基于单片机实现1616LED显示屏控制电路设计.docx
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基于单片机实现1616LED显示屏控制电路设计
基于单片机实现16*16LED显示屏控制电路设计
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
指导教师：
助理指导教师：
二〇一五年五月
摘要
LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成。
LED点阵显示屏可显示数字或符号,一般用来显示汉字、时间、速度、系统状态等。
由于单片机的不断发展和高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED显示屏成为可能，与传统的霓虹灯广告在显示效果及可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的慢慢普及以及LED技术的不断创造格新，使得高清晰高亮度的LED点阵显示屏与传统霓虹灯显示屏的成本日益接近。
为了能简单的实现基于单片机的LED显示系统控制，本文设计了基于STC89C52单片机单片机16×16LED汉字滚动显示屏电路以及运用Proteus软件仿真实现其显示功能。
本系统的设计具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易实现等优点。
关键词：
LED，STC89C52单片机，Proteus仿真
ABSTRACT
AsanewdisplaydeviceLEDdotmatrixdisplayisconsistsofseveralindependentLEDlight-emittingdiodeencapsulation.LEDdotmatrixdisplaycandisplaynumbersorsymbols,alwaysusedtodisplaytime,speedandsystemstatus,etc.
Asthecontinuousdevelopmentofmicrocomputertechnologyandthedisplayofhigh-brightnessLEDglowingtube,Itmakestheemergenceoflarge-screenhigh-brightnessLEDelectronicadvertisingscreentobepossible,comparedtothedisplayeffectandmodifiabilityofThetraditionalneonadvertisingithasincomparableadvantageandthegrowingSCMCivilianandinnovativeLEDtechnologymakesthebrightnessandhighdefinitionofLEDdotmatrixbillboardsandneonsignsofthecostoftraditionalincreasinglyclose.
Inordertoachievethe16×16LEDchinesescrollscreenandusingtheProteussoftwaresimulationshowsthefunction.Thedesignofthescreenissmall,lesshardware,simplecircuitstructureandeasytoimplement.
Keyword:
LED,STC89C52MCU,Proteusimitatesreal
1绪论
1.1本课题研究的意义
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的信息显示媒体，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的。
在短短的十来年中，LED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[2]。
LED的发展前景十分广阔，目前正朝着更亮度、更耐气候、更高的发光密度、更高的发光可靠性、均匀性、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：
证券交易、金融贸易信息显示；车站车次信息以及航班班次信息显示；体育场场馆信息显示；出站旅客引导信息显示；道路交通信息显示；邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及显示信息；调度指挥中心信息显示广告媒体新产品等[4]。
该课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较深刻的了解与认识。
