点阵 led 多功能系统设计与制作单片机设计本科论文.docx
《点阵 led 多功能系统设计与制作单片机设计本科论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《点阵 led 多功能系统设计与制作单片机设计本科论文.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
点阵led多功能系统设计与制作单片机设计本科论文
西安航空职业技术学院
毕业设计（论文）
论文题目：
点阵LED多功能系统设计与制作
所属系部：
电子工程系
指导老师：
洪云飞职称：
讲师
学生姓名：
刘欣灵班级、学号:
10201234
专业：
应用电子技术
西安航空职业技术学院制
2012年12月2日
重庆XX学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
点阵LED多功能系统设计与制作
任务与要求：
采用51单片机作为微控制器.通过1个16ｘ16的点阵LED进行文字显示学号和姓名.在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰.文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式.
时间：
年月日至年月日共周
所属系部：
机电工程系
学生姓名：
XXX学号：
XXXXXXXX
专业：
机电一体化
指导单位或教研室：
指导教师：
XXXX职称：
教师
重庆XX学院制
年月日
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一
点阵LED多功能系统设计与制作
【摘要】
本论文阐述了基于单片机STC89C51的16
16点阵LED电子显示屏的设计。
分别阐述了显示屏显示的基本原理，硬件设计、控制方法及其程序的实现。
经过调试和分析，设计的结果能够实现对汉字的静态和动态显示，动态显示的内容有多种方式，同时又可通过上位机更新显示的内容。
本文给出了一种基于AT89C52单片机的16*16点阵的设计方案，包括系统具体的硬件设计方案，软件流程图和部分汇编语言程序等方面。
在负载范围内，只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展，是一种成本低廉的图文显示方案。
可广泛应用于各种公共场合，如车站、码头、银行、学校、火车、公共汽车显示等。
关键字：
STC89C51；16
16点阵；LED；显示屏
Abstract:
ThispaperbasedonsinglechipSTC89C5116andlatticeLEDelectronicdisplaydesign.Aredescribedrespectively,andthescreenshowsthebasicprinciple,hardwaredesign,controlmethodsandtherealizationoftheprogram.Throughtestingandanalysis,theresultsofthedesigncanrealizethestaticanddynamiccharacters,accordingtothecontentofthedynamicdisplayavarietyofways,andatthesametime,butalsothroughtheuppermachineupdatedisplaycontent.ThispaperpresentsamethodbasedonthemicrocontrollerofAT89C5216*16latticedesignscheme,includingthesystemofconcretehardwaredesign,softwareflowchartandpartofassemblylanguageprogram,etc.Intheloadrange,onlythroughthesimplecascadecanbeextendedtoscreen,isakindofcheapgraphicdisplayscheme.Canbewidelyusedinallkindsofpublicplaces,suchasrailwaystations,docks,Banks,schools,train,busdisplay,etc.
Keywords:
STC89C51;16*16lattice；screen
目录
1功能要求和论证的方案-1-
1.1方案论证...........................................................-1-
1.1.1动态扫描简介-1-
1.1.2串行传输的方式.................................................-2-
1.3显示模块论证........................................................-3-
1.4数据传输论证........................................................-3-
2显示原理及显示方式-4-
2.1静态显示方式.......................................................-4-
2.2动态显示方式.......................................................-4-
2.3点阵显示原理.......................................................-4-
3系统硬件部分设计-5-
3.1单片机系统及外围电路-5-
3.2列驱动电路-5-
3.3行驱动电路-7-
3.4单片机最小系统电路................................................-9-
3.5电源电路-10-
4系统软件部分设计-10-
4.1系统主程序设计....................................................-10-
4.2显示驱动程序......................................................-11-
5系统调试及性能、程序分析-12-
5.1调试及性能分析....................................................-12-
5.2程序介绍及流程....................................................-12-
5.2.1定义端口.....................................................-12-
5.2.2汉字子模.....................................................-13-
5.3开中断............................................................-15-
5.3.1延时程序......................................................-16-
5.3.2主程序........................................................-17-
5.3.3控制点亮程序..................................................-19-
6制作成果和调试结果-21-
6.1制作成果........................................................-21-
6.2调试结果........................................................-22-
结束语-23-
参考文献-24-
1功能要求和论证的方案
要求采用51单片机作为微控制器.通过1个16ｘ16的点阵LED进行文字显示学号和姓名.在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰.文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式.
