单片机proteus仿真16乘16led点阵显示设计.docx
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单片机proteus仿真16乘16led点阵显示设计
西北民族大学
单片机课程设计报告
课题名称：
16×16LED点阵显示
学院：
电气工程学院
专业班级：
09级电气工程及其自动化3班
学号：
P0*******9
姓名：
蒋呈
指导老师：
马蕙兰
16*16点阵设计
摘要
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。
单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。
在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字，汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器，广告屏等。
所以研究LED显示有实用的意义。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是：
亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。
现代LED的发展很快，很多研究领域非常已经深刻，所以想利用自己学的单片机知识简单的研究一下用单片机驱动的LED显示汉字，以达到学以致用和实践相结合的目的，同时巩固加深自己的单片机知识。
用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。
因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。
点阵大小可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格，也有单色、双色、和多色几种，最常用的是单色图文屏。
单色屏多使用红色或橘红色或橙色LED点阵单元。
双色图文屏和多色图文屏，在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。
换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。
显示的时候，各颜色的显示点阵是分开控制的。
事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。
每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。
关键词：
LED,单片机,点阵,驱动,矩阵
引言
设计意义
LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
它的优点：
亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。
系统功能要求
设计一个能显示16X16点阵图文LED显示屏，要求能显示图文或文字，显示图文或文字应稳定、清晰，图文或文字显示，以卷帘形式从上到下滚动显示。
方案设计
总体设计
设计论证
图文显示一般有静态和动态显示两种方案，静态方案虽然设计简单，但其使
用的管脚太多，如本设计中16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。
具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
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。
但是，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以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。
这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。
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。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。
经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并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
硬件设计
电源、单片机系统及其管脚
◆电源部分
说明：
此部分为为电源部分。
若电源为家用电源，则需经过降压，整流滤波，稳压等步骤得到一个稳定的5V电压，此电压可作为主电路的电压源。
电路中二极管为电源指示灯。
◆单片机系统及其管脚
常用的时钟电路设计有两种方式,一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。
本实验采用内部时钟方式，将XTAL1与XTAL2之间跨接一个石英晶振和微调电容，从而构成一个稳定的自激震荡器。
电容值取30pF左右，其大小将影响震荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
为减少线间的寄生电容，晶振和电容应尽能安装得与单片机靠近，保证晶振稳定可靠的工作。
另一部分是复位部分。
上电自动复位电路是最简单的复位电路，只需要一个1K左右电阻、一个22pF左右的电容及12MHZ的晶振。
有时还需要按键手动复位，此时只要在电容上并联一个按键即可。
单片机信号输出采用串行输出，因此在下一模块的移位寄存器要与该部分的串行口P3.0（RXD）及P3.1（TXD）相连
其图形如下图
图二单片机管脚图
点阵及其驱动部分
点阵显示用是动的态扫描来实现的。
在采用扫描方式显示时，由于每行要带动十六个二极管，每行电流较大。
若每个二极管安5mA计算，十六个二极管就得80mA电流，超出单片机管脚的承受范围，因此每行都加有一个驱动器，本设计的行驱动用的是十六个pnp型三极管。
三极管的发射极接5V电压，集电极接点阵的行线，而其基级本应接单片机，但该接线方式占用为了16个单片机管脚，为了节省单片机管脚，用了一片74LS154译码器,这样就只需要3个管脚了。
74LS154的管脚图及其说明如图三。
点阵及其驱动部分总体接线图如图五（未画完整）
各行的同名列共用一个列驱动，数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式存放。
由于列线过多，故多采用串行传输。
由于每次要传输16位，而且数据要逐位输给驱动器，只有当一行中各列数据都已传输到位后，这一行的各列才能进行并行显示，耗时较长。
为了满足以上要求，驱动选择74LS595移位寄存器。
74HC595是硅结构的CMOS器件，。
74HC595是有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SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
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。
其特点：
8位串行输入/8位串行或并行输出存储状态寄存器，三种状态;输出寄存器可以直接清除100MHz的移位频率。
输出能力：
并行输出，总线驱动；串行输出；标准中等规模集成电路。
74LS595的管脚图及其说明如图四。
对3个输入信号进行译码。
得到8个输出状态。
G1,G2A,G2B,为数据允许输出端，G2A,G2B低电平有效。
G1高电平有效。
A,B,C为译码信号输出端，Y0~Y7为译码输出端，低电平有效
图三74LS154管脚图
管脚及其说明：
QA--QH:
八位并行输出端。
QH':
级联输出端。
SI:
串行数据输入端。
74595的控制端说明：
/SCLR（10脚）:
低点平时将移位寄存器的数据清零。
SCK（11脚）：
上升沿时数据寄存器的数据移位。
QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。
（脉冲宽度：
5V时，大于几十纳秒就行了）
RCK（12脚）：
上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。
（5V时，大于几十纳秒就行了），更新显示数据。
/G（13脚）:
高电平时禁止输出（高阻态）。
如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。
比通过数据端移位控制要省时省力。
图四:
74LS595管脚图
软件设计
本软件要求实现如下要求：
汉字要稳定、明亮并且文字要以一定速度下降滚动显示。
显示屏软件模块：
初始化程序、主程序、多字滚动、显示程序、扫描程序。
显示程序的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。
软件设计中，显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。
显示驱动程序负责向屏体送显示数据，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。
显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。
系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。
4.1显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频）=1/16×T0溢=1/16×f/12（65536-t）
其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
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。
图六为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图
图六
系统主程序
本设计的系统软件能使系统LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出”效果显示图形，停留约几秒；接着向上滚动显示“--------”这几个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。
由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。
单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。
如果想改变些事内容，先用字模产生字代码，将用这段代码覆盖原来的代码，即可显示你想要的内容。
图七是系统主程序流程图
系统调试
◆调试主要分为硬件调试和软件调试：
硬件调试：
在焊接电路板的时候，应该从最基本的最小系统开始，分模块，逐个进行焊接测试。
在对各个硬件模块进行测试时，要保证软件正确的情况下去测试硬件，要不然发生错误时，不知道到底是哪一方出错了。
当然，在设计的过程中也存在着失误和不足，在调试中进行修改了。
焊接完成后，检验点阵、及线路的好坏：
烧进检验程序，点阵将自第一排向下（上）点亮。
检验无异常，下载主程序
◆软件调试：
软件为老师所提供提供，其原理在上一模块以作说明，在这里
再作说明，软件经调试无误，直接将其下再到单片机中，看是否达到所要的效果
软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，
由于以前所学是单片机汇编语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用汇编语言编写。
刚刚开始，编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。
但是，在实际写如S51中，LED显示屏出现各种各样的乱码，通过再次认真仔细分析多次修改程序后，程序能够正常运行
源程序
#include
sbitR=P2^0;//数据输入
sbitCLK=P2^1;
sbitSTB=P2^2;
charcodetable[]={
0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x08,0x20,0x08,0x20,0x08,0x30,0x38,0x28,0x48,0x24,0x48,0x24,
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0x80,0x20,0x80,0x20,0xF8,0x3F,0x08,0x20,0x08,0x20,0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x00,0x00,/*"民",2*/
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0x06,0xC0,0x08,0x20,0x10,0x10,0x20,0x08,0x40,0x04,0x40,0x04,0x80,0x02,0x80,0x02,
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