1616点阵LED显示屏本科生毕业设计论文.docx
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1616点阵LED显示屏本科生毕业设计论文
16×16点阵LED显示屏
本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）
16*16点阵LED显示屏
是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。
本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。
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特此声明
毕业设计（论文）作者：
指导教师：
褚越强
年月日年月日
摘要
电子显示屏的应用范围越来越广泛，它作为一个重要的宣传平台，已经受到全社会的普遍认可。
本课题以单片机为控制核心，阐述了16*16点阵LED显示屏的设计原理与思路，详细叙述了系统硬件的具体实现过程，通过8*8LED电子显示屏及相关的外围电路，设计制作了一个16*16点阵LED电子显示屏，要求单个16*16系统模块可以单独显示一个汉字，两个16*16模块级联可以显示两个不同汉字。
经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。
关键词8*8点阵LED显示屏单片机PCB
Abstract
Electronicdisplaymoreextensiverangeofapplications,itservesasanimportantadvocacyplatform,hasbeenwidelyrecognizedbythewholesociety.Thetopicstomicrocontrollercore,elaborated16*16dotmatrixLEDdisplaydesignprinciplesandideas,adetaileddescriptionofthesystemhardwarespecificimplementationprocess,throughthe8*8LEDelectronicdisplayandrelatedperipheralcircuits,designa16*16dotmatrixLEDdisplay,requiringasingle16*16systemmodulescanbedisplayedonecharacter,two16*16modulecascadecandisplaytwodifferentcharacters.
Thepracticeprovedthatthesystemdisplayserrorissmall,stableperformance,reasonablestructure,expansioncapability.
Keywords8*8dotmatrixLEDdisplaySCMPCB
16*16点阵LED显示屏
第1章绪论
1.1课题背景及国内外研究概况
随着显示器件与技术的进一步发展，屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用，LED显示屏是信息显示的重要传媒之一。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的显示屏幕。
伴随着计算机技术的发展，使得LED数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。
而且它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适应能力强等特点，所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色，并且在今后相当长的一段时期内还有相当大的发展空间。
所以被广泛应用于金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传。
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。
利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形和图像，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。
近几年来我国LED显示的相关技术也取得了较快和较大的发展，早期时曾因LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。
所以导致早期的LED显示屏在国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点四级调灰，产品的成本比较高。
后来LED显示屏迅速发展，进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED镜片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏的动态显示效果大大提高。
这个阶段，LED显示屏在我国发展迅速，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
今天，LED显示屏应用领域更为广阔，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。
在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。
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。
LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：
（1）证券交易、金融信息显示。
（2）机场航班动态信息显示。
（3）港口、车站旅客引导信息显示。
（4）体育场馆信息显示。
（5）道路交通信息显示。
（6）调度指挥中心信息显示。
（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。
（8）广告媒体新产品等。
1.2研究目的和意义
本课题深刻阐述了LED显示屏的基本显示原理和设计方法，通过研究能够提升对我国LED显示屏这个行业的了解和认识。
目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。
但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此，此课题对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义[1,2]。
1.3论文研究内容与结构安排
本课题研究的内容如下：
Ø单片机控制模块：
采用89C51或其他系列单片机作为控制核心，其它相关的外围电路构成本系统的模块；
Ø显示模块：
显示稳定的文字信息，可以级联显示；
Ø驱动模块：
采用74HC595作为点阵LED显示屏的行列驱动器，对点阵行列进行驱动；
根据上述的研究内容，论文的结构安排如下：
