×16點陣LED電子顯示屏的設計.doc

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摘 要 LED點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的LED發(fā)光二極管封裝而成. LED點陣顯示屏可以顯示數字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。 本設計是1616點陣LED電子顯示屏的設計。整機以美國ATMEL公司生產的40腳單片機AT89C51為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的LED點陣電子顯示屏的動態(tài)設計和開發(fā)過程。通過該芯片控制一個行驅動器74LS154和兩個列驅動器74L373來驅動顯示屏顯示。該電子顯示屏可以顯示各種文字或單色圖像，采用4塊8 x 8點陣LED顯示模塊來組成一個16x16點陣顯示模式。顯示采用動態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠實現靜止、移入移出等多種顯示方式。文中詳細介紹了LED點陣顯示的硬件設計思路、硬件電路各個部分的功能及原理、相應軟件的程序設計，以及使用說明等。 關鍵詞：AT89C51單片機 LED 點陣顯示 動態(tài)顯示 Abstract As a popular display device component, LED dot-matrix display board consists of several independent LED (Light Emitting Diode). The LED dot-matrix display board can display the number or sign, and it is usually used to show time, speed, the state of system etc. This design is 1 16 16 lattice LED electron display monitor design.The whole equipment is with the 40-pin AT89C51 MCU (Micro Controller Unit) produced by the American ATMEL company at the core, introduced take it as the control system LED lattice electron display monitor dynamic design and the development process. Controls good driver 74LS154 an two row driver 74L373 through this chip actuates the display monitor demonstration. The electronic screen can show all kinds of written or monochrome images, one full screen display Chinese characters, four pieces of 8 x 8 dot-matrix LED display modules to form the 16x16 dot matrix display mode. Show dynamic show that makes static graphic or text can be achieved, shifted out of various formats. This paper describes the hardware design of the LED dot matrix display, and the principle function of the various parts of the circuit, the corresponding software program design and the use of some such. Key words: AT89C51 Micro Controller Unit； LED； Lattice Display；Dynamic Display 目 錄 摘 要--------------------------------------------------------------------1 Abstract------------------------------------------------------------------2 第1章 緒 論------------------------------------------------------------4 1.1 選題背景---------------------------------- ---------------------4 1.2 研究現狀及發(fā)展趨勢------------------------ ---------------------4 第2章 功能要求及方案論證------------------------------------------------6 2.1 功能要求---------------------------------------------------------6 2.2 顯示模塊方案論證-------------------------------------------------6 2.1.1 靜態(tài)顯示方式-------------------------------------------------7 2.1.2 動態(tài)顯示方式-------------------------------------------------7 