LED点阵设计毕业设计方案.docx
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LED点阵设计毕业设计方案
16×16LED点阵设计
学生：
指导老师：
内容摘要：
LED点阵电子显示器发展越来越好广泛，它成为一个宣传信息关键平台，已经得到了社会普遍认同。
LED点阵显示器是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成平面式显示器幕。
它含有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富和对室内外环境适应能力强等优点。
该设计是一个16×16LED点阵电子显示器显示数字设计。
整块电子显示器控制关键是40引脚单片机AT89S51，说明了LED点阵电子显示器用AT89S51为控制系统动态设计和开发具体过程。
经过该芯片控制两个列驱动器74HC595来驱动显示器显示，本设计就是使用4块8×8点阵显示模块来组成16×16点阵显示器，采取动态扫描显示，程序编写实现是使用简单流通性强C语言，该设计结果证实，系统显示清楚，结构合理，误差小，扩展能力强，性能稳定。
关键词：
AT89S51LED点阵数字显示
Designof16*16LEDdotmatrix
Abstract：
LEDelectronicdisplayfoundthescreenbetterandbetter.Ithasbecomeanimportantplatformofapromotionalinformation,ithasbeenwidelyacceptedbythesociety,LEDdotmatrixdisplayistheuseofplanecompositionLEDlatticemoduleorpixelunitdisplayscreen,Ithastheadvantagesofhighlightefficiency,long.
Thedesignedisadigitaldesignofa16*16LEDdotmatrixdisplay,controlthecorepieceofelectronicdisplayisthe40pinofthemicrocontrollerAT89S51.DescribesthespecificprocessofthedesignanddevelopmentofLEDdotmatrixdisplaywithAT89S51asthecontrolsystemdynamic.Throughthecontroltwocolumnsdrivechip74HC595areneededtodrivethedisplayshowsthatthisdesignistouse4piecesof8x8dotmatrixdisplaymoduletoforma16*16dotmatrixdisplayscreen,adynamicscansshowedthattherealizationoftheprogrammingissimpletousestrongliquidityofClanguage,andthedesignresultsshowthatthesystemshowsclear,reasonablestructure,littleerrorandextensionabilitystrong,stableperformance.
Keywords:
AT89C51dotmatrixLEDthedigitaldisplayscreen
16×16LED点阵电子显示器设计
序言
LED点阵电子显示器制作简单，而且便于安装，被广泛应用于各个公共场所，不过LED电子显示器也只能用于单一图像数字汉字显示，假如要改变显示内容，必需要在上位机上进行实现。
该设计用LED矩阵排列来实现两位数字显示功效。
该设计是一个16×16LED点阵数字显示器。
当今社会LED灯随地可见，它使我们生活变五彩缤纷。
LED灯有白光、红光、黄光、绿光、蓝光、紫光等多个颜色，所以它是很多广告设计着必需品。
我们已经学习了单片机及相关课程，能够利用单片机来控制LED，以达成我们所需要显示效果。
经过16x16点阵显示器设计，我们能愈加好掌握单片机工作原理，把理论知识和实践结合起来，达成学以致用目标。
经过这次课程设计，能愈加好提升我们动手能力和处理实际问题能力，我们现在单片机学习知识最基础单片机知识，我们想要愈加好掌握它，还需要我们自己主动地更深入了解它，这次课程设计是一个很好深入学习平台，并能帮助我们掌握16X16LED点阵工作原理。
1设计方案论证和选择