第二章主要阐述系统方案的选择与论证，根据系统要实现的主要功能，把整个系统分为单片机最小系统、硬件系统、软件系统，同时分别对各个模块进行功能阐述与验证；
第三章主要阐述系统硬件电路设计与实现，主要阐述了硬件电路的设计，并对各单元电路中主要元件的结构概念，引脚功能等以及其特点进行介绍和说明。
第四章主要阐述的是系统软件设计，主要是对主程序的结构图和时间的流程图说明。
第五章阐述的是系统调试及结果分析，主要是对硬件和软件测试中遇到的问题和解决方法详细阐述，并对设计过程中的主要注意事项进行说明。
第六章是结束语。
主要阐述在设计过程中的一些心得体会。
第2章系统方案论证与选择
2.1单片机最小系统
2.1.1AT89C51芯片简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的8位FlashROM单片机。
其最突出的优点是片内ROM为FlashROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有在片程序ROM二级保密系统。
因此可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51包含以下一些功能部件：
（1）一个8位CPU；
（2）一个片内振荡器和时钟电路；
（3）4KBFlashROM；
（4）128B内RAM；
（5）可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；
（6）两个16位定时/计数器；
（7）21个特殊功能寄存器；
（8）4个8位并行I/O口；
（9）一个可编程全双工串行口；
（10）5个中断源，可设置成2个优先级。
AT89C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图3-3为其引脚排列图。
40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制各I/O引脚。
一．电源
Vcc——芯片电源，接+5V；GND——接地端。
二．时钟
XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端
图2-1AT89C51引脚图
三．控制线
控制线共有4根，其中3根是复用线。
所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。
1．ALE/
——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。
（1）ALE功能：
用来锁存P0口送出的低八位地址。
AT89C51在并行扩展外存储器时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。
当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是低8位地址信号。
在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。
需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。
但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。
（2）
功能：
片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
2．
——外ROM读选通信号。
89C51读外ROM时，每个机器周期内
两次有效输出。
可作为外ROM芯片输出允许
的选通信号。
在读内ROM或读外RAM时，
无效。
3．RST/VPD——复位/备用电源。
（1）正常工作时，RST端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，AT89C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。
（2）VPD功能：
在VCC掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由VPD向片内RAM供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。
4．
/VPP——内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
（1）
功能：
正常工作时，
为内外ROM选择端。
AT89C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外。
当
保持高电平时，先访问内ROM，但当PC值超过4KB时，将自动转向执行外ROM中的程序。
当
保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。
（2）VPP功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源。
四．I/O引脚
AT89C51有P0、P1、P2、P34个8位并行I/O端口，共32个引脚。
P0口是一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时被外部信号拉低的P1口会因为内部上拉而输出一个电流。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。
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，当使用8位寻址方式（MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容，在整个访问期间不改变。
Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的是它的第二功能[3,4]。
如表2-1所示：
端口引脚
第二功能
P3.0——RXD
串行口输入端
P3.1——TXD
串行口输出端
P3.2——
外部中断0请求输入端
P3.3——
外部中断1请求输入端
P3.4——T0
定时/计数器0外部信号输入端
P3.5——T1
定时/计数器1外部信号输入端
P3.6——
外RAM写选通信号输出端
P3.7——
外RAM读选通信号输出端
表2-1P3各端口第二功能
2.1.2单片机系统外围电路
单片机系统外围电路形式如图3-4所示。
单片机振荡器反相放大器的输入端（XTAL1）和输出端（XTAL2）之间接上12MHz或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。
电容C4、C5是晶振的负载电容，主要起频率微调和稳定的作用。
单片机的串行口工作在方式0下，作为同步移位寄存器使用，端口RXD（P3.0）作为数据移位的输入/输出端，而由TXD（P3.1）端输出移位时钟脉冲。
移位数据的发送和接收均以8位为一帧，不设起始位和停止位，无论输入/输出，均低位在前高位在后。
89C51的通用I/O口P1作为显示数据和二进制行号的公用输出口。
两种数据的输出在时间上是错开的。
P1口的低4位与行驱动器相连，送出二进制的行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。