2.3 數據傳輸方案論證-------------------------------------------------7 第3章 系統(tǒng)硬件電路的設計------------------------------------------------9 3.1 單片機系統(tǒng)及外圍電路----------------------------------------------9 3.2 系統(tǒng)電源模塊-----------------------------------------------------11 3.3 行驅動器---------------------------------------------------------11 3.4 列行驅動器-------------------------------------------------------14 3.5 16*16 LED點陣顯示屏幕--------------------------------------------16 3.6 特殊器件介紹-----------------------------------------------------19 3.6.1 51系列單片機-------------------------------------------------19 3.6.2 鎖存器74L373-------------------------------------------------22 第4章 系統(tǒng)軟件設計------------------------------------------------------24 4.1 系統(tǒng)的程序流程圖-------------------------------------------------24 4.2 系統(tǒng)主程序-----------------------------------------------------------------------------------27 第5章 調試及性能分析----------------------------------------------------31 5.1 開發(fā)環(huán)境介紹-----------------------------------------------------31 5.2 理論性能分析-----------------------------------------------------31 5.3 系統(tǒng)調試---------------------------------------------------------31 第6章 結 論----------------------------------------------------------33 第七章 總 結-----------------------------------------------------------34 7.1 工作過程介紹-----------------------------------------------------34 7.2 系統(tǒng)功能的拓展方向-----------------------------------------------34 第八章 謝辭--------------------------------------------------------------36 參考文獻-----------------------------------------------------------------36 附錄1 顯示驅動程序----------------------------------------------------37 附錄 2 系統(tǒng)主程序------------------------------------------------------------------------------------------------ 附錄3 原理電路圖---------------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 4 電路原理圖---------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 5 仿真電路圖-------------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 6 系統(tǒng)PCB圖----------------------------------------------------------------------------------------------------- 第1章 緒 論 1.1 選題背景 LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬……幾十萬個半導體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏 無法比擬的優(yōu)點。 在短短的十來年中，LED點陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點迅速成長為平板顯示的主流產品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。LED顯示屏的應用涉及社會經濟的許多領域，主要包括：（1）證券交易、金融信息顯示。（2）機場航班動態(tài)信息顯示。（3）港口、車站旅客引導信息顯示。（4）體育場館信息顯示。（5）道路交通信息顯示。（6）調度指揮中心信息顯示。（7）郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示。（8）廣告媒體新產品等。 