毕业设计论文基于C51单片机的点阵LED屏的设计与实现.docx

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毕业设计论文基于C51单片机的点阵LED屏的设计与实现

镇江高等职业技术学校

毕业设计（论文）

基于C51单片机的点阵LED屏的设计与实现

Desigen and Realization of the Lattice Screen of LED Based 

on AT89C51

系名：

信息工程系

专业班级：

计算机应用技术1110班

学生姓名：

学号：

指导教师姓名：

指导教师职称：

讲师

2016年6月

基于C51单片机的点阵LED屏的设计与实现

专业班级：

1110学生姓名：

指导老师：

职称：

讲师

摘要LED（Light Emitting Diode）行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。

本文介绍了基于单片机的LED显示屏设计。

其中着重介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及详细的使用说明和工作流程。

Proteus软件可进行单片机仿真,本文用Proteus软件设计汉字LED点阵动态显示,给出了完整设计电路和仿真程序源代码,通过仿真运行,在LED点阵中显示汉字。

仿真结果表明Proteus软件在单片机应用设计中具有重要的实用价值,能极大缩短产品开发周期,节约开发成本。

关键词：

AT89C51；LED；点阵；Proteus

Desigen and Realization of the Lattice Screen of LED Based

on AT89C51

Desigen  and Realization of the Lattice Screen of LED Based on AT89C51

Abstract  This design in view of the present LED display monitor, in national dividend's many domains obtain in the widespread quotation situation, has carried on this paper design after the investigation. This article elaborated in detail with monolithic integrated circuit development LED lattice demonstration in aspect and so on advertisement, propaganda applications, introduced the LED lattice demonstration hardware design mentality, hardware circuit each part of functions and the principle, the corresponding software's programming emphatically, as well as detailed operating instructions and work flow. 

 This design divides into six parts, the primary coverage is the system macro analysis, the system hardware design, the system software designs three parts. The system macro analysis is this article foundation, the system hardware design is this article key, is this design hard core, this part first simply describes the system hardware principle of work, and attaches by the system hardware design diagram, elaborated various hardware interface technology which and each interface module function and the work process this graduation project applies. The system software design is this article sublimation. this article composes the guiding ideology is the software and hardware unifies, take the hardware as the foundation, carries on various functional module the design. This design usability is strong, simplicity of operator, extended function. 

Key words：

AT89C51; LED;Proteus

目录

引言1

第一章概述2

1.1选题背景 2

1.2研究现状及发展趋势 2

1.2.1我国LED产业发展现状 2

1.2.2LED显示屏的发展趋势 3

1.2.3选题意义 3

第二章系统总体设计方案4

2.1单片机介绍4

2.1.1主要性能4

2.1.2管脚说明4

2.2单片机最小系统5

2.2.1时钟电路6

2.2.2复位电路6

2.2.3EA/VPP（31脚）的功能和接法6

2.2.4P0口外接上拉电阻7

2.3LED驱动电路7

2.4点阵原理介绍8

第三章硬件系统设计与实现9

3.1硬件框图9

3.2硬件原理图9

3.3设计流程图9

3.4程序编写10

3.5系统的仿真调试12

第四章系统测试15

4.1系统性能

4.2系统测试

4.3系统结论

参考文献

致谢

附录

第四章内容补充完之后，页码自己对上

引言

单片机是一种集成微处理芯片，高密度集成了普通计算机的微型处理器，具有

8kB的ROM和P0、P1、P2、P3输入输出接口，且集成了定时器等电路。

自其问世以来就因性价比极高而广受欢迎：

其因价格低廉、功能强大、对环境要求低、编程简易方便、灵活而广泛应用在一些工控机和智能化仪表装置里面。

LED点阵显示屏就是其一种常见的运用。

自从改革开放以来，人们的生活水平日渐提高。

纯粹的物质需求已经不能满足人们的

需要。

人们对信息的渴求也越来越强烈。

广告已经成为人们获取信息重要的一部分。

LED

显示屏有图文显示屏和视频显示屏两种。

其中图文屏可以显示单色或者彩色的简单形、文字，广泛应用在医院、火车站、学校教学楼、小型门店等场所；视频显示屏通过上位机控制，能实时的显示视频、实况转播等，多用在足球场、大型会客厅等场所。

