基于单片机的LED点阵显示屏系统设计

1、基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文）题目：基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计（英文）：Design of LED Lattice Display System Based On SCM院 别： 自动化学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 2012 年 4 月 广东技术师范学院本科毕业设计（论文）基于单片机的基于单片机的 LEDLED 点阵显示屏系统设计点阵显示屏系统设计摘要LED 点阵显示屏作为一种新兴的显示器件，现已广泛应用于广告、交通运输、教育系统、银行等工业企业管理和其它公共场所，产业面临良好的市

2、场发展机遇及前景。本设计是由 4 个 88LED 点阵组成的电子显示屏设计。整个系统以 ATMEL 公司生产 40 脚单片机 AT89S52 为核心，通过该芯片控制两个行驱动器 74HC164 和两个列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示整个汉字，采用 4 块 88 点阵 LED 显示模块来组成 1 个 1616 点阵显示模式。本设计采用 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，AT89S52 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 1616 分辨率的 LED 点阵显示屏的

3、扫描显示。本论文详细介绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计等。关键词：关键词：AT89S52 单片机；RS232 通讯；LED 点阵显示基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计Design of LED Lattice Display System Based On SCMABSTRACTAs a new kind of display devices, now LED dot matrix display is widely used in advertising, transportation, education system, bank

4、s, management of industrial enterprises and other public places, the industry is facing good development of opportunities and prospects of the market.The display system is a design which is made up of four 8 8 dot matrix LED displays. The entire system uses the microcontroller is AT89S52, and the mi

5、crocontroller as the core is made by ATMEL Corporation which has 40 pins .The microcontroller controls two pieces of 74HC164 which is a row drive device and two pieces of 74HC595 which is a column drive device. The electronic display can display varieties of text and monochrome images, the full scre

6、en can display the entire Chinese characters. I use four 8 8 dot matrix LED displays to form a 16 16 dot matrix display module. This design uses a PC and the PC sends the control commands and the display code which is stored in the PC to the microcontroller, the AT89S52 microcontroller receives and

7、processes the control commands and display the code, then the driver module drives a 16 16 resolution LED dot matrix display to display something by scanning.This paper details the LED dot matrix display hardware design ideas, features and principles of the various parts of the hardware circuit, the

8、 corresponding software program design and so on.Key words: AT89S52 MCU; RS232 Communication; LED Lattice Display广东技术师范学院本科毕业设计（论文）目目 录录前 言 .11 绪 论 .21.1 课题背景 .21.1.1 选题目的和意义.21.1.2 国外研究现状.31.1.3 国内研究现状.31.2 论文内容与技术线路 .51.2.1 论文内容.51.2.2 技术线路.52 方案选择与论证 .72.1 总体方案选择 .72.2 设计论证 .72.2.1 通信接口部分.92.2.2

9、单片机控制系统.92.2.3 驱动部分.102.2.4 LED 点阵显示屏 .103 系统硬件设计 .123.1 电路总体设计.123.2 晶振及复位单元.123.3 通讯电路单元.133.4 电源电路单元.153.5 点阵及驱动部分设计单元.163.5.1 LED 点阵的内部结构及工作原理 .163.5.2 行驱动电路设计.183.5.3 列驱动电路设计.204 系统软件设计.224.1 主程序设计.224.2 基本子程序的设计.234.2.1 显示程序的设计.234.2.2 通讯程序的设计.245 系统调试.275.1 系统部分硬件调试方法.275.1.1 短路与虚焊检测.285.1.2

10、上电测试.285.1.3单片机测试.285.1.4ISP 下载测试 .28基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计5.1.5串口发送指令调试.295.2 汉字字模生成与提取.315.2.1 字模生成原理.315.2.2 字模生成软件.335.3 系统联合调试及结果.335.4 调试结果分析.34结 论 .35参考文献 .36致 谢 .38附录 A 硬件电路原理图.39附录 B 源程序.41基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计1前前 言言LED 显示屏分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏，均由 LED 矩阵块组成。显示数字的数码显示屏为 7 段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等；图文显示屏

