基于单片机的LED点阵显示系统的设计.doc
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1、 单位代码: 005 分 类 号: TN873 本科毕业论文(设计)题 目: 基于单片机的LED点阵 显示系统的设计 专 业: 电子信息工程 姓 名: 学 号: 指导教师: 职 称: 讲 师 毕业时间: 二零一三年六月 基于单片机的LED点阵显示系统的设计摘 要:本文是一款以单片机STC89C51为控制器的LED点阵显示屏系统的设计。该系统选用四块88点阵模块构建一个1616的LED点阵屏,可实现中英文字符的显示及其动态特效显示。选定STC89C51单片机为核心控制器件,74LS164为译码电路,三极管8550和74HC595做行和列驱动。STC89C51单片机处理控制命令以及显示代码,将显示
2、内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出,最后由显示驱动电路模块驱动LED点阵显示屏的扫描显示。由于制作简单,电子显示屏安装方便,成本低,广泛用于各种公共场所,如车站,广告画面和公告栏等。LED点阵电子显示屏,其功能有固定汉字、字母、数字的显示;平行左移、平行右移、上移、下移;固定内容的循环显示;显示屏的亮度调节等等。关键词:STC89C51;74HC595;74LS164;16*16点阵;LED System design of LED dot matrix display based on MCUAbstract:This is a LED dot matrix dis
3、play system controller based on the single chip STC89C51 design. This system adopts four pieces of 8 x 8 dot matrix module to construct a 16 x 16 LED dot matrix display screen, and can realize the dynamic effects of English characters of the show. The selected STC89C51 microcontroller as the core co
4、ntrol device, 74LS164 as the decoding circuit, a triode 8550 and 74HC595 as the row and column driver. STC89C51 single-chip processing of control commands and displays the code, will display the content through I/O serial output and control decoding circuit to complete string conversion and parallel
5、 output, and finally by the display driving circuit module driver LED dot matrix display scanning display. Because of the simple, electronic display screen, convenient installation, low cost, widely used in various public places, such as the station, the advertisement picture and bulletin. LED dot m
6、atrix display, its function is fixed Chinese characters, letters, digital display; parallel shift left, right, up, down parallel; fixed content display; the display brightness adjustment etc.Key words:STC89C51;74HC595;74LS164;16*16dot array;LED 目 录1. 引言12. 方案选择12.1 系统硬件方案12.1.1 通信系统22.1.2 硬件设计方案22.2
7、 系统软件方案23. 硬件整体设计概述及功能分析33.1 控制单元设计33.1.1 控制系统设计43.2 串并转换器74LS16443.3 驱动电路设计53.3.1 行驱动电路设计53.3.2 列驱动电路设计53.4 通信系统硬件设计63.5 电源设计74. 系统软件设计74.1 程序设计74.2 显示程序的设计84.2.1 点阵数据表达方式84.2.2 显示程序的流程图85. 系统调试95.1 硬件调试95.2 软件调试96. 结束语10参考文献11谢辞12附录1 程序清单13附录2 系统原理图18附录3 实物图201. 引言LED显示屏是八十年代后期在全球快速发展起来的新型信息显示媒体,显
8、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而组成。从LED的新材料的使用,对灰度控制技术,应用彩色图像,以及灵活高效的驱动电路与控制系统技术的提升,无不体现了LED 行业技术的快速发展。LED显示屏可以显示数字、文字、图形的变化;不仅可以用于室内环境,而且还可以用于室外环境,具有传统媒体设备,如投影仪,电视墙的优点,液晶显示屏是无法比拟的。此外,随着计算机网络技术的发展,LED显示更多的在网络环境中得到使用,各种复杂的,在多媒体显示设备信息显示系统,智能网络控制,网络控制面板技术已被广泛应用于实际应用当中。在近十来年中,LED点阵显示屏就凭借其亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长
9、、耐冲击和性能稳定的明显优点迅速成为平板显示的主流电子产品,并且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,目前正朝着使其具有更高亮度、更高耐环境性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、稳定性、全色化等方面发展。LED显示屏在社会经济各个领域的应用,主要包括:(1)证券交易、金融信息的显示。(2)机场航班动态信息显示。(3)港口、车站售票信息显示。(4)体育场馆比分信息显示。(5)道路交通状况信息显示。(6)交通调度指挥中心信息显示。(7)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。(8)广告媒体新产品等。经历了十几年的发展,我国LED产业已从购买芯片、外延片生产应用产
10、品,逐步发展到自主生产外延片和芯片的阶段,并且已具备一定技术能力和产业基础。并且初步形成从外延片生产、芯片制备到器件封装、集成应用等比较完整的产业链。2. 方案选择2.1 系统硬件方案对于大多数的LED显示屏而言,大多都用在室外,因此对硬件的质量和稳定性要求非常高。为了便于硬件电路设计的维修和保养,所以设计方案时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计,既要满足模块本身功能又要能够兼容整个系统。如图2-1所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分,控制部分,通信系统三大部分组成。通过单片机的通信部分发送控制命令和显示代码,执行显示指令并将显示代码处理控制显示内容和显示部分。