同时，还可以掌握一些单片机的知识，并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，是我们对所学过的理论知识有了新的认识。
掌握了单片机的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关的工作积累了实际工作经验[8]。
目前我国信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越来越广泛。
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。
因此对自己就业和我国LED显示技术的发展都有重要意义[11]。
1.2国内外研究现状和水平
1.2.1国外发展情况
21世纪是光电子和微电子结合发挥起了很大作用的时代，以光通信开始的信息光电子产业将会成为21世纪的明星产业和支柱产业[3]。
世界上主要的发达国家和相关的大公司大部分早已投入了大量的资金和人力，准备努力在几年之内实现半导体白光照明的产业化。
目前，全世界有很多的公司、大学和研究机构在从事LED材料的生长、制作工艺器件的研究和开发工作。
现在居于世界领先水平公司的有日本的日亚，欧洲的欧斯朗以及飞利浦等等，日亚公司是全世界研究和生产LED的一级顶好公司，这些年来，他们的氮化镓基LED的开发研究水平一直领先其他很多公司好几年。
在生产白色LED的荧光粉材料和在白色LED芯片供应上一直占有重要地位，但是他们的技术一直控制在内部使用。
同时他们对自己技术的保密做的很好，他们不转让技术[1]。
为了可以占领大的半导体照明市场，世界上掌握相关技术的公司都和老牌灯泡制造商联盟，比如美国HP联合了德国西门子、西门子和德国的欧斯朗等联合；日本的东芝和本田也相互联合等等。
世界上的三大照明工业大公司，都开始了大规模的商业开发计划，与半导体公司并购，成立半导体照明企业。
1.2.2国内发展情况
我国的LED显示屏产业经过这些年的发展已经具有初步的规模。
在国内的市场上，我们自己生产的LED显示屏有近100%的占有率，然而国外的其他市场没有多少市场，比如北京西客站，浦东机场，京九铁路等，是由国内的代表企业拿下。
我们在发展LED显示屏产业规模的同时，在技术上也在不断的创新，技术水平一直处在领先。
我们国家在90年代初的时候就有了相对成熟的控制技术和无线遥控等先进的技术，这么多年在全彩色LED显示屏、多级群控技术、集成无线控制方面有较好的技术出现；LED显示屏控制的大型规模的集成电路已经在我们国家的企业开发生产的同时等到了应用。
这些年LED显示屏的发展在无形中也培养了一批LED显示屏的研究队伍，我们国家LED显示屏相关行业的从业人数就有好几千，这当中的科技人员就有近50%。
LED电子显示屏产业也迅速成为了我国的电子信息产业的重要组成部分，也将会是平板显示领域唯一可以在名族高科技产业立足的产业。
现在我们国家LED显示屏的应用领域也很广泛。
它主要包括有证券交易、金融信息的显示，现在这些行业仍然是对LED显示屏有着重要需求的行业，国家的很多交易所都已经在使用LED显示屏了；飞机场航班的动态信息显示，现在LED显示屏是机场信息显示系统的第一产品，很多比较大机场都选择用我国自己生产的LED显示屏；车站出行的引导信息显示、信息系统也是采用的LED电子显示屏、票务系统以及广播系统等等，如我们国家的郑州站，成都站等很多大型重要的火车站都在使用国内企业提供的LED显示屏和系统；体育场馆的信息显示，LED显示屏在很多的体育场馆等到了运用，成为了重要的信息显示工具；道路交通信息的显示，调度指挥中心的信息显示，很多服务领域的信息显示。
同时，我国的LED显示屏的发展也在逐渐的走向规范化，更加的广泛化。
1.3LED显示屏的发展趋势
随着市场的发展，LED电子显示屏行业已经逐渐步入整合期，未来几年部分中小型规模的企业可能慢慢被淘汰。
在整合阶段，有技术实力和资本实力的LED电子显示屏厂商有可能借用资本市场的力量和企业本省技术和渠道优势取得快速发展。
未来几年，LED电子显示屏的产业集中度也将快速上升。
LED显示屏采用了低电压扫描驱动，具有耗电省、使用寿命长、成本低、高亮度、视角大、防水、可是距离远、规格品种多等优点，可以满足各种不同应用场景的需求，发展前景广阔[17]。
现目前已广泛应用于比较高档的场所，如大型广场广告宣传、商业圈广告、体育馆信息显示、信息传递、新闻发布以及证券交易等。
此外，随着二、三线城市LED显示屏市场逐步打开，市场的需求也会越来越大。
同时，全球经济回暖，也会使得国际市场量增大，所以，LED显示屏未来的发展前景是非常广阔的[24]。
LED显示屏将会向着如下的方向发展：
一、亮度高、全彩画：
纯绿色和蓝色LED从出现在市场上以来，成本一年一年的快速降低，慢慢的具备了较为成熟的商业化条件。
随着基础材料的不断产业化，全彩色LED显示屏的成本也随之迅速下降，而应用在快速加快。
