基于AVR控制的双色LED显示屏设计

哈尔滨理工大学毕业设计题目双色LED显示屏的设计与仿真院、系姓名指导教师系主任20年月日哈尔滨理工大学学士学位论文I双色LED显示屏设计与仿真摘要LED显示屏已经成为一个城市照明、城市现代化、社会的信息化、人们的生活环境不断改进和美化的重要象征。在大型商场、火车站、码头、地铁站等，LED随处可见。LED业务已经成为一个快速成长的新兴行业，具有巨大的市场空间和光明的前景。本设计是一个1616双色LED点阵显示屏的设计。本文首先介绍了LED显示屏的显示原理、设计过程。本次设计使用ATMEL公司生产的40脚单片机ATMAGE16为核心，采用74HC595、74HC138、CD4049和8050为外围驱动芯片构成双色LED显示屏的行、列驱动电路。先后介绍了硬件设计思路、仿真过程、软件设计过程和硬件电路搭建过程。单片机控制系统程序采用C语言进行编辑，仿真使用PROTEUS仿真软件，通过运用元件库的芯片和元器件搭建电路，载入编程软件生成的HEX文件进行仿真，最后进行实物制作。本次设计最终可以用1616双色LED显示屏多个汉字的滚动显示。显示屏可以改变显示颜色，其中包括红色、绿色和橙色，还可以控制显示移动方向并且有暂停功能。关键词双色LED；点阵；显示屏；汉字哈尔滨理工大学学士学位论文IIDESIGNANDSIMULATIONOFTWOCOLORLEDDISPLAYABSTRACTLEDDISPLAYHASBECOMEANIMPORTANTSYMBOLOFTHECITYLIGHTING,MODERNIZATIONANDINFORMATIONSOCIETYWITHCONTINUOUSIMPROVEMENTANDBEAUTIFICATIONOFPEOPLESLIVINGENVIRONMENTLEDLIGHTSCANBESEENINTHELARGESHOPPINGMALLS,RAILWAYSTATION,DOCKS,UNDERGROUNDSTATIONANDSOONLEDBUSINESSHASBECOMEAFASTGROWINGNEWINDUSTRY,AHUGEMARKETSPACEANDABRIGHTPROSPECTTHISDESIGNISA1616TWOCOLORLEDDOTMATRIXDISPLAYFIRSTTHEARTICLEINTRODUCEDTHEDISPLAYPRINCIPLEOFLEDDOTMATRIX,ANDTHENDESCRIBESTHEDESIGNPROCESSTHISDESIGNUSES40FEETSMICROCONTROLLERATMAGE16OFATMELCORPORATIONCORETOBETHECORE,USING74HC595,74HC138,CD4049AND8050CONSTITUTETHEPERIPHERALDRIVECIRCUITSOFTWOCOLORLEDDISPLAYTODRIVEROWANDCOLUMNTHEARTICLEHASINTRODUCEDTHEIDEASOFHARDWAREDESIGN,THESIMULATION,THESOFTWAREDESIGN,THEHARDWAREDESIGNANDTHEPROCESSOFBUILDINGCIRCUITSCMCONTROLSYSTEMUSINGCLANGUAGEFOREDITINGTHESIMULATIONUSESTHESIMULANTIONSOFTWARECALLEDPROTEUS,THROUGHTHEUSEOFCOMPONENTLIBRARIESTOBUILDCIRCUITCHIPSANDCOMPONENTS,ANDLOADINGHEXFILEGENERATEDBYTHEPROGRAMMINGSOFTWARE,THENTHESIMULATIONCANBEFINISHEDFINALLY,ITSTHEMANUFACTUREOFTHEREALCIRCUITTHEFINALDESIGNCANUSETHE1616TWOCOLORLEDTODISPLAYMULTIPLECHARACTERSBYSCROLLDISPLAYMODEDISPLAYNOTONLYCANCHANGETHEDISPLAYCOLORS,INCLUDINGRED,GREENANDORANGE,BUTALSOCANCONTROLTHEDISPLAYDIRECTIONOFMOVEMENTANDHASAPAUSEFUNCTIONKEYWORDSTWOCOLORLEDDOTMATRIXDISPLAYCHINESECHARACTER哈尔滨理工大学学士学位论文III目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题背景112LED介绍2121发光二极管（LED）的结构2122不同光谱的LED白光除外213LED显示屏4131LED显示屏的分类4132双色LED显示屏的结构5133双色LED显示屏的显示和控制原理6第2章应用软件和基础原理介绍821AVR单片机介绍8211AVR单片机的最小系统822AVR开发环境介绍1023PROTEUS软件介绍10231ISIS智能原理图输入系统11232总线支持11233元件库11234元件属性12235生成报告1224汉字点阵显示和子代码的原则12第3章双色LED硬件电路设计1431系统整体设计1432双色LED显示屏总体设计理念14321显示模式选择14322数据传输方案