基于AT89C51的LED点阵显示驱动程序设计.doc

南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程学院专 业： 电气工程及其自动化学 生： 齐 帅 指导教师： 胡冬梅 完成日期 2012 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序 （C语言）设计Design of Dot Matrix LED Display Driver (C Language) Based on AT89C51总 计： 22 页表 格： 0 个插 图： 12 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序（C语言）设计Design of Dot Matrix LED Display Driver (C Language) Based on AT89C51 学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 齐 帅 学 号： 104091120050 指 导 教 师（职称）：胡冬梅（正高级工程师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technolo基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序 （C语言）设计基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序 （C语言）设计电气工程自动化专业 齐帅摘 要 以8X8为基础构建一个16X16的LED点阵显示屏，设计了一种成本低廉的汉字显示系统。系统由AT89C51最小系统、显示屏、列驱动电路、行驱动电路和控制键构成，并采用C语言为编程语言，能实现汉字的静态显示和动态循环显示。电路简单明了，系统稳定可靠，通过Proteus仿真测试，获得良好的显示效果，而且具有体积小、硬件电路结构简单和容易实现等特点。 关键词 AT89C51单片机；点阵LED显示；静态显示；动态显示；Proteus仿真Design of dot matrix LED display driver (C language) based on AT89C51Electrical Engineering and Automation Specialty QI ShuaiAdstract: Based on 8X8 to build a16X16LED dot matrix display. This system is consistsed of the minimum system of AT89C51, display circuit, column drive circuit,row drive circuit and keys circuit . C language is used for programming language. Static display and dynamic display cycle is implemented. The circuit is simple, stable and reliable system, through Proteus simulation test, obtains the good display effect, and has the advantages of small volume, simple hardware circuit structure and easy to implement and so on.Key words: Single chip AT89C51; LED matrix; electronic display; Proteus simulation目 录1 引言11.1 课题背景11.2 点阵LED国内外研究现状综述12 基于AT89C51的点阵LED显示系统硬件设计22.1 单片机系统及外围电路22.2 LED点阵显示屏32.2.1 LED显示原理42.2.2 串行传输与并行传输技术52.2.3 自动检测及远程控制技术52.2.4 动态扫描与静态锁存技术52.3 系统总体电路图63 基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序设计83.1 系统主程序设计83.2 点阵扫描子程序设计94 点阵LED显示驱动程序仿真104.1 一位16X16LED点阵静态汉字显示程序设计104.2 一位16X16LED点阵动态汉字显示程序设计124.3 八位16X16LED点阵显示程序设计13结束语15参考文献16附录17致谢21II1 引言1.1 课题背景LED显示器在工业控制系统和过程中的应用非常广泛。作为显示终端，LED显示器主要用来显示文字和图形。点阵LED屏在广告、宣传等方面的应用越来越普及。利用单片机对点阵LED显示进行控制包括硬件和软件设计两个方面。而C语言作为单片机编程语言具有通用性和移植性强的等特点，开发基于C语言的LED点阵显示驱动程序，可被其他应用系统直接嵌入和移植使用，节约了使用者单独编程和开发的时间和效率，对简化工业控制设计过程和缩短设计周期有着非常积极和促进作用。1.2 点阵LED国内外研究现状综述我国的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1。 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。 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。2 基于AT89C51的点阵LED显示系统硬件设计2.1 单片机系统及外围电路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3。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AT89C51单片机为控制单元的主控芯片4。AT89C51是一种低电压、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5。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。 时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端(XTALl及XTAL2)以及12MHz晶振X1、电容C2，C3组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1，R2，电容C1，开关K1组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端6。