汉字电子点阵的设计 (2).doc

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1、学位论文毕业设计说明书作 者： 学 号： 学 院： 系(专业)： 题 目： 汉字电子点阵的设计 指导者： 评阅者： 2018 年 9月 23日摘要本设计以AT89C51单片机为核心控制模块，利用集成芯片74HC595，74LS138来驱动8*8 LED点阵显示屏。设计主要分为软件部分和硬件部分，软件设计利用keil编译软件实现信号输出。硬件部分则主要包括AT89C51单片机最小系统、显示屏驱动电路、按键控制电路等三部分。设计的前期首先利用Proteus软件实现软硬件的调试，仿真软件调试成功以后，在实物进行调试，利用单片机控制点阵显示屏显示预期的内容。关键词： 单片机； 点阵显示屏；驱动电路 目

2、录第一章绪论- 1 -1.1课题研究的背景- 1 -1.2课题研究目的及意义- 2 -1.3论文主要工作- 2 -第二章 电路设计方案- 2 -2.1硬件电路组成- 3 -2.2 系统各单元电路的设计- 3 -2.2.1 AT89C51单片机最小系统- 3 -2.2.2按键控制电路- 3 -2.2.3点阵显示屏驱动电路- 4 -2.2.4 88 LED点阵介绍- 4 -2.3 字符的点阵显示原理及字库代码获取方法- 5 -2.4程序设计- 5 -3.1程序流程图- 6 -3.2程序设计- 6 -第四章 调试及性能分析- 6 -4.1系统调试- 6 -4.1.1软件调试- 6 -4.1.2 硬件

3、调试- 6 -4.2 设计分析- 7 -结 论- 7 -参 考 文 献- 8 -致 谢- 8 -附 录- 8 -第一章绪论近年来LED显示屏作为一种平板显示器，广泛应用在体育场馆、商业应用、银行、证劵、邮政、码头、商场、车站、邮政、电讯、机关、监控、学校、餐厅、酒店、娱乐、等不同户外场所的广告宣传，它是由一个个小的LED模块组成，LED（light emitting diode），俗称发光二极管，其发光的原理是二极管中电子和空穴在复合时会把多余的能量以可见光的形式辐射出来。LED显示屏具有工作电压低、亮度高、大型化、功耗小、耐冲击、寿命长和性能稳定等诸多优点，这使得它得到了极为迅速的发展。越来

4、越多的科研院所投入到LED显示技术的研究当中，未来的LED显示技术必定会朝着更高亮度、更高的发光密度、更高耐气候性、更高的发光均匀性，全色化、可靠性方向发展。LED显示屏按照显示器件可分为LED数码显示屏，LED点阵显示屏，LED视频显示屏，而LED点阵显示屏因其易于构成高密度显示屏而得到广泛的应用和研究。1.1 课题研究的背景随着半导体工艺的不断演进，再加上电子元器件向着微小型化、低功耗方向的发展，使得大规模集成电路应运而生。而微型计算机系统正是在这样的背景下飞速发展，给人类生活带来了根本性的改变。单片机作为微型计算机系统的重要组成部分，应用领域十分广泛，如实时控制、导航系统、智能仪表等。它

5、是利用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、只读存储器、I/O口、定时器/计数器等集成在一块硅片上而构成一个小型的微控制系统。目前单片机以其体积小、重量轻、价格低、抗干扰能力强、可靠性高、开发较为容易等优点，在工业测控、智能仪器仪表、自动化办公等诸多领域得到极为广泛的应用并已走进人们的生活之中，从洗衣机、微波炉到音响、汽车到处都可见到单片机的踪影。因此单片机开发技术和应用水平的高低已逐步成为衡量一个国家工业发展水平的标准之一。本课题研究的内容就是以单片机为主要控制元件驱动LED点阵显示屏显示特定的汉字。1.2课题研究目的及意义电子微控制系统不仅在工业控制领域有着极为广

6、泛的应用，而且伴随着智能化、小型化的发展趋势已经深入到人们的日常生活之中。LED点阵显示技术在银行、医院、学校等多种场合都有应用，给人们的生活带来了很大的便利。可以说微控制系统也即单片机技术和LED点阵显示技术已经融入到我们生活的方方面面，理解基于单片机的微控制系统控制原理，进而实现对LED点阵显示屏显示汉字的精确控制，具有很重要的必要性和价值。1.3论文主要工作（1）理解LED点阵显示技术的机理以及51系列单片机的内部结构和控制原理，确定合适的显示方式。（2）搭建以51最小系统为核心的硬件电路，包括时钟电路，控制电路和驱动电路等。（3）基于搭建的硬件电路，用汇编语言编写控制LED点阵显示屏显

7、示正确的汉字。（4）软硬件的联调，排查故障同时解决出现的问题。第二章 电路设计方案LED显示一般分为静态显示和动态显示两种，静态显示即系统在每一次显示输出后，保持显示不变，只在待显示数字需要改变时，才更新显示器中锁存的内容。这种设计比较简单，而且占用的CPU时间短，显示稳定可靠。但是当显示的位数较多时，占用的I/O较多，比如本设计中88的点阵共有64个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，88的点阵需要64/8=8个锁存器。在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样不仅导致因锁存器而带来成本的提高，而且对于硬件电路的设计也会有不小的挑战。因此在实际

