输出 INC R4 ;扫描指针加一，扫描下一个 MOV A,R0 ;取码指针存入A MOV DPTR,#TABLE ;取数据表的上半部 MOVC A,A+DPTR; MOV P3,A ; INC R0 ;取码指针加一 MOV A,R0 ;为取下部分码作准备 MOV DPTR,#TABLE; MOVC A,A+DPTR; MOV P2,A INC R0 ;为下列作准备 MOV R7,#02H D1MS: MOV R5,#200 DJNZ R5,$ DJNZ R7,D1MS CJNE R4,#16,Y3;一个字是否显示完，没完成转到Y3 MOV R2,#200 D2S: MOV R3,#500 DJNZ R3,$ DJNZ R2,D2S ;一个字显示两秒完成 CJNE R0,#0240H,Y2 ;可显示18个汉字 LJMP MAINTABLE:DB 09H,00H,31H,00H,21H,01H,21H,21HDB 21H,62H,21H,92H,0AFH,14H,61H,08HDB 21H,08H,21H,14H,21H,0E2H,21H,03HDB 21H,00H,2BH,00H,31H,00H,00H,00H ；安其它省略 END4.2.2 移动画面 移动画面是通过连续显示不同的静态画面实现的，静止画面是其基础。移动画面速度与静态画面的转换速度是一一对应的，对一幅画面（一帧）的扫描次数越多，则转换速度越慢，即移动速度越慢。所以可以通过改变扫描的次数来控制移动速度。动态平行移动显示中静态画面的点灯数据是由上一帧静态画面点灯数据左移或右移得到的，而该子程序的关键也在此。由于每行有162=32个点灯数据，而单片机数据的输出是以8为单位的，故向左移动与向右移动相同，下面分别给出分析平行左移显示1）数据存储：将要显示的前两字“安阳”的字模数据分别存到20H-3FH 和40H-5FH中 第0-7列第8-15列 第0-7列第8-15列 0 78 15 0 78 15 阳安第15行 3FH 3FH 5FH 第0行 20H 20H40H2）移前准备：将“阳”的左半边数据的最高位移到“安”的右半边数据的最低位，本身保持不变 0 7 8 15 0 7 8 15 第15行安阳 3FH 3FH 5FH 第0行 20H40H 60H3）一个字字模数据左移：数据每左移一位显示一次，直到将“阳”全移至“安”的位置，移位的过程是一行一行进行的，每行移动时先将“阳”左移，再将“安”左移，下面是“安”和“阳”的左移程序： MOV R1,#40H MOV R0,#20H INC R1 MOV A,R1 RLC A MOV R1,A DEC R1 MOV A,R1 RLC A MOV R1,A MOV C,ACC.7 INC R0 MOV A,R0 RLC A MOV R0,aDEC R0 MOV A,R0 RLC A MOV R0,A平行右移显示1) 数据存储：与左移类似，不同的是“安”的字模数据存在40H-5FH，“阳”字模数据存在20H-3FH 第0-7列第8-15列 第0-7列第8-15列 0 78 15 0 78 15 阳安第15行 3FH 5FH 3FH 第0行 20H 40H20H 2）一个字字模数据右移：过程与左移类似，但因为“安”“阳”的存储单元改变了，所以除了移动方向不同外，存储单元的移动次序也有所不同，以“安”“阳”的右移显示示意图及程序示例如下：第0-7列第8-15列 第0-7列第8-15列 0 78 15 0 7 8 15 阳安 5FH 3FH 40H 20H右移程序：MOV R1,#40hMOV R0,#20h CLR C MOV A,R1 RRC A MOV R1,A INC R1MOV A,R1RRC AMOV R1,a MOV C,ACC.0 MOV A,R0RRC AMOV R0,A INC R0MOV A,R0RRC AMOV R0,A 5 系统调试 实际操作过程中，从硬件设计到软件设计，但是每个系统的调试占去了总设计时间的23，可见调试的工作量比较大。单片机控制LED系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体分为以下几步。5.1 硬件静态的调试 5.1.1 排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查三极管焊接点之间是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。在调试过程中利用万用表和示波器来检测电路,大大缩短了排错时间。5.1.2 排除元器件失效造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。5.1.3 排除电源故障在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在48V5V之间属正常。5.1.4 硬件调试遇到的问题我们发现该电路存在以下问题:显示模块与控制模块连接好之后,给系统供电,只有第三列是全亮的,这和预期效果是完全不符的,经过反复测试,我们发现第三列的一个三极管5401的发射极和集电极的焊锡连接在了一起，这就造成了发射极常接地，也就是第三列常亮的原因。此问题解决之后，电路仍然不能够正常工作，用示波器测试晶振发现没有波形输出，这表明晶振元器件不工作。经过我们反复检查测试电路，仍然找不到问题所在。