11、可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、现场实况等。LED 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的亮度高、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分不开的。随着 LED 显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。但是，由于LED 显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，无抖动

12、、闪烁、重影等现象。因此，LED 显示屏系统设计都有一个共同的需求，那就亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定等。如何实现上述的 LED 点阵显示系统，已经成为 LED 点阵显示屏系统设计的核心之一。 本方案提出基于普通 51 系列单片机实现 1616LED 点阵控制的原理及方法。本设计在 LED 显示屏的设计中既要考虑硬件因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制电路。广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 21 1 绪绪 论论1.11.1 课题背景课题背景1.1.11.1.1 选选题目的和意义题目

13、的和意义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，显示屏由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。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：证券交易、金融信息显示；机场航班动态信息显示；港口、车站旅客引导信息显示；体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息

14、显示；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；广告媒体新产品等1。基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计是从实际应用角度出发，针对当前市场上流行的 LED 产品的应用领域而设计制作的 LED 点阵显示屏系统，实用性比较强。目前大多数的 LED 点阵显示系统自带字库，其显示动态效果(主要是显示内容的滚动)的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的设计进行，不能随意进行动态显示。另外，由于受到存储器本身的局限，其特殊字符或图案也往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。而且一般的小型 LED 显示屏的体积还是比较大的，不适合随身携带只能放在固定的位置显示

15、信息。为了克服显示屏以上缺点，本设计需要能够方便的实现数字、字母、汉字等预存信息，同时还要求实现信息的定时循环、上下左右滚屏、LED 显示亮度连续可调等扩展功能，来实现吸引别人注意达到发布信息的目的。另外，本设计利用 PC 机来进行通讯，通过 PC 机串口来实现显示信息的更新。同时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。同时通过该设计课题掌握了 51 单片机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。基于单片机的

16、 LED 点阵显示屏系统设计3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。因此该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。1.1.21.1.2 国外研究现状国外研究现状作为 21 世纪是光电子与微电子紧密结合发挥作用的时代，以光通信为龙头的信息光电子产业将成为 21 世纪的明星产业和支柱产业。世界主要发达国家及相关大公司均已投入大量资金和人力，力争在数年之内实现半导体白光照明的产业化。据 CIR 报

17、告称，全球 LED 的市场销售额在 2008 将增至 56亿美元，其中高亮度 LED（HB-LED）将增至 26.4 亿美元，而超高亮度LED（UHBLED）的市场销售额则将赢得全球市场份额的 22。目前，全球有数百家公司、大学和研究机构从事 LED 材料生长、器件制作工艺和相关设备制造的研究和开发工作。居于领先水平的公司主要有日本的日亚、Toyota Goosey（丰田合成） 、Sony、三洋，美国的 Cree、欧洲的欧斯朗、飞利浦等。其中日亚公司是全世界研究和生产 LED 的顶尖单位，多年来其氮化镓基 LED 的研究和开发水平一直领先其他单位 23 年。他在生产白色 LED 的荧光粉材料方

18、面拥有多项专利，在白色 LED 芯片供应上一直占有统治地位，但专利技术一直控制在内部使用，只销售产品，不转让技术2。为早日占领巨大的半导体照明市场，世界上掌握相关技术的公司都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟，如美国 HP 联合了日本日亚和德国西门子、美国 Cree、西门子和德国欧斯朗联合；美国 EMCORE 和 GE 联合；日本的东芝和本田联合等。通用电气、飞利浦、欧斯朗等世界三大照明工业巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业。他们还提出，要在 2010 年前使半导体灯的发光效率再提高 8 倍，价格降低到现价的 1/100。1.1.31.1.3 国内研究现状国