1.2 研究現狀及發(fā)展趨勢 （1）我國LED產業(yè)發(fā)展現狀 我國的LED顯示屏產業(yè)經過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。據不完全統(tǒng)計，至1998年底，年度銷售總額在1000萬元以上的企業(yè)有20多家，其銷售總額達6億元左右，占行業(yè)市場總額的85%以上。全國從事LED顯示屏的各類企業(yè)有100余家，從業(yè)人員近6000人，行業(yè)年度銷售總額近8億元人民幣，1996年、1997年的增長速度均保持40%左右，1998年略有回落。在國內市場上，國產LED顯示屏的市場占有率近100%，國外同類產品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機場、浦東機場等，均由國內代表企業(yè)中標。技術水平相對領先,我國LED顯示屏產業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產品技術推陳出新，一直保持比較先進的水平。90年代初即具備了成熟的16級灰度256色視頻控制技術及無線遙控等國際先進水平技術，近年在全彩色LED顯示屏、256級灰度視頻控制技術、集群無經線控制、多級群控技術等方面均有國內先進、達到國際水平的技術和產品出現；LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國內企業(yè)開發(fā)生產并得到應用。LED顯示屏產業(yè)培養(yǎng)形成了一批LED顯示屏科技隊伍，在全國LED顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數6000人中，科技人員有2800多人，將近50%。LED顯示屏產業(yè)正成為我國電子信息產業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領域唯一立足國內形成的民族高科技產業(yè)。 （2）LED顯示屏的發(fā)展趨勢 現代信息社會中，作為人-機信息視覺傳播媒體的顯示產品和技術得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術將是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導產品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產品。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED產品自出現以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件?；A材料的產業(yè)化。使LED全彩色顯示產品成本下降，應用加快。LED產品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產品。全彩色LED顯示屏的廣泛應用會是LED顯示屏產業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 未來LED顯示屏會向著標準化、規(guī)范化，產品結構多樣化的方向發(fā)展[2]。 （3）選題意義 該設計課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設計方法，對LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認識。并且對大學期間所學習的一些理論進行了實踐，使我們對所學過的理論知識有了新的認識。并且通過該設計課題掌握了51單片機的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關行業(yè)的工作積累了實際工作經驗。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的LED顯示屏的作用也越練越廣泛，相關的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應該清楚的認識到我國的LED技術雖然發(fā)展迅速但和世界先進水平還有一定的差距。因此,此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國LED顯示技術的發(fā)展都有非?，F實與積極的意義。 第二章 功能要求及方案論證 2.1功能要求 本方案設計一個電子顯示屏，具體要求滿足以下條件： 1.要求采用51單片機作為微控制器； 2.通過16ｘ16的點陣LED進行文字顯示； 3.在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足、穩(wěn)定、清晰無串擾。 2.2顯示模塊方案論證 四個88的點陣構成一個1616的點陣。行和列的交叉處有一個LED，共由256個LED構成，如果LED的陽極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給該LED對應的行以高電平，列以低電平，那么對應的LED就發(fā)光。 圖2-1畫出了室內直插式88點陣雙基色LED模塊實物圖。這種模塊由64個發(fā)光LED芯片以88的形式構成一個正方形模塊，然后用2列8針引腳將內部電路接口引出，供驅動電路使用。 圖2-1 LED 點陣顯示原理圖 行對應的給LED的陽極，先給第一行以高電平，如果送給16列的代碼為EFFF，則第一行的第4個LED被點亮，再給第二行以高電平，如果送給16列的代碼為EF07，則第二行的第4、9、10、11、12、13個被點亮，接著給第三行以高電平，同時給列以驅動代碼，這樣不斷地進行行行的掃描，只要速度夠快，由于人的視覺暫留作用，就不會感覺到明顯的閃爍感。點陣上會看到一個清晰的“機”字。 LED數碼管 結構簡單，價格便宜。