列驱动电路有集成电路74HC595构成。它具有个8位串入并出的移位寄存器和一个8为输出锁存器结构，而且移位寄存器和输出锁存器的东芝是各自独立的，可以显现在显示本行各列数据的同时，传输下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。74HC595的外形及引脚如图1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，在其上升沿将发生移位，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，也就是输出寄存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号，器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，否则为高阻态。SCLR信号是移位寄存器的清0输入端，当其为低时移位寄存器的输出全为O。由于SCK和RCK两个信号是相互独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存器互不干扰。芯片的输出端为QA-QH，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QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出7 。图1 74HC5952.2 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，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88、1616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8。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1616的LED点阵屏选用四块88点阵模块,如图2所示。图2 8X8LED点阵一个1616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9。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10。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。2.2.1 LED显示原理人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉的惰性。视觉惰性可以理解为光线对人眼视觉的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通性。实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。不致于引起闪烁感觉的最低反复通断频率称为临界闪烁频率。通11过实验证明临界闪烁频率大约为24Hz。因此采用每秒24幅画面的电影，在人看起来就是连续活动的图象了。同样的原理，日光灯每秒通断50次，而人看起来却是一直亮的。由于视觉具有惰性，人们在观察高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值12。视觉惰性可以说是LED显示屏得以广泛应用的生理基础。首先，在LED显示屏中可以利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点燃，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。由于LED显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几十万只的范围，所以节约驱动电路的效益是十分可观的13。2.2.2 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。2.2.3 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。2.2.4 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14。2.3 系统总体电路图如图3所示，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、74HC154、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，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。图3 显示屏电路框图LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。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，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。主程序电路图如图4所示。 图4 主程序电路图3 基于AT89C51的点阵LED显示驱动程序设计3.1 系统主程序设计LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示文字信息。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。其显示程序流程如图5所示。程序见附录A开始系统初始化读取ROM数据转换对应点阵数据缓冲处理显示效果处理显示结束送入显示缓冲区结束NY图5 主程序流程图3.2 点阵扫描子程序设计LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。在行扫描工作方式下，每一片LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排LED点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上；行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存行扫描信号15。点阵子程序流程图如图6所示。程序见附录B。读取缓冲数据选择扫描列送显示数据返回主程序选择下一列扫描完本行?扫描完?NY 图6 点阵扫描子程序流程图4 点阵LED显示驱动程序仿真4.1 一位16X16LED点阵静态汉字显示程序设计要想点亮LED,必须把LED的位选数据信号置成低电平。