选择1533显示模块的设计1634外围电路设计17341驱动电路设计17342按键控制电路23343电源模块的设计2435双色LED显示屏总体仿真2536本章小结27哈尔滨理工大学学士学位论文IV第4章双色LED显示屏软件设计2841程序总体设计28411软件分块28412子程序功能设计2842主程序流设计3043本章小结31第5章实际电路3251实际电路的制作32511实际电路的布局32512实际电路的焊接3252实际电路的测试33521电源模块测试33522显示模块测试33523AVR单片机最小系统的测试34524驱动电路测试34525电流放大电路的测试35526按键控制电路测试3553本章小结36结论37致谢38参考文献39附录A40附录B43哈尔滨理工大学学士学位论文1第1章绪论11课题背景LED显示屏已经成为一个现代化的标志，在信息社会的今天不断的美化和改善我们的生活和工作环境。LED点阵显示屏，以发光二极管为像素单元，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后由，环氧树脂和塑模封装而成。具有高亮度、低功耗、引脚少、寿命长、视角大、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。由于LED显示屏的亮度高、功耗小、寿命长、驱动简单、性能稳定及可视距离远，在大屏幕显示领域，LED显示屏向来都是十分重要的组成部分，是大型公共场合（广场主题显示、大型娱乐场所、广告动态显示）的主要显示媒介。随着双色、三色甚至全彩LED显示屏的发展，赋予了LED显示屏播放视频，彩色图像等的功能，因此LED显示屏在大屏幕显示的位置越来越重要。LED显示屏业务已成为一个快速增长的新兴产业，具有巨大的市场空间和前景。单片微型计算机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）简称单片机，它是为各类控制器设计的专用或通用微型计算机系统，高密度地集成了普通计算机微处理器、一定容量的RAM和ROM、I/O接口和定时器等电路于一块芯片上。单片机自20世纪70年代问世以来，以其很高的性价比受到人们的关注，应用很广，发展很快。单片机的优点包括重量轻、体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，价格低廉，开发较为容易。在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字，汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器，广告屏等。故由单片机控制的LED点阵显示系统应运而生。2011年度中国LED显示应用行业发展整体规模较上年度有所增长，2011年度LED显示应用行业规模企业成长明显，LED显示应用行业企业发展正式与资本市场接轨，受到资本市场关注。行业内雷曼光电、洲明科技、奥拓电子、联建光电等企业相继在深交所上市，标志着行业发展进入新的阶段。国内首部LED显示应用行业发展年鉴正式出版发行。由LED显示应用行业协会编写出版的中国LED显示应用产业发展年鉴2010，全面总结和展示了中国LED显示应用行业和会员单位近年来的发展成就。LED照明市场持续升温，推动了LED产业整体发展并引发了资本高度关注和青睐。受其影响，LED显示应用行业在传统显示屏基础上，应用产品拓展迅速，行业发展进入难得的历史机遇，同时也面临重大挑战4。哈尔滨理工大学学士学位论文212LED介绍121发光二极管（LED）的结构在大力倡导低碳经济、节能、环保的形势下，LED以寿命长、发光效率高、能耗低以及环保、无辐射、无污染、应用灵活等诸多优点，在最近几年得到快速发展，各项性能得到很大提高，因此在显示、光源、照明等领域得到广泛应用，并渗透到人类生活的各个方面。LED是英文LIGHTEMITTINGDIODE（发光二极管）的缩写，的基本组成是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的支架上，接下来周围用环氧树脂密封，可以起到保护内部芯线的目的，这种结构使LED抗震性能好，寿命长。具体结构如图11所示。图11发光二极管的结构半导体晶体发光二极管的核心构造是由P型和N型半导体构成的晶片，在P型和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结（如图12）。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。当它处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就可以发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关，而引人不同的元素则LED发出不同颜色的光5。122不同光谱的LED白光除外1蓝光LED蓝光LED是指蓝色的发光二极管，其发光中心波长为470纳米，蓝光LED使用氮化镓GAN类半导体材料，之前曾用过硒化锌ZNSE类半导体材料开发蓝色LED。哈尔滨理工大学学士学位论文3P型半导体材料N型半导体材料过渡层电流流向电子流向图12PN结自从1993年日亚化学工业研发出GAN类半导体材料的蓝光LED的亮度达1CDM以后，蓝光LED的主要材料采用GAN类半导体。