从理论上来说，不管是显示是文字还是图像，我们只要控制了各个组成文字或是图像对应LED点发光器件，我们就能得到想要显示图像或文字，这种控制方法就是静态驱动显示方法。
该方法显示程序相对而言是比较简单，而且所显示亮度大。
不过这种方法缺点是所使用I/O口线比较多，而且硬件成本比较高。
另外，还有一个叫动态扫描显示，它是指采取分时方法，轮番交替控制各个显示器公共端，让各个显示器轮番被点亮，这种方法来扫描驱动电路就能够实现多行同名列共用列驱动器。
这个设计是16*16点阵设计，假如我们采取静态驱动显示方法，其LED发光二极管灯共有256个，而显然单片机没有那么多端口，假如我们考虑利用锁存器开扩展端口，根据8位来计算，那么这个设计需要258/8=32个锁存器。
就光是16*16点阵就需要32个，那实际生活中需要更多，该造价成本也就相正确要高出很多，这么不利于商业盈利目标。
而假如我们采取动态扫描显示，我们将全部同一行二极管阳极并联起来，把同一列二极管阴极并联起来，即共阳极接法，然后我们先将控制第一行发光二极管发光数据送出而且利用锁存器锁存起来，再将使第一行灯点亮一定时间选通，再熄灭；再将使第二行发光管点亮数据输送出来并锁存起来，一样将使第二行灯点亮一定时间选通，再熄灭；以此下去，直到第十六行以后，第一行灯又重新点亮，就这么反复轮回。
因为人类视觉存在着短暂停留现象，所以只要轮回速度达成每秒24次以上高速，大家看到就会是16行同时进行，就会看到一个完整图像或文字。
对于LED灯接法常见有两种，一个是共阴极（左），另一个是共阳极（右），该设计试验采取是共阳极接法，下图给出了这两种接法内部电路原理及相对应管脚图。
图1-1共阴极和共阳极接法内部电路原理图
在采取扫描方法进行显示时，每一行使用一个行驱动器，每行同名列之间共用一个列驱动器。
显示所需数据通常在单片机存放器里存放，而且是根据8位一个字节形式次序排放。
显示图像时需要把一行中各个列数据全部传送到其相对应驱动上去，这就存在着数据传输问题。
利用控制电路到列驱动器传输数据时，能够采取串行方法或并行方法，不过，使用并行传输方法时，从控制电路到列驱动电路所需电路线太多，所需硬件数目也就增多，假如当列数很多是，也不利于实际设计，也不经济，所以并行传输方法方案是不可取。
使用串行传输方法，控制电路就只用一根短路线，就能将列数据依次传输到驱动器里，不过因为只有一根传输导线，所以造成列数据传输时间可能过长，即数据准备所需时间过长，在确定了行扫描周期情况下，其在导线中传输时间过长，行显示时间就缩短了，这么就会影响到LED亮度，这种方法即使在硬件方面更为经济，不过也没能满足我们需求。
要处理串行传输方法中数据准备时间过长和显示时间不足矛盾问题，我们能够采取重合处理方法。
即在显示本行各个列数据同时，也将下一行各个列数据传输。
为了达成所需重合处理目标，就需要将列数据显示数据锁存起来，这么经过上述分析，我们可知对于列数据准备来说，它就能实现串入并出一位功效，而对于列数据显示来说，应该含有并行锁存功效。
这么，已准备好本行数据传入并行锁存器进行显示同时，准下一行列数据就能够在串并移位寄存器中准备，而本行显示也不会受到影响，这么就能达成我们所设计目标。
2硬件电路设计
2.1系统结构框图
该课程设计采取了AT89S51单片机为关键芯片电路来实现，它组成部分为AT89S51芯片、电源、复位电路、时钟电路、行驱动器、列驱动器、4个8*8LED点阵。
图2.1-1系统结构图
2.1.1单片机控制模块
AT89S51单片机是一个所占字节为4KFLASH存放器低电压、高性能CMOS8位微型处理器，该器件密度高、非易失性存放，兼容标准MCS-51指令系统，在片内使用了8位中央处理器和Flash存放单元，AT89S51单片机功效强大，能够提供共性价比应用场所，所以能够灵活应用于多种控制领域，而且价格比较经济，方便编程，性能稳定。
2.1.2时钟电路
该电路脉冲信号是采取一般晶体时钟源提供，而组成了内部振荡方法，该晶体能够使芯片使用尽可能降低，节省成本。
单片机时钟信号通常见内部振荡方法和外部振荡方法这两种电路形式得到。
内部振荡方法振荡器组成是在XTAL1和XTAL2这两个引脚外接石英晶体。
因为单片机内部有一个高增益反相放大器，当晶振外接后，就够成了自激振荡器，产生时钟脉冲。
晶振频率大约为12MHZ。
以下图2.1.2-1,C1、C2两个电容器作用是起稳定振荡器频率、快速起振。
电容值通常为5-30PF。
内部振荡方法所得到时钟信号相对来说比较稳定，比较广泛使用在实际电路中。
图2.1.2-1单片机时钟电路
2.1.3复位电路
复位电路就是利用它把电路恢复到起始状态。