19、内研究现状中国大陆目前也有数十家大学、研究机构及公司正在从事大功率 LED 的研究和开发，通过国家产业扶持、台商加入及国际巨头的多方推动，LED 产业在我国已具相当规模。在技术研发水平上，国内的蓝光芯片指标已达到国外中档水平，个别研发机构广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 4的技术水平已达世界先进水平。LED 封装技术与国外差距较小，在国际市场上已占有相当大的份额。经过十余年的发展，我国 LED 大屏幕产业发展目前也已初具规模，形成了一批具有一定规模的骨干企业。从 1993 年至今，全国 LED 大屏幕市场保持持续增长（据台湾PIDA 估计，国内显示屏市场年增长率为 40左右） 。目前国内主

20、要的 LED 大屏幕制造厂商的市场范围几乎覆盖整个国内市场，整个行业具有较强的开发能力，国产 LED 大屏幕的性价比较高，市场占有率近 100，国外同类产品在我国基本没有市场。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、昆明世界园艺博览会等重大项目工程，均由国内企业中标。可以预见，我国加入 WTO、北京举办 2008 年奥运会、上海举办 2010 年世博会等，都将成为 LED 大屏幕产业发展的良好契机。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。进入八十年代后，LED 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即

21、 LED 显示屏，LED 显示屏的出现，适应了信息化社会发展的需要，成为大众传媒的重要工具。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，是信息传播设施划时代的产品。广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等各个场合，是目前国际上极为先进的显示媒体。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

22、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

23、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基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计5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。 1.21.2 论文内容与技术线路论文内容与技术线路1.2.11.2.1 论文内容论文内容针对设计题目的特点，现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

24、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 AT89S52 单片机为核心控制器件，由串并转换器 74HC164 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

25、来。（4）仿真、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。1.2.21.2.2 技术线路技术线路本课题基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计可以分为下面三大块：方案设计，硬件设计，软件编程。在研究方法上，以电子电路基础为理论指导，将软件仿真和硬件实广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 6验相结合，通过 PC 机检测开发的程序。课题技术路线如图 1

26、-1 所示。技技术术路路线线总总体体方方案案设设计计硬硬件件电电路路设设计计软软件件设设计计电路总体设计电源电路单元通讯电路单元点阵及驱动部分设计基本子程序设计主程序设计总体设计设计论证晶振及复位单元图 1-1 技术路线图基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计72 2 方案选择与方案选择与论证论证2.12.1 总体方案总体方案选择选择四个 88 的点阵构成一个 1616 的点阵。行和列的交叉处有一个 LED，共由 256个 LED 构成，如果 LED 的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给该 LED 对应的行以高电平，列以低电平，那么对应的 LED 就发光。目前有两种扫描显示方式。方案一

27、：采用静态锁存方式，将每一个 LED 发光管的一端接至单片机的一个 I/O 口，另一端通过电阻接电源。这种方法可以直接驱动 LED，原理简单，驱动能力强，LED 的亮度也可以通过限流电阻调节，非常方便，但此种方法太浪费单片机的 I/O 口，只适合于较小的系统。方案二：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(共阴极或共阳极)，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。比较以上两种方案，系统设计中采用方案二3。如图 2-1 所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由通讯接口，单片机控制部分，驱

28、动部分显示点阵组成。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4。AT89S52单片机控制单元上上位位机机16X16LED显示点阵通通讯讯接接口口行驱动列列驱驱动动图 2-1 系统硬件组成框图2.22.2 设计论证设计论证图文显示一般有静态和动态显示两种方案，静态方案虽然设计简单，但其使用的管脚太多，如本设计中 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 的点阵需要广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 8256/8=32

29、 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5。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使其亮灭的数据并锁存，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

30、使其亮相同的时间，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相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。采用串

31、行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到 LED 的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存

32、功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。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。基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计92.2.12.2.1 通信接口部分通信接口部分设计 LED 点阵显示时，就必然少不了单片机与电脑连接的连接交互。本次设计的通讯部分主要包括串口连接与程序下载。LED 显示系统的单片机线路板是通过串口线缆实现与计算机的交互，本次设计使用 USB 转换串口适配器。应用时只需将串口线的一端连接到线路板