本文所述的是LED的數據顯示方式，這種方式通常使用8段LED或者16段LED。在實際應用中，點亮LED數碼管的方式有靜態(tài)和動態(tài)2種方法。本文以8段LED作為示例來論證方案 1.靜態(tài)顯示方式 靜態(tài)顯示方式，即8段LED數碼管在顯示某一個數碼時，加在數碼管上的段碼 保持不變，直至換顯其他數碼為止。這樣數碼管的每一段均應由一條輸出線來控制，每顯示以為數碼需要8根輸出線，當N位顯示則需N8根輸出控制線。占用較多I/O資源。 2.動態(tài)顯示方式 為解決靜態(tài)顯示占用較多I/O資源的問題，在多位顯示時通常采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示是將所有數碼管的段碼線對應并聯在一起，由一個8位的輸出口控制，每位數碼管的公共端分別出一位I/O線控制。顯示不同數碼時，由位線控制各位輪流顯示。位線控制某位選通時，該位應顯示數碼的段碼同時加在段碼線上，即每一時刻僅僅有一位數碼管是被點亮的，當輪流顯示的速度較快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現象，看起來就像所有位同時顯示一樣，這時，我們就能看到穩(wěn)定的圖像了 2.3數據傳輸方案論證 采用串行傳輸的方法，控制電路可以只用一根信號線，將列數據一位一位傳往列驅動器，在硬件方面無疑是十分經濟的。但是，串行傳輸過程較長，數據按順序一位一位地輸出給列驅動器，只有當一行的各列數據都以傳輸到位之后，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數據準備（傳輸）和列數據顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數據準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。 解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時，傳送下一列數據。為了達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有所存功能。經過上述分析，就可以歸納出列驅動器電路應具有的功能。對于列數據準備來說，它應能實現串入并處的移位功能；對于列數據顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會影響本行的顯示。圖2-2為顯示屏電路實現的結構框圖。 列驅動器 單 片 機 LED顯示點陣 行驅動器 圖2-2顯示屏電路實現的結構框圖 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設計 硬件電路大致上可以分成單片機系統(tǒng)及外圍電路、列驅動電路和行驅動電路三部分。 3.1單片機系統(tǒng)及外圍電路 單片機采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機的串口與列驅動器相連，用來顯示數據。P1口低4位與行驅動器相連，送出行選信號；P1.5～P1.7口則用來發(fā)送控制信號。P0口和P2口空著，在有必要的時候可以擴展系統(tǒng)的ROM和RAM,下圖給出的是AT89C51的最小系統(tǒng)圖。 圖3-1 MSC51單片機最小系統(tǒng) MSC51單片機管腳說明如下： VCC：供電電壓。 　　 GND：接地。 　　 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 　　 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 　　 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 　　 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　　 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 　　 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。　　 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 　　 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 　　 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 　　 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 B3.2系統(tǒng)電源模塊 系統(tǒng)電源電路如圖3-2所示。AT89C51工作電壓VCC=5V,其EA引腳需接高電平,5V電源電路圖。 圖3-2 系統(tǒng)電源模塊 3.3行驅動器 由于4點陣顯示器有16行，為充分利用單片機的接口，本電路中加入了一個4-16線譯碼器74LS154，其輸入是一個16進制碼，解碼輸出為低態(tài)掃描信號，它的結構如圖3-3所示。 圖3-3 74LS154結構圖 74LS154 結構說明如表3-1： 表3-1 INPUTS LOW OUTPUT D C B A L L L L L L 0 L L L L L H 1 L L L L H L 2 L L L L H H 3 L L L H L L 4 L L L H L H 5 L L L H H L 6 L L L H H H 7 L L H L L L 8 L L H L L H 9 L L H L H L 10 L L H L H H 11 L L H H L L 12 L L H H L H 13 L L H H H L 14 L L H H H H 15 L H X X X X --- H L X X X X --- H H X X X X --- 說明：H－高電平 L－低電平 X－任意 *－其他輸出端為高電平4軟件設計 74LS154 引腳說明如表3-2 表3-2 符號 引腳 描述 ~,~ 1~11 ,13~17 輸出端 GND 12 GND電源地 ~ 18~19 使能輸出端 A、B、C、D 20~23 地址輸出端 Vcc 24 VCC電源正 圖3-4 行驅動電路 如圖3-3所示的行驅動電路中,把74LS154的G1和G2引腳接地，然后以A、B、C、D四腳為輸入端。