8X8LED点阵显示器的设计.docx

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8X8LED点阵显示器的设计

课程名称：

自动控制课程设计

设计题目：

8×8点阵LED显示器的设计

院系：

专业：

年级：

姓名：

指导教师：

西南交通大学峨眉校区

年月日

课程设计任务书

专业姓名学号

开题日期：

2010年7月14日完成日期：

2010年7月22日

题目8×8点阵LED显示器的设计

一、设计的目的

进一步加强对理论知识的理解运用,结合实际情况解决现实问题。

增强自身动手能力，学会分析问题、解决问题的能力。

通过设计更好的理解51单片机的性能、各个接口，以及工作特性；学会LED的工作原理。

二、设计的内容及要求

在点阵LED显示器的设计过程中，保证字符稳定显示不产生抖动具有重要意义。

 点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为点扫描、行扫描和列扫描三种方式。

点扫描的扫描频率必须大于16×64=1024Hz，周期小于1ms。

行扫描和列扫描方式的扫描频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms，才能符合视觉暂留要求。

此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。

三、指导教师评语

四、成绩

指导教师（签章）

年月日

第一章概述………………………………………………………1

1.1LED的发展史…………………………………………………1

1.2研究LED显示器的意义……………………………………2

1.3本设计的主要研究内容……………………………………2

第二章AT89C52单片机……………………………………………4

2.1单片机的简介………………………………………………4

2.1.1单片机发展概述…………………………………………4

2.1.2单片机的应用领域………………………………………5

2.2AT89C52单片机简介……………………………………6

2.2.1功能特性概述……………………………………………6

2.2.2引脚功能说明……………………………………………7

2.2.3特殊功能寄存器…………………………………………9

2.3单片机的最小应用系统……………………………………10

2.3.1单片机的时钟电路…………………………………10

2.3.2复位电路……………………………………………11

2.3.389C2052单片机的最小应用系统…………………………11

第三章8*8LED点阵……………………………………………12

3.1LED点阵的内部结构…………………………………12

3.2点阵LED的工作原理……………………………………12

3.3点阵LED扫描法…………………………………………13

第四章硬件电路设计……………………………………………14

4.1电源电路……………………………………………………14

4.2显示方式控制电路………………………………………15

4.3显示电路……………………………………………………16

4.4驱动电路……………………………………………………17

第五章系统软件设计……………………………………………18

5.1软件流程设计……………………………………………18

5.2显示程序……………………………………………………18

第六章结论………………………………………………………20

致谢………………………………………………………………21

参考文献……………………………………………………………22

附录一系统程序…………………………………………………23

附录二8*8点阵LED字符的显示器的电路图……………………30

摘要

生活中可视广告随处可见，大多采用LED显示屏。

随着商业社会的发展，LED点阵屏幕显示器的用途也越来越广泛。

设计一种以单片机系统组成的8*8点阵LED点阵显示屏。

LED显示屏主要由电流驱动电路及LED点阵阵列、控制系统组成。

在本系统中，将以LED显示模块、AT89C52单片机为基础制作一个8x8点阵LED字符的显示器，设计中实现的显示方式有逐字显示方式，向上滚动显示方式，向左滚动显示方式三种。

8*8LED屏的显示电路和单片机AT89S52控制电路为核心，单片机将会控制点阵显示屏的显示内容和显示形式。

该系统具有运行可靠、安全、节能、成本低、使用方便等特点。

关键词：

LED、点阵、单片机AT89S52、驱动。

第1章概述

1.1LED的发展史

1923年，罗塞夫在研究半导体，研制出了发光二极管led（lightemittingdiode）,随着电子工业的快速发展，二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。

60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。

磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。

LED采用双层磷化镓片发出黄色光。

就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。

尽管它不如欧洲的LED高效。

但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到20世纪90年代早期，采用铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。

第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。

超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。

就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。

有科学思想的读者到现在可能会意识到LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。

事实上，最近开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光。

那么LED发展史到低能走多远，不得而知。

也许某天就能开发出能发X射线的LED。

然而，LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，像计算机一样，遵守摩尔定律的发展。

每隔18个月它的亮度就会增加一倍。

早期的LED只能应用于指示灯、早期的计算器显示屏和数码手表。

而现在开始出现在超亮度的领域。

将会在接下的一段时间继续下去。

例如，到2005年美国所有的交通信号指示灯将被LED所取代；美国汽车产业也会于十年内停止使用白炽灯而采用LED灯，包括汽车前灯。

大多数的大型户外显示屏也采用成千上万LED以便产生高质量视频效果。

不久，LED将会照亮我们的家、办公室甚至街道。

高效节能的LED意味着太阳能充电电池能够通过太阳光为其冲电。

从而能够把光源带到第三世界及其他没有电能的地方。

曾经暗淡的发光二极管现在真正预示着LED新时代的来临。

LED之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身有很多优点。

例如：

亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定，其发展前景极为广阔。

目前正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀性、全色化发展。

1.2研究LED显示器的意义

LED显示器是随着计算机及相关的微电子﹑光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。

它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在金融证券、体育、机场、交通、商业、广告宣传、邮电电信、指挥调度、防军事等许多领域中得到了广泛应用。

