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基于单片机的LED点阵显示屏郑州轻工业学院民族职业学院专科毕业论文题 目: 基于单片机的LED点阵显示 学生姓名： 汪永正 专业班级: 电气自动化 学 号： 0701030225 院 （系）： 电子信息技术系 指导教师（职称）： 白华宇 完成时间： 2010-5-10 目 录1. 摘要11 LED点阵显示屏的背景及控制技术状况21.1 LED点阵显示屏背景21.2 LED显示屏控制技术状况22 AT89C51单片机概述52.1 AT89C51单片机的结构5 2.2 管脚说明 6 2.3 振荡器特性 7 3 基于单片机的LED点阵显示设计任务 8 3.1 LED驱动模块 8 3.2 数据存储模块 83.3 总体硬件组成框图 83.4数据存储电路设计 84 系统的软件设计 104.1 下位机软件流程 104.2设计过程 114.3 软件的程序实现 13总结 17致谢 18参考资料19摘 要当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为现代信息显示的重要媒体，在金融证券、体育、机场、交通、商业、广告宣传、邮电电信、指挥调度、国防军事等许多领域中得到了广泛应用。因此点阵式显示器件的研制、生产也的到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。由于LED电子显示屏具有所显内容信息量大,外形美观大方,操作使用方便灵活.适用于火车,汽车站,码头,金融证券市场,文化中心,信息中心体育设施等公共场所.该项目广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术,单片机技术,数据通讯技术,显示技术,存储技术,系统软件技术,接口及驱动等技术.我国经济发展迅猛,对信息传播有越来越高的要求.可以相信,LED电子显示屏以其色彩鲜亮夺目,大的显示信息量,寿命长,耗电量小,重量轻,空间尺寸小,稳定性高,易于操作,安装和维护等特点,将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的字符。显示方式分为三种：逐字显示、上滚显示、左滚显示，其中显示字模数据由单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成，点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度比较高，而且亮度可以改变电阻进行调节。关键词：单片机 点阵 LED电子显示屏1 LED点阵显示屏的背景及控制技术状况1.1 LED点阵显示屏背景LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。1.2 LED显示屏控制技术状况显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。1.2.1 串行传输与并行传输技术LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。1.2.2 动态扫描与静态锁存技术LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光一极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光一极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。1.2.3 自动检测及远程控制技术LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。2 AT89C51单片机概述2.1 AT89C51单片机的结构AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory，FPEROM)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1000次写擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入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。 图2-1 AT89C51引脚图2.2 管脚说明 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。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（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。 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。 2.3 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3 基于单片机的LED点阵显示设计任务现在市场上各类基于LED的显示屏较多，但大部分产品为单一模式的LED显示屏，其在显示内容的更换及显示屏的重组等方面都存在不便之处。但随着信息化社会的迅速发展，LED显示屏正在向显示内容丰富、信息更改方便等方面发展。因此制作一款多功能的LED广告显示屏是非常有意义地。本研究即以AT89C51单片机为核心， 采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。3.1 LED驱动模块采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共2端)，LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。