就會形成16種不同的輸入狀態(tài)，分別為0000～1111，然后使每種狀態(tài)只控制一路輸出，即會有16路輸出。如果一行64點全部點亮，則通過74LS154的電流將達640 mA，而實際上，74LS154譯碼器提供不了足夠的吸收電流來同時驅動64個LED同時點亮，因此，應在74LS154每一路輸出端與16x64點陣顯 示器對應的每一行之間用一個三極管來將電流信號放大，本文選用的是三極管8550。這樣，74LS154某一輸出腳為低電平時，對應的三極管發(fā) 射極為高電平從而使點陣顯示器的對應行也為高電平。 3. 4 列驅動器 列驅動通過兩個鎖存器74LS373來實現。74LS373為動態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器。它的結構如圖3-5所示。 圖3-5 74LS373結構圖 <74LS373功能表> E G D Q L H H H L H L L L L X Q 上表是74LS373的真值表，表中： L——低電平； H——高電平； X——不定態(tài)； Q0——建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平； G——輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻低電平：關門鎖 存。圖中OE——使能端，接地。 當G=“1”時，74LS373輸出端1Q—8Q與輸入端1D—8D相同； 當G為下降沿時，將輸入數據鎖存。 74ls373是常用的地址鎖存器芯片，它實質是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74ls373芯片。 (1).1腳是輸出使能(OE),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,G)如何,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈現高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài)); (2).當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,G)上出現一個下降沿,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈現輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài). 鎖存端LE 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當三態(tài)門使能信號OE為低電平時，三態(tài)門導通，允許Q0~Q7輸出，OE為高電平時，輸出懸空。當74LS373用作地址鎖存器時，應使OE為低電平，此時鎖存使能端C為高電平時，輸出Q0~Q7 狀態(tài)與輸入端D1~D7狀態(tài)相同；當C發(fā)生負的跳變時，輸入端D0~D7 數據鎖入Q0~Q7。51單片機的ALE信號可以直接與74LS373的C連接。 74ls373與單片機接口： 1D~8D為8個輸入端。 1Q~8Q為8個輸出端。 G是數據鎖存控制端；當G=1時，鎖存器輸出端同輸入端；當G由“1”變?yōu)椤?”時，數據輸入鎖存器中。 OE為輸出允許端；當OE=“0”時，三態(tài)門打開；當OE=“1”時，三態(tài)門關閉，輸出呈高阻狀態(tài)。 在MCS-51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用，其連接方法如上圖所示。其中輸入端1D~8D接至單片機的P0口，輸出端提供的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。 34B3.5 1616 LED點陣顯示屏幕 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅動該顯示屏的驅動電路。由于單片機的I/O口有限要不能直接用I/O口來驅動LED顯示屏，所以需要對單片機IO口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。 LED顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構成的，要構成大屏幕的LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖3-5所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構成的LED點陣子模塊構成大的LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有88、1616幾種；這兩種屏幕構成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構成顯示屏優(yōu)點在于當單個的發(fā)光二極管出現問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復雜；而點陣模塊構成的方法卻正好與之相反，模塊構成省約了大量的連線，不過當一個LED出現問題時同在一個模塊的所有LED都必須被更換。