国际上LED红色管的单价下跌很快，一些厂家的篮管价格也在降低；同时，随着控制技术慢慢的发展和显示屏稳定性的逐渐提高使得显示屏的质量也比以前的好了很多。
二、标准、规范化：
在技术、材料和价格的均衡之后，标准化、规范化将会成为LED显示屏的一大发展方向。
在这几年的发展中，价格几经波折终于达到了基本平衡，产品的质量和系统的可靠性将会成为竞争的主要的因素，从而对LED显示屏有了更高的要求，有一些相关企业也已经在采用ISO9000系列的标准。
随着LED显示屏产品一些标准体系的形成和这些标准的实施，LED显示屏以后向着更加健康有序的方向快速的发展。
由于逐渐形成的行业标准和标准体系，对于产品的检测有了一种新的体系，使得那些生产条件不好、技术差、售后服务不好的公司将可能会被市场淘汰。
三、产品结构的多样化：
随着社会的发展，社会逐渐信息化，信息领域也越来越广泛，因此LED显示屏将会有更为广泛的应用。
那些面向信息服务领域的LED显示屏产品的种类也将会越来越多，有很多的潜在的应用领域被发现。
比如现在的火车站、飞机场、公共交通等服务方面的显示屏需求量都有较大的提高，然而那些小型化、批量多的标准的LED显示屏在这个显示屏市场中也占有重要位置。
2系统总体设计方案
2.1方案选择
1显示模式方案
用单片机驱动LED数码管有很多种方法，按显示方式分，有静态显示和动态显示，按译码方式可分为硬件译码和软件译码。
静态显示是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机要将显示的数据送出后不再控制LED，直到下次显示时再传送一次新的显示数据。
静态显示的数据稳定，占用的CPU时间少。
动态显示要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用CPU时间多。
这两种方案各有利弊：
静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省路板空间。
动态扫描显示接口是单片机应用最广泛的一种显示方式。
其接口电路是把所有LED显示器的8个笔画段A~G，DP的同名端连在一起，而每一个数码管的公共端COM是各自独立地受I/O现控制。
CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，取决于COM端，而这一段由I/O控制的，可以自行决定显示哪一位了[13]。
而所谓的动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的，约1Ms左右，但由于人的视觉暂留现象以及发光二极管的余晖效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的时间足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。
从上述的论述中，可以看出动态显示方案具有一定的实用性，也是目前单片机显示中较为常用的一种显示方法。
所以，本设计也采用此方法。
2数据传输方案
若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，且数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换。
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。
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。
2.2设计任务
通过74HC573D控制行列扫描，要显示屏要显示内容，单片机来接受并处理，最后显示内容[9]。
在显示屏上显示均匀、充足、稳定、清晰的数字。
2.3本设计的方框图
图2.1方框图
2.4本设计的创新点
利用并行驱动带锁存的方式进行点阵控制，可以比较方便、快捷的更换LED显示屏上的内容，这样可以节约很多资源，比较环保。
2.5本设计实现的软件
DXP软件（原理图及PCB设计软件）、proteusISIS软件（仿真软件）、KeiluVision4（单片机编程软件）、点阵代码生成器等来实现对电路的设计和仿真。
3系统的硬件设计
3.1单片机的选择与其性能分析
3.1.1单片机概述
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时/计数器芯片和一些输入/输出接口电路等都集成在一个芯片上的微控制器（microcontroller）,中央处理器包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分，是单片机的核心。
存储器按照工作方式可以分为随机存储器和只读存储器，RAM可被随机读写，断电后内容消失；ROM中的信息只能被读取，一般用于存放固定的程序。
ROM中的内容只能用编程器专用设备写入。
输入/输出接口是单片机的重要组成部分。
