基于51单片机的LED点阵显示屏系统的设计(精)

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 采用上 下位机的结构构建 实现点阵 LED 屏以多样化的方式显示各种信息的功能 该屏具有运行可靠 安全 节能 成本低 使 用方便的特点 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 关键词 AT89S51 LED点阵显示 串行通信 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 A T89S51 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 A T89S51 lattice LED s panel display serial communication 目 录 第一章 绪 论 1 第一节 课题背景 1 一 选题背景 1 二 研究现状及发展趋势 1第二节 论文主要内容 2 一 初步方案的论证和选择 2 二 搜集题目的有关资料 2 三 方案实现 2 四 软件编写 3 五 验证与测试 3 六 结论 3第二章 系统硬件设计 4 第一节 器的扩展 4 第二节 串行通信 4 第三节 点阵显示屏 4 第三章 应用软件设计 6 第一节 主程序设计 6 第二节 滚动显示模块 7 第三节 取数据模块 7 第四节 数据移位传送模块 7 第五节 行扫描模块 7 第六节 串行通信模块 8 结束语 12 谢 辞 13 参考文献 14 电子科技大学毕业论文 设计 基于 51单片机的 LED 点阵显示屏系统的设计 第一章 绪 言 第一节 课题背景 一 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 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 1 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 一证券交易 金融信息显示 二机场航班动态 信息显示 三港口 车站旅客引导信息显示 四体育场馆信息显示 五道路 交通信息显示 六调度指挥中心信息显示 七邮政 电信 商场购物中心等服务 领域的业务宣传及信息显示 八广告媒体新产品等 二 研究现状及发展趋势 一我国 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 二 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 三选题意义 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 第二节 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 一 初步方案的论证和选择 二 搜集题目的有关资料 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 三 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 四 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 五 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 六 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 第二章 系统硬件设计 显示屏控制器的硬件电路部分由两个部分组成 外部数据存储器的扩展 串行通信 接口 控制器的组成框图如图 1 所示 采用 AT89S51作为中央控制器 完成与 PC 机的 通信 实现对显示屏显示数据的控制 数据存储器使用一片 FLASH 存储器 W29EE011 W29EE011 容量较大 可以用于存储汉字的点阵库 控制器与计算机的连接根据通信距 离的远近选用 RS 232 标准总线接口 第一节 存储器的扩展 W29EE011 有 17 条地址线 A0 A16 最高一位 A16由 P1 7 作为地址送出 低八位 A0 A7由 P0 口作为地 址送出 通过 74LS373 锁存器进行锁存 A8 A15 由 P2 口作为地址送出 W29EE011 与单片机的接口电路如图 2 电路原理图所示 第二节 串行通信 系统上位机 下位机是通过串行通信接口联系 本系统为了实现单片机与 PC 机 的串行通信功能 将单片机的串行接口的电平转换成 RS 232C 电平标准 2 其中计算 机的 RS232 口输出的电压为 12V 考虑到单片机与 PC 机的通信距离不远 而且单片 机部分只负责接收命令和数据 因此选择计算机与单片机直接相连的最简单接法 计算 机 TXD 端发出的信号传送到通信电路后转化为电流信号 当有信号送进来时就会有电流 流经光耦合器中的红外发光二极管 二极管发出光信号投射到光敏三极管 再转换成电 信号输到单片机的 RXD 端 