其复位电路可分为两种，一个是开关复位，当在电源接通情况下，当单片机在运行期间，假如发生了死机情况，就能够使用按键开关操作来时单片机复位；另一个是上电复位，当在接通电源情况下，复位操作就会自动实现。
单片机复位电路图图2.1.3-1所表示，该复位电路可实现人工手动复位，也实现上电复位。
当按下按键SW时，RST脚位高电平，就能是单片机正常复位；当一开始就打开电源时，C3电容相当于短路，RST脚在短时间内处于高电平，从而促进单片机复位。
图2.1.3-1单片机复位电路
2.1.4显示模块
该设计点阵显示器是由4个8*8LED点阵组成16*16显示器。
数个发光二极管组成了LED点阵显示器，它含有特点是低功耗、亮度高、引脚少、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀、视角大。
点阵显示器按颜色分类可分为单色和双色两类，该次设计师选择单色点阵显示器，为了安装方便，一块模块上有若干个LED组合而成，形成了我们所需大屏幕。
图2.1.4-1是一个8*8单色LED点阵模块内部电路图。
图中LED排列形式成点阵，同一列LED阴极连在一起，同一列LED阳极连在一起，当LED处于正偏是,LED灯才会发光。
该设计选择是4个8*8LDE点阵组成了16*16点阵显示器，该次显示结果是显示两个汉字，16*16LED点阵显示器有256个发光二极管，而且每个发光二极管是放置在列线和行线交叉点上。
图2.1.4-18*8点阵内部电路图
图2.1.4-2所表示，是其外观和引脚图。
当所对应某一行置电平1时，某一列置电平0，其相对应二极管就发光。
假如第一行置1为高电平，第一列置0为低电平，第二行为高电平置为1,Y行置1为高电平，I列置0为低电平，这显示效果为P行上第一个LED灯亮，第二个LED灯灭，第三个LED灯亮。
图2.1.4-28*8点阵外观和引脚图
图2.1.4-3所表示，是一个4块8*8点阵组成16*16LED点阵显示器。
16*16点阵显示器是采取动态扫描LED驱动显示方法，动态扫描方法是采取逐行轮番方法来点亮LED灯。
LED点阵显示模块进行方法有水平方向（X方向）扫描和竖直方向（Y方向）扫描，此次设计采取是竖直方向（Y方向）扫描，即逐行扫描方法简称行扫描方法，它是用一个P口相当于位码来输出决定哪一行能点亮，另一个P口相当于段码输出列码决定该行上哪些LED灯亮。
能亮行从上向下扫描完16行即相当于位码循环移位16次后显示一帧完整图像。
图2.1.4-34块8*8点阵LED屏组成16*16点阵显示器
2.1.5驱动模块
集成电路74HC595组成了行驱动电路，它结构是由一个8位串入并出一位寄存器和一个8位输出锁存器组成，而且输出锁存器和移位寄存器控制室各自独立，能够在显示本行各列数据同时，同时传输下一行列数据，而达成重合处理目标。
列驱动电路关键实现功效是译码，用2块74LS138级联来实现4/16线译码功效，74LS138芯片本身含有3/8线译码功效。
74HC595外形及内部结构图2.1.5-1，它输出测由8个串行移位寄存器连接，每个移位寄存器输出全部有一个输出锁存器来连接，SI引脚是串行为数据输入端，SCK引脚作用是移位寄存器移位时钟脉冲，移位时间是发生在上升沿，而且将SI下一个数据移位到最低位，并在各移位寄存器输出端出现移位后各位信号，也就是输出地锁存器输入端。
RCK是输出锁存器打入信号，其上升沿将移位寄存器输出打入到输出锁存器中。
G引脚作用是输出三态门开放信号，其开放条件是当其为低时锁存器输出时，不然为高阻态。
SCLC引脚功效是作为移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器输出全部为零。
因为SCK和RCK这两个信号是相互独立，所以输入串行移位和输出锁存互不干扰。
QA～QH为芯片输出端，QH做为最高位可用作多片74HC595级联使用，向上一级级联输出，不过因为QH受输出锁存器打入控制，所以还要从输出锁存器前引出QH’来作为和移位寄存器完全同时级联输出。
图2.1.5-2为74HC595级联，表2.1.5-1为74HC595真值表。
图2.1.5-3为74HC595时序图。
图2.1.5-174HC595外形及内部结构
图2.1.5-22个74HC595级联
表2.1.5-174HC595真值表
输入管脚
输出管脚
SCK
SI
RCK
SCLR
OE
X
X
X
X
H
QA—QH输出高阻
X
X
X
X
L
QA—QH输出高阻
X
X
X
L
X
移位寄存器清零
上沿
L
X
H
X
移位寄存器存放L
上沿
H
X
H
X
移位寄存器存放H
下沿
X
X
H
X
移位寄存器状态保持
X
X
上沿
X
X
输出存放器锁存移位寄存器中状态值
X
X
下沿
X
X
输出存放器状态保持