8、应用中的显示屏几乎都不采用这种方案。动态显示则是指CPU定时地对每位LED显示器进行扫描，每位LED显示器分时轮流显示，每次只显示一位，由于人眼视觉的暂留现象，所以会感觉到所有的LED显示器都同时显示。这种显示方式的优点是占用的I/O口少，但是其占用的CPU时间较长。采用动态显示，可以用一个驱动器去驱动多行或者多列。LED显示器有两种接线形式，分为共阳极接法和共阴极接法。以88的点阵共阳极接法为例，每一行的发光二极管的阳极连在一起，每一列的发光管的阴极连在一起，对每一行的发光二极管进行扫描，8次为一个周期，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。2.1硬件电路组成本设计中，硬件

9、电路结构主要由以下几部分构成：电源、单片机最小系统、按键控制电路、点阵显示器驱动控制电路和8*8点阵显示器电路等。根据设计要求与设计思路，硬件电路框图如图？所示。2.2 系统各单元电路的设计2.2.1 AT89C51单片机最小系统最小系统以AT89C51单片机为核心，AT89C51是一款低电压、高性能的8位微处理器，它带有4K字节的flash储存器，其可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。时钟电路：AT89C51单片机芯片内部集成有一个反向振荡放大器，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入端和输出端，该反向放大器可以配置成片内振荡器，可采用陶瓷振荡或者石晶振荡。在XTAL1和XTAL2

10、引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHz，C1，C2的电容值取30pF，电容容值的大小起频率微调的作用。时钟电路图如图？所示。复位电路：单片机有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，电路如图？所示。当上电时，C1相当于短路，使单片机复位，按下复位键时单片机复位。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个去耦电容，则会得到很好的效果。2.2.2按键控制电路如图？所示，是单片机的I/O口连接电路，P1口作为连接7

11、4LS138的片选使能和译码数据端，P0作为连接74HC595的时钟端、数据端、清零端、使能端的分配。按键用P2口的，P2.0、P2.1、P2.2分别控制点阵显示屏的停止/移动，开/关显示，速度的加/减功能。单片机和按键连接电路图如图？所示：2.2.3点阵显示屏驱动电路显示驱动控制电路分为列驱动电路和行驱动电路。列驱动电路是采用集成芯片74HC595。它是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器，移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的。74HC595具有三态输出功能，即低电平、高电平和高阻抗三种输出状态。输出寄存器可以直接清除。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿，串行数据有SDL

12、输入到内部的8位位移缓存器，并由Q7输出，并行输出则是在LCK的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端OE为低电平时，并行输出缓存器所存储的值就能输出到并行输出端，当OE为高电平时，此时输出关闭，并行输出端会维持在高阻抗状态。74HC595内部集成有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以维持恒定。这在串行速率很慢的情况下具有很大的优势，即显示屏没有闪烁感。如前所述，74HC595是串入并出同时带有锁存功能的移位寄存器，它的操作方法比较简单。正常使用时，ST_CP为低电平，/OE为低电平。当串行输入时钟SH_CP处于上升沿时，DS便输入一位数据，直到8

13、位数据输入完毕，当输出时钟ST_CP上升沿有效时，输入的数据就被送到了输出端。行驱动电路采用译码器74LS138，74LS154是单片机系统中比较常用的3线-8线译码器，当一个选通端E1为高电位，另外两个选通端E2，E3为低电位时，可将地址端A0、A1、A2的二进制编码译成8个彼此独立的输出分别在Y0-Y7以低电平译出。2.2.4 88 LED点阵介绍LED点阵以发光二极管为基本单元，利用环氧树脂和塑模将发光二极管阵列封装而成。它具有亮度高，寿命长，耐腐蚀，成本低等特点。常见点阵结构有4*4，8*8，16*16等。LED点阵显示器可代替数码管显示数字，同时也可显示各种文字和符号。如5*7点阵显

14、示器可以显示西文字母，8*8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。根据像素颜色，LED点阵显示器可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的内容的颜色也不相同。单色点阵只能显示固定颜色如红色、黄色等单色，双基色和三基色点阵显示的颜色是由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿同时亮时显示为黄色，若按照脉冲方式控制发光二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。8*8点阵LED显示器有两种接线形式，即共阴极接法和共阳极接法。图？所示的单色8*8的点阵显示屏即为共阳极接法。它的每一行发光二极管的阳极接在一起，每一列发光二极管的阴极接在一起。

15、当发光二极管阳极接高电平时，阴极引出端接低电平时，左上角的二极管点亮。因此，对行和列的电平进行扫描控制时，可以显示不同的图形。通常情况下，一块8*8点阵的LED显示屏是不能用来显示一个汉字的，因此，如果显示一个汉字，至少需要扩展为16*16点阵。在显示过程中，采用动态扫描的方式，同时利用人的视觉暂停效应，就不会有闪烁的感觉。2.3 字符的点阵显示原理及字库代码获取方法在确定所需要进行显示的汉字时，就可以使用取模软件PCtoLCD2002：(1)打开取模应用软件，在字宽和字高处都设为24.(2)单击菜单栏中的“选项”，对其进行设置。如图？所示。2.4程序设计软件设计的主要功能是控制单片机产生不同

