基于AT89C51单片机的LED16X16点阵显示屏系统的设计与实现.doc

中北大学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目名称 题目名称 基于 51 单片机的 LED 点阵显示屏系统 的设计与实现 年年 级 级 xxx 本科本科 学生学号 学生学号 xxx 学生姓名 学生姓名 xxxxxx 指导教师 指导教师 xxxxxxx 学生单位 学生单位 信息工程学院信息工程学院 技术职称 教授技术职称 教授 学生专业 学生专业 自动化自动化 教师单位 信息工程学院教师单位 信息工程学院 中中 北北 大大 学学 教教 务务 处处 制制 中北大学毕业论文 基于 51 单片机的 LED 点阵显示屏系统的设计与实现 摘要 本文介绍了一款以单片机 AT89S51 为控制器的 LED 点阵显示屏系统的设计 该系统可实现中英文字符的显示和动态特效显示 并且可以通过级连的方式来扩大 显示屏幕的尺寸以达到增加显示内容的目的 系统采用 PC 机作为上位机 上位机 向单片机发送控制命令和上位机所存储的显示代码 AT89S51 单片机接收并处理 PC 机的控制命令以及显示代码 由显示驱动模块驱动一个 16 16 分辨率的 LED 点阵显 示屏的扫描显示 PC 机与单片机之间的通信采用 RS 232C 通信标准来实现 所选 用的 AT89S51 单片机具有价格低廉程序写入方便的特点使得整个系统方便维护和检 修 除此之外 该系统只占用了单片机少量的 I O 口和内存 为系统留下了功能扩 展的空间 关键字关键字 AT89S51 LED 点阵显示 串行通信 中北大学毕业论文 I Desigen and Realization of the Lattice Screen of LED Based on MCS 51 Abstract This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU AT89S51 The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic show And can be cascaded to expand the screen size to achieve increased content purposes The PC sends control commands and displays code to microcontroller AT89S51 receives control commands from PC and shows the code Driver module drives a 16 16 resolution LED lattice LED s panel display scan showed Communication between PC and the microcontroller using RS 232C communications standards the characteristics that AT89S51 microcontroller is cheap and could be coded conveniently makes the whole system Convenient to Maintenance and Repair In addition the system will take up only a small amount of the MCU I O and memory so that the system has functional space for expansion Key words AT89S51 lattice LED s panel display serial communication 中北大学毕业论文 II 目 录 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 选题背景 1 1 1 2 研究现状及发展趋势 1 1 2 论文主要内容 3 第 2 章 方案论证与选择 4 2 1 系统硬件方案 4 2 1 1 显示屏主控制器 4 2 1 2 通信系统 6 2 1 3 LED 点阵显示屏 6 2 1 4 硬件设计方案 7 2 2 系统软件方案 8 2 2 1 单片机编程语言 8 2 2 2 系统软件编译器介绍 9 2 2 3 上位机控制传输软件 9 第 3 章 系统硬件设计 11 3 1 硬件整体设计概述及功能分析 11 3 2 控制单元设计 12 3 2 1 AT89S51 简介 12 3 2 2 控制系统设计 13 3 3 译码电路设计 15 3 3 1 串并转换器 74LS164 15 3 3 2 锁存器 74L373 16 3 4 驱动电路设计 17 3 4 1 行驱动电路设计 17 3 4 2 列驱动电路设计 18 中北大学毕业论文 III 3 5 通信系统硬件设计 18 3 6 电源设计 19 3 7 级连大屏幕 LED 显示屏 20 第 4 章 系统软件设计 22 4 1 程序设计 22 4 2 显示程序的设计 23 4 2 1 LED 显示屏的显示方式 23 4 2 2 点阵数据表达方式 24 4 2 3 显示程序的设计 25 4 3 通信程序的设计 27 第 5 章 系统调试 29 