基于51单片机的LED点阵显示屏系统的设计与实现.docx
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基于51单片机的LED点阵显示屏系统的设计与实现
基于51单片机的LED点阵显示屏系统的设计与实现
摘要：
本文介绍了一款以单片机AT89S51为控制器的LED点阵显示屏系统的设计。
该系统可实现中英文字符的显示和动态特效显示。
并且可以通过级连的方式来扩大显示屏幕的尺寸以达到增加显示内容的目的。
系统采用PC机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储的显示代码，AT89S51单片机接收并处理PC机的控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一个16×16分辨率的LED点阵显示屏的扫描显示。
PC机与单片机之间的通信采用RS—232C通信标准来实现。
所选用的AT89S51单片机具有价格低廉程序写入方便的特点使得整个系统方便维护和检修。
除此之外，该系统只占用了单片机少量的I/O口和内存，为系统留下了功能扩展的空间。
关键字：
AT89S51；LED点阵显示；串行通
对设计题目的特点，作者对论文的内容和结构将做如下安排：
（1）初步方案的论证和选择
搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。
最终选定了以PC机为上位机，单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的设计方案。
（2）方案实现
以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。
经过对比选择选定AT89S51单片机为核心控制器件，由串并转换器74LS164和锁存器74LS373为译码电路器件，三极管8550和ULN2803为驱动电路器件。
论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。
（3）软件编写
根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。
程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。
然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。
（4）验证与测试
调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。
在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。
在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。
通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。
（5）结论
设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。
第2章方案论证与选择
2.1系统硬件方案
大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。
为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。
硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。
如图2-1所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。
上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式[3]。
图2-1系统硬件组成框图
控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。
其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。
几种设计方法比较各有其特点：
（1）单片机
单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。
它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器（MCU）。
单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。
它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。
除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。
随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS过渡。
供电电压由5V降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至μA，这在便携式产品中大有用武之地[4]。
（2）DSP芯片
DSP又叫数字信号处理器。
顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。
现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。
将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。
DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令，速度慢。
而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320系列的FIRS，LMS，MACD指令等[5]。
（3）EDA
EDA（即ElectronicDesignAutomation）即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。
设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述，借助EDA工具就可得到设计结果,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。
由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，软件编写可以采用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。
而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。
三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。
现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。
其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。
且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。
当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。
所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。
通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。
因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。
计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。
（1）并行通信
并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。
并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。
（2）串行通信
串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。
在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据是并行的。
因此，当计算机向外发送数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。