程序、数据以及现场信息需要通过输入设备送到单片机，计算结果需要通过输出设备输出到外设。
常用的输入有键盘，按键，A/D等，输出设备一般有LED，电机等。
为了方便理解，我们将单片机和PC机进行一个比较。
一台能够工作的计算机要由CPU，RAM，ROM，输入/输出设备等几个部分组成。
在PC机上这些部分被分成若干块芯片，安装在主板上。
而单片机相当于集成了以上芯片的一块集成电路芯片。
有一些单片机中除了上述功能外，还集成了其他功能，如A/D,D/A等。
3.1.2单片机STC89C52的介绍
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除制度存储器的低电压，高性能的8位微处理器，片内含4K的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，这个器件采用了STC公司高密度和不易失性存储器的制造技术制造的[18]。
1、STC89C52的引脚图如图3.1所示。
图3.1STC89C52的引脚图
2、STC89C52引脚的具体介绍：
a、主电源引脚（2根）：
VCC（Pin40）：
电源输入，用于接+5V电源。
GND（Pin20）：
接地线
b、外界晶振引脚（2根）：
XTAL1（Pin19）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（Pin18）：
振荡器反相放大器的输出端。
、控制引脚（4根）：
RST（Pin9）：
复位引脚，当引脚上出现两个机器周期的高电平时，单片机将复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存器允许信号。
PSEN（Pin29）：
外部存储器的读选通信号。
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器内外部选通端，接低电平的时候从外部程序存储器读指令，若接高电平则是从内部程序存储器读指令[19]。
、可编程输入或输出引脚（32根）：
STC89C52共有4组8位的可编程I/O口，分别为P0口、P1口、P2、口P3口，每个口都有8位（8个引脚），总共32个。
P0端口（P0.0-P0.7，Pin39-Pin32）：
P0口是一个漏极开路，有8位双向I/O口。
P1端口（P1.0-P1.7，Pin1-Pin8）：
P1口是一个带内部上拉电阻，有8位双向I/O口。
P1口输出缓冲器可以驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
P2端口（P2.0-P2.7，Pin21-Pin28）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3端口（P3.0-P3.7，Pin10-Pin17）：
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
注：
P3口引脚的复用功能如下表3.1所示：
表3.1P3口的复用功能
引脚
复用功能
P3.0---RXD
P3.1---TXD
P3.2---INT0
串行输入口
串行输出口
外部中断0请求输入端
P3.3---INT1
P3.4---T0
外部中断1请求输入端
定时/计数器0的外部输入
P3.5---T1
P3.6---WR
定时/计数器1的外部输入
外部数据存储器写选通
P3.7---RD
部数据存储器读选通
3、STC89C52单片机是一个中断比较多的单片机，还有五个中断源：
外部中断0、定时器0中断、外部中断1、定时器1中断以及串行接收或者发送中断。
每
中断源的中断处理程序的入口地址如表3.2所示[21]。
表3.2中断向量表
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器0
000BH
外部中断1
0013H
定时器1
001BH
串行口
0023H
4、STC89C52单片机的中断的开放和禁止是由中断允许寄存器IE控制的，其中IE的格式如下：
EA
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
注：
EA----是中断允许位，EA=1，总中断开放；EA=0，一切中断被禁止。
ET1、ET0-----分别是定时器T1和T0的中断允许位。
ES-----是串口中断允许位。
EX0、EX1-----分别是外部中断1和外部中断0的中断允许位。
5）STC89C52工作参数
、工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）或是3.8V-2.0V（3V单片机）。
、工作频率范围：
0-40MHz，相当于一般的8051的0-80MHz，它实际的工作频率可以达到48MHz。
、工作的温度范围：
工业级的在-40至+85摄氏度内，商业级的在0-75摄氏度。