目前，LED在液晶电视、个人电脑和液晶显示器及光源、照明等领域得到广泛应用和迅速普及，但大部分需求的是白光LED，而生产白光LED的基础是蓝色LED。预计随着LED应用的拓展，蓝色LED将得到更大的发展。2红光LED红光LED也是应用半导体PN结的发光原理制成的LED，问世于20世纪60年代初。到20世纪80年代初，研制出了使用半导体材料砷铝化镓GAA1AS的红光LED，发光效率达到10LMW。90年代初，发红光、黄光的镓铝铟磷GAAIINP新半导体材料的研制成功，使LED的发光效率得到大幅度的提高。在2000年，红光LED的发光效率达到了100LMW。随着LED技术性能的提高和各种颜色的LED问世，LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到广泛应用。3绿光LED绿光LED是发射绿光的发光二极管，绿光的中心波长在560NM左右。初期的绿光LED多用于电子设备、仪器仪表的指示灯，LED显示器光源以及液晶面板背光源等。当前绿光LED器件的半导体材料基础是III族氮化物半导体材料。目前工业界的技术水平通常能做到绿光芯片的电光转换效率约是蓝光的50或更低。因此用红色LED、绿色LED和蓝色LED构成LED显示器或液晶面板的背光源时，为了能调制成亮度高且均匀的白色，同时考虑人眼的视觉灵敏度对绿光最为敏感，而且白光构成中有69为绿光。由于绿色LED的亮度不足，需要使用多个绿色LED来提高输出功率。目前已研究出可以将原绿光LED的光输出功率增加1倍的产品。4红外LED红外LED也叫做红外线发射二极管INFRAREDLIGHTEMITINGDIODE，它是能将电能直接转换成红外光不可见光并且可以辐射出去的发光器件，发哈尔滨理工大学学士学位论文4射红外光线光中心波长超过了700RIM，它的结构、原理与普通发光二极管相似，只是使用的半导体材料不相同。红外发光二极管一般使用砷化镓GAAS、砷铝化镓GAA1AS等半导体材料，采用全透明、浅蓝色或黑色的树脂封装。红外LED的工作电压比较低，仅为15V，所以用途比较广泛，应用于大量电子产品的遥控发射的电路中。5紫外LED紫外LEDUVLED是发射紫外光的发射二极管。一般指发光的中心波长在400NM以下的LED，但有时将发光的波长大于380NM时称为近紫外LED，而短于300NM时称为深紫外LED。由于短波长的光线的杀菌效果高，紫外LED常用于冰箱和家电等的杀菌及除臭等用途，同时紫外LED可与荧光体组合发出可见光的LED，例如将红、绿和蓝荧光体与紫外LED组合，可获得白色LED。紫外LED主要采用GAN类半导体材料。在产品方面，具有发光的中心波长从365385NM不等的种类。6白光LED白光LED是发射白光的发光二极管。白光是一种组合光，在目前市场上的白光LED技术主要可以分成单芯片和多芯片两种。13LED显示屏在大型的显示设备中，目前没有其他的可控显示模式可以比LED显示文字、文本、图形和动画等各种信息和电视信号的成本更低的。LED显示屏幕是一个综合了信息处理技术，光电子技术，微电子技术，计算机技术这些技术的高科技产品，这种具有超大屏幕视觉感受的显示器成为国际上广泛使用的显示系统，并因为LED显示屏具有超长寿命，灵活多变的显示方式等独特优势被应用到各个领域，带来了很大的社会和经济效益，成为传播的信息终端设备的不二之选。131LED显示屏的分类1根据使用环境分类A室内LED显示屏室内LED显示屏在室内环境下使用，此类显示屏亮度适中、视角大、混色距离近、重量轻、密度高，适合较近距离观看。B室外LED显示屏室外LED显示屏在室外环境下使用，此类显示屏亮度高、混色距离远、防护等级高、防水和抗紫外线能力强，适合远距离观看。2根据显示颜色分类A单基色LED显示屏哈尔滨理工大学学士学位论文5单基色LED显示屏由一种颜色的LED灯组成，仅可显示单一颜色，如红色、绿色、橙色等。B双基色LED显示屏双基色LED显示屏由红色和绿色LED灯组成，256级灰度的双基色显示屏可显示65,536种颜色（双色屏可显示红、绿、黄3种颜色）。C全彩色LED显示屏全彩色LED显示屏由红色、绿色和蓝色LED灯组成，可显示白平衡和16,777,216种颜色。3根据显示功能分类A图文LED显示屏异步屏图文LED显示屏可显示文字文本、图形图片等信息内容。可联网脱机显示。B视频LED显示屏同步屏视频LED显示屏可实时、同步地显示各种信息，如二维或三维动画、录像、电视、影碟以及现场实况等多种视频信息内容。132双色LED显示屏的结构LED显示屏的最小成像单元叫做像素，俗称“点”或“像素点”。如图13所示，为双色LED点阵的原理图，其中白色代表绿光LED灯，黑色代表红光LED灯。则相邻的一红一绿LED构成双色LED显示屏的像素点。图13双色LED点阵原理图两个像素点之间的距离称为点距。点距主要取决于观看者的距离，点距越密，显示出来的字笔画越细腻，单位面积像素点越多，显示屏成本越贵。故根据要达到的效果和性价比来选择合适的点距。哈尔滨理工大学学士学位论文6133双色LED显示屏的显示和控制原理1双色LED显示屏的颜色控制双色LED点阵显示屏带有两种颜色的发光二极管，通过单片机的控制可以显示RGB三种颜色。具体实现方法为双色LED点阵屏，每个像素点由两个发光二极管（一个红色发光二极管和一个绿色发光二极管）组成，它们的连接方式为共阴极连接，通过对其阳极的选通（红色发光二极管点亮、绿色发光二极管点亮和两个发光二极管都点亮）可以分别显示红色、绿色和黄色。