学位论文基于51单片机的点阵仿真设计.docx

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学位论文基于51单片机的点阵仿真设计

毕业论文

院系：

机械与电子工程学院

题目：

基于51单片机的点阵仿真设计

班别：

11应电2班

姓名：

林圭荣

学号：

0501110208

指导教师：

王海峰

广东科学技术职业学院

二O一三年三月

车间5S管理

摘要：

本文以51单片机AT89C52为核心控制器，在PROTUES仿真软件中利用74HC154译码器控制点阵显示屏的行选，75HC595移位寄存器控制点阵显示屏的列选，从而对点阵显示屏进行静态显示和动态显示的设计；同时利用时钟芯片DS1302的计时能力和数字温度传感器DS18B20控温能力,在点阵屏上显示当前时间和日期和温度。

利用按键控制单片机的中断，就可以随时切换点阵显示屏上的静态显示和动态显示。

单片机控制程序采用单片机C51语言在KEIL软件上进行编辑，通过编程控制对应LED点阵阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制对应LED的亮灭。

文中详细介绍了LED点阵的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。

关键词：

AT89C52；16*64点阵；DS1302；DS18B20;

BasedonSCMmatrixsimulationdesign

ABSTRACT：

TakingAT89C52asthecorecontroller,using74HC154decodercontrollatticerowselection,75HC595shiftregistercontrollatticecolumninthePROTUESsimulationsoftware,whichisdesignedandthedynamicdisplaystaticdisplayonthelattice;Atthesametime,theuseoftheclockchipDS1302timingabilityanddigitaltemperaturesensorDS18B20temperaturecontrolcapability,inthebitmapscreendisplaythecurrenttimeanddate.Usingthekeysofsinglechip,controlcankeepswitchinginterruptthestaticscreendotmatrixdisplayanddynamicdisplay.SCMcontrolprogramUSESthemonolithicKEILsoftwareonC51languageinediting,throughtheprogrammingcontroleveryshowsomecorrespondingofLEDdotmatrixanodeandcathode,caneffectivelycontrolthevariousdisplaypointkillbright.ThispaperintroducesindetailtheLEDdotmatrixdisplayhardwaredesign,hardwarecircuitofeachpartofthefunctionandprinciple,thecorrespondingsoftwareprogramdesign,aswellastheuseandso.

Keywords:

AT89C52;16*64matrix;DS1302;DS18B20;

第一章绪论

§1．1LED显示屏的发展概况

当前世界，信息化建设在各地的蓬勃发展，作为信息发布的终端设备，LED显示屏已经广泛应用于工作和生活各方面，主要用于显示文字，图像、动画等。

LED显示屏的应用涉及社会的许多领域。

现在市面上已出现很多有关LED显示器的商品，如广告活动字幕机、股票显示板、活动布告栏等。

它的优点是可按需要的大小、形状、单色、或彩色来组合，可与微处理器连接，做各种广告栏或图形变化。

我国LED点阵显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。

LED是发光二极管的简称（LightEmittingDiode）。

由于它具有亮度高、响应速度快、低电压、功耗小、耐震动、寿命长等优点，使其成为室内外信息显示终端的主要发光器件。

LED显示屏是将LED模块按照实际需要大小拼装排列成矩阵，配以专用显示电路，MCU，直流稳压电源，软件，框架及外装饰等，即构成一台LED显示屏。

LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件，由于其亮度高画面清晰，色彩鲜艳，它在公众多媒体显示领域一枝独秀，因此市场空间大。

LED显示屏的发展可以分为以下几个阶段：

第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。

用于显示文字和简短图片，主要用于车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。

第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。

视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。

LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。

第三阶段从1999年开始，红、绿、蓝三原色LED大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。

LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。

多年来，研究此项目的工程技术人员曾为简化电路、提高可靠性、降低成本，付出了很大的努力，做出不少成绩。

如今，美观、价廉、体积小、高可靠性LED点阵显示屏的出现，为这一领域的技术打开了新的天地。

§1．2课题研究意义

电子技术迅速发展，LED点阵显示屏作为现代信息的重要媒体，在金融和证券、体育、机场等许多领域中得到广泛的应用。

因此点阵显示屏的研制，生产也得到迅速发展，并逐步形成产业，成为光电行业的新兴产业领域。

我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求。

LED显示屏的研究意义也尤为明显：

一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三是提高空间利用率。

现代社会智能化日渐普遍，使用单片机实现对电路的控制是时代的要求。

因此基于单片机的LED点阵系统不仅在当代社会有着非常大的用途，其应用前景也十分广阔。

可以相信，LED点阵显示屏以其寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易于操作安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。