3.1.3单片机最小系统的介绍
单片机的最小系统主要是有单片机、电源、复位电路、振荡电路等部分构成的[20]。
单片机的最小系统模块如图3.2所示。
图3.2单片机最小系统模块
1、电源电路
单片机的最小系统的供电电源可以是有计算机的USB口提供，还可以使用外部的5V电源来提供。
2、振荡电路
振荡电路是由晶振和电容组合而成的，因为单片机的振荡周期可以有多种，所以晶振的值是可以变化的。
振荡电路图如图3.3所示。
图3.3振荡电路
3、复位电路
复位条件是需要单片机的RST引脚上有持续的两个或者两个之上的机器周期的高电平。
复位形式有上电复位和按键复位两种。
复位电路如图3.4所示。
图3.4复位电路
3.274HC573简介
74HC573是一款高速CMOS器件，74HC573引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC573包含八路D型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。
所有锁存器共用一个锁存使能（LE）端和一个输出使能（OE）端。
74HC573引脚图入下：
图3.5引脚图
引脚功能如表3.3
表3.374HC573引脚功能表
PINNO
SYMBOL
NAMEANDFUNCTION
1
OE
3stateoutputEnableInput（Activelow）
2-9
D0-D7
DataTnputs
12-19
Q0-Q7
3StateLatchoutputs
11
LE
LatchEnableinput
10
GND
Ground
20
VCC
PositoveSupplyVoltage
真值表如下：
表3.474HC573真值表
OE
LE
D
Q（HC573）
H
X
X
Z
L
L
X
NOCHANGE*
L
H
L
L
L
H
H
H
即：
当LE为高时，锁存器进入透明模式，锁存器的输出状态随着对应的输入变化而变；当LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来；当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态，OE端的操作不会影响锁存器的状态
74HC573的内部结构如下：
图3.674HC573内部结构图
注：
74HC573与以下型号逻辑功能相同：
74HC563，但输出为反相，74HC373，但引脚布局不同.
3.3点阵显示电路
1、LED显示屏的分类：
1）根据应用场所不同，LED显示屏可以分为室内屏和户外屏。
2）根据像素点的大小，LED显示屏可以分为11*11、19*19等规格的。
3）根据LED的颜色不同，LED显示屏可以分为单色、双基色、全彩色。
4）根据显示屏幕的功能，LED显示屏可以分为条屏、图文屏、视屏和
数码屏。
2、LED点阵显示屏的特点如下：
1）屏幕的尺寸可以大可以小。
2）可视角度大。
3）抗静电性能强。
4）可靠性强。
5）亮度高。
6）寿命长。
7）功耗较低。
3、16*16LED点阵一共由256个发光二极管组成的，它的每个发光二极管是放在行线和列线的交叉点上。
当对应的某一行置为高电平，同时某一列置为低电平时，相应的发光二极管就会亮。
再通过编程来控制各个显示点相对应的LED阳极和阴极端的电平，以此来控制每个现实点的亮灭[15]。
在这个设计中，设计的是一个16*16的点阵显示屏。
4、对比LED数码管对它作一简单介绍。
它是由8个发光二极管组合而成的，它有共阴极和共阳极两种形式（如图3.47a、b、c）。
共阴极的内部接法为将8个发光二极管的阴极结在一起，工作时公共极接地，在8个阳极上通以不同的电平是将显示不同的字符；共阳极接法与共阴极相反，它是将8个发光二极管的阳极接在一起，工作时公共极接+5V，在8个阴极上通以不同的电平来显示相应的字符等效电路看起来简单，1脚加高电平，再在abcdefgh段加低电平，第一行的发光二极管就会亮，但是实际的器件引脚并不是一排引脚按12345678的顺序排列，另一排引脚按abcdefgh的顺序排列。
而实际引脚通常是乱序的，不过我们可以自己测试引脚的分布情况。
其电路排列如图3.8图（a）和图（b）所示：
图3.7LED数码管结构图
图3.8（a）8×8LED平面图
图3.8（b）8×8LED等效电路图
本设计选用LED点阵作为显示器件，从显示亮度来说要求越高,其效果越好，从节能的角度上看，LED器件较为节能，工作电压不高，功耗又小,且性能一定要稳定，维修方便，这种并行操作的最大好处就是节省时间,其查询多个DS18B20器件操作所消耗的时间与查询单个DS18B20器件操作所消耗的时间是一样的,从而达到了色彩鲜亮夺目，大的显示信息量、寿命长、耗电量小，重量轻，空间尺寸小，稳定性高，易于操作、安装和
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