实现了以光为媒介的电 光 电信号转换传输 并在电气上 是完全隔离的 避免了输出端对输入端可能产生的反馈和干扰 其原理如图 2 1所示 第三节 点阵显示屏 图 2 1 LED 点阵显示屏的系统结构框图 基于 AT89S51 单片机的 LED 点阵显示屏控制系统的设计 71点阵显示屏由 12 个 8 8 点阵 LED 显示模块 行信号选择译码器 74LS138 数据移位寄存器 4HC595 行驱动 器 TIP127组成 12 片 8 8 点阵 LED 显示模块组成一个 48 16 的 LED 点阵 用于同 时显示 3 个 16 16 点阵汉字 3 字符或数字 单元显示屏可以接收来自 PC 机传输下 来的数据信息和命令信息 并可将这些数据信息不经任何变化地显示出来 一个程序周期里 74LS138 共扫描两行 通过一个 TIP127 来驱动 即一次有两行的 信号被选中 然后经过 74HC595 的 移位传送 将要显示的数据都送到显示缓冲区单元里 打开行选通信号 点阵屏即 可正常显示信息 第三章 应用软件设计 整个软件设计分为两大功能块 显示部分和通信部分 显示部分采用动态扫描的方 式 4 实现对显示屏要显示的汉字 字符等数据信息进行传输控制以及显示等功能 与 PC 机的实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收数据信息 实现与计算机的实 时数据信息传输 通信部分的上位机软件采用 Visual Basic 编程 使用 VB 在标准串口通信方面提 供的具有强大功能的通信控件 MSCOMM 该控件可设置串行通信的数据发送和接收 对串 口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置 直接利用 PC 机的 RS 232 RS 485 串口 发送数据 为实现单片机与 PC 机的可靠通信 须保证双方具有相同的数据格式和波特率 2 本设计采用 RS 232 通信 一帧 10 位的数据格式 9600bit s 的波特率 上下位机之 间的通信协议为 前两帧数据为字数的字节数 接下来每通信 128 个字节的数据就延时 20ms 的时间 保证数据都能写进片外数据存储器 直到数据都传送完为止 第一节 主程序设计 图 2 2系统电路流程图 主程序主要完成 I O 口和一些变量的初始化 定时器 T0 定时初始值的设置 串行 通信工作方式和波特率的设置 滚动显示 取数据模块 数据移位传送模块 行扫描 模 块的调用 主程序流程图见图 2 3 所示 第二节 滚动显示模块 滚动显示主要是实现显示信息的换屏 一屏显示三个字 两秒后换一屏 直到所有 信息都显示完毕后 接着从头开始显示 换屏主要是根据 PC 机传送来的字节数 通过 改变指针来实现的 滚动显示流程图见图 2 4 所示 第三节 取数据模块 由于数据都是存储在片外数据存储器里 所以要先从片外取数存放到显示缓冲 区 里 然后再移位传送并扫描显示 数据存放的顺序是从上到下 即先从左到右存放点 阵 屏 上 面的 六个 显示 缓冲 区 单元 STA10 STA15 接着 存放 下 面六 个显 示缓 冲区 单 元 STA20 STA25 取数据流程图见图 2 5 所示 第四节 数据移位传送模块 点阵屏的列驱动器 74HC595 为串入并出的移位寄存器 故显示单元的数据需从低位 到高位一位一位传送进 74HC595里 然后才能驱动点阵屏 第五节 行扫描模块 16 16 的点阵屏若逐行扫描 时间可能会超出人眼反应时间 故行扫描采用一个 程序周期扫描两行 即第一行和第八行同时扫描的方案 这样可减少时间 保证了点阵 屏的正常扫描显示 第六节 串行通信模块 串行通信程序主要是实现与 PC 机的通信 当通信接收中断标志位 RI 被硬件置 1 时 中断开始 有数据从 PC 机传送 到单片机 单片机软件清 RI 并接收数据 将数据暂存到片内高 128 字节的 RAM 里 当存满后 再将数据写进片外数据存 储器 W29EE011 里 延时一段时间后 继续接收从 PC 机发送过来的数据 重复之 前的工作 直到所有数据接收完毕为止 中断跳出 图 2 3 主程序流程 图 2 4 滚动显示流程图 图 2 5 取数据流程图 电子科技大学毕业论文 设计 基于 51 单片机的 LED 点阵显示屏系统的设计 结束语 设计的点阵 LED 显示屏系统采用上位机 下位机的结构搭建 上位机为 PC 机 通 过串行通信接口与下位机显示系统进 行通信 能够实现所要显示的字符串的修改 显示方式的设定 时间的设置等功能 下位机系统由单片机控制 LED 点阵显 示屏的显示 汉字显示采用 16 16 点阵模式 并能够实现屏幕显示内容的实时更改 并具有显示当前的时间与日期的功能 所 设计的系统具备显示稳定 功耗低 寿命长 显示内容易改 显示方式丰富等优点 另外成本较低 电路与控制方案简洁明了 容易实现 具有应用推广价值 12 电子科技大学毕业论文 设计 基于 51 单片机的 LED 点阵显示屏系统的设计 谢 辞 本论文的完成 得益于学校所有老师传授的知识 使本人有了完成论文所要求的知 识积累 更得益于指导老师从选题的确定 论文资料的收集