2双色LED点阵显示屏的显示原理以简单的88点阵为例，其引脚图如图14所示，它共由128个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行和列的交叉点上，当对应的某一行置0电平，某一列置1电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点绿色点亮，则13脚接低电平12脚接高电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第13脚要接低电平，而（12、9、6、3、24、21、18、15）这些引脚接高电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列绿色点亮，则第12脚接高电平，而（13、16、19、22、1、4、7、10）接低电平，那么第一列绿色就会点亮。双色LED点阵显示屏1314151617181920212223241234567891011121行绿灯低电平1行红灯低电平8列高电平2行绿灯低电平2行红灯低电平7列高电平3行绿灯低电平3行红灯低电平6列高电平4行绿灯低电平4行红灯低电平5列高电平5行绿灯低电平5行红灯低电平4列高电平6行绿灯低电平6行红灯低电平3列高电平7行绿灯低电平7行红灯低电平2列高电平8行绿灯低电平8行红灯低电平1列高电平图14双色LED点阵显示屏引脚图A静态显示模式静态显示模式即每行每列都由单片机端口控制，通过控制单片机端口的高低电平来控制点阵屏的每一个像素的亮灭。采用静态显示方式时，除了在改变显示数据的时间外，所有的LED灯都处于通电发光状态，每个LED灯通电占空比为100。静态显示的优点是显示稳定，亮度高，程序哈尔滨理工大学学士学位论文7设计相对简单，MCU负担小；缺点是占用硬件资源多（如I/O口、驱动锁存电路等），耗电量大。B动态显示模式所谓的动态显示模式，通常又称为扫描模式，就是一行一行地轮流点亮各行点阵，对于每一行点阵来说，每隔一定时间点亮一次，所以当扫描的时间足够短时，观察者就不会感到点阵的闪烁，看到的现象就是所有的行一齐被点亮（同电影、动画的道理相同）。这样做的优点是占用硬件资源少（如I/O口、驱动锁存电路等），耗电量小；其缺点是显示稳定性不易控制，程序设计相对复杂，MCU负担重。下面以单色LED点阵显示屏来介绍动态扫描原理，如图14所示是一个1/8扫的LED显示屏原理图。其工作原理是在1帧图像内每行电源ROW1ROW8按控制要求各开启1/8的时间。在1帧图像内，每行LED只能显示1/8的时间。如帧频为50HZ时，每行的显示时间为TM1000/50825MS若采用更高的帧频或扫描级数进一步增加，那显示时间将会更短。但是利用人眼的影像滞留效应，只要在一秒内循环扫描8行的次数大于25次，则在人眼里可达到各行全亮的效果，并亮度均匀。双色LED道理相同，只是多了一倍的发光二极管。图141/8扫的LED显示屏原理图哈尔滨理工大学学士学位论文8第2章应用软件和基础原理介绍21AVR单片机介绍单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支，是简易机器人的核心元件。1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的FLASH新技术，共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。单片机具有良好的性价比、小体积、高可靠性强的控制，并广泛应用于聪明仪器、机电一体化,真正的时间过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通讯系统等。如今AVR单片机已经成为单片机发展的新的方向，较早的LED显示控制器一般采用基于MSC51内核的单片机作为主控芯片，如8051。由于基于MSC51内核的单片机运行速度较慢，所以LED屏显示文字的个数很受限制，即使进行了种种优化限制还是不能解除，越来越不能满足客户的需求。而以ARM为主控芯片的显示控制器虽然提高了显示性能但是其造价很高，于是基于AVR单片机的显示控制器成为了最优之选。AVR单片机具有高性能、低功耗的8位AVR微处理器、先进的RISC结构（131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期、32个8位通用工作寄存器、全静态工作、工作于16MHZ时性能高达16MIPS、只需两个时钟周期的硬件乘法器）、非易失性程序和数据存储器（16K字节的系统内可编程FLASH擦写寿命10,000次、具有独立的锁定的可选BOOT代码区通过片上BOOT程序实现系统内编程真正的同时读写操作512字节的EEPROM擦写寿命100,000次、1K字节的片内SRAM、可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密）、JTAG接口与IEEE11491标准兼容。211AVR单片机的最小系统AVR单片机的最小系统是由振荡电路、复位电路和主控AVRATMAGE16构成，如图21所示。哈尔滨理工大学学士学位论文9图21AVR单片机的最小系统1振荡电路单片机振荡电路主要由晶振、电容组成。