5 1 系统硬件部分调试方法 29 5 1 1 短路与虚焊检测 30 5 1 2 上电测试 30 5 1 3 串口调试 30 5 2 系统软件调试方法 31 5 3 系统联合调试及结果 32 5 4 调试结果分析 32 结论 34 致谢 35 参考文献 36 附录 1 系统硬件原理图 37 附录 2 设计程序 38 附录 3 系统 PCB 图 46 本科生毕业论文 0 第 1 章 绪 论 1 1 课题背景 1 1 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 由几万甚至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 1 1 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 本科生毕业论文 1 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 本科生毕业论文 2 1 2 论文主要内容 针对设计题目的特点 作者对论文的内容和结构将做如下安排 1 初步方案的论证和选择 搜集题目的有关资料 并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方 案进行分析比较 最终选定了以 PC 机为上位机 单片机为核心控制器件 外加译 码电路和驱动电路的设计方案 2 方案实现 以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想 选择器件时要从功能 和电气特性两方面来选择和论证 经过对比选择选定 AT89S51 单片机为核心控制器 件 由串并转换器 74LS164 和锁存器 74LS373 为译码电路器件 三极管 8550 和 ULN2803 为驱动电路器件 论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法 3 软件编写 根据硬件特点和设计要求 软件选用 C 语言编写 程序按功能分为静态显示 动态显示 通信等几个功能上相对独立的模块 然后按照所划分的模块逐个编写和 调试 最后将独立的模块整合起来 4 验证与测试 调试分为硬件调试 软件调试和系统联合调试几步来进行 在硬件调试中发现 有单片机端口驱动能力不足 驱动电路工作不稳定等问题 在软件调试中出现程序 整合工作不协调等问题 通过分析 查找找出了问题原因并设法将其解决 5 结论 设计完成后对设计中所遇到的问题 经验教训 以及自己的想法进行总结 本科生毕业论文 3 第 2 章 方案论证与选择 2 1 系统硬件方案 大多数的 LED 显示屏都在户外 所以对硬件的质量要求非常的高 为方便检修 和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法 硬件的设计采用模块化设计 既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容 如图 2 1 所示 根据显示系统的功 能特点确定系统硬件由显示屏部分 控制部分 通信系统及上位机四部分组成 上 位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码 控制部分执行显示指 令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式 图图 2 1 系统硬件组成框图系统硬件组成框图 2 1 1 显示屏主控制器 控制部分是整个系统的核心部分 其功能为与上位机通信接收上位机发送的数 据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容 其常用的电子设计方法有单片机 DSP 及 EDA 技术 几种设计方法比较各有其特点 1 单片机 单片机是集成了 CPU ROM RAM 和 I O 口的微型计算机 它有很强的接口 性能 非常适合于工业控制 因此又叫微控制器 MCU 单片机品种齐全 型号多样 CPU 从 8 16 32 到 64 位 多采用 RISC 技术 片上 I O 非常丰富 有的单片机 集成有 A D 看门狗 PWM 显示驱动 函数发生器 键盘控制等 它们的价格 也高低不等 这样极大地满足了开发者的选择自由 除此之外单片机还具有低电压 和低功耗的特点 随着超大规模集成电路的发展 NMOS 工艺单片机被 CMOS 代替 并开始向 HMOS 过渡 供电电压由 5V 降到 3V 2V 甚至到 1V 工作电流由 mA 降至 A 这在便携式产品中大有用武之地 4 2 DSP 芯片 DSP 又叫数字信号处理器 顾名思义 DSP 主要用于数字信号处理领域 非常 适合高密度 重复运算及大数据容量的信号处理 现在已经广泛应用于通信 便携 本科生毕业论文 4 式计算机和便携式仪表 雷达 图像 航空 家用电器 医疗设备等领域 DSP 具 有修正的哈佛结构 多总线技术以及流水线结构 将程序与数据存储器分开 使用 多总线 取指令和取数据同时进行 以及流水线技术 这使得速度有了较大的提高 DSP 区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令 一般微处理 器用软件实现乘法 逐条执行指令 速度慢 而 DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘 法运算 而且还具有专门的信号处理指令 如 TM320 系列的 FIRS LMS MACD 指令等 5 3 EDA EDA 即 Electronic Design Automation 即电子设计自动化 它是以计算机为工 具 在 EDA 软件平台上 对用硬件描述语言 HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译 逻辑化简 逻辑分割 逻辑综合及优化 逻辑布局布线 逻辑仿真 直至对于特定 目标芯片进行适配编译 逻辑影射和编程下载等 设计者只需用 HDL 语言完成系 统功能的描述 借助 EDA 工具就可得到设计结果 将编译后的代码下载到目标芯片 就可在硬件上实现 由于 FPGA CPLD 可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方 式进行重构 修改软件程序就相当于改变了硬件 软件编写可以采用自顶向下的设 计方案 而且可以多个人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间 有利于 在激烈的市场竞争中抢占先机 而且 MCU 和 DSP 都是通过串行执行指令来实现特 定功能 不可避免低速 而 FPGA CPLD 则可实现硬件上的并行工作 在实时测控 和高速应用领域前景广阔 另一方面 FPGA CPLP 器件在功能开发上是软件实现的 但物理机制却和纯硬件电路一样 十分可靠 三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能 但单片机的技术门槛较 低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用 现在市场上常用的单片机 主要有 MCS 51 AVR ARM PIC 等 其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 系列 由于产品硬件结构合理 指令系统规范 加之生产历史 悠久 有先入为主 的优势常作为单片机学习的教材 且 51 系列的 I O 脚的设置和使用非常简单 当该 脚作输入脚使用时 只须将该脚设置为高电平 复位时 各 I O 口均置高电平 当 该脚作输出脚使用时 则为高电平或低电平均可 所以在控制部分方案的选择中选 定 51 系列单片机作为控制部分的核心器件 2 1 2 通信系统 通信部分要满足的设计要求就是稳定 快速 简单易实现 因为通常情况下显 本科生毕业论文 5 示屏和上位机的距离不会很远 所以通信距离的要求不是很高 计算机数据通信主 要采用并行通信和串行通信两种方式 1 并行通信 并行通信时数据的各个位同时传送 可以字或字节为单位并行进行 并行通信 速度快 但用的通信线多 成本高 故不宜进行远距离通信 2 串行通信 串行通信数据是一位一位顺序传送 只用很少几根通信线 串行传送的速度低 但传送的距离长 因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合 在串行发送时 数据是一位一位按顺序进行的 而计算机内部的数据是并行的 因此 当计算机向 外发送数据时 必须将并行数据转换为串行数据再发送 反之 又必须将串行数据 转换为并行数据输入计算机中 这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现 单 由软件实现会增加 CPU 负担 降低其利用率 故目前常采用硬件实现 通用的通用 异步接收 发送器 简称 UART Universal Asynchromous Receeiver Trabsnitter 是完 成这一功能的硬件电路 在单片机芯片中 UART 已经集成在其中 作为其组成部 分 构成一个串行口 6 综上所述 题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的 UART 已经集成 在单片机内 所以通信系统选择串行通信为通信方式 2 1 3 LED 点阵显示屏 显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏 以及驱动该显示屏的驱 动电路 由于单片机的 I O 口有限要不能直接用 I O 口来驱动 LED 显示屏 所以需 要对单片机 IO 口进行扩展增加单片机并行输出的能力 LED 显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的 要构成大屏幕的 LED 显 示屏就需要多个发光二极管 构成 LED 屏幕的方法有两种 一是由单个的发光二极 管逐点连接起来 如图 2 2 所示 二是选用一些由单个发光二极管构成的 LED 点阵 子模块构成大的 LED 点阵模块 目前市场上普遍采用的点阵模块有 8 8 16 16 几 种 这两种屏幕构成方法各有有缺点 单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个 的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可 检修的成本较低 缺点在于连 接线路复杂 而点阵模块构成的方法却正好与之相反 模块构成省约了大量的连线 不过当一个 LED 出现问题时同在一个模块的所有 LED 