目前，LED点阵显示屏的发展到今天已经从模拟化、数字化迈进集成化LED系统。

它的最大优点在于采用AT89C52掉电工作方式构成高可靠、低功耗系统方法。

在单片机程序设计中，采用"模块化"思路，设计中大量硬件尽量用软件代替，从而简化了系统结构，减少电子元件虚焊，接触不良和漂移等引起的一些故障，而且使用方便，只须改变软件中几条程序指令即可。

LED点阵显示屏正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、全彩色化方向发展。

作为当代大学生，学习先进的点阵技术刻不容缓，为了以后国内LED点阵显示屏的发展和应用，必须开始研究点阵的基本知识和技术，从基本的最简单的开始。

另外，Proteus是世界上著名的仿真软件，实现了电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

采用Proteus仿真软件实现16*64点阵LED显示屏具有一定的应用价值。

第二章系统整体设计方案

§2．1系统硬件方案

本文设计为基于单片机的点阵仿真设计，系统的整体硬件设计可分为以下模块：

核心控制及按键控制模块，LED点阵显示模块，时钟显示模块，温度传感器模块等。

通过这些模块的合理搭建，实现可以控制点阵屏幕显示文字，时间，日期温度等，并可以用按键切换显示内容。

现在对各模块的可行方案进行比较、论证。

从中选取合适的方案进行设计。

2.1.1核心控制及按键模块

方案—：

采用AVR单片机控制

AVR单片机是增强型内置Flash的RISC（精简指令集）高速8位单片机。

该单片机功能强大，具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗等优点，但其价格比其它单片机相对要高，加上AVR的编程逻辑运算比较复杂，所以对AVR单片机熟悉程度不高，因此不选用。

方案二：

采用51单片机控制

采用AT89C52芯片，它除了具备AT89C51的所有功能与部件外，其最大的优势就是AT89C52提供了8K字节可擦写Flash闪速存储器空间、8个中断源、及256*8字节内部存储器（RAM），解决了我们对可反复擦写的Flash闪速存储器空间大小与中断源的不够问题的担心，性价比也比较高，编程比较容易。

此单片机在电子行业中有着广泛的应用，因此我们选有此芯片控制本次设计。

按键模块我个人决定采用新设计理念，就是采用4个独立按键直接与单片机I/O口相连，实现8种控制效果。

这虽然是本次设计的编程难点，但也是创新的亮点。

2.1.2LED显示模块

本次设计是采用Proteus软件进行本次的仿真设计，因此Proteus软件中只有5×7和8×8等LED点阵，并没有16×64LED点阵，而在实际应用中，要良好地显示一个汉字，则至少需要16×16点阵。

所以我用4个8×8组成一个16×16的LED点阵,再用同样的4个16×16LED点阵组成一个16×64的LED点阵显示屏，以完成本设计的显示任务。

2.1.3时钟模块

方案—：

采用软件编程实现

直接采用单片机定时计数器提供的秒信号，使用程序实现年、月、日、周、时、分、秒计数。

采用此种方案可减少芯片的使用，节约成本，实现的时间误差较小，在软件中比较容易仿真，但程序设计较为复杂。

方案二：

采用DS1302时钟芯片实现

DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,256位的RAM作为数据暂存区，工作电压2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA。

且硬件电路连接较为简单，程序设计容易实现。

2.1.4温度传感器模块

直接采用DS18B20温度芯片实现温度的采集与传送，DS18B20主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，用于的温度采集与传送是很好的选择。

