LED广告牌显示系统设计方法

西京学院学士学位论文LED显示系统研究进入21世纪，LED显示成为显示屏主要发展趋势，越来越多的应用到各行各业，各种广告传媒都采用LED显示。随着LED显示技术的进一步提升，LED显示将带来巨大的社会效益和丰富的经济效益。本文研究了用单片机控制单色显示屏的方法，并对LED显示单元模块如何进行信号扫描、列信号控制及驱动问题进行了分析。本文设计的显示模块包含100*80的LED点阵显示屏、一个单片机控制系统和行列扫描及驱动电路。在此基础上，采用分布式连接，通过多个单片机将多个显示模块拼接，可以实现一个大尺寸LED广告显示牌。论文给出了显示系统的结构框图和电气原理图，并给出了控制软件流程图。关键词：LED；单片机；显示屏；驱动；扫描AbstractResearchonLEDDisplaySystemLEDdisplaytakesthemainroleinthelargescreenfieldswhenentering21stcentury.Moreandmoreapplicationsvariouscanbefoundineverywalkoflife・WiththeLEDdisplaytechnologyimprovement,itwillbringhugesocialefficiencyandricheconomicefficiency.Singlechipmicroprocessorcontrolledmonochromaticdisplaymethodisstudiedinthisarticle.Andhowtorealizerowsignalscanning,columncontrolanddrivingmethodsinadisplaymoduleisanalyzed.Adisplaymodulewiththe100*80LEDsisdesignedwhichincludesaSinglechipmicroprocessorcontrolsystemandarowsignalscanninganddrivingcircuit.Basedonthis,adistributedmicroprocessorsystemisbuilttomakeseveraldisplaymodulesformalargesizeLEDscreen.Displaycontrolsystemstructurediagramanditselectricprinciplediagramareshown.Thedisplaysystemsoftwareisgivenalso.KeyWords:LED；Singlechipmicroprocessor；Display；Driver；Scanning中文摘要英文摘要中文摘要英文摘要错误！^定义书签。

