基于51单片机的LED点阵设计

1、 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目：目： 院院 ( (系系) )： 专专 业：业： 姓姓 名：名： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 学号 专 业 院（系） 毕业设计（论文）题目关于 51 单片机的 LED 点阵设计 任务与要求 该项目应用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

2、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。 院（系）审核意见 摘 要 近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用 正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠， 使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控 制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域， 作为微型机的一个主要分支，单片机在结构上的最大特点是把 CPU、RAM 和 ROM 存储器、定时器和多种 I/O 接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。从它的 组成和功能来看，一块单片机芯

3、片其实就是一台计算机。 本次设计是采用 MSC-51 单片机来设计的四位数计算器, 采用 C 语言进行程序编 写实现计算器功能。外接 4X4 的键盘，通过键盘扫描来完成输入数的控制，利用驱 动电路使数值与结果在七段共阴极数码管上正常显示，并设有清零键可随时完成计 算与显示的清零。计算器将完成的 0 至 9999 整数的一次加/减/乘/除运算。 执行过程如下： 开机即显示 0，等待键入数值，当输入数字，将通过数码管显示出来，在输入 、-、*、/运算符之后，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次输入数值， 当在键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在数码管上显示运算结果。 关键字：单片机计算器

4、键盘扫描程序 Abstract n recent years, as computer penetration in the social field and large-scale development of integrated circuits, microcontroller applications are continually deepening, because of its powerful function, small size, low power consumption, cheap, reliable, easy to use, etc. therefore pa

5、rticularly suitable for systems with control of more and more widely used in automatic control, intelligent instruments, meters, data acquisition, military products and home appliances fields, As one of the main branch of microcomputer, microcontroller in the structure of the biggest feature is the

6、CPU, RAM and ROM memory, timer and multiple I / O interface circuit integrated on a VLSI chip. The composition and function from its point of view, a single chip is actually a computer. This design is the use of MSC-51 microcontroller to design the four- digit calculator, using C programming languag

7、e to achieve calculator functions. 4X4 external keyboard, the keyboard scan to finish by the number of control values and make the drive circuit to the cathode results in a total of seven-segment digital tube display properly, and has cleared at any time to complete key calculation and display clear

8、. Calculator to complete an integer from 0 to 9999 plus / minus / multiply / divide. Implementation of the process is as follows: Power is displayed 0, waiting type value, when the input numbers, will come out through the digital display, the input +,-,*,/ operator, the calculator in the internal im

9、plementation of the numerical conversion and storage, and wait for the re-enter the value, when Type the value in the type of value will be displayed by an equal sign will be displayed in the digital control operation results. Key words: SCM calculator keyboard scan C language 目录目录 第一章 绪言.1 第一节单片机的发

10、展 .1 第二章 单片机的控制.3 第一节LED 显示屏控制系统.3 第二节 AT89C51 单片机概述.4 第三章 单片机的 LED 点阵显示设计.7 第一节 设计任务.7 第二节 系统的软件设计.9 结论.12 致谢.13 参考文献.14 第一章第一章 绪言绪言 第一节第一节单片机的发展单片机的发展 单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集 成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、 内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器， 实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络

11、、 复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，由芯片内仅有 CPU 的专用处理器 发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计 算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是 CPU、RAM、ROM、I/O 接口和 中断系统集成于同一硅片的器件。单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和 单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D 和 D/A 变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微

12、系统。 单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断 完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公 机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前，8 位单片机主要用于工业控制， 如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的 16 位单片机 （如 MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应 用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新 的有效途径。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： 1低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 80C51

13、 推出时的功耗达 120mW，而现在的单片机普遍都在 100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其 工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗 像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 2微型单片化 常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程 序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块 单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D

14、转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看 门狗)、有些单片机将 LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含 的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定 做，制造出具有自己特色的单片机芯片。 3主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 MCS-51 为核心的单片机占主流， 兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的 WinBond 系列单片机。以 8031 为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内， 这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补， 相辅

15、相成、共同发展的道路。 第二章第二章 单片机的控制单片机的控制 第一节第一节LED 显示屏控制系统显示屏控制系统 （一） 、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。 （二）、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

16、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。 （三）、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。 （四）、自动检测及远程控制技术 LED

17、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。 第二节第二节 AT89C51 单片机概述单片机概述 （一） 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

18、 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-AT89C51 引脚图 （二） 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

19、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

20、 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

21、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

22、。 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

23、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。 （三） 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

24、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。 第三章第三章 单片机的单片机的 LEDLED 点阵显示设计点阵显示设计 第一节第一节 设计任务设计任务 （一） 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。 （二） 数据存储模块 采用串行 EE

25、PROM（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。 （三） 总体硬件组成框图 图- 总体硬件组成框图 系统框图如图 3-1-1 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。

26、 AT89C51 串串 EEPROM 串串串串 LED串串串串 MAX232 串串串串 PC串串串 （四）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

27、图 3-1-2 和表 3-1-1。 图 3-2 24C256 的引脚排列图 表 3-1 管脚名称功能 A0、A1、A2器件地址选择 SDA串行数据/地址 SCL串行时钟 WP写保护 Vcc1.8V6.0V Vss地 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

28、载到 24C256 芯片内。 第二节第二节 系统的软件设计系统的软件设计 （一）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 3-3 所示。 图 3-3 主程序流程图 （二）显示屏电路框图设计 1 总体设计 图 3-4 显示屏电路框图 如图 3-4 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

29、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）

30、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