都必须被更换 这就加大了 维修的成本 本科生毕业论文 6 两种方法相比较 决定采取模块构成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏 为了 避免模块的缺点 选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险 所以构建一 个 16 16 的 LED 点阵屏选用四块 8 8 点阵模块 图图 2 2 LED 点阵图点阵图 一个 16 16 的 LED 显示屏行和列各有 16 支引脚 不能单靠 51 单片机的端口 驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展 经常采用的端口扩展方法是用串并 转换芯片进行译码 常用的串并转换芯片有 74LS154 4 线 16 线译码器 74LS164 8 位串并转换器 74HC595 等 51 系列单片机端口低电平时 吸入电流 可达 具有一定的驱动能力 而为高电平时 输出电流仅数十 甚至更 小 电流实际上是由脚的上拉电流形成的 基本上没有驱动能力 所以单片机不能 直接驱动 LED 显示屏显示 在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的 驱动电路 7 2 1 4 硬件设计方案 最终方案如图 2 3 所示 以 PC 机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的 方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统 单片机根据上位机传输来的内容和 指令通过端口译码扩展后驱动 4 块 8 8LED 点阵模块构成的 16 16 的 LED 点阵显示 屏 题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计 本科生毕业论文 7 16 16LED PC 图图 2 3 硬件设计方案硬件设计方案 2 2 系统软件方案 软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写 方便下载和编译 设计 目标和硬件总体结构确定的情况下 软件可以分为主程序 显示子程序 各种特效 显示子程序 通信程序三个主要部分组成 具体结构如图 2 4 所示 图图 2 4 软件功能结构框图软件功能结构框图 软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件 编译完成后还需要下载到单片机 中执行 编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件 最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机 中执行 2 2 1 单片机编程语言 现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和 C 语言 两种语言相比较各有优 点 汇编语言 Assembly Language 是面向机器的程序设计语言 是一种功能很强的 程序设计语言 也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言 其具有执 行速度快 占内存空间少等优点 但在编写复杂程序时具有明显的局限性 汇编语 本科生毕业论文 8 言依赖于具体的机型 不能通用 也不能在不同机型之间移植 8 C 语言是一种源于编写 UNIX 操作系统的语言 它是一种结构化语言 可产生 压缩代码 C 语言结构是以括号 而不是子和特殊符号的语言 C 可以进行许多机 器级函数控制而不用汇编语言 与汇编相比 有如下优点 对单片机的指令系统不 要求了解 仅要求对 51 的存储器结构有初步了解 寄存器分配 不同存储器的寻址 及数据类型等细节可由编译器管理 程序有规范的结构 可分为不同的函数 这种 方式可使程序结构化 将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力 改善了程序的 可读性 编程及程序调试时间显著缩短 从而提高效率 提供的库包含许多标准子 程序 具有较强的数据处理能力 已编好程序可容易的植入新程序 因为它具有方 便的模块化编程技术 C 语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持 C 语言 程序本身并不依赖于机器硬件系统 基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地 移植过来 基于以上理由决定采用 C 语言为该显示系统的编程语言 2 2 2 系统软件编译器介绍 C 语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器 语言 因此在系统软件设计中 编译器必不可少 支持 MCS 51 用 C 语言编程的 编译器主要有两种 Franklin C51 编译器和 KEILC51 编译器 目前在单片机开发中 普遍都是使用 KEIL C51 来进行编译 因此软件设计最终方案为采用 C 语言为程序语言 KELC 为编译工具按照控制 通信 显示等几个功能模块来编写程序 2 2 3 上位机控制传输软件 其中系统采用现在已经非常普遍的 