单片机系统里都有晶振，在单片机系统内，晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机的晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机的晶振提供的时钟频率之上。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些类型的晶振在使用时，可以外加电压，这样可以在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振的内部使用了一种能把电能和机械能相互转化的晶体，该晶体在共振的状态下工作，以提供稳定、精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。3复位电路AVR复位电路由按键、滤波电容、电阻、二极管（防止烧坏芯片）。复位电路的作用是在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态这段哈尔滨理工大学学士学位论文10时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统，并在实验室调试成功后，在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以完全能够满足复位的时间要求。22AVR开发环境介绍AVRSTUDIO50集成了AVRSOFTWAREFRAMEWORK，这是一个带有400多个完整应用程序范例的8位AVRXMEGA和32位AVRUC3MCU源代码库，并拥有一整套用于片上外设和外接器件的驱动程序、有线和无线通信协议堆栈、音频解码、图形生成、以及定点和浮点算法库。使用该软件框架中的代码，设计人员可以省去多达50的底层源代码编写工作，从而加快新应用产品的开发。ATMELAVRSTUDIO5备有全面充分的代码样例，可让软件工程师快速启动新的设计项目，从而简化设计过程。此外，新项目向导带有软件框架和调试器，使得这个开发平台更为完整，非常直观和易于使用。最大的变化是IDE了，用的是VS2010的SHELL,如果电脑里安装了VS2010中文版的话这个界面也都是中文版。IDE的变化是写程序过程中的代码提示很方便。缺点是安装包很大，需要【NETFRAMEWORK40】支持，完全安装1个G的空间，安装时间也很长，这一点肯定是其他单片机类开发软件没有的。软件设置改动很大，需要一段时间来熟悉。23PROTEUS软件介绍PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计哈尔滨理工大学学士学位论文11软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了CORTEX和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多种编译器。在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件HEX，可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。课程设计、毕业设计是学生走向就业的重要实践环节。由于PROTEUS提供了实验室无法相比的大量的元器件库，提供了修改电路设计的灵活性、提供了实验室在数量、质量上难以相比的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养学生实践精神、创造精神的平台。随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。使用PROTEUS软件进行单片机系统仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真软件的操作能力。实践证明，在使用PROTEUS进行系统仿真开发成功之后再进行实际制作，能极大提高单片机系统设计效率。231ISIS智能原理图输入系统ISIS是PROTEUS系统的中心，它远不仅是一个图表库。它是具有控制原理图画图的外观的超强的设计环境。无论用户的要求是快速实现复杂设计的仿真以及PCB设计，还是设计精美的原理图以供出版，ISIS都是的最好工具。232总线支持ISIS提供的不仅是一根总线，还能用总线引脚定义元件和子电路。因此，一个连接在处理器和存储器之间的32位的处理器总线可以用单一的线表示，节省绘图的时间和空间。在绘图过程中多个引脚对应相接时，可考虑用总线连接，提高电路图的可视性和可分解性，在本次仿真过程中，多次运用总线，如单片机接口、行驱动电路、列驱动电路、双色LED点阵屏等都运用总线连接，在连接总线时可通过双击引脚，达到重复布线的目的，使连线方便快捷。233元件库ISIS有丰富的元件库，ISIS提供了包含8000个部件的元件库，包括标准符号、三极管、二极管、热离子管、TTL、CMOS、ECL、微处理器、哈尔滨理工大学学士学位论文12存储器部件、PLDS、模拟ICS和运算放大器。但是在电子行业飞速发展，很多新的芯片和部件还未加入到ISIS的元件库当中，与实际还有一定的脱轨。234元件属性设计中的每个元件都有一定数目的属性或性质（如图22）。某些属性控制软件的专用功能，用户也可以添加自己的属性。一旦库建立，就能提供默认值以及属性定义。属性定义提供大量的属性描述，当修改元件时，将显示在它编辑的区域内。