反之，又必须将串行数据转换为并行数据输入计算机中。
这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。
单由软件实现会增加CPU负担，降低其利用率，故目前常采用硬件实现。
通用的通用异步接收/发送器，简称UART（UniversalAsynchromousReceeiver/Trabsnitter）是完成这一功能的硬件电路。
在单片机芯片中，UART已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口[6]。
综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的UART已经集成在单片机内，所以通信系统选择串行通信为通信方式。
显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。
由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。
LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。
构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图2-2所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。
目前市场上普遍采用的点阵模块有8×8、16×16几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。
这就加大了维修的成本。
两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。
为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。
所以构建一个16×16的LED点阵屏选用四块8×8点阵模块。
图2-2LED点阵图
一个16×16的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。
经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。
常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。
51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达２０ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μＡ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。
在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路[7]。
最终方案如图2-3所示，以PC机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块8×8LED点阵模块构成的16×16的LED点阵显示屏。
题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。
图2-3硬件设计方案
2.2系统软件方案
软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。
设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种特效显示子程序，通信程序三个主要部分组成。
具体结构如图2-4所示。
图2-4软件功能结构框图
软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。
编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。
最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。
第3章系统硬件设计
3.1硬件整体设计概述及功能分析
显示系统具体设计主要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和16×16的点阵屏六部分组成。
具体工作流程为：
上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示内容[11]。
根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。
通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图3-1所示。
图3-1硬件原理图
控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。
AT89S51的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的IO口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。
根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-2所示。
端口30，EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
因为没有扩展外部程序存储器所以将EA置为高电平。
图3-2控制部分电路图
由于P3口是特殊功能口，在该系统中基本是采用其第二功能。
其第二功能和实际运用如表3-1所示：
表3-1AT89S51P3口第二功能的应用
端口
第二功能
实际作用
P3.0
RXD（串行输入口）
与上位机通信的数据输入口
P3.1
TXD（串行输出口）
与上位机通信的数据输出口
P3.2
外部中断0
做按键中断，控制显示状态
P3.3
外部中断1
做按键中断，控制运行模式
AT89S51单片机的P1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，P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。
所以P1和P2口留为外部数据存储器和程序存储器的扩展用，以备内部存储器和程序存储器不够用的情况时使用[12]。
3.3译码电路设计
译码电路的功能是为了解决单片机I/O端口不足。
行译码所用器件为串并转换器74LS164和锁存器74LS373。
具体电路如图3-3所示
图3-3行译码电路图
74LS164
列译码采用的是芯片74LS164。
如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输出来控制16×16的LED点阵屏显示，需要32个端口。
而采用了译码电路后仅仅需要7～9个端口便可实现控制显示。
大大减少了I/O口的占用数目，为单片机扩展其他功能预留下来了空间。
74LS164为一个8位数据的串并转换器。
当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。
串行数据输入端（A，B）可控制数据。
当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。
当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。
表3-174LS164工作参数
参数
最小值
标准值
最大值
单位
高电平输入电压
2
—
—
V
低电平输入电压
—
—
0.8
V
高电平输出电压
2.4
3.2
--
V
低电平输出电压
—
0.2
0.4
V
时钟频率
0
—
25
MHZ
这就要求单片机的引脚输出的高低电平要在芯片的识别范围内，由于采用了列选通行传送显示代码的方法所以行译码电路上也加上了74L373锁存芯片。
这就要求74LS164芯片的输出要满足锁存芯片的高低电平区分范围和频率要求。
74L373
由于74LS164芯片不具有锁存功能，所以在74LS164进行八位数据的串并转换时，串行数据的第一位会从QA依次移位到QH,第二位数据会从QA依次移位到QG，依次类推在八位数据转换完成之前74LS164芯片的输出会出现一段时间的乱序输出，这一结果会通过驱动电路表现在显示屏上。
结果就是显示屏无序导通闪烁，不能显示所需内容。
因此在串并转换完成前就需要74LS164的输出口不与驱动电路导通。
所以选择锁存器74LS373来完成这一功能。