图2.1.5-374HC595时序图
列驱动模块电路是由2块74LS138芯片组成，74LS138是一款高速CMOS器件，74LS138为反相输出，74HS138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列，图2.1.5-4所表示是74LS138引脚图，表2.1.5-2是其真值表。
74LS138译码器可接收二进制加权地址输入位数为3位A0、A1、A2，当使能时，能够提供8个互斥低有效输出Y0-Y7。
74LS138使能端有3个：
一个高有效E3和两个低有效E1和E2。
当E1和E2置为低位E3置为高位时，74LS138输出为低，其它情况下74LS138将保持全部输出为高，利用这种复合使能特征，只需要1个反相器和4块74LS138芯片，就能够实现并行扩展，组成一个1-32即5线到32线译码器，任选一个低有效使能端作为数据输入端，而把其它使能输入端作为选通端，则74LS138也能够作为一个8位输出多路分配器，未使用使能输入端必需使其在各自适宜高有效或低有效状态保持绑定，74LS138作用原理在这些情况下能够提升译码系统效率，如高性能存放译码或要求传输延迟时间短数据传输系统，在高性能存放器系统中。
高速存放器使用快速赋能电路，存放器赋能时间和译码器延迟时间通常小于存放器经典存取时间，这就是说能够忽略不计由肖特基钳位系统译码器所引发有效系统延迟时间。
HC138所根据条件是三位二进制输入码和赋能输入，从8个输出端中译码出一个低电平输出。
扩展所需外接门或倒相器因为有两个低电平有效赋能输入端和一个高电平有效地赋能输入端而降低了，扩展成了不需要外接门24线译码器；扩展成32线译码器，只需要外接一个倒相器。
在解调器实际应用中，赋能输入端能够用作数据输入端。
74HC138芯片有多路分配功效、复合使能输入，轻松实现扩展、存放器芯片译码选择理想选择、兼容JEDEC标准、低有效互斥输出这些特征。
图2.1.5-474HC138引脚图
表2.1.5-274HC138真值表
74HC138真值表
Inputs输入
Outputs输出
Enable使能端
Address地址
E3
E2
E1
A2
A1
A0
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
Y7
X
X
H
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
L
X
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
X
H
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
L
H
H
L
H
H
H
H
H
H
H
L
L
L
H
L
H
H
L
H
H
H
H
H
H
L
L
L
H
H
H
H
H
L
H
H
H
H
H
L
L
H
L
L
H
H
H
H
L
H
H
H
H
L
L
H
L
H
H
H
H
H
H
L
H
H
H
L
L
H
H
L
H
H
H
H
H
H
L
H
H
L
L
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
L
2.2单片机最小系统图
图2.2-1单片机最小系统
3单片机系统
MCS-51是Intel企业生产一个单片机系列名称。
这一系列单片机有多个，8051是其中性价比高一个单片机。
8051单片机根据其功效部件课将内部结构划分为8个部分：
★8位中央处理机CPU一个。
★128个字节片内数据存放器RAM。
★片内程序只读存放器ROM其字节为4KB。
★特殊功效寄存器SFR18个。
★P0、P1、P2、P3这4个8位并行输入输出I/O接口（共32线），用于并行输入或输出数据局。
★串行I/O接口1个。
★16位定时器/计数器2个。
★1个含有能够接收为不中止申请，定时器/计数器中止申请和串行口中止申请5个中止源，可编程为2个优先级中止系统。
3.18051引脚为40个单片机芯片
3.1.1引脚为Vcc和Vss主电源
Vcc（40脚）：
接+5V电源正极;
Vss（20脚）：
接+5V电源地端。
图3.1.1-1AT89C51引脚图
3.1.2外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1：
该引脚数为19个引脚，接在外部石英晶体一端，它在单片机内部是作为一个反相放大器输入端使用，这个放大器也作为了片内振荡器。
当采取了外部时钟时，对于HMOS单片机来说，该引脚就要接地。
XTAL2：
该引脚数为18个引脚，接在外部石英晶体另一端。
