基于AT89C51的16×32点阵LED显示屏的设计

PAGEPAGE1图书分类号：密级：毕业论文基于AT89C51的16×32点阵LED显示屏的设计DESIGNOF16×32DOT-MATRIXLEDBASEDONAT89C51MCU班级学号学生姓名学院名称信电工程学院专业名称电子信息工程技术指导教师PAGEII摘要LED点阵显示屏是由多个独立的LED发光二极管封装而成，LED点阵显示屏可以显示汉字、数字、符号等,通常用来显示文字、时间、速度、系统状态等。文章给出了一种基于AT89C51单片机的16×32点阵LED显示屏的设计方案。包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和c编语言程序等方面。LED点阵显示屏是将要显示的汉字字模代码保存在某个存储空间，单片机通过读取字模并做相应的处理，然后以不同的显示方式显示在点阵屏上，主要适用于室内外汉字显示。在负载范围内,只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。关键词AT89C51；LED；74HC154；74HC595AbstractTheismadeofanumberofindependentLEDlight-emittingdiodepackage.LEDdotmatrixcandisplayChinesecharacters,numbers,symbols.Itusuallyusedtodisplaytext,time,speed,systemstatusandsoon.Thispapergivesandotmatrix16×32LEDdisplaydesignbasedonAT89C51microcontroller.thissystemincludespecifichardwaredesign,softwareflowchart,ccodelanguageproceduresandsoon.LEDdotmatrixdisplayistoshowthecharacterfontcodestoredinastoragespace,MCUreadthefontcodesandmaketheappropriatetreatment,thenshowthefontcodesindifferentwaysonthedotmatrixdisplayscreen.Itismainlyusedsuitableforindoorandoutdoordisplay.Intheloadrange,thissystemcanbeexpandedthenumberofdot-matrixLEDdot-matrixLED.Sothisisalow-costgraphicsdisplayoptions.KeywordsAT89C51LED74HC15474HC595徐州工程学院毕业论文PAGE37目录1绪论 11.1LED与点阵LED显示屏 11.2课题来源及研究意义 151038\h21.3论文主要工作 32系统总体设计 12.1系统基本组成及工作原理 1HYPERLINK\l"_Toc262151042"2.2系统的主要元器件介绍 32.2.1AT89C51简介 32.2.274HC154简介 6HYPERLINK\l"_Toc262151045"2.2.374HC595简介 73系统硬件电路设计 103.1LED显示屏设计 103.2驱动电路设计 133.2.1行驱动电路 143.2.2场扫描驱动 143.2.3扫描显示工作过程 153.3单片机及外围电路设计 153.3.1时钟振荡器 153.3.2复位电路设计 PAGEREF_Toc262151054\h164系统软件设计 184.1主程序设计 184.2串行显示一个字节程序设计 h184.3显示程序设计 194.4软件调试 204.4.1编译、连接项目，形成目标文件 204.4.2运行调试观察结果 205系统仿真与分析 23结论 26致谢 27参考文献 28附录1程序代码 29附录2硬件原理图 67\h34附录3仿真图 351绪论随着LED技术的不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面的优势，LED应用领域逐渐增多。同时，许多国家在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出台各项鼓励措施大力推动LED在各领域中的应用。目前，LED的应用已经从最初的指示灯应用转向更具发展潜力的显示屏，景观照明、背光源、汽车车灯、交通灯、照明等领域，LED应用正呈现出多样化发展趋势。LED器件技术和性能不断提高，电子技术发展日新月异，这也为LED显示屏产品的技术深化和提高带来良好的基础。同时LED显示在社会生活的各个领域得到了广泛的应用，因此，LED显示市场发展前景乐观。深化技术内涵，丰富产品体系，产品多元化，突出主导产品的优势将是LED显示屏产业发展的重要趋势。尤其是LED点阵显示的应用尤为广泛，随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手成为现代信息化社会的一个闪亮标志。发光二极管（LED）显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的显示媒体。它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元，组成大面积显示屏幕，以其可靠性高，使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，短短的十几年中，相关技术和产业都取得了长足的进步，已发展成为重要的现代信息发布媒体手段。近年LED显示已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如电信、邮政大厅、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布，政府机关政策,政令的发布,各类市场行情信息的发布和宣传等。而且随着科学技术的发展LED点阵显示被应用到大、中、小屏幕显示器：各种广告牌、体育记分牌、金融、交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏。随着社会信息化的进程，LED显示屏在信息显示领域的应用前景愈加广阔。1.1LED与点阵LED显示屏LED就是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。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。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。在LED的P-N结附近,N型材料中多数载流子是电子,P型材料中多数载流子是空穴。P-N结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在P-N结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν(h为普朗克常数,ν为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev),其与发光波长λ(nm)的关系为λ=1239.6PEg。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压约5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。限流电阻R可用下式计算：