74LS373为八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性）。
373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构形式当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。
当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。
表3-274LS373工作参数表
参数
最小值
额定值
最大值
单位
电源电压
4.75
5
5.25
V
输入高电平电压
2
—
—
V
输入低电平电压
—
—
0.8
V
输出高电平电压
—
—
－2.6
mA
输出低电平电压
—
—
24
mA
由表与表比较可以看出，74LS164的输出条件与74LS373的输入条件相匹配，理论上可以实现锁存器对译码器的数据锁存。
3.4驱动电路设计
发光二极管，LED（LightEmittingDiodes），即是在在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
行驱动采用PNP三极管8550接法如图3-4示：
图3-4行驱动器件8550的接法
8550为PNP型三极管，内部结构如图3-5示。
发射极e接5V电源，基极接译码信号输出端，集电极接输出驱动LED点阵屏。
当译码器端口输出为低电平时，发射极与基极电势差为5V－
基极中带负电的电子越过PN结扩散到发射区。
发射极产生和电子扩散方向相反的电流，由于基极电子大量扩散到发射极集电极电子扩散到基极中形成了电流
。
当译码器端口输出高电平时发射极与基极之间的电势差为5V－
－
，由于发射极与基极之间电势差的减少基极电子向发射极扩散的电子数量减少故集电极电流也随之减少。
故8550在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开关的作用。
图3-58550内部结构图
列驱动采用ULN2803。
ULN2803是一种高电压大电流达林顿管阵列内部结构如图，该阵列中的八个NPN达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路（如TTL,CMOS或PMOS）和大电流高电压的灯，继电器，打印机锤和其他类似负载间的接口的理想器件。
广泛用于计算机，工业和消费类产品中。
所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。
集电极输出功率可达50V×600mA[13]。
ULN2803作为列驱动执行的是列选的工作，当选通的列输入高电平时其对应的输输出低电平。
相对应的输出取反，并能提供较大的灌电流来吸收行驱动流出进过显示屏后的电流。
具体电路如图3-7所示。
图3-7列驱动原理图
3.5通信系统硬件设计
AT89S51单片机具有全双工串行UART通道，支持单片机进行数据的串行传输。
除了单片机要与PC机制定通信协议，确定发送速率外还需要解决的问题就是信号电平问题。
RS-232C标准规定了PC机发送数据总线TXD和接收数据总线RXD采用EIA电平，即传送数字“1”时传输线上的电平在－3～－15V之间；传送数字“0”时，传输线上的电平在＋3～＋15之间。
但单片机串行口采用正逻辑TTL电平，即数字“1”时为＋5V数字“0”时为-5V，所以单片机与计算机不能直接相连进行通信必须将RS-232C与TTL电平进行转换[14]。
在通用的电平转换芯片中MAX232系列的芯片以集成度高，单＋5V电源工作，只需外接5个小电容即可完成RS-232C与TTL电平之间的转换而成为单片机系统中的常用芯片。
在该显示系统中，MAX232为通信系统中最重要的硬件组成部分[15]。
电路如图3-8所示：
图3-8串口通信系统电路图
3.6电源设计
在系统中MAX232、74LS164、74LS373、AT89S51都需要5V的供电电压，在系统开发过程中可以使用电脑USB供电。
在实际的大屏幕LED显示屏设计中，用电脑USB供电明显不切实际。
此时需要对民用的220V进行降压整流为5V直流电压为显示系统供电。
电路图如图3-9所示。
图3-9电源原理图
如图所示，用220V转12V的变压器进行降压后再通过一个桥式整流电路将交流电整流为直流电。
最后通过5V三端稳压模块LM7805得出稳定的5V输出。
3.7级连大屏幕LED显示屏
要实现LED的大屏幕显示主要采用内部译码器级连和多个单片机系统级连的方法。
译码器级连如图3-10所示
将第1个74LS164的Q7端接第2个74LS164的A端，将第2个74LS164的Q7端接第3个74LS164的A端，如此炮制当N块74LS164相级连时就变为一个串行输入7×N口输出的串并转换器。
这种级连的优点在于一块单片机可以同时控制更多的LED点阵显示屏，且74LS164的价格低廉整体成本得到了降低。
但是这种级连方法也存在一定的缺点，51系列的单片机的晶振频率不高74LS164级连过多会增加一次扫描的时间从而导致显示出现闪烁。
从端口输出的显示数据的显示也要作出相应的改变。
图3-1074LSL64级连
构建大屏幕LED显示屏的另一种方法是将以较小的LED显示系统做为模块进行级连。
如图3-11所示，由独立的LED显示系统组成一个大的LED显示系统。
其中各子显示系统之间在功能和控制上都是相互独立的，将一幅大屏幕画面拆分为几块小画面再分别送入到各子系统中，各子系统同步显示便可以得到一幅大的画面。
使用这种级连的办法可以避免51单片机晶振频率低的弱点，更容易实现大屏幕的显示。
但这种方法仍然存在难点，一是各独立的子系统的通信和协调性要求更高了，如果要实现显示内容的实时性必须需要上位机不断更新显示内容则增加了上位机的通信数据量，逐个的单片机传送数据也会影响整个画面的更新速度；二是成本提高了。
图3-11由子系统构建大屏幕LED显示屏
在实际应用中通常采用内部扩展和外部级连联合使用的方法来构建大屏幕LED显示屏幕。
即增加单个显示系统显示屏幕大小的同时又将单个的显示系统级连。
详细硬件原理图见附录1。
第4章系统软件设计
4.1程序设计
系统软件采用C语言编写，按照模块化的设计思路设计。
首先分析程序所要实现的功能，程序要实现串口通信，静态显示，动态显示三大功能。
其功能结构如图2-4所示。
通信程序接收上位机数据，交给主程序处理再通过控制程序选择不同的显示程序进行显示。
主程序的工作流程如图4-1所示：
图4-1主程序流程图
程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：
中断优先级的设定，中断初始化，串行通信时通信方式的选择和波特率的设定，各IO口功能的设定等。
初始化完成后程序进入待机状态等待中断的发生，该程序中主要用到了两个外部中断源和串行中断。
外部中断源由按键的电平变化触发，外部中断主要功能是选择LED点阵显示屏的控制方式是由按键控制还是上位机控制和显示状态是静态显示还是动态显示。
串行中断包括发送中断和接收中断都是由软件触发。
中断产生后由预先初始化时设定跳转执行中断子程序。
中断程序设定了LED点阵显示屏所要显示的内容和显示的方式，最后执行的是各种显示程序。
按照设定的方式和内容显示出所需要的内容。
4.2显示程序的设计
LED显示屏的显示方式
LED点阵屏显示方式主要由静态显示和动态扫描显示两种。
对静态显示来说，每一个发光二极管都需要一套驱动电路，一帧画面输入以后便可一劳永逸地显示，除非我们改变了显示内容，需要重新输出新的点阵数据．这种方式系统原理相对简单一些，但所需的译码驱动装量很多，引线多而繁杂，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也较低．
另一种动态扫描显示是把整个LED屏幕分成若干部分，每一幅画面的显示是显示完一部分后，又显示第二部分……直到显示完最后一部分又重新开始显示第一部分，重复循环进行．在重复扫描速度足够快的情况下，我们看到的就是一幅稳定的画面．也就是说采用动态扫描显示需要不断进行画面的刷新．在这种方式下其显示驱动电路可重复利用，引线也大大减少，从而使硬件成本降低，且屏幕上的发光二极管轮流发光，使用时的耗电量大大降低．大屏幕的制造、维护要容易许多，可靠性也增加了．
两种显示方式的比较再结合51单片机IO口数量有限的原因决定采用动态扫描的方式进行显示。
动态扫描分为行扫描和列扫描两种方式区别在于选通端和数据输入端分别是行还是列。
在该显示系统中扫描显示的工作原理如图4-2所示，先选通列然后再从行送入对应列的数据，这样从第1列到第16列循环往复，只要切换的速度足够的快利用人眼的延时特性就可以看见一幅稳定的画面。
图4
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