1绪论1绪论错误！未定义书签。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 5国内外LED显示屏的研究现状 6\o"CurrentDocument"LED显示屏的发展趋势 7\o"CurrentDocument"本课题主要研究内容 8\o"CurrentDocument"2LED广告牌显示系统设计方法 8设计任务 8LED点阵显示屏驱动设计 9常规驱动电路的设计 9点阵显示屏显示 10设计方案 103硬件设计 12\o"CurrentDocument"硬件框图介绍 12\o"CurrentDocument"系统主控电路 13系统主要部分介绍 1444566TOC\o"1-5"\h\z4主要芯片介绍 1751系列单片机简介 17\o"CurrentDocument"89C51单片机 202西京学院学士学位论文TOC\o"1-5"\h\z驱动芯片 225LED显示屏的实现技术 26\o"CurrentDocument"6软件设计 27程序流程图 27程序代码 28\o"CurrentDocument"7结论与展望 31\o"CurrentDocument"8致谢 32\o"CurrentDocument"9参考文献 331结论1-1前言社会日新月异的发展，人们的消费标准不断改变，户外灯箱、广告等更是扮演着越来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股市交易市场，娱乐门牌，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，但随着计算机技术的高速发展，LED（LightEmittingDiode）屏幕显示系统作为继电视、广播、报纸、杂志之后的〃第五大媒体〃正快速步入社会生活的各个方面［1。它集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体，可以将信息通过文字、图案、动画及视频四种形式显示出来。由于单片机技术的不断发展高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子广告屏成为可能，与传统的霓虹灯广告无论在显示效果、可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。另外，SMT技术的飞速发展，开关电源的大规模使用，使其无论在体积上还是在可靠性上都比传统的霓虹灯广告有明显的优势，为其在特殊领域的应用奠定了基础。与传统的显示设备相比正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点（1）LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。（2）LED显示屏是集光电技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字及计算机屏幕同步的图形。它具有超大画面、超3 西京学院学士学位论文 强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。（3）LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益［1］。国内外LED显示屏的研究现状1923年，科学家罗塞夫在研究半导体SiC时，偶然发现了在含有杂质的PN结中有光发射出来，从而为发光二极管的发明奠定了基础，并且随着电子技术及半导体工艺不断发展最终研制出了LED［2］。LED显示屏八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到广泛的应用。发光二极管（LED）是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等方面的性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。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LED显示屏。led显示屏发展经历了三个阶段：,1990年以前LED显示屏的成长形成时期。一方面，受LED器件材料的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本较高。.1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段，LED显示屏在我国发展非常迅速，从初期的几个企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。.1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高和产业格局调整完善的时期。1995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视4 西京学院学士学位论文 并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。国内LED显示屏发展现状由于半导体发光器件的出现和技术性能方面的不断提高，使得LED显示屏已经占了主导地位，因为LED的光电特性、亮度、色度、功耗及全天候特性都优于其他的光子器件，所以说LED显示技术及产品在未来的相当长时间内将具有很大的市场发展空我国的LED显示屏产业经过这十几年来的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干业。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90年代初期即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进技术平。近年来在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群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显示屏专用的大规控制集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业正成为我国电子息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足于国内形成的民族高科技产业［8。LED显示屏的发展趋势现代信息社会，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品，显示技术得到迅速发展，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。具体体现在三个方面。.高亮度、全彩化蓝色及绿色超高亮度LED产品出现以来，成本逐年快速降低，使LED全彩色显示屏产品成本下降，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和LED显示屏体稳定性的提高，全彩色LED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，而且图像更清晰、更细腻、更亮丽。.标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个趋势。近几年业内的发展中，几番价格回落调整达到基本均衡后，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。行业规范和标准体系的形成，IS09000系列标准的应用，使LED显示屏行业的发展趋于有序。.产品结构多样化随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED显示屏为主流产品的局面将会发生改变适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高。 西京学院学士学位论文 本课题主要研究内容本课题主要是设计一个大型LED广告牌，具显示屏的点阵数为100*80，整个显示屏采用分布式结构，分成50个显示模块，每个显示模块都可在单片机控制下独立工作。本文研究了用单片机控制单色显示屏的方法，并对LED显示单元模块如何进行列信号扫描、行列信号控制及驱动问题进行了分析。用100*80LED点阵连接形成一个显示模块，设计了显示模块的硬件电路，包括一个单片机控制系统和一个行列扫描驱动电路。在此基础上，采用分布式连接，将多个显示模块拼接实现了一个大尺寸LED广告显示牌，并用程序实现了显示功能。西京学院学士学位论文2LED广告牌显示系统原理与设计歹U123 4567800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000002.1.12.1.1总体框架PC

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机LE——L-P2-S电源LEDP1口「扫图2.1点阵显示的总体描:框图说明显示屏D点阵总体框图