11、通信部分显示部分 控制部分 图2-1 系统硬件组成框图2.1.1 通信系统 通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。因此本设计采用串行通信的方式。串行通信的数据是一位一位按顺序传送,只需用几根通信线,虽然串行传送的速度低,但是传送的距离远,因此串行通常用于长距离而速度低的场所。在串行发送时,数据是一位一位按顺序进行的,但是计算机内部的数据是并行的。因此,当计算机向外发送数据时,首先将并行数据转换为串行数据然后再发送。反之,首先将串行数据转换为并行数据后再输入计算机中。这种转换用硬件或用软件都可实现。如果由软件实现会增加CPU负担,降低效率,所以通常采用硬件实现。通用异步接收/发送器
12、,简称UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitted)是实现这一功能的硬件电路。在单片机芯片中,UART通常集成在其中,作为其组成部分,构成一个串行口。2.1.2 硬件设计方案如图2-2所示,以单片机作为核心控制器件存储和处理显示内容,用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统,单片机根据传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块8*8LED点阵模块构成的16*16的LED点阵显示屏。串行通信单片机译码电路显示驱动电路16*16LED显示屏图2-2 硬件设计方案2.2 系统软件方案软件的设计在实现设计功能外还必须要做到易读写、方便下
13、载和编译。设计方案和硬件总体结构确定的情况下,软件可以分为主程序,显示子程序,各种特效显示子程序,通信程序三个主要部分组成。具体结构如图2-3所示。通信程序静态显示程序主程序特效显示程序控制程序 图2-3 软件功能结构框图3. 硬件整体设计概述及功能分析显示系统具体设计主要由通信系统,单片机系统,译码电路,显示驱动电路和16*16的点阵显示屏五部分组成。其工作过程为:单片机通过通信系统发送控制指令和显示代码内容,执行控制指令处理显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出,最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流、电压的要求进而使显示屏显
14、示内容。根据硬件的功能结构图选则所需要的元器件,元器件既要满足设计本身功能又要能够兼容整个系统。通过查阅资料和筛选最终的硬件原理图如图3-1所示。STC89C518550三极管电源74LS16474HC595LED点阵模块阳极4块8*8点阵模块构成16*16LED点阵屏LED点阵模块阴极74HC595MAX232图3-1 硬件原理图3.1 控制单元设计控制单元是整个显示系统的核心,本设计采用51系列单片机为核心器件,根据设计的要求该芯片要有方便的编程能力,因为在软件设计时方便的程序下载对程序的实现和编写很重要。其次可以提高LED显示屏的扫描速度,单片机的执行速度要尽可能的快。根据这几点要求,设
15、计选择深圳STC 宏晶科技公司生产的STC89C51为控制单元的主控芯片。3.1.1 控制系统设计控制电路设计中采用的是单片机系统,该系统必须要是工作在一个最小系统(指单片机的最小配置系统)。STC89C51的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路,选定一定数量的IO口作为控制口控制外部的各种元器件和数据的交换。根据所需功能选择单片机端口并添加所用的元器件。STC89C51单片机的P1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,P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,P2口送出高8位地址数据。所以P1和P2口作为外部数据存储器和程序存储器的
16、扩展使用,以备内部存储器和程序存储器不够用的情况时使用。3.2 串并转换器74LS164列译码采用的是芯片74LS164。如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输出来控制16*16的LED点阵屏显示,至少需要32个端口。可是如果采用了译码电路后仅仅只需要79个端口便可实现控制显示。这样就大大减少了I/O口的使用数目,为单片机扩展其他功能腾出空间。具体电路如图3-2所示 图 3- 2 译码电路图74LS164为一个8位数据的串并转换器。当清除端(CLEAR)为低电平时,输出端(QAQH)均为低电平。串行数据输入端(A,B)可控制数据。当A、B任意一个为低电平,则禁止新数据输入,在时钟端(CLOC
17、K)脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平,则另一个就允许输入数据,并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。表3-1 74LS164工作参数参数最小值标准值最大值单位高电平输入电压2V低电平输入电压0.8V高电平输出电压2.43.2-V低电平输出电压0.20.4V时钟频率025MHZ3.3 驱动电路设计3.3.1 行驱动电路设计发光二极管,LED(Light Emitting Diodes),即是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。8550为PNP型三极管,发射极e接5V电源,基极b接译码信号
18、输出端,集电极c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5V,由于发射极与基极之间电势差的下降导致基极电子向发射极扩散的电子数量减少。所以集电极电流也随之减少。因此8550在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开关的作用。3.3.2 列驱动电路设计本设计列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。这样就可以减少I/O口的占用数目,为单片机扩展
19、其他功能腾出空间。74HC595是具有硅结构的CMOS器件,遵守JEDEC标准。74HC595具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。移位寄存器和存储器是两种不同的时钟。数据在Sh cp的上升沿输入到移位寄存器中,在ST cp的上升沿输入到存储寄存器中去。如果把两个时钟连在一起,那么移位寄存器会比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7),再加一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。 具体电路如图3-3所示。表3-2 74HC595工作参数符号参数条件TYP单位H
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- 基于 单片机 LED 点阵 显示 系统 设计
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