這就加大了維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構成的方法來制作一個LED點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數較小的模塊來減小出現這一問題的風險。所以構建一個1616的LED點陣屏選用四塊88點陣模塊。 圖 3-6 LED點陣圖 一個1616的LED顯示屏行和列各有16支引腳，不能單靠51單片機的端口驅動所以必須要對單片機的端口個數進行擴展。經常采用的端口擴展方法是用串并轉換芯片進行譯碼。常用的串并轉換芯片有74LS154（4線-16線譯碼器）、74LS164（8位串并轉換器）、74HC595等。51系列單片機端口低電平時，吸入電流可達２０ｍＡ，具有一定的驅動能力；而為高電平時，輸出電流僅數十μＡ甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅動能力，所以單片機不能直接驅動LED顯示屏顯示。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅動電路。 8x8的LED點陣為單色行共陰模塊，單點的工作電壓為正向（Vf)=1.8 v ,正向電流（IF）= 8-10 mA 。靜態(tài)點亮器件時（64 點全亮）總電流為640mA，總電壓為1.8 v，總功率為1.15W。動態(tài)時取決于掃描頻率（1/8或1/16秒），單點瞬間電流可達80-160 mA。1616點陣靜態(tài)時161610mA,動態(tài)時單點電流80-160mA。 接線方式： 當某一行線打高時，某一列線為低時，其行列交叉的點就被點亮；某一列線為高時，其行列交叉的點為暗；當某一行線打低時，無論列線如何，對應這一行的點全部暗。其引腳圖如圖 3-7所示。 1 控制第五行顯示 接高 9 控制第一行顯示 接高 2 控制第七行顯示 接高 10 控制第四列顯示 接低 3 控制第二列顯示 接低 11 控制第六列顯示 接低 4 控制第三列顯示 接低 12 控制第四行顯示 接高 5 控制第八行顯示 接高 13 控制第一列顯示 接低 6 控制第五列顯示 接低 14 控制第二行顯示 接高 7 控制第六行顯示 接高 15 控制第七列顯示 接低 8 控制第三行顯示 接高 16 控制第八列顯示 接低 圖 3-716x16點陣引腳圖 如圖3-8所示為系統(tǒng)點陣模塊 圖3-8系統(tǒng)點陣顯示模塊 18B3.6器件介紹 33B3.6.1 51系列單片機 單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器CPU、數據存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數器和多種I/O接口電路。8051單片機的基本結構見圖。 圖3-9 單片機基本結構 8051是MCS-51系列單片機的一個產品。MCS-51系列單片機是Intel公司推出的通用型單片機，8051單片機系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生產品。這些衍生品是在基本型基礎上增強了各種功能的產品。這些產品給8位單片機注入了新的活力，給它的開發(fā)應用開拓了更廣泛的前景。 8051系列的內部結構可以劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時器/計數器、中斷邏輯幾部分。 （1）中央處理器 8051的中央處理器由運算器和控制邏輯構成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。 算術邏輯單元ALU能對數據進行加、減、乘、除等算術運算；“與”、“或”、“異或”等邏輯運算以及位操作運算。ALU只能進行運算，運算的操作數可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，運算結果可以送回ACC或通用寄存器或存儲單元中，累加器ACC也可以寫為A。B寄存器在乘法指令中用來存放一個乘數，在除法指令中用來存放除數，運算后B中為部分運算結果。 程序狀態(tài)字PSW是個8位寄存器，用來寄存本次運算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含義是： PSW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV P CY：進位標志。有進位/錯位時CY=1，否則CY=0。 AC：半進位標志。當D3位向D4位產生進位/錯位時，AC=1，否則AC=0，常用于十進制調整運算中。 F0：用戶可設定的標志位，可置位/復位，也可供測試。 RS1、RS0：四個通用寄存器組選擇位，該兩位的四種組合狀態(tài)用來選擇0~3寄存器組。 OV：溢出標志。當帶符號數運算結果超出-128~+127范圍時OV=1，否則OV=0。當無符號數乘法結果超過255時，或當無符號數除法的除數為0時OV=1，否則OV=0。 P：奇偶校驗標志。每條指令執(zhí)行完，若A中1的個數為奇數時P=1，否則P=0，即偶校驗方式。 控制邏輯主要包括定時和控制邏輯、指令寄存器 、譯碼器以及地址指針DPTR和程序寄存器PC等。 單片機是程序控制式計算機，即它的運行過程是在程序控制下逐條執(zhí)行程序指令的過程：從程序存儲器中取出指令送指令存儲器IR，然后指令譯碼器ID進行譯碼，譯碼產生一系列符合定時要求的微操作信號，用以控制單片機的各部分動作。8051的控制器在單片機內部協調各功能部件之間的數據傳送、數據運算等操作，并對單片機發(fā)出若干控制信息。這些控制信息的使用專門的控制線，諸如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，他們的具體功能在介紹8051引腳是一起敘述。 （2）存儲器組織 8051單片機的存儲器結構特點之一是將程序存儲器和數據存儲器分開，并有各自的尋址機構和尋址方式，這種結構稱為哈佛結構單片機。