R＝（E－UF）／IF

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏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、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。它的优点：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。1.2课题来源及研究意义随着LED技术的不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面的优势，LED应用领域逐渐增多。同时，许多国家在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出台各项鼓励措施大力推动LED在各领域中的应用。目前，LED的应用已经从最初的指示灯应用转向更具发展潜力的显示屏，景观照明、背光源、汽车车灯、交通灯、照明等领域，LED应用正呈现出多样化发展趋势。LED器件技术和性能不断提高，电子技术发展日新月异，这也为LED显示屏产品的技术深化和提高带来良好的基础。同时LED显示在社会生活的各个领域得到了广泛的应用，因此，LED显示市场发展前景乐观。深化技术内涵，丰富产品体系，产品多元化，突出主导产品的优势将是LED显示屏产业发展的重要趋势。尤其是LED点阵显示的应用尤为广泛，随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手成为现代信息化社会的一个闪亮标志。近年LED显示已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如电信、邮政大厅、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布，政府机关政策,政令的发布,各类市场行情信息的发布和宣传等。而且随着科学技术的发展LED点阵显示被应用到大、中、小屏幕显示器：各种广告牌、体育记分牌、金融、交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏。目前LED电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行，操作与维护也向集化、网络化、智能化方向发展。从LED显示屏需求上，市场上不仅需要像大屏幕的这样大型的显示屏，也需要根据不同场地配置不同规格的小型显示屏以及相对简单的文字显示屏。设计一个LED显示屏控制器，具有动态汉字显示的功能；显示屏亮度以在正常光照条件下能看清汉字。鉴此，本毕业设计设计与实现一个以单片机AT89C51为控制器的点阵LED显示屏控制系统，该系统采用单片机硬件以及软件程序结合的方式,以硬件电路作为驱动电路。1.3论文主要工作论文主要介绍了系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计这三个部分。在各个章节，分别对其进行了较为详细的介绍。第一章详细的介绍了发光二极管（LED）和点阵LED显示屏工作原理，课题的来源及研究意义，LED有亮度高、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、性能稳定等诸多优点，应用也日益广泛。 第二章主要介绍系统基本组成及工作原理，选择了动态扫描的驱动显示方法；对系统选用的主要元器件AT89C51、74HC154、74HC595进行了适当的介绍。 第三章介绍了系统硬件电路设计，先简单的叙述了8x8LED点整模块的工作原理和内部电路图。然后讲述了驱动电路，分为行和列驱动电路，以及它们如何实现汉字的动态显示。第四章详细叙述了系统软件设计，程序设计主要包括主程序、延时程序、发一个字节程序、显示程序。对其中的主要程序，绘制了相对应的流程图，明了的显示了所需编写软件的工作流程。还有对编写完成后的程序进行调试，在Keil下进行编译、连接，形成单片机可执行的二进制文件。第五章简要的分析了仿真中出现的几种问题，然后对其原因讲解，一点一点排除出现的问题，最后得到了所想要的结果。2系统总体设计根据LED显示屏控制系统的应用以及显示设备驱动的具体要求，本章设计了LED文字显示屏的体系结构和工作流程。2.1系统基本组成及工作原理系统的大体结构图如如图2-1所示，图文显示屏的硬件模块基本结构可以分为屏体和控制器和驱动器三大部分：LED点阵显示屏LED点阵显示屏单片机行列驱动器单片机行列驱动器2-1系统框图屏体部分主要是8个8×8的LED点阵组成的16×32的LED点阵和行列驱动电路构成。不论是图形还是文字，都是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。根据屏幕所需的平面面积大小，选择一定数量的LED。用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，每个LED发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部的LED进行控制，在需要该LED器件发光时，数据中相应的位填1，否则填0，这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件，得到比较满意的显示效果。由于文字的显示点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模，如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格。