PC 机作为上位机 这样对该显示系统的硬 件要求便降低了 增加了系统的通用性 上位机的作用是存储并处理显示内容 然 后通过通信系统传送到控制系统驱动显示 LED 显示上位机的内容一般有实时显示和存储显示两种方法 实时显示及上位 机屏幕上的内容同时显示在 LED 显示屏上 上位机上内容变化 LED 显示屏也跟着 变化 存储显示是将显示内容处理过后存储在上位机中通过通信系统传输到显示屏 显示 两种显示方法相比较 实时显示屏幕能及时反应上位机内容的变化 显示的 效果和内容的实时性好多用于新闻播报 实况转播用 但实时显示硬件开销大 对 本科生毕业论文 9 通信系统要求高 工艺复杂 成本高 存储显示虽实时性不高但硬件开销小 成本 低廉 课题设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示屏尺寸不大同时显示 的内容不多 所以实时显示就没有必要 所以上位机选择存储显示的方法 控制 LED 显示屏的显示内容 本科生毕业论文 10 第 3 章 系统硬件设计 3 1 硬件整体设计概述及功能分析 显示系统具体设计主要由上位机 通信系统 单片机系统 译码电路 显示驱 动电路和 16 16 的点阵屏六部分组成 具体工作流程为 上位 PC 机通过通信系统 向单片机发送控制指令和显示代码内容 单片机接收后执行控制指令处理显示代码 将显示内容通过 I O 口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出 最后由 显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到 LED 显示屏的显示电流 电压要求进而 使显示屏显示内容 根据硬件的功能结构图选取合适器件 器件不但要求能实现所要求的功能还要 能兼容至整个系统之中 通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图 3 1 所示 74LS373 PC 74LS164 AT89S51 ULN2803 MAX232 74LS164 74LS164 74LS164ULN2803 74LS373 4 8 8 16 16LED LED LED 8550 图图 3 1 硬件原理图硬件原理图 该系统所要实现的功能和要求有以下几点 1 LED 显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准 并且显示要清晰 2 驱动电路要能提供 LED 显示所需范围内的电压和电流要求 3 译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及 驱动电路的要求 4 单片机要能接收上位机的指令和显示内容且能够处理后控制 LED 显示屏的显 本科生毕业论文 11 示 并且端口驱动能力要足以驱动译码电路 执行频率要能达到扫描显示的 最低要求 5 单片机由 ISP 下载线下载程序和供电 可不设立专用供电电源 6 由串口完成单片机与上位机的通信 通信速度和数据传输的可靠性要达到显示 要求 3 2 控制单元设计 控制单元是整个显示系统的核心 该系统中采用 51 系列单片机为核心器件 用 来和上位机通信处理上位机发送的控制指令和显示内容 并且直接输出数据通过译 码电路控制 LED 显示屏的显示内容和显示状态 在 51 系列单片机中选定一款合适的机型来作为控制单元的主控芯片 根据题目 的要求该芯片必须要具有的就是方便的编程能力 因为在软件设计时方便的程序下 载对程序的验证和编写非常有用 还有就是为了提高 LED 显示屏的扫描速度 单片 机的执行速度要尽可能的快 根据这两点要求 选择美国 ATMEL 公司生产的 AT89S51 为控制单元的主控芯片 3 2 1 AT89S51 简介 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS8 位单片机 片内 含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 Flash 程序存储器既 可在线编程 ISP 也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中 ATMEL 公司的功能强大 低价位 AT89S51 单片机可提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种控制领域 AT989S51 具有以下特点 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程 ISP Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4 0 5 5V 的工作电压范围 全静态工作模式 0Hz 33MHz 三级程序加密锁 128 8 字节内部 RAM 本科生毕业论文 12 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 6 个中断源 全双工串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗 WDT 及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程 ISP 字节或页写模式 