部分。主要控制如图2.1所示，大体上可以分成1（机、单片机、电源电路部分包括一个89C51电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及木行列扫描驱动、显和一些外围电路。在整个电路当中此控制习应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。2.1.2以及给屏体电路部分发送命令。2.1.2扫描图2.2单个10*8显示模块西京学院学士学位论文本设计采用动态扫描，意思简单地说就是逐行轮流点亮，如图2.2所示，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如10行）的同名列共用一套列驱动器。具体就一个10*8的点阵来说，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，再去驱动这一列LED（共阳接法），每一列先送出对应第1行发光管对应的数据并锁存，再选通第1行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，再选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭……第10行之后，又重新点亮第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，就能看到显示屏上稳定的图形了。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。显示数据通常存储在单片机的程序存储器中，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行方式或串行方式。采用并行方式时，100*50的LED点阵有8列10*8的点阵，需要5个8*10共400个列数据输入口，而一个89C51只有32个I/O接口，还要同时驱动行数据，根本不够用；并且从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，由此可以得出当列数很多时，并行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2根线：数据线、时钟线。将行数据一位一位传往行驱动器，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行驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，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传输和列数据显示两个部分。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，留给显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。2.2系统设计驱动电路的设计 一T2图T2图2.3扫描驱动简易原理图显示屏扫描驱动电路原理见图2.3所示，显然，在脉冲周期的丁^期间，LED处于发光状态，而在脉冲周期T2期间，LED处于熄灭状态。由于LED发光管没有余晖效应，则当扫描周期T（T1+T2）较大时，也即亮度重复的不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁；而当重复频率较高，即T较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的LED就为连续稳定的发光。理论与实践证明，当T<20ms，即重复频率>50ms时，在常规的背景亮度下，LED的显示就不会有闪烁感。如图3.4所示，用74194作为列数据锁存器，其工作原理为：利用串行时钟CLK信号，将第一 西京学院学士学位论文 行要显示的数据逐位移入74194中，当全行数据全部移到位后，产生的数据所存信号STR将数据由74194的后台移入前台锁存，同时利用STR信号进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行PNP管饱和导通，即第一行的LED正端全部接为高电平，由于在74194中锁存的数据将使对应的列驱动三极管8050导通或截止，所以第一行LED的亮暗将由所移入的数据确定，在第一行有效的时期内，移位时钟移入第二行有效信号，显示第二行数据一如此重复，当移位时钟足高使整平刷新速率＞50HZ时，就显示一副稳定完整的画面。电源驱动设计图2.4电源驱动电路图如图所示，采用的电源如图2.4所示，此部分主要有变压器、桥式整流、LM2940三部分组成。本显示屏所用的二极管个数为80000个，经计算电流为1A左右，电压为5V，所以选择6V变压器；要是显示屏持续显示，那就需要直流提供，所以选择桥式整流，作用就是把变压器之后的交流电压变为直流电压；LM294作用为稳压，因为LM2940在电容C1和C2取如图值时电流时非常稳定，正好电流也为1A，所以选择次稳压芯片。显示模块图2.5单个显示模块内部结构图如图2.5所示，为一个模块的内部结构图，10*8的点阵，为了是每个二极管正常发光，采用PNP三极管，当同时有效是二极管导通。每行和列的基极分别为一组，分别由单个三极管控制驱动，十行由十个三极管驱动组成行驱动。八列由八个三极管驱动组成列驱动。本设计的屏幕大小为1米*0.4米，由50个这样的模块组成。如图3.3所示，串行方式可同时显示10x8点阵汉字。显示屏每个单元由50个100x80点阵LED显示模块、行信号选择译码器74HC138、数据移位寄存器74194和行驱动器、列驱动器组成。单元显示屏可以接收控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息、，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。并行方式显示可以通过锁存器芯片来扩展I/O口，达到控制LED点阵的40个列线的目的。就一个模块运用20片锁存器74LS373来组成10组双缓冲寄存器用3/8译码器74LS138对LED点阵的10行进行扫描。在送每一行的数据到LED点阵前，先把数据分别送到第一级的10个74LS373，然后再给第二级的10个74LS373送锁脉冲，数据一起输出到LED点阵列中，这样就避免了各行数据显示不同步问题。由于并行数据传输速度比串行快，所以字符闪烁的问题得到较好9