P0和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM[5,6]。
图2-2单片机系统外围电路
2.2硬件系统
由于LED显示屏的特性及作用，大多数的LED显示屏都是放在户外的，所以对硬件的质量要求非常的高。
也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。
图2-3系统硬件组成框图
如图2-4所示，根据本课题的功能特点可确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，驱动电路三部分组成。
单片机发出正确信号，通过驱动电路将信号传送给点阵屏，是点阵屏显示汉字图样[7]。
第3章系统硬件电路设计与实现
3.1点阵模块
3.1.1点阵的介绍
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；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。
LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。
在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制，当然也可以按列扫描按行控制。
LED显示屏现多采用多块8×8点阵显示单元拼接而成。
4个模块组成16×16点阵，以满足汉字显示的要求。
8×8LED点阵是最基本的点阵显示模块，理解了8×8LED点阵的工作原理就可以基本掌握LED点阵显示技术。
8×8点阵LED实物如下图所示，其等效电路结构如图3-1所示：
图3-11.9mm8*8点阵实物图
图3-21.9mm8*8点阵等效电路结构图
从图3-2可以看出，8×8点阵共需要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。
要实现显示图形或字体，只需考虑其显示方式，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。
当采用按行扫描按列控制的驱动方式时，LED显示屏8行的同名列共用一套列驱动器。
行驱动器一行的行线连接到电源的一端，列驱动器一列的列线连接到电源的另一端。
应用时还应在各条行线或列线上接上限流电阻。
扫描中控制电路将行线的1到8轮流接通高电位，使连接到各该行的全部LED器件接通正电源，但具体那一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制的任务了。
当对应的某一列置0电平，则相应的二极管就亮；反之则不亮。
例如：
如果想使屏幕左上角LED点亮，左下角LED熄灭的话，在扫描到第一行时，第一列的电位就应该为低，而扫描到第八行时第一列的电位就应该为高。
这样行线上只管一行一行的轮流导通，列线上进行通断控制，实现了行扫描列控制的驱动方式。
3.1.2LED汉字显示方式
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阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第1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行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；….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，就能看到显示屏上稳定的图形。
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[8]。
3.2驱动模块
本课题的设计是点阵的行列都用74HC595来驱动显示。
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，输出电流仅数十微安甚至更小（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为目的的驱动电路。
3.1.1串并转换器74HC595芯片简介
概述：
74HC595是一款漏极开路输出的CMOS以为寄存器，输出端口为可控的三态输出端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。
特点：
●高速移位时钟频率Fmax>25MHz
●标准串行（SPI）接口
●CMOS串行输出，可用于多个设备的级联
●低功耗：
Ta=25度时，Icc=4uA（MAX）
管脚图：
图3-374HC595管脚图
管脚说明：
表3-174HC595管脚说明
管脚编号
管脚名
说明
1，2，3，4，
5，6，7，15
QA---QH
三态输出管脚
8
GND
电源地
9
SQH
串行数据输出管脚
10
SCLR
移位寄存器清零端
11
SCK
数据输入时钟线
12
RCK
输出存储器锁存时钟线
13
OE
输出使能
14
SI
数据线
16
VCC
电源端
74HC595的真值表：
表3-274HC595真值表
输入管脚
输出管脚
SI
SCK
SCLR
RCK
OE
×
×
×
×
H
QA--QH输出高阻
×
×
×
×
L
QA—QH输出有效值
×
×
L
×
×
移位寄存器清零
L
上沿
H
×
×
移位寄存器存储L
H
上沿
H
×
×
移位器存期存储H
×
下沿
H
×
×
移位寄存器状态保持
×
×
×
上沿
×
输出存储器锁存移位寄存器中的状态值
×
×
×
下沿
×
输出存储器状态保持
图3-474HC595时序图
如图所示，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。
3.1.2行驱动电路
本课题中，两个74HC595的级联作为16*16点阵屏的行驱动电路，即第一个点阵的9管脚，串行数据输出管脚的输出作为第二个点阵的14管脚，数据线的输入，这样既可将两个74HC595级联起来。
上面两个点阵作为第一行，下面两个点阵作为第二行，第一行与第二行均用级联的两个74HC595来驱动即可。
图3-5点阵行驱动电路
3.1.3列驱动电路
图3-6点阵列驱动电路
左面两个点阵作为第一列，右面两个点阵作为第二列，第一列与第二列均用级联的两个74HC595来驱动。
两个74HC595的级联作为16*16点阵屏的列驱动电路，即第一个点阵的9管脚，串行数据输出管脚的输出作为第二个点阵的14管脚，数据线的输入，这样既可将两个74HC595级联起来。
3.3PCB板
根据已有的论述，使用AltiumDesigner画出本课题使用的PCB板，结果如下图所示：
图3-7AltiumDesigner环境下的PCB板
3.3.1原理图库
使用AltiumDesigner软件绘制此原理图时，在常用的原理图库中没有74HC595和点阵，因此需要自己绘制原理图器件，如下图所示：
图3-8AltiumDesigner环境下SCHLibrary
74HC595LED1588A
图3-9元器件图
使用AltiumDesigner绘制原理图库时，本课题原理图库中
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