AT89S51 提供以下标准功能 4k 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 看门狗 WDT 两个数据指针 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲 方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工 作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直 到下一个硬件复位 3 2 2 控制系统设计 控制电路设计中采用的是单片机系统 该系统必须要是工作在一个最小系统 指单片机的可以的最小配置系统 AT89S51 的最小系统包括了外界时钟电路和 复位电路 选定一定数量的 IO 口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出 根 据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件 具体电路如图 3 2 所示 在该系统中 P1 各口主要用作 LED 显示数据的控制输出 由于端口的驱动能 力有限所以该端口外接了 5K 的上拉电阻来提高驱动能力 其中 P1 5P1 6P1 7 还复 用为 ISP 下载功能口 具体接法为 P1 0 P1 1 P1 4 P1 5 分别接四块 74LS164 的 A 端 向 74LS164 送入串行数据经过其转换后并行输出 P1 2 和 P1 6 分别接列 和行的 74LS164 的 CLOCK 端 产生移位脉冲是串行数据并行输出 P1 3 和 P1 7 接 列和行的 CLEAR 端 在一组数据完成串并转换后清除 164 芯片中的内容转换新的 数据 其中 P1 5P1 6P1 7 还复用为 ISP 下载功能口 P2 0 接 164 芯片的使能控制端 当为高电平使允许输出 P2 2 和 P2 3 接锁存器 74LS373 的 OE 和 LE 端控制锁存器 的工作状态 本科生毕业论文 13 端口 30 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址 为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 因为没有扩展外部程序存储器 所以将 EA 置为高电平 图图 3 2 控制部分电路图控制部分电路图 由于 P3 口是特殊功能口 在该系统中基本是采用其第二功能 其第二功能和实 际运用如表 3 1 所示 表表 3 1 AT89S51P3 口第二功能的应用口第二功能的应用 端口第二功能实际作用 P3 0RXD 串行输入口 与上位机通信的数据输入口 P3 1TXD 串行输出口 与上位机通信的数据输出口 P3 2外部中断 0做按键中断 控制显示状态 P3 3外部中断 1做按键中断 控制运行模式 AT89S51 单片机的 P1 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分 本科生毕业论文 14 时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 P2 口在访问外部程序存储器或 16 位地址 的外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址数据 所以 P1 和 P2 口留为外部数据存 储器和程序存储器的扩展用 以备内部存储器和程序存储器不够用的情况时使用 12 3 3 译码电路设计 译码电路的功能是为了解决单片机 I O 端口不足 行译码所用器件为串并转换 器 74LS164 和锁存器 74LS373 具体电路如图 3 3 所示 图图 3 3 行译码电路图行译码电路图 3 3 1 串并转换器 74LS164 列译码采用的是芯片 74LS164 如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输 出来控制 16 16 的 LED 点阵屏显示 需要 32 个端口 而采用了译码电路后仅仅需 要 7 9 个端口便可实现控制显示 大大减少了 I O 口的占用数目 为单片机扩展其 他功能预留下来了空间 74LS164 为一个 8 位数据的串并转换器 当清除端 CLEAR 为低电平时 输 出端 QA QH 均为低电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当 A B 任 意一个为低电平 则禁止新数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平 当 A B 有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在 CLOCK 上 升沿作用下决定 Q0 的状态 本科生毕业论文 15 表表 3 1 74LS164 工作参数工作参数 参数最小值标准值最大值单位 高电平输入电压2 V 低电平输入电压 0 8V 高电平输出电压2 43 2 V 低电平输出电压 0 20 4V 时钟频率0 25MHZ 这就要求单片机的引脚输出的高低电平要在芯片的识别范围内 由于采用了列 选通行传送显示代码的方法所以行译码电路上也加上了 74L373 锁存芯片 这就要求 74LS164 