33、上，另一端连接到PC 的 USB 接口上，并安装对应的驱动程序。此外，选用 MAX232 下载器和 ISP 下载线使单片机能通过下载线将计算机上的程序下载到单片机中并运行6。图 2-2 和图 2-3，分别一种是 USB 转换串口适配器和 ISP 下载线实物图。计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。一种是并行通信，并行通信的时候数据的各个数据位同时传送，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。另一种是串行通信，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

34、。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。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。 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。2.2.22.2.2 单片机控制系统单片机控制系统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。三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术图 2-3 USB 转换串口适配器图 2-2 ISP 下

35、载线广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 10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。2.2.32.2.

36、3 驱动部分驱动部分一个 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） 、74HC164（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 20mA，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

37、.2.42.2.4 LEDLED 点阵显示屏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，如图 2-4。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

38、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 LED 点阵模块构成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏。基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计11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。图 2-4 LED 点阵图广东技术师范学院

39、本科毕业设计（论文） 123 3 系统硬件设计系统硬件设计3.13.1 电路总体设计电路总体设计由总体硬件原理图 3-1 看到，其外围电路包括晶振及复位部分、串口通讯电路、电源电路、行列驱动电路、LED 点阵显示电路组成，根据实际情况 LED 点阵显示部分模块选择 4 个 88 组合 1616 的点阵屏，如下图 3-1 所示。本系统以 AT89S52 为中央处理器，系统上电工作后，电路各部分初始化。具体工作流程为：在没有控制指令时，单片机执行指定代码。上位 PC 机（个人电脑）可以通过串口调试助手向单片机发送控制指令（控制右移或者上移） ，单片机接收控制指令后进行中断处理，然后把将要显示内容通

40、过 I/O 口串行输出，由行驱动电路和列驱动电路进行电压和电流的处理，以达到 LED 点阵显示屏的显示时所需要电压和电流，进而使显示屏显示内容相关文字及图案11。 图AT89S52单片机控制单元MAX232上位PC机电源16X16LED显示点阵行驱动电路列驱动电路晶振及复位电路3-1 硬件原理图3.23.2 晶振及复位单元晶振及复位单元AT89S52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3-2所示。晶振、电容C1、C2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在033MHz之间，电容

41、C1、C2取值范围在530pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ作为系统的外部的晶振，电容取值为30pF9。单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计13间，电容C8上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST为高电平，在电容充电的过程中RST端电压逐渐下降，当RST端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C8足够大，可以保证RST高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无

42、法可靠复位。当复位按键按下后电容C4通过R6放电。R6的作用在于限制按键按下瞬间电容C8的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。其电路如图3-2所示。图 3-2 晶振及复位单元3.33.3 通讯电路单元通讯电路单元由于电脑串口输出电压为+12V,而单片机的出入电压为 5+0.5V，直接与单片机连接会烧坏芯片，因此选用 MAX232 芯片来进行电平转换10。图 3-3 是串口芯片 MAX232EEPE 与单片机连接图：广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 14图 3-3 串口芯片与单片机连接电路图 3-4 MAX232EEPE 实际引脚图其中，MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS-2

43、32 标准串口设计的接口芯片,使用+5V 单电源供电。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN） 、12 脚（R1OUT） 、11 脚（T1IN） 、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN） 、9 脚（R2OUT） 、10 脚（T2IN） 、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换

44、成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT 送到电脑 DP9 插头；DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从R1OUT、R2OUT 输出。第三部分是供电。15 脚 DNG、16 脚 VCC（+5V） 。本次设计中使用 MAX232 作为串口芯片，实现单片机与电脑之间的有效连接，防止基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计15因电脑输出电压（+12V）过大，而将单片机烧坏。并且实现电脑与单片机之间的通信：控制指令发送与接收。3.43.4 电源电路单元电源电路单元由于单片机 VCC所需输入电压范围为 5+0.5V，而由电源直接提供电压通