因为本次毕业设计使用的四个8×8的LED点阵组成一个16×16得LED点阵，然后通过级联，把两个16×16的LED连在一起组成了16×32的LED点整，分别显示汉字，所以仍然可以使用16×16的字模。字体选择了在16×16规格下，显示的比较清晰、容易识别的宋体。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。16ｘ32的点阵共有512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，16ｘ32的点阵需要512/8=64个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ32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16ｘ32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。控制器部分主要是单片机及其外围电路。由16行32列组成的16×32图文显示屏其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路，而采用多行的同名列共用一套列驱动器。控制电路负责有序的选通各行，在选通每一列之前还要把该列各行的数据准备好。这样，这一行上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。这种时序控制电路，一般都采用单片机实现。AT89C51AT89C51移位寄器74HC5951移位寄器74HC5952移位寄器74HC5953移位寄器74HC59544—16译码器74HC1548x8LED1,28x8LED3,48x8LED5,68x8LED7,8图2-2系统逻辑结构控制电路采用单片机，主要负责控制存储显示数据模块、安排控制信号的定时与顺序、控制驱动LED显示点阵的电路等。驱动电路，则分为行驱动电路和列驱动电路，用来驱动LED显示点阵。综上所述，系统逻辑结构如图2-2所示。2.2系统的主要元器件介绍2.2.1AT89C51AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51主要性能参数与MCS-51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz24MHz三级加密程序存储器128×8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功率空闲和掉电模式AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51引脚功能说明AT89C51单片机的的引脚见图2-3。P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE@DPTR指令）时。P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。图2-3AT89C51引脚P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：表2-1P3口的第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3,3（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器。ALE仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。但要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H--FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部会锁存EA端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器3放大器的输出端。2.2.274HC154简介4线－16线译码器简要说明：74HC154为4线－16线译码器，其主要电特性的典型值如下：当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。若将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74HC154还可作1线－16线数据分配器。74HC154管示意脚图如图2-4，其中最外面的那些数字和字母是外部功能引脚。靠近内部的数字，为管脚的分部情况。功能表如表2-2所示。图2-474HC154管脚示意图引出端符号：A、B、C、D译码地址输入端(低电平有效)G1、G2选通端(低电平有效)0～15输出端(低电平有效)特点简述：1、典型传播延迟：21纳秒2、电源静态电流：80毫安（74HC）三宽电源电压范围：2-6V的3、低输入电流：1mA最大正常使用时的典型参数：1、电源电压（Vcc）：2～6V2、直流输入/输出电压：0～VccV3、工作环境温度：－40～85℃4、输入上升/下降延时：VCC=2.0V1000nsVCC=4.5V500nsVCC=6.0V400ns表2-274HC154功能表输入低电平输出控制译码值~G1~G2DCBALLLLLL0LLLLLH1LLLLHL2LLLLHH3LLLHLL4LLLHLH5LLLHHL6LLLHHH7LLHLLL8LLHLLH9LLHLHL10LLLLHH11LLHHLL12LLHHLH13LLHHLL14LLHHHL15LHHHHH-HLXXXX-HHXXXX-2.2.374HC595简介特点简述：

