基于--单片机技术点阵显示屏设计.doc

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1、- -NANCHANG UNIVERSITY毕业设计GRADUATION DESIGN题 目:基于单片机技术点阵显示屏的设计 英文题目:Based on the single chip microputer dot matrix display design目录摘要2第一章 绪论41.1 引言41.2 设计任4第二章 方案论证52.1 单片机选择论证52.2 显示方式论证52.3 数据传输论证6第三章 系统硬件电路的设计73.1单片机及系统外围电路 .73.2 列驱动电路93.3 行驱动器103.4 行驱动电路12第四章 系统程序的设计144.1 显示驱动程序144.2 系统主程序15第五章

2、总结与体会16参考文献17致17附件18- word.zl- -基于单片机技术点阵显示屏的设计摘要本设计是4个1616点阵LED电子显示屏的设计。整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个行驱动器74LS154和八个列驱动器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4个汉字，采用二极管来组成4个16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。 本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及

3、硬件电路的设计、软件的流程图。关键词：动态显示；单片机；串行传输Based on the single chip microputer dotmatrix display designAbstractThis design is 4 16 x 16 lattice LED electronic display design. The machine in the United States of 40 feet ATMEL pany produces microcontroller AT89C51 as the core, introduces taking it as a control s

4、ystem of LED dot matrix electronic display dynamic design and development process. Through the chip control a line drive 74LS154 and eight column drive 74HC595 to drive the screen shows. The electronic display screen can show various text or monochrome images, full screen can show four Chinese chara

5、cters, using 16 block 8 x 8 lattice LED display module to constitute 4 16x16 dot matrix display mode. Display using the dynamic display, make graphics or text can realize static, move move out of and so on many kinds of showing the way.This article from the LED display principle, expounds the proces

6、s of dynamic display of LED, and hardware circuit design, software flowchart.Keywords：Ddynamic Display;MCUSerial ;Data Transfer第一章 概 述1.1引言LED电子显示屏Light Emitting Diode Panel是由几百-几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经到达了实用阶段。 LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方

7、式，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条幅显示屏，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；而条幅显示屏那么适用于小容量的字符信息显示。LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、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。 LED显示屏的开展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向开展。1.2设计任

8、务设计一个能显示4个16*16点阵图文的LED显示屏，要求能显示图形或者文字，显示图形或者文字应稳定、清晰，图形或者文字显示有制止、左移货右移等显示方式。第二章 方案论证2.1单片机选择论证方案一：采用89C51芯片作为硬件核心，89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压、高性能CMOS8位微处理器，单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次 ,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进展调试时，由于程序的

9、错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的屡次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S51,片ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进展调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片屡次拔插，所以不会对芯片造成损坏。所以选择采用AT89S51作为主控制系统。2.2显示方式论证方案一：静态驱动显示方式从理论上讲，无论显示图形还是文字，只要控制与组成的这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件

10、发光，就可以得到想要的显示效果，即每个16*16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有那么多的端口，如果采用锁存器来拓展端口，那么按8位锁存器来计算，一个16*16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大。 方案二：动态扫描方式 动态扫描，简单地说就是逐行轮流点亮，这样的扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。以16*16点阵为例，把所有同行发光二极管的阳极连接在一起，把所有的同一列发光二极管的阴极连接在一起，先送出对应第一行发光管亮灭的数据并所存，然后选通第一行使其点亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其点亮一样的时间，然后熄灭第十六行

11、之后又重新点亮第一行，这样反复轮回。当这样的轮回的速度足够快每秒24次以上时，由于人眼的视觉的暂留现象，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。采用动态扫描，大大减少对单片机的端口的要求，并且节约了本钱。2.3数据传输方案论证方案一：并行传输方式显然，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。方案二：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展显示。这样

12、，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局部。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。为了到达重叠处理的目的，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展显示时，串并移位存放器就可以准备下一行的列数据，而