我们及时求助李建法老师，经过李老师的耐心检查测试，发现与晶振相连的两个电容，其中之一虚焊，问题解决后晶振正常工作，输出波形符合要求。当我们烧录测试程序后，发现有八列不亮，我们排除了所有虚焊短接的常见故障，电路仍不能正常工作。李老师根据自己多年的工作经验大胆判断是74LS154的问题，在李老师的带领下我们测试出是74LS154一个引脚损坏，不得已我们更换了74LS154，故障得以解决，硬件到此完全调试成功。. 软件调试 软件调试是设计过程中最艰巨的脑力劳动，调试开始时，我们仅仅面对着错误的征兆，然而在问题的外部现象和内在原因之间往往并没有明显的联系，在组成程序的密密麻麻的元素中，每一个都可能是错误的根源。如何能在程序元素中找到有错误的那个元素，这是调试过程中最关键的技术问题。本设计中调试的方法主要是设置断点跟踪,用断点跟踪可以找到程序的出错位置，缩小查找错误的范围，提高调试的效率。调试的任务是及时改正测试过程中发现的软件错误。调试过程中我们多次得到李艾华老师的指点，给单片机烧录我们的正式程序后发现亮度不够，汉字闪烁。我们就此问题请教了李艾华老师，她建议我们缩短每列的扫描时间，延长每个字的显示时间。我们按照她的建议修改了程序，初步取得了良好的显示效果。6 预期达到效果我们的预期目标是实现设计的成功，在动态扫描方式下,得到较高刷新频率、画面清晰的显示效果。实现了汉字的静态和动态显示；程序控制汉字左右移动。上电后，屏幕上依次显示“安阳师院电信系毕业设计”，显示完毕后等待1S，屏幕上“安阳”由右向左移动，再过1S由左向右移动。由于能力有限加上时间紧迫，我们仅实现了静止画面。7 设计总结毕业设计是学习阶段采用的一种总结性的实践教学环节。通过毕业设计，使我们应用所学的各种理论知识和技能，进行全面、系统、严格的技术及基本能力的训练。毕业设计能够加强各门课程的联系，拓展一些相近或相关专业知识的技能，磨练了我们的意志，锻炼了我们的思考能力和动手能力为我们毕业后走向工作岗位打下了坚实的基础。8 致谢本设计是在李建法老师精心指导和大力支持下完成的。李建法老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我们产生重要影响。他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我们工作、学习中的榜样；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我们无尽的启迪。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我们深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我们也学到了许多了关于电子信息方面的知识，实验技能有了很大的提高。 另外，我们特别感谢李艾华老师在程序调式方面给予的很大帮助，还要感谢白彦翔和唐亚同学对我们的无私帮助，使我们得以顺利调试成功。 最后，再次对关心、帮助我们的老师和同学表示衷心地感谢！参考文献1 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社.19992 童诗白.成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社.20013 闫石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社.19984 彭介华.电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版.2004：171-1725 Myke Predko.精通8051程序设计M. 人民邮电出版社.2006.36 李建法.二维定位系统电路设计与信号处理J.电子测量技术.2005（5）：43，537 张义和.陈敌北.例说8051人民邮电出版社M. 2005.18 张世昌目标识别与系统控制的设计及实现J.安阳师范学院本科学生毕业论文The Design of LED Chinese Characters Display lattice Controlled by Single Processor ChipYang Shao Jun You Hong Ye Tian Zhiqiang(Department of Electrical & Electronics Information Engineering, Anyang Normal University, Anyang, Henan 455002)Abstract: This paper offers the design proposals of 16*16 single color LED display lattice Screen based on the control of the Single Processor Chip AT89C51, by adopting dynamic display theory, and working together with the optimized program, while under the dynamic scanning, both higher refresh speed and clear picture are appeared.This design