芯片的输出要满足锁存芯片的高低电平区分范围和频率要求 3 3 2 锁存器 74L373 由于 74LS164 芯片不具有锁存功能 所以在 74LS164 进行八位数据的串并转 换时 串行数据的第一位会从 QA 依次移位到 QH 第二位数据会从 QA 依次移位到 QG 依次类推在八位数据转换完成之前 74LS164 芯片的输出会出现一段时间的乱序 输出 这一结果会通过驱动电路表现在显示屏上 结果就是显示屏无序导通闪烁 不能显示所需内容 因此在串并转换完成前就需要 74LS164 的输出口不与驱动电路 导通 所以选择锁存器 74LS373 来完成这一功能 74LS373 为八 D 锁存器 3S 锁存允许输入有回环特性 373 为三态输出的八 D 透明锁存器 共有 54 74S373 和 54 74LS373 两种线路结构形式当三态允许控制端 OE 为低电平时 O0 O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 当 OE 为高电平时 O0 O7 呈高阻态 即不驱动总线 也不为总线的负载 但锁存器内部的逻辑操作不 受影响 当锁存允许端 LE 为高电平时 O 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 O 被 锁存在已建立的数据电平 表表 3 2 74LS373 工作参数表工作参数表 参数最小值额定值最大值单位 电源电压4 7555 25V 输入高电平电压2 V 输入低电平电压 0 8V 输出高电平电压 2 6mA 输出低电平电压 24mA 本科生毕业论文 16 由表与表比较可以看出 74LS164 的输出条件与 74LS373 的输入条件相匹配 理论上可以实现锁存器对译码器的数据锁存 3 4 驱动电路设计 3 4 1 行驱动电路设计 发光二极管 LED Light Emitting Diodes 即是在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 行驱动采用 PNP 三极管 8550 接法如图 3 4 示 1K 5V LED 图图 3 4 行驱动器件行驱动器件 8550 的接法的接法 8550 为 PNP 型三极管 内部结构如图 3 5 示 发射极 e 接 5V 电源 基极接译 码信号输出端 集电极接输出驱动 LED 点阵屏 当译码器端口输出为低电平时 发 射极与基极电势差为 5V 基极中带负电的电子越过 PN 结扩散到发射区 发射极 0 v 产生和电子扩散方向相反的电流 由于基极电子大量扩散到发射极集电极电子扩散 到基极中形成了电流 当译码器端口输出高电平时发射极与基极之间的电势差为 c I 5V 由于发射极与基极之间电势差的减少基极电子向发射极扩散的电子数 0 V B V 量减少故集电极电流也随之减少 故 8550 在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开 关的作用 PNP 5V LED e I 0 v 0 v 图图 3 5 8550 内部结构图内部结构图 本科生毕业论文 17 3 4 2 列驱动电路设计 列驱动采用 ULN2803 ULN2803 是一种高电压大电流达林顿管阵列内部结构如 图 该阵列中的八个 NPN 达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路 如 TTL CMOS 或 PMOS 和大电流高电压的灯 继电器 打印机锤和其他类似负载间 的接口的理想器件 广泛用于计算机 工业和消费类产品中 所有器件有集电极开 路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管 集电极输出功率可达 50V 600mA 13 ULN2803 作为列驱动执行的是列选的工作 当选通的列输入高电平时其对应的 输输出低电平 相对应的输出取反 并能提供较大的灌电流来吸收行驱动流出进过 显示屏后的电流 具体电路如图 3 7 所示 图图 3 7 列驱动原理图列驱动原理图 3 5 通信系统硬件设计 AT89S51 单片机具有全双工串行 UART 通道 支持单片机进行数据的串行传输 除了单片机要与 PC 机制定通信协议 确定发送速率外还需要解决的问题就是信号 电平问题 RS 232C 标准规定了 PC 机发送数据总线 TXD 和接收数据总线 RXD 采 用 EIA 电平 即传送数字 1 时传输线上的电平在 3 15V 之间 传送数字 0 时 传输线上的电平在 3 15 之间 但单片机串行口采用正逻辑 TTL 电平 即数字 1 时为 5V 数字 0 时为 5V 所以单片机与计算机不能直接相连进行通信必须将 RS 232C 与 TTL 电平进行转换 14 在通用的电平转换芯片中 MAX232 系列的芯片以集成度高 单 5V 电源工 作 只需外接 5 个小电容即可完成 RS 232C 与 TTL 电平之间的转换而成为单片机系 本科生毕业论文 18 统中的常用芯片 在该显示系统中 MAX232 为通信系统中最重要的硬件组成部分 15 电路如图 3 8 所示 C1 1 VDD 2 C1 3 C2 4 C2 5 VEE 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 5 