图22元件属性窗口235生成报告ISIS支持许多第3方网表格式，因此能为其他软件使用。设置材料报表后可以填加用户需要的元件和属性，也可设置属性列以挑选一定数目的属性。ERC报告可列出可能的连线错误，如未连接的输入、矛盾的输出以及未标注的网络标签。双击错误提示，即可跳转到错误的元件位置，可以方便修改。24汉字点阵显示和子代码的原则TIMESNEWROMAN字体是UCDOS中被采取的例子，每一个字由1616的点阵，也就是说每一个国家标准的汉字库的汉字都能被256点阵所表达。我们可以把每个点理解为一个像素，每一个字的形状理解为一个图像。事实上，这种显示屏幕不仅可以显示中文字体的字符，还可以显示256像素范围内的任何图形。为了了解汉字点阵组合法中的汉字显示原则，首先，字符通过列扫描哈尔滨理工大学学士学位论文13方法显示。汉字被分为上部和下部，上部分由816点阵组成，下部也由816点阵构成，如图24所示。图中左上角的第一列为上部待显示的第一列，即PD0PD7端口显示的0列，方向为PD0PD7。中文字符“大”显示中，PD5点亮，其他熄灭。该二进制是00000100，并转换为十六进制为04H。上半部分的第一列扫描完后，继续扫描下半部分的第一列，从图24中可以看出，这个字段所以的点都不点亮，即，二进制数为00000000，转化为十六进制为00H。根据这种方法，第二列，第三列，直到第十六列依次扫描。汉字“大”的扫描码可以得出为04H，00H，04H，02H，04H，02H，04H，04H04H，08H，04H，30H，05H，C0H，FEH，00H05H，80H，04H，60H，04H，10H，04H，08H04H，04H，0CH，06H，04H，04H，00H，00H图24汉字点阵显示原则可以看出，根据这个原则不管是什么字体的汉字显示，我们都可以使用这个方法来分析其扫描码，并显示在屏幕上。虽然通过上述方法，我们能够找出代码点亮字符点阵，但靠人工找出字符代码是一个很复杂的工程。为此，要使用编码待显示汉字代码的软件，应用此软件可以根据的要求，输入要显示的内容、选择字体和大小、选择按行或列取模。按取模按钮，十六进制字符代码可自动生成，我们只需要将数据复制到程序中即可15。哈尔滨理工大学学士学位论文14第3章双色LED硬件电路设计本章主要介绍双色LED点阵显示屏的硬件电路的设计过程，包括总体实现方式的选择、芯片和元件的选取和连接电路可行性的测试。31系统整体设计本次双色LED硬件电路设计的总体框图如图21所示，设计理念和各各模块的设计接下来依次介绍。AVR单片机按键控制电路列驱动行驱动放大电路双色LED点阵显示屏电源模块图31双色LED显示屏总体框图32双色LED显示屏总体设计理念321显示模式选择双色LED的显示模式分为两种静态显示模式和动态显示模式。1静态显示模式的局限性控制双色LED显示屏的各个发光点亮与熄灭的方法如选为静态显示模式。1616的点阵共有512个发光二极管，显然任何单片机没有这么多端口，这样的话我们需要扩展端口，根据实际8位的锁存器比较常见，故选8位锁存器，则双色的1616的点阵需要512/864个锁存器。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惊人的数目。而且静态显示功耗大，显示一个双色1616的字的功耗为1616210525600MW256W。普通电源根本无法驱动，哈尔滨理工大学学士学位论文15考虑到LED点阵屏的实际应用的方便性及环保性，则不能选择静态显示模式，否则组成更大显示屏那功耗将更加难以实现。因此虽然静态显示效果好，但是在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用动态扫描的显示模式。2动态显示模式的可实现性动态扫描可以实现16行的相同颜色的相同列可共用一个列驱动电路，16行由两个八位输出芯片作为行驱动电路，按顺序依次对各行进行扫描。再根据各列锁存的数据，确定接通的列数，就可以在该行该列点亮相应的LED灯。全部各行都扫过一遍之后，又从第一行开始下一个周期的扫描。只要一个扫描轮回的速度足够快（每秒25次以上），由于人眼的影像滞留效应，就不会感觉出闪烁，就能在显示屏上看到固定的显示效果图。动态扫描方式硬件成本低、功耗低，而且由于每个LED灯为非持续性工作，则可以延长LED灯的寿命。综上所述本次设计选用动态扫描显示模式。322数据传输方案选择采用动态扫描模式显示时，等待显示的数据一般存储在单片机的存储器中，按8位一个单元的顺序传输。双色LED点阵屏显示时需要将每行的各列的显示数据传输到列驱动电路中，这样的话就存在显示数据传输方式的问题。1数据传输方案的分类通过控制电路将列数据传输到列驱动电路的传输方式可以分为并行传输方式和串行传输方式。当采用并行传输方式时，从控制电路到列驱动电路需要的线路比较多，则相应的硬件数目多。这种传输方式在列数很多的情况下是不可取的。采用串行传输方式，只需要一根信号线将数据从控制电路传输到列驱动电路，在节约硬件资源方面十分具有优势。然而，串行传输方式所需时间较长，而且待传输的数据要经过并行串行、串行并行两次变换。并行串行从单片机的存储器中读出8位并行数据然后经过并串变换，按顺序将每位数据传输到列驱动电路。之后，列驱动电路中的每一列把当前数据传向后一列，并从前一列接收传输过来的数据，直到所有列数据传输完。只有当一行的各列数据都传输完成，这一行才能进行显示。