西京学院学士学位论文地解决，文字左右移动也比较容易控制。3单个模块硬件设计3.1硬件框图介绍LED点阵片本框图片机和一些夕机电行扫..1硬件系统结构框图如图3.1J所示，爨单个显示LED点阵片本框图片机和一些夕机电行扫..1硬件系统结构框图如图3.1J所示，爨单个显示单个框架图）*8控制电路部分包括一个89C51单路。点阵显示屏体以及它的行和列的各个驱动电路。由于两部分的电路在制板时可以放到一起所以可以将其字库放到控制电路据和命令的传送。—— -部分显示模通讯方式来与屏体电路部分进行数此显示电路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。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源的一端接通）。另一方而，根据各列锁存的数据，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的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。单片机控制系统图3.2单片机复位电路如图3.2所示，这是一个单片机复位电路。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可搽除只读存储器的低电压，高性能CMOS8微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。将多多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，ATMEL89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。10 西京学院学士学位论文 行扫描电路设计图3.3行驱动硬件电路图如图3.3所示，为一个模块的行扫描，主要由三种芯片组成，74LS138译码器,74LS373为一级锁存器，373为二级锁存总共为10行所以需要两个74LS138译码器，这样的话一个显示模块就需要，两个74LS138译码器，20个74LS373锁存器和20和244锁存器。因为本设计由50个显示模块组成，因此需要100个74LS138译码器，锁存器和缓冲器也分别需要1000个。当信号变换一次经过非门扫描一次，达到逐行扫描的目的。373的输出端O0〜O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0〜O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0〜O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：D0〜D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端O0〜O7输出端。列扫描硬件介绍图3.4列扫描硬件电路图如图3.4所示，列扫描为了使其达到重复扫描的目的，把10个74194芯片连接起来组成五组，使其重复的扫描，提高扫描效率。移位寄存器工作原理为，当输入端SER为低电平时，输出端口《限QB、QC、QD）均为低电平；当工作方式控制端S1和S0均为高电平时，在时钟CLK上沿作用下，并行数据（QA、QB、QC、QD）被送入相应的输出端（A、B、C、D）,此时串行数据SER被禁止。当S0为高电平，，S1为低电平时，在CLK上升沿作用下进行右移操作，数据由SER送入；当S0为低电平，S1为高电平时，CLK上升沿作用下进行操作右移，数据由SER送入；当S0和S1均为低电平时，CLK被禁止。只有相当于CLK为高电平时S0和S1才可改变。3.2系统主控电路图3.5系统主控电路图如图3.5所示，电源采用桥式整流电路提供稳压直流电源，电路主要将单片11

西京学院学士学位论文机发送来的输出点阵数据，通过锁存器芯片扩展的I/0口，来控制LED点阵的8个列线端。用译码器74LS138对LED点阵的10行进行扫描。列扫描由74194芯片构成，它具有移位寄存器功能和一个8位输出锁存器的结构，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各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。显示屏驱动分别有PNP三极管进行行列驱动，总共18个三极管。MAX为了实现多模块拼接，设计一个分布式控制系统。图4.1系统总体分布式框图如图4.4所示，系统采用一主多从的RS485总线连接方式，根据RS485总线的特点，2个120欧的电阻连接在总线两端，使用芯片MA4^5,驱动器最多可带128个单片机，因此可以满足本设计要求。I具体每个单片机执行过程如下，首先PC机先向单片机发送地址信息，PC机采用查询方式，下来单片机接受到PC发送的地址信息后马上执行串口通信中断服务程序，并由自己固定的地址比较。若地址与自己设定的地址一致，则单片机发送一个应答信号，中断返回；再就是PC机接受到地址信息后，就开始发送数据，若没有接收到地址发送的正确应答信号，则继续发送地址。单片机接收数据后，执行相应的命令。最后单片机接收到PC发送的数据信息后，马上执行串口通信中断服务程序，如果单片机接收数据完毕就发送数据应答信号到PC机。12