MAX232ACPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 1 D Connector 9 C1 104 C2 104 C3 104 C4 104 VCC P3 1 TX P3 0 RX VCC 图图 3 8 串口通信系统电路图串口通信系统电路图 3 6 电源设计 在系统中 MAX232 74LS164 74LS373 AT89S51 都需要 5V 的供电电压 在 系统开发过程中可以使用电脑 USB 供电 在实际的大屏幕 LED 显示屏设计中 用 电脑 USB 供电明显不切实际 此时需要对民用的 220V 进行降压整流为 5V 直流电 压为显示系统供电 电路图如图 3 9 所示 图图 3 9 电源原理图电源原理图 本科生毕业论文 19 如图所示 用 220V 转 12V 的变压器进行降压后再通过一个桥式整流电路将交 流电整流为直流电 最后通过 5V 三端稳压模块 LM7805 得出稳定的 5V 输出 3 7 级连大屏幕 LED 显示屏 要实现 LED 的大屏幕显示主要采用内部译码器级连和多个单片机系统级连的方 法 译码器级连如图 3 10 所示 将第 1 个 74LS164 的 Q7 端接第 2 个 74LS164 的 A 端 将第 2 个 74LS164 的 Q7 端接第 3 个 74LS164 的 A 端 如此炮制当 N 块 74LS164 相级连时就变为一个串 行输入 7 N 口输出的串并转换器 这种级连的优点在于一块单片机可以同时控制更 多的 LED 点阵显示屏 且 74LS164 的价格低廉整体成本得到了降低 但是这种级连 方法也存在一定的缺点 51 系列的单片机的晶振频率不高 74LS164 级连过多会增加 一次扫描的时间从而导致显示出现闪烁 从端口输出的显示数据的显示也要作出相 应的改变 图图 3 10 74LSL64 级连级连 构建大屏幕 LED 显示屏的另一种方法是将以较小的 LED 显示系统做为模块进 行级连 如图 3 11 所示 由独立的 LED 显示系统组成一个大的 LED 显示系统 其 中各子显示系统之间在功能和控制上都是相互独立的 将一幅大屏幕画面拆分为几 块小画面再分别送入到各子系统中 各子系统同步显示便可以得到一幅大的画面 使用这种级连的办法可以避免 51 单片机晶振频率低的弱点 更容易实现大屏幕的显 示 但这种方法仍然存在难点 一是各独立的子系统的通信和协调性要求更高了 如果要实现显示内容的实时性必须需要上位机不断更新显示内容则增加了上位机的 通信数据量 逐个的单片机传送数据也会影响整个画面的更新速度 二是成本提高 本科生毕业论文 20 了 LED LED LED 图图 3 11 由子系统构建大屏幕由子系统构建大屏幕 LED 显示屏显示屏 在实际应用中通常采用内部扩展和外部级连联合使用的方法来构建大屏幕 LED 显示屏幕 即增加单个显示系统显示屏幕大小的同时又将单个的显示系统级连 详 细硬件原理图见附录 1 本科生毕业论文 21 第 4 章 系统软件设计 4 1 程序设计 系统软件采用 C 语言编写 按照模块化的设计思路设计 首先分析程序所要实 现的功能 程序要实现串口通信 静态显示 动态显示三大功能 其功能结构如图 2 4 所示 通信程序接收上位机数据 交给主程序处理再通过控制程序选择不同的显 示程序进行显示 主程序的工作流程如图 4 1 所示 系统初始化 从显示数组读取 数据到显示寄存 器 读取显示控制 命令选择显示 方式 调用相应显示程序 RI 1 起始位 接收显示数据及控制命令 将显示数据移入显示数组将 控制命令赋值给控制字符 N N Y Y 开 始 中断开始 中 断 返 回 图图 4 1 主程序流程图主程序流程图 程序开始时首先必须对单片机进行初始化 其中初始化的内容包括 中断优先 级的设定 中断初始化 串行通信时通信方式的选择和波特率的设定 各 IO 口功能 本科生毕业论文 22 的设定等 初始化完成后程序进入待机状态等待中断的发生 该程序中主要用到了 两个外部中断源和串行中断 外部中断源由按键的电平变化触发 外部中断主要功 能是选择 LED 点阵显示屏的控制方式是由按键控制还是上位机控制和显示状态是静 态显示还是动态显示 串行中断包括发送中断和接收中断都是由软件触发 中断产 生后由预先初始化时设定跳转执行中断子程序 中断程序设定了 LED 点阵显示屏所 要显示的内容和显示的方式 最后执行的是各种显示程序 按照设定的方式和内容 显示出所需要的内容 4 2 显示程序的设计 4 2 1 LED 显示屏的显示方式 LED 点阵屏显示方式主要由静态显示和动态扫描显示两种 对静态显示来说 每一个发光二极管都需要一套驱动电路 一帧画面输入以后便 可一劳永逸地显示 除非我们改变了显示内容 需要重新输出新的点阵数据 这种 方式系统原理相对简单一些 但所需的译码驱动装量很多 引线多而繁杂 不便于 大屏幕的制造 成本高 其可靠性也较低 另一种动态扫描显示是把整个 LED 屏幕分成若干部分 每一幅画面的显示是显 示完一部分后 又显示第二部分 直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部 分 重复循环进行 在重复扫描速度足够快的情况下 我们看到的就是一幅稳定的 画面 也就是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新 在这种方式下其显示 驱动电路可重复利用 引线也大大减少 从而使硬件