则对于一行的显示过程就可以分为列数据准备阶段和列数据显示阶段。此种传输方式列数据准备时间比较长，相应的留给行显示的时间相对较小，很可能影响到LED点阵显示屏的亮度。2串行传输方案的可行性和优势由于1616双色点阵屏列驱动电路需要32路，若选用并行传输方式，哈尔滨理工大学学士学位论文16则非一般单片机可以提供的线路数。则应选用串行传输方式。为了解决串行传输中数据准备过程与数据显示过程的时间矛盾，可用流水线的方法，即在显示本行各列数据与准备下一行的列数据的过程同时进行。为了达到流水线的效果，列数据的显示电路需要有锁存功能。根据上述分析，可以归纳出列驱动电路应具备的功能。对于列数据准备过程，列驱动电路应能实现串行输入并行输出的移位功能；对于列数据显示过程，要求列驱动电路具有并行锁存功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。33显示模块的设计无论是仿真软件给出的，还是电子市场销售的多为88的双色LED点阵屏，故应该应用4片88的双色点阵显示屏组合成1616的双色LED点阵显示屏，最终组合而成的1616双色LED点阵显示屏如图32所示。具体组合方式为A将四块点阵按同一方向放置，排成田字形。图32组合的1616的双色LED点阵显示屏B将同行排列的双色LED点阵显示屏的控制同一颜色和同一行的引脚连接作为1616双色LED点阵显示屏的行，其中上一行的点阵显示屏的行为18行，下一行的点阵显示屏的行为916行。A将同列排列的两块双色LED点阵显示屏的控制同一列的引脚连接作为1616双色LED点阵显示屏的列，其中左边的两块双色LED点阵显示屏的列为18列，右边两个的双色LED点阵显示屏的列为哈尔滨理工大学学士学位论文17916列。34外围电路设计双色LED显示屏主要组成部分为显示模块部分，但是只有显示模块远不能完成显示任务，外围电路的设计成了双色LED点阵显示屏设计过程中必不可少的部分。341驱动电路设计在双色LED点阵显示屏的外围电路设计中，除显示模块之外驱动电路成为了决定显示屏能否正常显示的主要部分，通过控制电平高低和电流大小控制显示屏显示与否、显示亮度等。驱动电路模块包括行驱动电路和列驱动电路，接下来对这两部分依次进行介绍。1行驱动电路设计本次设计的1616双色点阵，红色和绿色发光二极管的公共端为阳极，采用行扫描的方法，即控制行的16个端口轮流为高电平，其它为低电平。为了节约端口，需要对端口进行扩展且有效输出电平为高电平。根据需求应选用238译码器，其引脚图如图33所示。图33238译码器引脚图74HC238译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的高电平有效输出（Y0至Y7）。74HC238特有3个使能输入端两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置为低电平且E3置为高电平，否则74HC238将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC238芯片，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个4线16线译码器。任选一个低电平有效输入端口作为数据输入端，而把其余的使能输入端口作为选通的端口，则74HC238亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的输入端口必须保持绑定在各自合适的高电平有效或低电平有效状态。哈尔滨理工大学学士学位论文1874HC138与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。74HC238作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，在高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间，因此，由肖特基钳位的系统译码器所引起的系统延迟可以忽略不计。由于实际当中使用138译码器较多，比较常见，采用138译码器和反相器组合代替238译码器，其具体连接方法如图34所示。74HC138按照三位二进制输入码和赋能输入条件，从8个输出端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端，减少了扩展所需要的外接门或倒相器，扩展成16线译码器不需外接门；扩展成32线译码器，只需要接一个外接倒相器。为了控制138的使能，低电平使能端连接外接一个反相器，用高电平使能端连接控制138译码器（行驱动电路）的使能与否。图34行驱动电路测试电路为了测试行驱动电路能否工作，由于行驱动电路为高电平有效，故输出端口分别接一个发光二极管的阳极，所有发光二极管的阴极连接接地。给单片机写入程序进行测试，程序如下INCLUDEDEFINEOE_HPORTA|0X10DEFINEOE_LPORTA哈尔滨理工大学学士学位论文19FORI10II0INTMAINVOIDWHILE1INTI0DDRA0XFFPORTA0XFFFORI0II/通过字符数据判断输入ELSEDS_LGSHCP_LG/由于595控制端均为上升沿有效，每个循环结束应将其置02显示子程序显示子程序为控制双色LED显示屏显示与否的子程序，本次双色LED点阵显示屏的设计包括颜色改变功能，因此显示子程序包括行数据输出、红色列数据输出、绿色列数据输出三部分。