3.2 数据存储模块采用串行EEPROM（如24C256等）存储LED显示屏要显示的信息。串行EEPROM技术是一种非易失性存储技术，它几乎具有所有类型存储器的优点：不挥发性、可更新性、高密度、低功耗和高性价比，非常适合应用于各类工业测控系统。它克服了常用的2816、2817、2864等并行EEPROM器件价格高、体积大、可靠性低（这些器件如不采取措施，在上电、下电时常会丢失数据）等不足，在速度要求不是很高的情况下，该器件是最理想的选择。3.3 总体硬件组成框图图2-1 总体硬件组成框图系统框图如图2-1所示，系统主要由三大模块组成即LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块。3.4数据存储电路设计数据存储电路由串行EEPROM 24C256组成。24C256是美国CATALYST 公司出品的一个1-256K位的支持I2C总线数据传送协议的串行CMOS E2PROM，可用电擦除，可编程自定时写周期（包括自动擦除时间不超过10ms 典型时间为5ms）的串行E2PROM。 该芯片有两种写入方式，一种是字节写入方式，还有另一种页写入方式。允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节的编程写入。24C256的引脚排列及引脚功能描述如图3-2-1和表3-2-1图3-2-1 24C256的引脚排列图表3-2-1引脚功能描述该存储电路仅由芯片24C256组成，SCL为串行时钟引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。SDA为串行数据/地址，这是一个双向传输端，用于传送地址和所有数据的发送或接收。当LED显示屏控制系统工作时，单片机89C51通过读SDA和SCL脚读取24C256中的内容，并将其显示于LED显示屏上。也可以通过上位机（PC机）将编辑好的数据内容下载到24C256芯片内4 系统的软件设计4.1 下位机软件流程本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现LED显示屏上字样的移位、显示、数据的读取等功能。其主程序流程如图4-2-1所示。开机 机系统初始化否是判断是否处于通信状态？移位显示读取显示内容 图4-2-1 主程序流程图读取24C256的标志位等待判断是否有中断标志？是否4.2设计过程4.2.1 总体设计图3-1 显示屏电路框图如图3-1所示，本产品拟采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、电源、行驱动器、列驱动器、1616 LED点阵5部分组成。从理论上说，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相对应的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称为静态驱动显示方式。1616的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我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得多，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，而采用另外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）的同名列共用一套驱动器。具体就1616的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，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，就能够看到显示屏上稳定的图形了。采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。4.2.2 系统硬件选择由图3-2可知此次设计的硬件选择如下：AT89C51芯片、LED、74LS138、LED的驱动三极管、电阻等一些单片机外围应用电路组成。4.2.3 硬件电路实现经分析本设计的电路原理图如下图3-1所示：4.3 软件的程序实现编译、装载、连续运行程序，点阵显示模块应循环显示“民族职业学院欢迎你！”字样。;1616点阵显示程序清单如下： ORG 0000H LJMP XB13;=点阵扫描子程序=X01A: CLR A ;清列值 MOV 0EH, A ;指向零列X023: MOV A, 0EH ;取列值 CLR C SUBB A, #10H ;减16(十进制数) JC X0D2 ;末满16列继续扫描下一列 RET ;本次扫描完毕返回主程序X0D2: MOV 0F0H, #02H MOV A, 0EH MUL AB ;当前列值与“2”进行十进制调正 MOV 82H, A ;调正结果送数据指针DPTR MOV 83H, 0F0H LCALL XB1F ;取与当前列对应的扫描代码 MOV 20H, A ;= LCALL XB4E ;扫描代码送高八位锁存器 ;= MOV A, 0EH ;取列值 MOV 0F0H, #02H ;当前列值与“2”进行十进制调正 MUL AB ADD A, #01H ;调正结果加1送数据指针DPTR MOV R7, A CLR A ADDC A, 0F0H MOV 82H, R7 MOV 83H, A LCALL XB1F ;取与当前列对应的扫描代码 ;= PUSH DPH ;扫描代码送低八位锁存器 PUSH DPL MOV DPTR,#0FFE0H MOVX DPTR,A ;= MOV A, #01H ;代码扫描从第一行开始 MOV R6, #00H MOV R0, 0EH ;取与当前代码扫描对应的列值 INC R0 ;列指针加1 SJMP X083X07E: CLR C ;当前代码扫描对应行的查找 RLC A ;行高八位左移一位 XCH A, R6 RLC A ;行低八位带进位左移一位 XCH A, R6X083: DJNZ R0, X07E ;不为当前代码扫描对应行返上继续调正 ;= MOV DPTR,#0FFE2H ;当前行码送高八位锁存器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FFE1H ;当前行码送低八位锁存器 MOV A,R6 MOVX DPTR,A MOV R6,#80H ;当前行锁定显示250u秒 DJNZ R6,$ ;= CLR A ;关闭显示 MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A ;行高八位锁存器清零 INC DPTR MOVX DPTR,A ;行低八位锁存器清零 POP DPL POP DPH ;= INC 0EH ;列指针加1 AJMP X023 ;继续下1行 ;=X097: CLR A MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A INC DPTR MOVX DPTR,A ;=X0A0: CLR A ;清扫描个数寄存器 MOV R5, A ;从第一个开始扫描X0A2: MOV A, R5 ;取当前扫描个数 CLR C;= 确定要显示的汉字个数=; 用户可自定义汉字个数 SUBB A, #19H ;共扫描83个汉字 JNC X0A0 ;扫描个数满83个返回从第一个开始 MOV A, R5;= 确定显示为循环方式=;用户可自定义为移位循环方式 MOV DPTR,#STLS ;指向汉字表首址 MOV 0F0H, #20H ; 设定以完整的一个汉字为最小循环单位 MUL AB ADD A, dpl MOV 0ah, A MOV A, dph ADDC A, 0F0H MOV 09H, A CLR A MOV R4, AX0BD: MOV A, R4 CLR C SUBB A, #64H ;每个汉字扫描64次 JNC X0CF ;当前汉字扫描次数满64次转 MOV R2,09H MOV R1, 0AH ACALL X01A INC R4 ;扫描次数加1 SJMP X0BDX0CF: INC R5 ;扫描个数加1指向下一个汉字 SJMP X0A2;= 汉字代码表=STLS:;民DB 00H,10H,7FH,F8H,40H,10H,40H,10H,40H,10H,7FH,F0H,42H,00H,42H,08H, 7FH,FCH,42H,00H,41H,00H,41H,00H,48H,80H,50H,42H,60H,32H,40H,0EH;族DB 20H,40H,18H,40H,08H,48H,00H,7CH,FEH,80H,21H,48H,20H,7CH,3CH,A0H, 24H,A0H,25H,24H,27H,FEH,24H,20H,44H,50H,44H,50H,94H,8EH,09H,04H;职DB 04H,00H,FEH,04H,24H,FEH,24H,84H,3CH,84H,24H,84H,24H,84H,3CH,84H, 24H,FCH,24H,84H,27H,48H,FCH,48H,44H,84H,04H,86H,05H,02H,04H,00H;业DB 04H,40H,04H,40H,04H,40H,04H,40H,44H,44H,24H,44H,24H,48H,14H,48H, 14H,50H,14H,50H,14H,60H,04H,40H,04H,40H,04H,44H,FFH,FEH,00H,00H;学DB22H,08H,11H,08H,11H,10H,00H,20H,7FH,0FEH,40H,02H,80H,04H,1FH,0E0H,00H,40H,01H,84H,0FFH,0FEH,01H,00H,01H,00H,01H,00H,05H,00H,02H,00H;院DB00H,80H,78H,40H,4FH,0FEH,54H,02H,58H,14H,63H,0F8H,50H,00H,48H,08H,4FH,0FCH,48H,0A0H,68H,0A0H,50H,0A0H,41H,22H,41H,22H,42H,1EH,4CH,00H;欢DB 00H,80H,00H,80H,0FCH,80H,04H,0FCH,45H,04H,46H,48H,28H,40H,28H,40H,10H,40H,28H,40H,24H,0A0H,44H,0A0H,81H,10H,01H,08H,02H,0EH,0CH,04H;迎DB 00H,00H,41H,84H,26H,7EH,14H,44H,04H,44H,04H,44H,0F4H,44H,14H,0C4H,15H,44H,16H,54H,14H,48H,10H,40H,10H,40H,28H,46H,47H,0FCH,00H,00H;你DB 11H,00H,11H,00H,11H,00H,23H,0FCH,22H,04H,64H,08H,0A8H,40H,20H,40H,21H,50H,21H,48H,22H,4CH,24H,44H,20H,40H,20H,40H,21H,40H,20H,80H;!DB00H,00H,01H,80H,03H,0C0H,03H,0C0H,03H,0C0H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,00H,00H,00H,00H,01H,80H,01H,80H,00H,00H,00H,00H;=XB13: MOV R0, #7FH CLR AXB16: MOV R0, A DJNZ R0, XB16 MOV 81H, #20H JMP X097;=查找与当前列对应的汉字代码子程序=XB1F: MOV A, 82H ;本次扫描首址与当前列值相加 ADD A, R1 ;低八位相加 MOV 82H, A ;送DPL MOV A, 83H ;高八位相加 ADDC A, R2 ;再