1.1方案论证
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
16×16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16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16×16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大的多，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，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
1.1.1动态扫描简介
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）的同名列共用一套列驱动器。
具体就16×16的点阵来说，我们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），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；……第十六行之后又重新燃亮第一行，这样反复轮回。
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，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
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行方式或串行方式。
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，并行传输的方案是不可取的。
1.1.2串行传输的方式
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已传输到位之后，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）和列数据显示两个部分。
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，以至影响到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具有锁存功能。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；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。
图1-1为显示屏电路实现的结构框图。
图1-1
1.3显示模块论证
（1）点亮LED数码管的方式有静态和动态2种方法。
本文以8段LED作为示例来论证方案
（2）这种模块由64个发光LED芯片以8×8的形式构成一个正方形模块，然后用2列8针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。
（3）行对应的给LED的阳极，先给第一行以高电平，如果送给16列的代码为EFFF，则第一行的第4个LED被点亮，再给第二行以高电平，如果送给16列的代码为EF07，则第二行的第4、9、10、11、12、13个被点亮，接着给第三行以高电平，同时给列以驱动代码，这样不断地进行行行的扫描，只要速度够快，由于人的视觉暂留作用，就不会感觉到明显的闪烁感。
1.4数据传输论证
采用动态显示方式进行显示时，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。
2显示原理及显示方式
下面重点介绍点阵LED数码灯的原理和方式
2.1静态显示方式
静态显示方式，即8段LED数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。
这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N位显示则需N×8根输出控制线。
占用较多I/O资源。
2.2动态显示方式
为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个8位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控制。
显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。
位线控制某位选通时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时，我们就能看到稳定的图像了
2.3点阵显示原理
点阵显示器实际上就是LED显示器，构成显示器的所有LED都依矩阵形式排列。
从内部结构看，点亮LED的方法就是要让该LED所对应的Y线、X线加上高、低电平，使LED处于正向偏置状态。
使用多行扫描的方式，可以实现很多动态效果，点阵显示器常采用扫描法，扫描方式包括：
行扫描和列扫描。
行扫描就是控制点阵显示器的行线依次输出有效驱动电平，当每行行线状态有效时，分别输出对应的行扫描码之列线驱动该行LED点亮。
列扫描控制列线依次输出有效驱动电平，当第n列有效时，输出列扫描至行线，驱动该列LED点亮。
行扫描和列扫描都要求点阵显示器依次驱动一行或一列（8个LED）。
具体就8ｘ8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8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。
3系统硬件部分设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。
3.1单片机系统及外围电路
单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24M或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。
单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。
P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5~P1.7口则用来发送控制信号。
P0和P2口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。
3.2列驱动电路
列驱动电路由集成电路74HC595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。
74HC595的外形及内部结构如图2所示。
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SI是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。
SCLR信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH’，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
图3-1列驱动及控制
3.3行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。
图3-2行控制及驱动
3.4单片机最小系统电路
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
图3-3复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图4（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图4（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图3-4复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
3.5电源电路
图3-5电源电路
4系统软件部分设计
这部分重点介绍主程序和显示驱动程序的设计和要求。
4.1系统主程序设计
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；接着自左到右以“滚动”效果显示班级姓名，停留约0.5s；，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。
LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。
软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。
显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，。
从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。
试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善
显示屏软件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。
根据软件分层次设计的原理，我们可把显示屏的软件系统分成两大层：
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它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。
显示驱动程序由定时器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。
从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。
4.2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扫描的显示屏的刷新率（帧频）的计算公式如下：
其中fosc为晶振频率，t0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。
5系统调试及性能、程序分析
最后程序是否能正常的工作，LED灯是否能正常的显示出来，都要看调试是否得当，下面就主要介绍系统的调试及性能，程序的分析。
5.1调试及性能分析
LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，管脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。
软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。
显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，下表给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
显示屏刷新率（帧频）与T0初值关系表（24M晶振）
刷新率（Hz）
25
50
62.5
75
85
100
120
T0初值
0xec78
0xf63c
0xf830
0xf97e
0xfa42
0xfb1e
0xfbee
5.2程序介绍及流程
/
*头文件*/
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineNOP（）_nop_（）
5.2.1定义端口
sbitEN_port=P1^3;
sbitDA_in_port=P1
升级会员 