在单片机内部，该引脚接在片内振荡器反相放大器输出端。
当采取了外部时钟时，对于HMOS单片机来说，该引脚作用是作为一个外部振荡信号输入端使用。
3.2I/O口线引脚排列及管脚说明
★P0口——漏极开路8位双向I/O口。
在编程时，P0口能够用于指令代码字节接收；当使用外扩I/O口及片外储存器是，P0口作为低字节地址/数据复线；在程序校捡是，P0口能够将指令字输出，但需要外加上拉电阻。
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚能够吸收8TTL门电流。
当P1口管脚第一次输入1时，被称为高阻输入。
外部程序数据可存放在P0端口，它被称为数据/地址第八位。
在FIASH编程时，原码可从P0端口输入，当FIASH进行校验时，原码从P0端口输出，此时P0外部必需被拉高。
★P1口——准双向8位I/O口，含有内部上拉电阻功效。
P1口试专门为用户准备I/O双向口。
用做输入时，应该先让输出地锁存器置为1；P1口能够同时驱动TTL4个负载；在编程和校检时，能够当成输入是低8位地址。
★P2口——准双向8位I/O口，含有内部上拉电阻。
在编程校检时，P2口能够接收到高字节地址和一些控制信号；P2口同时也能够当做I/O口使用；当使用外扩I/O或片外储存器端口时，P2端口输出高8位地址。
当用做输入时，应该先将输出地锁存器置为1；P2口能够同时驱动TTL4个负载。
当P2口输入1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，并作为输入。
并所以作为输入时，P2口管脚被外部拉低，输出电流。
出现这种现象原因是因为内部上拉。
当P2口被当做16位地址外部数据存放器或外部程序存放器进行存取时，P2口输出高八位地址。
当给出地址为1时，它能够利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存放器读写时，P2口输出特殊功效寄存器内容，P2端口在FLASH编程和校验时候能够接收高控制信号和八位地址信号。
★P3口——准双向8位I/O口，含有内部上拉电阻。
P3口能够作为一般I/O口。
在编程校检时，P3口负责接收一些控制信号；能够驱动4个TTL。
作为输入时，应该先将输出锁存器置位1；同时P3端口还含有多种替换功效。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收部分控制信号。
P3口也可作为AT89C51部分特殊功效口，以下表所表示：
表3.2-1P3口特殊功效表
管口脚
备选功效
P3^0
RXD（串行输入口）
P3^1
TXD（串行输出口）
P3^2
INT0（外部中止0）
P3^3
INT1（外部中止1）
P3^4
T0（记时器0外部输入）
P3^5
T1（记时器1外部输入）
P3^6
WR（外部数据存放器写选通）
P3^7
RD（外部数据存放器读选通）
3.3RST键
该键功效为复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST引脚两个机器周期高电平时间。
3.4PEROM阵列和锁定位
经过正确控制信号组合能够让整个PEROM阵列和三个锁定位电擦除，并保持ALE管脚处于低电位10ms实现。
在芯片擦操作中，该操作必需实施时间是在代码阵列全部置1而且在任何非空存放字节被反复编程以前。
而且，8051芯片设置有稳态逻辑，可在零频率情况下进行静态逻辑，支持软件可选两种掉电模式。
在闲置模式情况下，CPU停止工作，不过计数器、RAM、定时器、串口和中止系统仍在继续工作。
在掉电模式下，冻结振荡器而且保留RAM中内容，将所用其它芯片功效全部严禁，一直到下一个硬件复位为止。
4系统软件设计
4.1主程序设计及步骤图
显示器软件关键有向屏体提供显示数据功效，而且产生多种控制信号，而达成让屏幕显示我们所需显示内容目标。
该系统软件采取C语言来编写，根据模块化得到设计思绪而设计。
首先分析程序所要实现功效，程序要实现动态显示，向左移动两大功效。
主程序工作步骤图4-1-1所表示。
图4.1-1主程序工作步骤图
4.2显示程序设计
LED点阵显示方法是采取动态扫描显示，，并能实现左移功效。
图4-2-1为显示程序步骤图。
采取PCtoLCD字模软件取出想要显示汉字字模，该次设计试验设计汉字是“您好”。
图4.2-1显示程序步骤图
5硬件制作和调试
5.1系统组装
在确定好硬件，程序编写好过后，能够制作出图5-1-1所表示类似实物图。
实物完成后必需对其进行调试，检验设计功效是否实现。
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