§2.2系统软件方案

系统的编程环境采用KEILuVision4，它是目前使用广泛的单片机开发软件，它集成了源程序编辑和程序调试于一体，支持汇编、C、PL/M语言。

C52单片机可以应用汇编语言和C语言进行编程。

汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最近机器码的一种语言。

主要优点是占用资源少、程序执行效率高。

但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。

C语言是一种结构化的高级语言。

其优点是可读性好，移植容易，是普通使用的一种计算机语言，缺点是占用资源较多，执行效率没有汇编高，本设计使用的是C语言。

第三章系统硬件设计

§3.1硬件整体设计总框图及功能分析

本文以51单片机AT89C52为核心控制器，在PROTUES仿真软件中利用74HC154译码器控制点阵显示屏的行选，75HC595移位寄存器控制点阵显示屏的列选，从而对点阵显示屏进行静态显示和动态显示的设计；同时利用时钟芯片DS1302的计时能力和数字温度传感器DS18B20控温能力,在点阵显示屏上显示当前时间和日期和温度。

利用按键控制单片机的中断，就可以随时切换点阵显示屏上的静态显示和动态显示。

显示的内容有文字、时间、日期、温度等。

显示的效果有上下左右滚动。

§3.2控制模块的设计

3.2.1AT89C52的简介

设计采用AT89C52为主控制芯片，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

（注意）关于单片机知识这里不再赘述。

3.2.2控制按键的设计

关于控制按键的设计，这次采用新设计理念，就是采用4个独立按键直接与单片机的P1口相连，利用按键控制单片机的中断，就可以随时切换点阵显示屏上的静态显示和动态显示。

每个按键有两种控制功能，根据每个按键的按下去的时间长短判别按键按下实现哪种控制效果。

这虽然是创新的亮点，节省单片机I/O的资源，但也是本次设计的编程难点。

各控制按键的功能：

复位按键是控制单片机的复位，使单片机初始化；当长按下功能按键后就可以对年、月、日、时、分、秒、温度等进行选择调整；LOGO/加一按键只有在功能键被按下进入调整模式时，是实现对应的数值加一功能，否则按下是实现当前显示内容切换为LOGO显示；温度/减—按键只有在功能键被按下进入调整模式时，是实现对应的数值减—功能，否则按下是实现当前显示内容切换为室温显示。

滚动显示/确认按键在功能键被按下进入调整模式时是实现数值调整完后的确认功能，当你短促按下这个按键可以实现滚动显示时间、日期、温度等内容。

按下的时间长一点，将进入诗歌滚动显示功能。

单片机最小系统和按键电路图如图3.2-2所示：

§3.3LED点阵显示模块的设计

本次设计是采用Proteus软件进行仿真设计，因此Proteus软件中只有5×7和8×8的LED点阵，并没有16×64的LED点阵，所以必须从8×8的LED点阵开始研究。

8×8单色点阵共需要64个发光二极管组成，且每个二极管是放置于行线与列线的交叉点上。

8×8单色LED结构如3.3-1所示：

图3.3-18×8点阵外观及引脚图图3.3-28×8单色点阵内部图

汉字显示屏用于显示汉字、字符及图像信息，在公共汽车、银行、医院及户外广告等地方都有广泛的应用。

下面是简单的汉字显示屏的制作，由单片机控制汉字的显示内容。

为了降低成本，使用了四块8×8的LED点阵发光管的模块，组成了一个16×16的LED点阵显示屏，如图下所示。

图3.3-3四块8×8的LED点阵组成16×16的LED点阵

LED点阵屏的显示原理：

点阵内部结构及外形如图3.3-2所示。

8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。

一般我们使用点阵显示汉字是用的16*16的点阵宋体字库，所谓16*16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。

也就是说得用四个8*8点阵组合成一个16*16的点阵。

要显示“你”则相应的点就要点亮，由于我们的点阵在列线上是低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字的话，它的位代码信息要取反，即所有列（13~16脚）送（111101*********1，0xF7，0x7F），而第一行（9脚）送1信号，然后第一行送0。

再送第二行要显示的数据（13~16脚）送（111101*********1，0xF7，0x7F），而第二行（14脚）送1信号。

依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用，这样送16次数据扫描完16行后就会看到一个“你”字；第二种送数据的方法是字模信号送到行线上再扫描列线也是同样的道理。