13、不会影响本行的显示。 综合上述，电路最终选择方案是：采用AT89s51单片机控制系统，利用动态扫描方式，采用串行数据传输方式，并未是该电路是在面包板上实现，为例方便焊接，采用普通的发光二极管构成16*16点阵。第三章 系统硬件电路的设计硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三局部。图3-1是1616点阵显示屏的构造框图。单片机控制器行驱动列驱动器列驱动器列驱动器列驱动器16*16LED点阵16*16LED点阵16*16LED点阵16*16LED点阵图3-1 显示屏电路框图3.1单片机系统及外围电路单片机采用AT89s51 芯片，采用12MHZ或更高频率晶振，以获得较

14、高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口那么用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。图3-251单片机最小系统AT89s51单片机管脚说明如下：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进展校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉

15、高。 P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的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展存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用

16、部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的容。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。 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

17、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。如想制止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制止，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，那么在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有部程序存储器。

18、注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。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部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2列驱动电路列驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位存放器和一个8位输出锁存器的构造，而且移位存放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，传送下一行的列数据，既到达重叠处理的目的。图3-3 74HC595构造图表74HC595的外形及部构造如图3-2所示。它的输入侧有8个串行移位存放器，每个移位存放

19、器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是移位存放器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。74HC595引脚说明见表3-1。表3-1 74HC595引脚说明符号引脚描述OoO717并行数据输出GND8地Q79串行数据输出SRCLR10主复位低电平SRCLK11移位存放时钟输入RCLK12存储存放时钟输入CE13输出有效低电平SER14串行数据输入VCC16电源移位后的各位信号出现在各移位存放器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位存放器的输出打入输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其

20、为低时锁存器的输出才开放，否那么为高组态。SCLR信号是移位存放器清零输入端，当其为低时移位存放器的输出全部为零。由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，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，作为与移位存放器完全同步的级联输出。将8片74HC595进展级连，可共用一个移位时钟SCK及数据锁存信号RCK。这样，当第一行需要显示的数据经过8x8=64个SCK时钟后便可将其全 部移入74HC595中，此时还将产生一个数据锁存信号RCK将数据锁

21、存在74HC595中，并在使能信号G的作用下，使串入数据并行输出，从而使与各输 出位对应的场驱动管处于放大或截止状态；同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高，显然，第一行LED管的亮灭 就取决于74HC595中的锁存信号；此外，在第一行LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控 制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管点亮，以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整 的文字或图像。3.3行驱动器由于4点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电

22、路中参加了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它的构造如图3-4所示。图3-4 74LS154构造图74LS154 引脚说明如表3-2。表3-2符号引脚描述,111 ,1317输出端GND12GND电源地1819使能输出端A、B、C、D2023地址输出端Vcc24VCC电源正图3-5 行驱动电路如图3-5所示的行驱动电路中,把74LS154的G1和G2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00001111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。如果一行64点全部点亮，那么通过74LS154的电流

23、将达640 mA，而实际上，74LS154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与16x64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，74LS154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。3.4行驱动电路因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无适宜的集成电路来胜任。因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式。图3-6 两种三极管扩流方式共集，共射共集驱动方式， 又称射极跟随器，当电源电压足够时，在负载上获得的电压始终等于基极对地电压Ub减去发射

24、结压降Ube。硅管的Ube一般为0.7V左右，因此在5V供电系统中，在负载上最多能获得4.3V的电压，假设Ic=1 A 那么在三极管上的管耗为1A0.7V=0.7W，管耗较大，需选用中功率的管子。还有一个重要的特点，共集电路的基极是用高电平驱动，而单片机在复位期间，所有I/O口都呈现高电平。这样的话，在开机上电复位的瞬间，在所有的行线上都会获得电压。而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击，使电源电压跌落，单片机工作异常。而使用共射驱动方式的话，同样的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管耗只有0.3W。因此可选用小功率器件。共射电路的基极驱动是用低电平，这就不会造成上

25、述共集电路的浪涌电流影响。同时，大局部单片机的I/O是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱的拉电流。因此，综合权衡利弊，本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。现对行驱动电路各元件参数进展计算。第四章 系统程序的设计显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序