控制显示与否即控制驱动芯片使能与否，简而言之为将单片机接芯片使能端口置为使能电平（例如行驱动为高电平使能，列驱动为低电平使能）。3按键扫描子程序按键扫描子程序为随时扫描是否有按键按下和判断哪个按键按下了的子程序。8个按键接到PB0PB78个端口，按键未按下时单片机端口为高电平，反之为低电平。按键扫描程序只需判定PB端口是否有低电平即可，为了消除按键抖动造成的影响，在软件上进行了消抖，即对按键按下进行多次判定，假如均判定为按下才为按下，否则不作为按键按下来处理。部分子程序如下IFPINBUNSIGNEDCHARA,B0UNSIGNEDCHART732UNSIGNEDCHARC732/赋值程序/VOIDASSIGNMENT/控制绿灯595芯片的数据写入程序/VOIDWRITE_DATAGUNSIGNEDCHARDATA1,UNSIGNEDCHARDATA2/控制红灯595芯片的数据写入程序/VOIDWRITE_DATARUNSIGNEDCHARDATA1,UNSIGNEDCHARDATA2/控制绿灯595芯片的数据输出程序/VOIDDISPLAY_VG/控制红灯595芯片的数据输出程序/VOIDDISPLAY_VR/控制138译码器的数据输入程序/VOIDWRITE_DATA_HUNSIGNEDCHARNUMBER/控制138译码器的数据输出程序/哈尔滨理工大学学士学位论文41VOIDDISPLAY_H/控制左移的数据改变程序/VOIDSHIFT_L/控制右移的数据改变程序/VOIDSHIFT_R/控制上移的数据改变程序/VOIDSHIFT_U/控制下移的数据改变程序/VOIDSHIFT_D/控制暂停的数据改变程序/VOIDSHIFT_S/按键扫描程序/VOIDKEY_SCAN/控制颜色改变的读键程序/VOIDREAD_OPERATE_C1/控制颜色改变的显示程序/VOIDREAD_OPERATE_C2/控制移动方向改变的读键程序/VOIDREAD_OPERATE_D/主程序/INTMAINVOIDDDRD0XFFDDRA0XFFPORTA0XFFPORTD0XFFDDRB0X00PORTB0X00ASSIGNMENT/赋值WHILE1KEY_SCAN/按键扫描哈尔滨理工大学学士学位论文42READ_OPERATE_D/读移动变化FORA0A10AFORB0B17BREAD_OPERATE_C1/读颜色变化WRITE_DATA_HB/138译码器输入变化READ_OPERATE_C2/改变显示颜色DISPLAY_H/138译码器输出SOFTDELAY10/延时/输出关闭/STCP_LGSTCP_LR/使能关闭/OE8_LOE_HGOE_HR哈尔滨理工大学学士学位论文43附录B基于AT89C52单片机的LED显示控制系统的设计一、摘要本文介绍了基于AT89C52单片机的显示屏的硬件和软件的设计过程。我们用一个简单的外部电路来控制一个大小为32192的显示屏。显示屏还可以在动态扫描显示模式下显示6个3232点阵大小的中文字符，并且可以分为两个小显示屏，以这种方式可同时显示大小为1616的24个中文字符。我们可以通过修改代码来改变显示内容的，且可根据要求实现字幕滚动功能并调节其滚动速度，也可以实现字幕的暂停功能。中文字符代码存储在外部数据存储器中，其扩展内存的容量根据我们希望显示汉字的数量和要求确定。此类显示屏具有体积小、硬件数量少、电路结构简单等优点。关键词LED；汉字显示；AT89C52二、引言LED显示屏已经成为一个城市照明、城市现代化、社会的信息化、人们的生活环境不断改进和美化的重要象征6。在大型商场、火车站、码头、地铁站、各种窗口等，LED灯随处可见。LED业务已经成为一个快速成长的新兴行业，具有巨大的市场空间和光明的前景9。由LED灯显示的文字、图片、动画和视频等内容可以方便的改变。有些组件是显示设备的模块化结构，通常由显示系统，控制系统和电源系统。显示系统是由晶格结构构成，包括LED灯，负责发光和显示，可显示文字、图片、视频。显示系统通过控制系统等控制相应区域的LED灯的亮暗；电源系统负责将输入电压、输入电流转换为LED显示屏需求的电压和电流。LED点阵显示屏可以通过PC机提取不同字体的字符，发送到微控制器，然后显示在点阵屏上，主要用于室内和室外的字符显示。根据显示内容的不同LED点阵显示屏可分为图形显示屏、图像显示屏和视频显示屏。与图像显示屏相比，图形显哈尔滨理工大学学士学位论文44示的特点是灰度等级相同的单色或彩色显示屏。因此，图形显示不能反映丰富的颜色。而视频显示屏不仅可以显示运动的清晰的全彩图像，而且可以显示电视和计算机信号。虽然三者之间也有一些差异，但最基本的原理都是类似的6。SCM（SINGLECHIPMICROCOMPUTER单片机）具有性价比高、尺寸小、可靠性高、控制力强等特点，被广泛应用于智能仪器仪表、机电一体化的实时的过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等。本文详细描述了设计的LED显示屏相关的原则、硬件设计和软件结构。最后，我们模拟了整个设并和分析其结果。三、系统总体结构设计单片机（SCM）模型根据要完成的目标、所实现的功能、达到的可靠性和预计成本选择控制系统的精度和速度。根据实际情况选择单片机模型主要从以下两个方面考虑首先，SCM具有较强的抗干扰能力；二是，单片机具有