西京学院学士学位论文5软件设计5.15.1主程序流程图个字符，共个字符，共50列CM:MOVR5,#5；每屏反复显示5CM:MOVR5,#5；每屏反复显示5次13西京学院学士学位论文MOVR3,#8 洌数C1:MOVR2,#0 ；取码指针C16:MOVP0,#00HMOVP2,#00H ；关显示CLRP3.0MOVA,R2MOVCA,@A+DPTR；取当前列显示字码的第一个字节MOVP0,A ;送1〜5行控制口INCR2MOVA,R2MOVCA,@A+DPTR;取当前列的显示字码的第二个字节MOVP2,A ;送6〜10行控制口INCR2MOVP1,R1 ;送列控制码INCR1ACALLD1MS ;显示2乂5ACALLD1MSDJNZR3,C8 ;一屏8列是否显示完MOVR3,#8DJNZR5,C1 ;未显示5次，继续INCDPTR ;一屏反复显示5次完，字码表初值加2INCDPTR14 西京学院学士学位论文 DJNZR4,CM ；50列未移动完，继续AJMPMAIN ；50列移动完，返回，重新从"”开始显示DIMS:MOVR6,#2MOVR7,#248DJNZR7,$DJNZR6,$-4RETTAB:DB000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H;DB000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H;"",DB000H,000H,000H,008H,000H,008H,0E0H,008H,0F4H,00DH,054H,005H,0F4H,07FH,0F8H,07FH;DB01EH,005H,0FEH,005H,0FAH,006H,010H,002H,000H,006H,000H,004H,000H,000H,000H,000H;"单",0DB000H,000H,000H,000H,000H,010H,000H,01CH,0FCH,00FH,0FCH,003H,040H,002H,040H,002H;15 西京学院学士学位论文 DB07EH,07FH,03EH,07FH,020H,000H,020H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H,000H;"片",1DB000H,008H,040H,00CH,040H,006H,0DCH,03FH,0FEH,03FH,022H,011H,020H,01DH,0F0H,00FH;DB0F0H,003H,0F0H,00FH,0F0H,01FH,010H,010H,000H,01CH,000H,01CH,000H,010H,000H,000H;"机”,2DB000H,001H,080H,001H,0C0H,000H,0F0H,03FH,0FCH,03FH,04CH,018H,040H,00CH,040H,027H;DB0CCH,063H,0ECH,079H,028H,01FH,020H,007H,020H,000H,020H,000H,000H,000H,000H,000H;"仿",3DB000H,000H,000H,010H,000H,098H,000H,0C8H,0E8H,06FH,0E8H,03FH,07CH,01BH,07EH,00AH;DB0E6H,03FH,0E4H,07FH,004H,06CH,000H,004H,000H,004H,000H,000H,000H,000H,000H,000H;"真",4END16西京学院学士学位论文6附录：主要芯片介绍6.151系列单片机简介单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。TOT1TXD曲口 INTOINTI8051单片机的基本结构见图6.1图6.18051单片机的基本结构8051是MCS-51系列单片机的一个产品。MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，8051单片机系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。17 西京学院学士学位论文 (1)中央处理器8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器(SFR)。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；〃与”、〃或〃、〃异或〃等逻辑运算以及位操作运算。ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七D7D6D5 D3D2讥DOCYACF0RS1RS00VP位。图6.2PSW各部分图如图6.2所示，PSW的格式如下所示，其各位的含义是：CY：进位标志。有进位/错位时CY=1，否贝UCY=0。AC：半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1,否则AC=0,常用于十进制调整运算中。F0:用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。RS1、RS0:四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择0~3寄存器组。。OV:溢出标志。当带符号数运算结果超出-128~+127范围时OV=1，否18西京学院学士学位论文则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV=1，否则uOV=0。P:奇偶校验标志。每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P=1,否则P=0，即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST,也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。(2)存储器组织8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。8051单片机在物理上有四个存储空间片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最19

西京学院学士学位论文多可以在外部扩展2*64KB存储器。8051的存储器组织结构如图6.3所示：OFFF0000FFFF0000外部

RAMOFFF0000FFFF0000外部

RAM图6.38051存储器组织结构64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000H~FFFH。而1000H-FFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000H-0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H-002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。8051的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域00H~7FH时真正的RAM区可以读写各种数据。而80H-FFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。西京学院学士学位论文内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0~R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用”寄存器名.位〃来表示，如ACC.0，B.7等.6.289C51单片机AT89C51单片机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。图片见下图6.4所示。图6.489S51管脚图（1）管脚说明：VCC供电电压，GND：接地。P0□：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。这是由于内部西京学院学士学位论文上拉的缘故。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T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□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□管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O□，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□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P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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□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。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 西京学院学士学位论文 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6.474LS138译码器 西京学院学士学位论文 图6.574LS138芯片如图6.5所示，74LS138为3线-8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下：当一个选通端(G1)为高电平，另两个选通端(/(G2A)和/(G2B))为低电平时，可将地址端(A、B、C)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138的作用:利用G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器，用与非门组成的3线-8线译码器74LS138。3线-8线译码器74LS138的功能表如图6.6所示图6.674LS138译码器功能表无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时kK4苏K匕石晓16151413121110974LA&£耳瓦耳GND刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已