26、完成系统环境设置初始化、显示效果处理等工作，由主程序来实现。4.1显示驱动程序显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，16扫描显示屏的刷新率帧频计算公式如下：刷频率帧频= 1/16 T0溢出率=1/16Fosc/12(65536-T0) 其中f位晶振频率，t为定时器T0初值工作在16位定时器模式。进入中断定时器赋初值读取行号并增1送新行号显示数据消隐切换显示数据送新行号，翻开显示退出中断然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位存放器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐

27、，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新翻开显示。图4-1 为显示驱动程序显示屏扫描函数流程图。图4-1 显示驱动程序流程图4.2 系统主程序系统主程序开场以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出效果显示图形，停留约3s；接着向上滚动显示“我爱单片机这5个汉字及一个图形，然后以“卷帘入效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。 图4-2 所示为系统流程图。开场系统初始化“卷席出显示效果“左滚屏显示效果“卷席入显示效果“右滚屏显示效果图4-2 系统主程序流程图第五章 总结与体会本设计作品不但可以运

28、用到广告等行业，而且可以通过拓展，开展出更多的用途.本作品单片机局部P0和P2空闲，必要时，可以扩展系统的ROM和RAM。可以做为下位机辅助调试模块,实现例如照明,温度测量，时钟报警、计时,霓虹灯等功能。利用发光二极管的控制电压很低和控制方法简单的优点，将它装在室天棚中或做成大型灯饰，通过电脑输出信号直接驱动三极管后控制它的开关状态。由于使用了电脑，再多的的LED数量也能方便自如地控制，得到时暗可变颜色可变绚丽多彩的照明效果，并且已有成功的案例。 。首先，学习能力得到了提高。在毕业设计中，自始至终独立完成硬件电路的设计、单片机软件编写、等。在这些过程中，遇到许多困难，但通过书籍或网络查阅了很多

29、相关文章和向导师请教后终于解决了。通过这次毕业设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，增强了和外界技术的沟通，还培养了自学能力和分析解决问题的能力，更重要的是，培养了克制困难的勇气和信心。其次，培养了自己的市场观念。一个商品是否能够抢占市场，除了必须的功能和质量要求外，其价格是最大的竞争优势。如何在保证质量和完成同等功能的情况下，把产品的本钱降到最低。是每个设计人员在作出方案时首要考虑的因素。再次，那么是人际交流能力得到锻炼。人非生而知之者！人的学识总是不能面面俱到的，这就要求我们必须善于借鉴别人的成功经历或失败教训，使自己少走弯路。我在字库芯片的选型中，就借鉴了实习单位的方案，收效甚佳。总之，

30、毕业设计完成了，但又面临着工作。我相信我会把自己的热情和所学奉献到自己的工作中，不断努力，不断进取！参考文献1 光飞 楼然苗 编著 ：?单片机课程设计实例指导?.：航空航天2 业紫 王喜斌 胡辉 东辉编著?MCS-51单片机应用教程?：清华大学3 中国集成电路大全编委会编.?中国集成电路大全CMOS集成电路?M.:国防工业,1985.4 王正勇 主编 ：?Protel DXP 实用教程? 高等教育出版社，2004致设计初期是自己人生阶段中很难忘的一段经历，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，期间遇到了诸多的问题和困难。但在任青教师的细心指导下，通过节福等同学的帮助，以及自己的努力，最终这些问题与困难都得到了圆满解决。使我可以按时完成设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应的提高。在设计的那段日子里，任青教师在百忙之中，依然对我所提问的问题进展解答和指导。首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。从框架的完善，到容的扩；从行文的用语，到格式的规；任青教师严格要求，力求完美。而且我还从任青教师那学到了严谨、务实、认真、不畏劳苦的工作态度和极强的敬业精神。我再次对任青教师的耐心和同学们的无私帮助表示感。附件1整机电路图附件2 实物图- word.zl