因此点阵式显示器件的研制、生产也的到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。

LED电子显示器作为一种现代电子媒体，以其灵活的显示面积（可分割、任意拼装）、高亮度、长寿命、大容量、数字化、实时性的特点，是其他任何一种媒体所不可替代的。

它充分运用现代信息技术，将声、光、电、机等学科整合并完美组合、集视频、动画、字幕、图片于一体的高科技信息发布的终端产品。

LED显示器还可延伸到网络、通讯、综合布线、监控、广播等弱电系统。

LED显示屏的应用已经十分广泛，在体育场馆，大屏幕显示系统可以显示比赛实况及比赛比分、时间、精彩回放等；在交通运输行业，可以显示道路运行情况；在金融行业，可以实时显示金融信息，如股票、汇率、利率等：

在商业邮电系统，可以向广大顾客显示通知、消息、广告等等。

据调查显示，人们接收的信息有2／3的信息是通过眼睛取得的。

显示技术还应用于工业生产、军事、医疗单位、公安系统乃至宇航事业等国民经济、社会生活和军事领域中，并起着重要作用，显示技术已经成为现代人类社会生活的一项不可或缺的技术。

1.3本设计的主要研究内容

当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为现代信息显示的重要媒体也的到了迅速的发展。

随着社会经济的迅猛发展，工业生产逐渐实现了自动化，其中，设备的工作状态和生产过程状态的显示与监控起到了非常重要的作用，对于那些需要显示的信息量不是很大，分辨率不是很高，又需要制造成本相对比较低的场合，使用大、小屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的，他可以显示字符、数字、汉字和简单图形，可以根据需要使用不同字号、字型，显示亮度较高，并且对环境条件要求比较低。

LED显示可以按照需要的大小、形状和颜色进行组合，并用单片机控制实现各种文字或图形的变化，达到宣传和提示的目的。

因此，作为本次设计的显示器LED显示模块在多方面的比较中较为适合。

所以本次设计将以LED显示模块、AT89C52单片机为基础制作一个8x8点阵LED字符的显示器，设计中实现的显示方式有逐字显示方式，向上滚动显示方式，向左滚动显示方式三种。

第2章AT89C52单片机

本次设计的8x8点阵LED字符显示器是用利用AT89C52单片机对整个系统进行总体控制，本章主要介绍AT89C52单片机。

2.1单片机的简介

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

2.1.1单片机发展概述

1946年第一台电子计算机诞生至今，只有50年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管——晶体管——集成电路——大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。

特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。

单片机诞生于20世纪70年代，所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit,也即常称的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上。

   80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

 1982年以后，16位单片机问世，九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。

美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。

PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

 1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。

单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。

有8位、16位甚至32位机，但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。

而INTEL公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。

2.1.2单片机的应用领域

 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用

    单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用数字电路更加强大。

2.在工业控制中的应用

    用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用

    可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用

   现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.单片机在医用设备领域中的应用

    单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2.2AT89C52单片机简介

AT89S52是美国ATMEL公司生产的低功耗,高性能的CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,与标准MCS-51指令系统及80C51引脚兼容,芯片内集成了通用8位中央处理器（CPU）和ISPFlash存储单元。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,并且具有逻辑加密的功能,AT89S52单片机适用于较为复杂的控制应用场合,芯片引脚如图2.1所示。

图2.1AT89S52芯片引脚图

2.2.1功能特性概述

AT89C52提供以下标准功能：

8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

主要性能参数：

（1）、与MCS－51产品指令和引脚完全兼容 。

（2）、8k字节可重擦写Flash闪速存储器。

（3）、1000次擦写周期 。

（4）、全静态操作：

0Hz—24MHz 。

（5）、三级加密程序存储器 。

（6）、256×8字节内部RAM 。

（7）、32个可编程I/O口线 。

（8）、3个16位定时/计数器 。

（9）、8个中断源 。

（10）、可编程串行UART通道。

（11）、低功耗空闲和掉电模式 。

2.2.2引脚功能说明

如上图2.1所示该为40角的双排直插式的单片机。

说明如下：

Vcc是电源电压；

GND是接地；

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

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，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2.1。

表2.1　P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX＠DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX＠RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上位电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表2.2所示。

此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

表2.2P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

RST是复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。

ALE/PROG接口是当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN接口是程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次RSEN信号。

EA/VPP接口是当外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH）时，EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

XTAL1为振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2为振荡器反相放大器的输出端。

2.2.3特殊功能寄存器

AT89C52片内存储器中，80H－FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址映像如表2.3所示。

并非所有的地址都被定义，从80H－FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是元效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，则于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

表2.3AT89C52SFR映像及复位状况

2.3单片机的最小应用系统

从上述引脚说明可看出,AT89C2052没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2052构成的单片机应用系统不能在AT89C2052之外扩展存储器或I/O设备,也即AT89C2052本身即构成了最小单片机系统。

2.3.1单片机的时钟电路

时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式：

一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。

本文用的是内部时钟方式。

电路利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引线上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。

最常用的是在XTAL1和XTAL2之间连接晶体振荡器与电容构成稳定的自激振荡器。

晶体可在1.2~12MHz之间选择。

AT89C52单片机在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz的石英晶体，而12Hz频率的晶体主要是在高速串行通信情况下才使用。

对电容值无严格要求，但它的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。

AT89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

2.3.2复位电路

MCS-52单片机的复位是靠外部电路实现的。

MCS-52单片机