16、的数据信号和控制信号，使点阵显示屏按设计的要求显示特定的图像或者文字。软件设计分为两部分：第一部分是上层的系统应用程序，第二部分是底层的显示驱动程序。系统应用程序则是完成系统环境设置，显示效果处理等工作，由主程序来实现。显示驱动程序负责向点阵显示屏送入显示数据，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。显示驱动程序子在进入中断后首先对定时器T0重新赋初始值，来保证显示屏刷新率的稳定，1/8扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：刷新率（帧频）=（1/8）*T0溢出率=（1/8）*f/(12*(65536-t)其中f为晶振频率，t为定时器T0初始值（工作在16位定时

17、器模式）。然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。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，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。程序主要由开始、初始化、主程序、字库组成，其中主程序和子程序的流程如下所示：3.1程序流程图3.2程序设计第四章 调试及性能分析4.1系统调试4.1.1软件调试在Proteus仿真软件中绘制出单片机AT89C51的最小系统、74HC595和74LS138等集成芯片以及LED点阵显示器。连接好各个控制线，搭建完整的电路结构，同时将编写好的程序写入单片

18、机中。此时程序正常运行同时LED点阵显示屏完整的显示出了预期的效果。仿真软件调试完成后，要进行实物的调试。系统软件用Keil开发环境，Keil软件具有美观的调试界面，出众的编译效果。它能方便快捷的生成我们所需的.hex文件。我们将编写好的程序写入单片机中，运行程序，观察点阵显示屏上显示的内容是否和Proteus仿真软件中的一致。4.1.2 硬件调试单片机控制系统的软件调试和硬件调试是密不可分的，通常的情况是，硬件电路搭建完成以后，首先目检一下，看是否有明显的错误，其次用万用表测量一下关键电路，检查是否有短路或者断路点。常见的硬件故障主要分为逻辑错误、元器件失效、电源故障等。逻辑错误一般是由设计

19、错误或者工艺受限所造成的。开路、短路等都是最常见的逻辑错误。元器件失效通常分为两个方面，一是器件本身由于种种原因而损坏，导致其不能正常使用，二是器件本身没有损坏，但是器件的使用包括安装方法，应用条件等出现错误，致使其不能发挥正常的作用。电源故障则通常包括电压值不符合设计要求，或者功率不足，带载能力弱。4.2 设计分析本次设计以AT89C51单片机为核心控制系统，采用动态扫描的方式实现预期内容的显示。理论上讲，当刷新率达到24Hz时就能看到连续稳定的显示，而且刷新率越高，显示越稳定。实验证明，在目测条件下，当刷新率达到50Hz以上时，人的肉眼已基本觉察不出画面闪烁。但是由于我们只是使用一个8*8

20、 LED点阵显示屏，所以只能显示相对简单的文字。我们可以将单个LED点阵显示屏扩展为多个LED点阵屏，这样就能够实现显示复杂的文字、字符的功能。运用起来更加的灵活方便。结 论本文以汉字电子点阵显示屏为研究背景，利用AT89C51单片机控制其显示期望的内容。第一章主要介绍了课题研究的意义、相关背景及课题的任务。第二章则主要对本设计中各部分硬件电路方案的确定进行了详细的分析，主要包括AT89C51单片机最小系统，按键控制电路，点阵显示屏驱动电路。第三章是程序的设计，主要包括程序执行的流程图。第四章是系统软硬件的调试以及性能的分析。通过本次毕业设计，我对生活中广泛使用的LED点阵显示屏的工作原理有了

21、更深层次的了解。同时对单片机的控制原理的理解更加深刻。在完成这个小型的控制系统的过程中遇到了好多问题，比如程序编写过程中的一些容易忽视的小错误，就会让整个程序在编译过程中出现问题，导致程序无法运行。还有在8*8 LED点阵显示屏驱动电路设计时由于对其原理理解的比较模糊，导致一时没有思路。通过查阅大量资料和不断摸索，我慢慢地克服了这些困难，基本确定了硬件方案。还有，在编写汉字编码时也遇到了不小的问题，刚开始不知道如何根据字形读取汉字的编码，后来查阅相关资料得出了编码读取方法为从左向右，先下后上。最后再编译程序的时候，由于程序报错，点阵显示屏只显示了部分内容，经过反复的查看代码，最终将程序修改正确，得到了预期显示的内容。虽然最后的实验结果仍然有不完美的地方，但是我从中学到了很多东西，更加深刻的了解了AT89C51单片机的结构及引脚功能，对单片机的控制原理有了更直观的认识。从中体会到了一个小小的单片机竟然会有如此大的功能，小到家用电灯的控制，大到工业控制领域，单片机都起到了很大的作用。我坚信这个LED点阵式汉字显示屏的设计以后会应用到更多的领域，给我们的生活带来更大的便利。参 考 文 献致 谢附 录- 8 -