這種結構與通用微機的存儲器結構不同，一般微機只有一個存儲器邏輯空間，可隨意安排ROM或RAM，訪存時用同一種指令，這種結構稱為普林斯頓型。 8051單片機在物理上有四個存儲空間：片內程序存儲器和片外程序存儲器、片內數據存儲器和片外數據存儲器。 8051片內有256K數據存儲器RAM和4KB的程序存儲器ROM。除此之外，還可以在片外擴展RAM和ROM，并且各有64KB的尋址范圍。也就是最多可以在外部擴展264KB存儲器。8051的存儲器組織結構如圖2.3所示。 64K字節(jié)的程序存儲器（ROM）空間中，有4K字節(jié)地址區(qū)對于片內ROM和片外ROM是公用的，這4K字節(jié)地址是0000H~FFFH。而1000H~FFFFH地址區(qū)為外部ROM專用。CPU的控制器專門提供一個控制信號EA用來區(qū)分內部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)：當EA接高電平時，單片機從片內ROM的4K字節(jié)存儲器區(qū)取指令，而當指令地址超過0FFFH后，就自動的轉向片外ROM取指令。當EA接低電平時，CPU只從片外ROM取指令。 程序存儲器的某些單元是保留給系統(tǒng)使用的：0000H~0002H單元是所有執(zhí)行程序的入口地址，復位以后，CPU總是叢0000H單元開始執(zhí)行程序。0003H~002AH單元均勻地分為五段，用做五個中斷服務程序的入口。用戶程序不應進入上述區(qū)域。 圖3-10 存儲器組織結構圖 8051的RAM雖然字節(jié)數不很多，但卻起著十分重要的作用。256個字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00H-7FH時真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數據。而80H~FFH是專門用于特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。對于8051安排了21個特殊功能寄存器，每個寄存器為8位，所以實際上128個字節(jié)并沒有全部利用。 內部RAM的各個單元，都可以通過直接地址來尋找，對于工作寄存器，則一般都直接用R0~R7，對特殊功能寄存器，也是直接使用其名字較為方便。8051內部特殊功能寄存器都是可以位尋址的，并可用“寄存器名.位”來表示，如ACC.0，B.7等 3.6.2 鎖存器74L373 由于74LS164芯片不具有鎖存功能，所以在74LS164進行八位數據的串并轉換時，串行數據的第一位會從QA依次移位到QH,第二位數據會從QA依次移位到QG，依次類推在八位數據轉換完成之前74LS164芯片的輸出會出現一段時間的亂序輸出，這一結果會通過驅動電路表現在顯示屏上。結果就是顯示屏無序導通閃爍，不能顯示所需內容。因此在串并轉換完成前就需要74LS164的輸出口不與驅動電路導通。所以選擇鎖存器74LS373來完成這一功能。 74LS373為八D鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性)。373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結構形式當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當OE為高電平時，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，O隨數據D而變。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數據電平。 表3-4 74LS373工作參數表 參數 最小值 額定值 最大值 單位 電源電壓 4.75 5 5.25 V 輸入高電平電壓 2 — — V 輸入低電平電壓 — — 0.8 V 輸出高電平電壓 — — －2.6 mA 輸出低電平電壓 — — 24 mA 由表與表比較可以看出，74LS164的輸出條件與74LS373的輸入條件相匹配，理論上可以實現鎖存器對譯碼器的數據鎖存。 第4章 系統(tǒng)軟件設計 43B4.1系統(tǒng)的程序流程圖 系統(tǒng)程序流程圖如圖4-1所示。 開始 主程序初始化 是否左移 左移初始化 改變顯示速度 左移顯示 是否上移 上移初始化 改變顯示速度 上移顯示 是否閃爍 閃爍初始化 改變顯示速度 閃爍顯示 N Y Y N Y N 圖4-1系統(tǒng)程序流程圖 顯示驅動程序在進入中斷后首先要對定時器T0重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩(wěn)定，1/16掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計算公式如下： 刷頻率（幀頻）=1/16T0溢出率 =1/16f/12（65536-t） 其中f位晶振頻率，t為定時器T0初值（工作在16位定時器模式）。 然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內讀取下一行的顯示數據，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數據的時候產生拖尾現象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等顯示數據打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。圖4-2為顯示驅動程序（顯示屏掃描函數）流程圖。詳細程序見附錄1. 進入中斷 定時器賦初值 讀取行號并增加1 送新行顯示數據 消 隱 切換顯示數據 發(fā)送新行號，打開顯示 退出中斷 圖 4-2 顯示驅動程序流程圖 4.2系統(tǒng)主程序 本文設計的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式，詳細程序見附錄2。 