1、低静态电流：80mA最大

2、低输入电流：1mA最大

3、8位串行，并行输出移位寄存器与存储

4、宽工作电压范围：为2V到6V

5、级联

6、移位寄存器具有直接清除

7、保证移频：DC至30兆赫正常使用时的典型参数：1、电源电压（Vcc）：2～6V2、直流输入/输出电压：0～VccV3、工作环境温度：－40～85℃4、输入上升/下降延时：VCC=2.0V1000nsVCC=4.5V500nsVCC=6.0V400ns图2-574HC595内部原理图如图2-5所示，74HC595有3层结构：第一层为移位D触发器；第二层为锁存D触发器；第三层为输出态门；当复位信号为0时，移位D触发器清0；当移位脉冲从L->H时，第一个移位D触发器的Q=D；其它的Qn=Qn-1；当锁存脉冲从0->1时，第二层为锁存D触发器的输出=/输入；当OE=1时，595的输出为高阻态；当OE=0时，595的输出为第二层为锁存D触发器的输出的反相；74HC595的数据端：QA--QH:八位并行输出端，可以接点阵的8列。QH':级联输出端。将它接下一个595的SI端。SI:串行数据输入端。74HC595的控制端说明：RESET：复位信号。shitfclock：移位时钟。serialdatainput：串行数据输入。outputenable：输出使能。latchclock：锁存时钟。/SCLR(10脚)：低电平时将移位寄存器的数据清零。通常将它接Vcc。

SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级）

RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。通常都选微秒级），更新显示数据。

/G(13脚):高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。

注：74HC164和74HC595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74HC164的驱动电流(25mA)比74HC595(35mA)的要小,14脚封装，体积也小一些。