45、常不在此范围内，因此需要设计一个电源稳压电路确保对单片机输入的准确提供。同时在系统中 MAX232、74HC164、74HC595 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 3-5 所示11。图 3-5 电源原理图如图所示，用 220V 转 9V 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 三端稳压模块得出稳定的 5V 输出。图 3-6 LM7805输入输出电压转换图为给单片机

46、提供持续稳定的电源，本次试验中选用LM7805 作为电源转换器 ，广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 16其输出电压如图 3-6。LM7805 共三个引脚，其中 1 脚与电源相连， 2 脚接地，3脚输出 5V 稳定电压接单片机的 VCC脚，实现对单片机提供电源的稳定12。3.53.5 点阵及驱动部分设计单元点阵及驱动部分设计单元3.5.13.5.1 LEDLED 点阵的内部结构及工作原理点阵的内部结构及工作原理1.16161.1616 LEDLED 点阵的内部结构及工作原理点阵的内部结构及工作原理每一个字由 16 行 16 列的点阵组成显示。即国家标准汉字库中的每一个字均由 256点阵来表示

47、。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏，不仅可以显示汉字，也可以显示在 256 像素范围内的任何图形。例如“高”字的显示，如图 3-7 所示。图 3-7 1616LED 汉字显示我们用 4 个 88 组成 1616LED 点阵，其硬件内部原理图如下图 3-8 所示。图 3-8 1616LED 点阵内部原理图基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计17构建大屏幕 LED 显示屏的一种方法是将以较小的 LED 显示系统作为模块进行级连。即要实现 1616 LED 点阵，可以用 4 个 88 的 LED 点阵组成，而在实际应用中，要良好地显示一个汉字，

48、则至少需要 1616 点阵。下面我们就首先介绍使用 4 个 88点阵构建 1616 点阵的方法，并构建一块 1616 LED 点阵，用于本论文的显示任务13。图 3-9 LED 点阵图首先以 88 点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图 3-9 中，红色水平线 Y0 到 Y7 叫做行线，接内部的发光二极管的阳极，每一行 8 个 LED 的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线 X0 到 X7 叫做列线，接内部每列 8 个 LED 的阴极，相邻两列线间绝缘。在这种形式的 LED 点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示） ，在某列线上施加低电平（用“0”表示）

49、 。则行线和列线的交叉点处的 LED 就会有电流流过而发光。比如，Y7 为 1，X0 为 0,则右下角的 LED 点亮。再如 Y0 为 1，X0 到 X7 均为0，则最上面一行 8 个 LED 全点亮。现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。其过程如图 3-10。图 3-10 动态扫描显示字符“B”的过程广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 18点阵式 LED 汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧的速率高于24 帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电

50、子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在 LED 显示技术中被广泛使用。用 AT89S52 单片机控制 88 点阵模块，在论文设计中单片机首先显示的是 LED 点阵顶上第一行，如图 3-10 动态扫描显示字符“B”字母的过程。先控制 8 个列的电平，由于第一行不显示，因此第一行从左到右 8 个发光二极管不用点亮，在列线上施加高电平（用“1”表示） 。然后控制行显示，由于是第一行，因此在在第一行线上施加高电平（用“1”表示） ，其余为低电平（用“0”表示） 。即列的二进制码为 11111111，转换为 16 进制为 0 xFF。第二行要点亮 4 发光二极管，因此

51、其列的二进制码为10000111，转换为 16 进制为 0 x87，同时第二行线上施加高电平（用“1”表示） ，其余为低电平（用“0”表示） 。依照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描 8 个 8位，可以得出汉字“B”的扫描代码为:0 xFF,0 x87, 0 xBB,0 xBB, 0 x87,0 xBB, 0 xBB,0 x87 当然，如果我们要显示上面的“高”字，我们可以运用上面的 88 点阵显示原理，得到其 1616 扫描代码为：0 x02,0 x00, 0 x01,0 x04, 0 xFF,0 xFE, 0 x00,0 x00,0 x1F,0 xF0, 0 x10,0 x10, 0