第五章 調試及性能分析 5.1開發(fā)環(huán)境介紹 程序編寫采用Keil 51環(huán)境下調試,Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。 5.2 理論性能分析 LED顯示屏硬件電路只要硬件質量可靠，引腳焊接正確，一般無需調試即可 正常工作。軟件部分需要調試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。顯示屏刷新率由定時器T0的溢出率和單片機的晶振頻率決定，表5-1給出了實驗調試時采用的頻率及其對應的定時器T0初值。 表5-1 顯示平刷新率與T0初值關系表（24MHz晶振） 刷新率 25 50 62.5 75 85 100 120 T0初值 0xec78 0xf63c 0xf830 0xf97e 0xfa42 0xfb1e 0xfbee 從理論上來說，24Hz以上的刷新頻率就能看到穩(wěn)定的連續(xù)的顯示，刷新率越高，顯示越穩(wěn)定，同時刷新頻率越高，顯示驅動程序占用的CPU時間越多。試驗證明，在目測條件下刷新頻率40Hz一下的畫面看起來閃爍較嚴重，刷新頻率50Hz以上的已基本察覺不出畫面的閃爍，刷新頻率達到85Hz以上時再增加畫面閃爍沒有明顯的改善。 這個方案設計的16ｘ16的點陣LED圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無串擾；可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。 5.3 系統(tǒng)調試 調試主要分為硬件調試和軟件調試： 硬件調試：在焊接電路板的時候，應該從最基本的最小系統(tǒng)開始，分模塊，逐個進行焊接測試。在對各個硬件模塊進行測試時，要保證軟件正確的情況下去測試硬件，要不然發(fā)生錯誤時，不知道到底是哪一方出錯了。當然，在設計的過程中也存在著失誤和不足。 軟件調試：軟件部分是先參考書上的例子，然后自己根據硬件電路寫程序，由于以前所學是C語言，所以這個系統(tǒng)在編寫程序過程中都采用C語言編寫。剛剛開始，編寫不會一次性通過，經過仔細分析修改最后編譯成功。但是，在實際寫如S51中，LED顯示屏出現各種各樣的亂碼，通過再次認真仔細分析多次修改程序后，程序能夠正常運行。 第六章 結 論 經過一段時間的工作，終于完成了基于51單片機的LED顯示系統(tǒng)的設計，項目所要求的功能全部達到。通過這次設計收獲頗多，不僅是所作題目涉及到的軟硬件知識還有更為重要的實際經驗和過程中所發(fā)現的問題。 接手題目之后從互聯網上對LED進行了詳細的資料收集，從技術和產業(yè)的兩方面對LED進行了了解。通過了解我認識到LED是一門當今應用非常廣泛的技術，整個產業(yè)每年都會有巨大的產值而且技術還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。 從設計之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實現方法和實際情況設計一款小屏幕的LED點陣顯示屏。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了題目的設計方案。整個設計采用AT89C51做核心控制器，74LS164和74LS373組成譯碼電路。在實現這一設計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經驗和深刻教訓。這些經驗和教訓是： （1）設計之前應該進行大量的資料收集和分析，確定一個清晰的設計思路； （2）器件選擇時要詳細閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實現還要考慮器件在整個系統(tǒng)中的兼容性； （3）硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實物建立之前最好進行仿真這樣才能為軟件提供一個可靠的試驗平臺； （4）軟件的編寫不但要實現功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。 隨著課題的進行，對LED的了解也越來越深入。認為LED技術也會進一步發(fā)展，LED應用將會更加廣泛?？梢栽O想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術相結合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。 設計結束了，但學習還在繼續(xù)。我相信通過此次設計所得到的知識、心得、經驗乃至感受都會讓我在以后的日子里受益匪淺。 第七章 總 結 7.1 工作過程介紹 本文設計的一個室內用16ｘ16的點陣LED圖文顯示屏，能夠在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件少，結構簡單，容易實現，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。 總結本文的研究工作，主要做了下面幾點較突出的工作： 一、通過查閱大量的相關資料，詳細了解了LED的發(fā)光原理和LED顯示屏的原理，了解了LED的現狀，清楚地了解了LED顯示屏與其它顯示屏相比較有那些 優(yōu)點，明確了研究目標。 二，本文設計的LED顯示屏能夠實現在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。 三，文章給出了系統(tǒng)具體的硬件設計方案,硬件結構電路圖，軟件流程圖，程序設計與調試等方面。 四，通過這次畢業(yè)設計，重新復習并進一步學習了MCS-51；熟練掌握了有關軟件的使用。 7.2 系統(tǒng)功能的拓展方向 本設計作品不但可以運用到車站、醫(yī)院等行業(yè)，而且可以通