同样以“你”字来说明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（0000000000000000，0x00，0x00）而第一列（13脚）送、“0”。

同理扫描第二列。

当行线上送了16次数据而列线扫描了16次后一个“你”字也就显示出来了。

16×64点阵显示如图3.3-4所示：

连线方法：

点阵的行选D0-D15与74HC154的Y0到Y15相连，点阵列选8o[0..7]-1o[0..7]与8个74HC595的Q0到Q7相连。

§3.4LED点阵驱动模块的设计

LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样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，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阳极连在一起（采用共阳极接法），先送出对应第1行发光管的显示数据并锁存，然后选通第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，然后选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭；送至第16行之后，又重新点亮第1行，反复循环。

当这样循环的速度足够快（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。

采用74HC154芯片作为行选驱动，该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。

显示数据传输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已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。

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。

采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾，可以采用重叠处理的方法。

即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。

为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要有锁存功能。

对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能。

这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串行移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

因此本次设计列驱动采用74HC595串入并出移位锁存器驱动，由于是16×64的LED点阵，有64列，所以需要8个74HC595级联，构成列驱动模块。

点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式：

（1）点扫描；

（2）行扫描；

（3）列扫描；

若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16×64=1024Hz，周期小于1ms即可。

若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。

此外一次驱动一列或一行时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。

本次基于仿真所以没有加电流驱动电路。

本次设计采用逐行扫描法。

每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均由256个点阵来表示，我们可以把每一个点理解为一个像素。

一般我们使用的16×16的点阵宋体字库，即所谓的16×16是每一个汉字在纵横各16点的区域内显示的。

汉字库从该位置起的32字节信息记录了该字的字模信息。

事实上不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。

3.4.174HC154行驱动模块的设计

74HC154是一个4线—16线译码器,本设计中以控制点阵的行选。

单片机的P2.0-P2.3口分别与74HC154的A、B、C、D口相连，在G1和G2都为低电平是A、B、C、D口分别接受单片机的高电平时74HC154的YO-Y15口就输出相应的高低电平。

模块电路图如右图3.4-1所示。

74HC154真值表：

3.4.274HC595列驱动模块的设计

74HC595是一个串入并出锁存芯片,本设计中用它控制点阵的列选。

当SH_CP为一个上升沿的时候利用P2.5口串行输入到74HC595中以控制点阵的每一个列，8个74HC595有8个并行输出口，用8个74HC595正好组成64个驱动列。

74HC595的简介：

74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。

74HC595是具有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分别的时钟。

数据在SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入到存储寄存器中去。

如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是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’），和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。

74HC595驱点阵列的电路如图3.4-3所示：

图3.4-374HC595驱动电路

§3.5DS1302时钟模块的设计

（一）本设计采用美国DALLAS公司推出的DS1302时间芯片，它具有以下特性：

✧工作电压为2.5V～5.5V；

✧一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路；

✧DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器；

✧它可以对年、月、日、周日、时、分、秒等进行计时，具有闰年补偿功能；

✧采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据；

✧DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力；

（二）主要引脚功能及结构

✧Vcc1为后备电源，VCC2为主电源：

在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。

当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。

当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。

✧X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。

✧RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。

RST输入有两种功能：

首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。

当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。

如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。

上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。

只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。

✧SCLK为时钟输入端。

✧I/O为串行数据输入输出端（双向）。

图3.5-1DS1302芯片管脚分布图

（三）DS1302也有属于它的基本时序，如果弄错时序图，就不能很好的实现实时功能，甚至会乱码，要用好DS1302，就一定要很好的理解它的时序图，是否能很好的理解DS1302的时序，是决定DS1302能否清晰字符的关键所在，DS1302在使用过程中包括两个基本时序，就是读操作时序和写操作时序，读写操作时序分别如图3.5-2和3.5-3所示：

图3.5-2DS1302读时序

图3.5-3DS1302写时序

§3.6DS18B20温度采集模块的设计

（一）本次设计温度的采集功能是通过DS18B20数字温度传感器