is consisted of both control circuit and display circuit, the display module is consisted of four 8*8 display screens, Chinese characters could be displayed from these four 8*8 display screens, display circuit also can be extended. Both static and dynamic display of Chinese characters are realized, the left and right moving of Chinese characters was controlled by program. The Voltage _Regulator 7805 can provide guarantee for the stable work of the circuits at 5V working environment. Keywords: LED Screen; Single Processor Chip AT89C51; 74LS154chip; Voltage _Regulator 7805 附件A 电路原理图附件B PCB图附件C 程序清单 ORG 0000HLJMP MAINORG 0030HMAIN: MOV 42H,#4LP: MOV R4,#16 SETB P1.4 MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV R3,#00HLOOP: MOV A,R3 MOV P1,A ACALL DELL INC R3 DJNZ R4,LOOP MOV R4,#16 DJNZ 42H,LP ;单列循环显示,由左到右 MOV 42H,#4LP4: MOV R4,#16 SETB P1.4 MOV A,#0FFH MOV P3,A MOV A,#0FFH MOV P2,A MOV R3,#0FHLOOP4: MOV A,R3 MOV P1,A ACALL DELL DEC R3 DJNZ R4,LOOP4 MOV R4,#16 DJNZ 42H,LP4 MOV DPTR ,#TABLE1 ACALL XIANSHI ;显示“安” MOV DPTR ,#TABLE2 ACALL XIANSHI ;显示“阳” MOV DPTR ,#TABLE3 ACALL XIANSHI ;显示“师” MOV DPTR ,#TABLE4 ACALL XIANSHI ;显示“院” MOV DPTR ,#TABLE5 ACALL XIANSHI ;显示“电” MOV DPTR ,#TABLE6 ACALL XIANSHI ;显示“信” MOV DPTR ,#TABLE7 ACALL XIANSHI ;显示“系” MOV DPTR ,#TABLE8 ACALL XIANSHI ;显示“毕” MOV DPTR ,#TABLE9 ACALL XIANSHI ;显示“业” MOV DPTR ,#TABLE10 ACALL XIANSHI ;显示“设” MOV DPTR ,#TABLE11 ACALL XIANSHI ;显示“计” AJMP MAINXIANSHI:MOV R5,#100LOP: MOV R7,#16MOV R1,#00HMOV R2,#00HNEXT: MOV A,R2MOVC A,A+DPTRMOV P3,A MOV A,R2 INC A MOV R2,AMOVC A,A+DPTRMOV P2,A MOV A,R2 INC A MOV R2,AMOV A,R1MOV P1,AACALL DELAYSETB P1.4INC R1DJNZ R7,NEXTDJNZ R5,LOPRETDELL: MOV 40H,#255DELL1: MOV 41H,#200 DJNZ 41H,$ DJNZ 40H,DELL1 RETDELAY: MOV R3,#2DL0: MOV R4,#200DJNZ R4,$DJNZ R3,DL0RET ;延时1MSTABLE1: DB 09H,00H,31H,00H,21H,01H,21H,21H DB 21H,62H,21H,92H,0AFH,14H,61H,08H DB 21H,08H,21H,14H,21H,0E2H,21H,03H DB 21H,00H,2BH,00H,31H,00H,00H,00H ;安TABLE2: DB 00H,00H,7FH,0FFH,40H,10H,44H,08H DB 5BH,10H,60H,0E0H,00H,00H,7FH,0FFH DB 41H,02H,41H,02H,41H,02H,41H,02H DB 41H,02H,0FFH,0FFH,40H,00H,00H,00H ;阳TABLE3: DB 00H,00H,3FH,0F1H,00H,02H,00H,0CH DB 0FFH,0F0H,00H,00H,40H,00H,4FH,0FCH DB 48H,00H,48H,00H,7FH,0FFH,48H,08H DB 48H,04H,0DFH,0F8H,48H,00H,00H,00H ;师TABLE4: DB 00H,00H,7FH,0FFH,44H,20H,5AH,10H