74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还多有输出端时能/禁止控制端，可以使输出为高阻态。3系统硬件电路设计LED显示屏控制系统主要由8个8×8LED显示点阵模块和单片机控制系统组成，LED显示点阵模块用于LED显示点阵的驱动，单片机主要负责驱动LED显示点阵和控制信号等。3.1LED显示屏设计屏体的主要部分是显示点阵，还有行、列驱动电路。系统显示点阵采用16×32单色显示单元，驱动电路采用动态扫描方式驱动LED器件，控制整个显示电路的行列驱动。采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由行给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对个行进行扫描。单片机P1端口低四位发送的各列锁存控制信号，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通，接通的列就在该行该列点燃相应LED，未接通的列所对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行扫描。直到16行全部各行都扫描一遍后，又接着从第一行开始进行下一个周期的扫描。只要一个扫描周期时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就感觉不出闪烁。点阵式LED显示屏主要用于发布信息、显示汉字，通常由若干块LED点阵显示模块组成。最常见的LED点阵显示单元有5×7,7×9,8×8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符，8×8LED点阵的外观如图3-1如示。图3-18×8LED点阵的外观由于Proteus元件库中没有16×16LED模块,只有8×8LED模块，为了显示16×16点阵汉字,每个汉字由四块8×8单色LED模块组成,2个汉字需要用8×8LED模块8块。元件库中的四块8×8LED组合时会出现元件脚与元件重叠,不利于接线仿真,图中8×8LED模块是用“Library”菜单下的“Decompose”和“MakeDevice”工具将元件拆解后再封装得到。重新封装后的8×8LED点阵的外观如图3-2如示。图3-2重新封装后的8×8LED点阵的外观图3-3是一种8×8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图，其单点工作电压Uf为1．8V，正向电流IF为8~10mA。当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮；而当其某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应这一行的点全部为暗。图3-38×8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图可以用基里安的方法将四个8×8点阵显示屏构成16×16点阵显示屏，其具体的连接方法如图3-4所示。图中，将(A)和(B)的8列(阳极)、(C)和(D)的8列(阳极)分别对应相连，同时将(A)和(C)的8行(阴极)、(B)和(D)的8行(阴极)分别对应相连。即可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的16×16点阵显示器，其中可将这256个点称为一页，这样，显示字符时。只要对一页中对应的亮灭进行控制即可。8x88x8LED点阵单色行共阳模块A阴极（8位）8x8LED点阵单色行共阳模块C阴极（8位）阳极（8位）8x8LED点阵单色行共阳模块B阴极（8位）阳极（8位）8x8LED点阵单色行共阳模块D阴极（8位）阳极（8位）阳极低8位阳极高8位阴极高8位阴极低8位阴极16位阳极16位阳极（8位）图3-48×8单色LED显示点阵模块组成16×16示意图按照上述示意图，在Proteus的原理图中画出了16×16LED模块，如图3-5所示。图中各显示模块引脚采用标号方式,减少了交叉接线。图3-5新建的16×16LED模块用于显示的16×32单色LED显示点阵模块，每块有512个独立LED；为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED。因此，LED点阵显示模块的显示驱动只能采用动态驱动方式，每次最多只能点亮一行LED（共阳形式LED显示点阵模块）或一列LED（共阴形式LED显示点阵模块），本次毕业设计采用的是共阳的8×8单色LED显示点阵模块组成的。单片机通过操作P1的低四位线I/O接口控制来完成对LED显示屏内每个LED显示的亮、暗控制操作。以此类推，可实现整屏LED点阵的亮、暗控制，从而实现LED显示屏汉字或图象的显示控制操作。3.2驱动电路设计根据驱动方式的不同，LED大屏幕显示方式可以分为静态显示和动态扫描显示两种。静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入：动态显示是指将画面分为若干部分分别进行刷新。静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为N×M个像素（LED）屏，则需要N×M套驱动电路；动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，N×M个像素仅需N×N/P套驱动电路。另外，对于静态显示方式，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也比较多；对于动态扫描显示方式，每列有一个列驱动器，各列的同名行共用一个列驱动器。由列给出列有效信号，从第一列开始，按顺序依次对各列进列扫描（把该列与电源一端接通）。另一方面，根据各行锁存的数据，确定相应的行驱动器是否将该行与电源的另一端接通。接通的行，就在该列该行点亮LED，未接通的行所对应的LED熄灭。当一列的持续扫描时间结束后，下一列又以同样的方法进行显示。全部各列都扫过一遍后（一个扫描周期），又从第一列开始下一个周期的扫描。只要扫描周期的时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象。显示数据通常以字节的形式顺序存放在控制系统的存储器中。在行扫描、列控制显示时，把显示数据从存储器中取出传送到每一列对应的行驱动器上，这就存在行数据传输方式的问题。从控制电路到行驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式，它们各有优缺点：数据并行传输的速度比较快，但是随着屏幕的增大，点阵模块数量的增多，线路会越来越复杂；数据串行传输的速度比较慢，但它可以大大简化传输线路，对于列数较多的LED显示屏来说，采用串行传输方式比较合适。采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将行数据一位一位传往行驱动器，与此同时，行驱动器中每一行都把当前数据传向后一行，并从前一行接收新数据，一直到一列的各行数据全部传输到位后，才能并行地进行显示。对于串行传输来说，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换，因此列数据的准备时间可能相当长，在列扫描周期确定的情况下，留给列显示的时间就少一些，以至影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和行数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本列各行数据的同时，准备下一列的行数据，这就需要列数据的显示具有锁存功能。本行己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列的列数据，而不会影响本列的显示。3.2.1行驱动电路由于16×32点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了一个4-16线译码器74HC154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它们的管脚示意图如图4所示。把74HC154的E1和E2引脚接地，然后以A、B、C、D四脚为输入端。就会形成16种不同的输入状态，分别为0000～1111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。74HC154芯片的管脚如图3-4所示。图3-674HC154的管脚示意图如果一行32点全部点亮，则通过74HC154的电流将达320mA，而实际上，74HC154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动32个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与16×32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，可以选用的是达林顿三极管TIP127。这样，74HC154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。3.2.2场扫描驱动本系统场扫描驱动电路的设计可用串入并出的通用集成电路74HC595来作为数据锁存。74HC595是一个八位串行输入三态并行输出的移位寄存器，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。其管脚见图3-7所示，其中DS是串行数据的输入端，ST_CP是存储寄存器的输入时钟，SH_CP是移位寄存器的输入时钟，Q7'是串人数据的输出，OE是对输人数据的输出使能控制，Q0/r