52、x10,0 x10, 0 x1F,0 xF0,0 x00,0 x04, 0 x7F,0 xFE, 0 x40,0 x04, 0 x4F,0 xE4,0 x48,0 x24, 0 x48,0 x24, 0 x4F,0 xE4, 0 x40,0 x0C,由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。不过现在有很多现成的汉字字模生成软件，就不必自己去画表格算代码了。3.5.23.5.2 行驱动电路设计行驱动电路设计由于1616点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了两个74HC164译码器，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫

53、描信号。把74HC164 的7引脚接地，然后8接CLK，1,2 接输入端，就会形成16种不同的输入状态，分别为00001111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16种输出。其硬件连接如下图基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计193-11所示：图3-10 行驱动译码电路74HC164 为 COMS 器件，高电平和低电平驱动能力均可达 20mA，与低功耗肖特基型TTL(LSTTL)器件的引脚兼容。74HC164 是 8 位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（A 或 B）之一串行输入；任意输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。或者两个输入端连

54、接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。如果一行 16 点全部点亮，则通过 74HC164 的电流将达 320mA，而 74HC164 译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动 16 个 LED 同时点亮，因此，应在 74HC164 每一路输出端与 1616 点阵显示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大，本文选用的是三极管 8550。这样，74HC164 某一输出脚为低电平时，对应的三极管发射极为高电平，从而使点阵显示器的对应行也为高电平。如图 3-10 即为 74HC164，电阻后接的三极管 8550，行驱动采用 PNP 三极管 8550 接法如图 3-11 示：1K5V

55、LED 图 3-11 行驱动器件 8550 的接法其整体行驱动硬件电路接法如下图 3-12 所示（部分截图）：广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 20图3-12 行驱动电路8550 为 PNP 型三极管，内部结构如图 3-13 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。发射极产生和0v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 5VcI0V，由于发射极与基

56、极之间电势差的减少基极电子向发射极扩散的电子数量减少故集BV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14。PNP5V LEDeI0v0v图 3-13 8550 内部结构图3.5.33.5.3 列驱动电路设计列驱动电路设计列驱动电路由集成电路 74HC595 构成。74HC595 是硅结构的 CMOS 器件， 兼容低电压 TTL 电路，遵守 JEDEC 标准。 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个 8 位输出锁基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计21存器，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的

57、列数据，即达到重叠处理的目的。74HC595 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 DS 是串行数据的输入端，引脚 SHCP 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿的时候发生移位，并将 DS 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，也就是输出锁存器的输入端。STCP 是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。引脚 OE 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，否则为高组态。MR 信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于 SHCP 和 STCP 两个信号是

58、互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为 QAQH，最高位 QH 可作为多片 74HC595 级联应用时，向上一级的级联输出。但因为 QH 受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出 QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。列驱动电路见图 3-13，其中 SHCP 第 11 脚移位寄存器时钟输入，STCP 第 12脚存储寄存器时钟输入。图3-13 列驱动电路广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 224 4 系统软件设计系统软件设计4.14.1 主程序设计主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

59、口通信、静态显示和动态显示三大功能。主程序的工作流程如图 4-1 所示：程序初始化循环移动显示串口控制显示开始是否有串行中断NY图 4-1 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 口的功能设定等。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定时器中断和串行中断。定时器中断主要是设置波特率，串行中断主要功能是选择 LED 点阵显示屏的控制方式是移动方向显示。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 L

60、ED 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。基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计234.24.2 基本子程序的设计基本子程序的设计4.2.14.2.1 显示程序的设计显示程序的设计 显示程序分为静态显示程序、左移显示、上移显示三种显示方式。其中左、上移动程序调用静态显示程序为子程序。静态显示程序流程图如图 4-2 所示： 程序初始化读取显示字符锁存器允许输出开始右移次数是否为8？NY依次选通列，行74HC164的CLK端置低，锁存器禁止输出对应行数组元素与0 x01相与，相与结果写入单片机端口输出数组元素右移一位，对应74H