显示的过程如下：首先是将74HC595的RCK置0,再从相应数组中取出要显示的数据和位选信号，通过SCK的一个上升沿脉冲，就可以将这个数据输入74HC595,等所有的数据打入相应的芯片后最后再把RCK置1,这些数据就可以通过74HC595并行的传输出去。程序在初始化后将存储在ROM内部的站点信息读出，送至单片机的RAM，初步的进行汉字点阵转换，转换后的数据再经过显示效果处理，最后送入数据缓冲区，调用显示子程序，完成信息的显示，静态显示程序流程图，如图7所示。串行方式和波特率的显示初始化重 新 赋 值行扫描模块数据移位传送模块取数据模块滚动显示模块2.5ms？YN 图7 静态显示程序流程图在仿真过程中，单片机输出的信号在点阵屏幕上显示为乱码，不能正确显示字符，通过观察，确定为输入锁存芯片74LS138信号选择端没有正确连接所致，通过将电路修改后解决问题，仿真结果如图8所示。图8 静态显示仿真结果4.2 一位16X16LED点阵动态汉字显示程序设计动态显示程序流程如图9所示，根据显示数据的存储原理通过改变实际LED列与数据逻辑列的方法来实现程序的上下移动。显示数据与列的对应关系为：第i列对应的数据为数组中i和第2i个数据。所以当ULN2803选通时，而送入后一列的数据则相当于画面左移移位，同理送入前一列数据相当于右移一位。如此循环则产生一幅稳定运动的画面。开 始读入显示数组显示数组元素在数组中的位置前/后移一位显 示以为次数是否为16NY图9 动态显示程序流程图此次仿真结果较好，LED点阵显示屏可以很好的显示信息，并可以通过控制键可以使汉字进行上下移动，仿真结果如图10所示。 图10 动态显示仿真结果4.3 八位16X16LED点阵显示程序设计八位显示流程图，如图11所示。系统主程序开始以后，显示采用的是列扫描的显示方式，选通一列后按照列与数据元素的对应关系第i列对应的行数据为数组中的第i和第i+16个元素。将对应元素的由低至高位依次从端口输出具体做法为将元素向右逻辑移位后再与0X01相与，所得结果通过单片机端口输出到串并转换器的A端，锁存在锁存器里完成一列数据移位后再将其输出。如此依次循环选通各列来显示所需画面。串行方式和波特率的显示初始化重 新 赋 值行扫描模块数据移位传送模块取数据模块2.5ms？YN图11 八位显示程序流程图在仿真过程中LED点阵显示异常，检查后发现为线路连接有误，正确连接后显示正常，仿真结果如图12所示。图12 八位静态显示仿真结果结束语设计以AT89C51为系统的控制核心，采用动态扫描的方法实现对1616 LED点阵显示屏的控制。该系统通过仿真和实物制作，均获得良好的显示效果，证明这种方案是可行的，而且具有体积小、硬件电路结构简单和容易实现等特点。但也存在更换显示内容时，需要对AT89 C51进行重新编程的问题，如果增加ISP编程电路，可通过USB下载电缆对单片机程序数据进行及时更新。虽然只使用了一块1616LED点阵，电路简单，但是已经包涵了LED显示屏的电路基本原理和基本程序，在设计的过程中应该使显示图形和文字稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。在此次设计中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。通过这次课程设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。但是从中也存在不足之处：对知识的积累还不够，有些问题自己不能够独立解决，对实验操作还要进一步熟练，只有这样才能让自己在不断的学习中提高自己。世界上的器件是无穷无尽的，有数以万计的技术可能你还没来得及接触就被淘汰掉了，所以不要揪住一堆知识不放，或者幻想掌握所有器件的使用方法。培养一种思维方式是最重要的有方法没有知识随时可以学，有知识没方法的话，知识最终也会被忘掉，没有万能的知识，只有万能的思维与能力。参考文献1 胡汉才单片机原理与接口技术M北京：清华大学出版社，1995.6:39-422 楼然苗等51系列单片机设计实例M北京：北京航空航天出版社，2003.3:55-573 何立民.单片机高级教程M北京：北京航空航天大学出版社，2001.3:89-924 赵晓安.MCS-51单片机原理及应用M.天津：天津大学出版社，2001.3:109-1185 薛均义,张彦斌.MCS-51 系列单片微型计算机及其应用M.西安:西安交通大学出版社 2005.1:66-686 夏继强.单片机实验与实践教程M.北京：北京航空航天大学出版社, 2001.6:79-907 MufiozCarpena R，Dukes M D ，LI Y，et a1Design and field evaluation of a new controller for soilwater based irrigation JApplied Engineering in Agriculture，2008.24.(2)：183-1918 朱清慧.Proteus显示控制系统设计与实例M.北京：清华大学出版社，2011.6:20-249 李昭静,韩超,郭雷岗.基于AT89S51单片机的LED点阵显示屏设计J.电脑知识与技术,2011(11)：14-1810 N.Takahashi,H.Kawasaki.High Brightness LED and LED Display PanelJ. Precision Engineering Society，2000. 66.(3)：12-1411 陈红丽.点阵LED电子显示屏控制系统设计与实现J.福建电脑,2010.(05):14-1912 田金云,张广超,孟艳霞,王玲玲.基于单片机的LED汉字点阵显示系统设计J,工业控制计算机,2008.(06):12-1413 马忠梅.单片机外围电路设计M.北京：北京航空航天大学出版社2005.8:121-13014 David F Rogers.Computer graphics algorithmM.Beijing：China Machine Press，2002.3：97-99.15 龙安国.基于单片机的LED汉字显示屏设计与制作J.现代电子技术,2007.（13）：23-24附录附录A 主程序流程图#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit outen = P17;sbit latch = P16;uchar buffer132=0x00,0x40,0x47,0xFC,0x30,0x40,0x23,0xF8,0x00,0x40,0x07,0xFE,0xF0,0x00,0x13,0xF8,0x12,0x08,0x13,0xF8,0x12,0x08,0x13,0