而且,不同尺寸规格和亮度的LED为室内和室外信息显示提供了多种选择。

LED之所以收到广泛的欢迎和应用，跟它的多项优点是分不开的。

其概括起来主要是：

成本低、体积小、亮度高、设计简单、需要电压低、功耗小、耐冲击、稳定、寿命长。

现在LED正在向着更小体积、更大点阵密度、更多色彩和更小成本发展。

由于LED技术的快速发展，

有很多已经超出在校生所接触到的知识范围，所以本设计旨在利用最简单主要的单色屏显示演示LED屏的工作过程和原理，并实现其显示内容的滚动效果。

可以通过更改程序中的点阵字库来改变所需要显示的内容。

且该设计具有较好的扩展性，要使其能同时显示更多的内容，只需要再接通上相应数量的点阵屏模块即可。

还可以通过修改烧录在单片机ROM的程序内容来实现更多的动态效果如缩放、文字切入等。

第一章概述

1.1选题背景 

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，显示屏由几万甚至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。

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研究现状及发展趋势 

1.2.1我国LED产业发展现状 

我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。

据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。

全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。

在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。

技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。

LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

1.2.2LED显示屏的发展趋势 

现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。

基础材料的产业化。

使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。

LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。

全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。

未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展[2]。

1.2.3选题意义 

该设计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为深刻的了解和认识。

并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。

并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。

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。

因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。

第二章系统总体设计方案

2.1单片机介绍 

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图所示。

2.1.1主要性能

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

2.1.2管脚说明

GND：

接地。

VCC：

供电电压。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口

图2-1AT89C51的引脚排列图

2.2单片机最小系统

单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：

单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等

图2-2单片机的最小系统图

2.2.1时钟电路

在设计时钟电路之前，让我们先了解下51单片机上的时钟管脚：

　　XTAL1（19脚）：

芯片内部振荡电路输入端。

　　XTAL2（18脚）：

芯片内部振荡电路输出端。

　　XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。

图2中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。

一般来说晶振可以在1.2～12MHz之间任选，甚至可以达到24MHz或者更高，但是频率越高功耗也就越大。

在本实验套件中采用的11.0592M的石英晶振。

和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。

当采用石英晶振时，电容可以在20～40pF之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30～50pF之间。

通常选取33pF的陶瓷电容就可以了。

另外值得一提的是如果读者自己在设计单片机系统的印刷电路板（PCB）时，晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少引线的寄生电容，保证振荡器可靠工作。

检测晶振是否起振的方法可以用示波器可以观察到XTAL2输出的十分漂亮的正弦波，也可以使用万用表测量（把挡位打到直流挡，这个时候测得的是有效值）XTAL2和地之间的电压时，可以看到2V左右一点的电压。

2.2.2复位电路

在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位操作通常有两种基本形式：

上电自动复位和开关复位。

图2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。

上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。

随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。

并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。

一般来说，只要RST管脚上保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。

图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。

2.2.3EA/VPP（31脚）的功能和接法

51单片机的EA/VPP（31脚）是内部和外部程序存储器的选择管脚。

当EA保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。

对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。

在本实验套件中，EA管脚接到了VCC上，只使用内部的程序存储器。

这一点一定要注意，很多初学者常常将EA管脚悬空，从而导致程序执行不正常。

2.2.4P0口外接上拉电阻

51单片机的P0端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图3）。

所以在当做普通I/O输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。

另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。

在这里简要的说下其原因：

在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。

例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q＝0，Q＝1，场效应管V1开通，端口线呈低电平状态。

此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。

又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q＝1,Q＝0,场效应管V1截止。

如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。

所以当P0口作为通用I/O接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0口写“1”，此时锁存器的Q端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。

总结来说：

为了能使P0口在输出时能驱动NMOS电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。

在本实验套件中采用的是外加一个10K排阻。

此外，51单片机在对端口P0—P3的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。

2.3LED驱动电路

细心的读者可能已经发现，在最小系统中，发光二极管（LED）的接法是采取了电源接到二极管正极再经过1K电阻接到单片机I/O口上的（见图4中的接法1）。

为什么这么接呢？

首先我们要知道LED的发光工作条件，不同的LED其额定电压和额定电流不同，一般而言，红或绿颜色的LED的工作电压为1.7V~2.4V，蓝或白颜色的LED工作电压为2.7~4.2V，直径为3mmLED的工作电流2mA~10mA。

在这里采用红色的3mm的LED。

其次，51单片机（如本实验板中所使用的STC89C52单片机）的I/O口作为输出口时，拉电流（向外输出电流）的能力是μA级别，是不足以点亮一个发光二极管的。

而灌电流（往内输入电流）的方式可高达20mA，故采用灌电流的方式驱动发光二极管。

当然，现今的一些增强型单片机，是采用拉电流输出（接法2）的，只要单片机的输出电流能力足够强即可。

另外，图4中的电阻为1K阻值，是为了限制电流，让发光二极管的工作电流限定在2mA~10mA。

2.4点阵原理介绍

图2-3LED点阵的元件及内部结构图

假设一片8*8点阵的两组引脚分别为H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8和L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8；而且H1-H8分别是8行LED的A极公共端，L1-L8分别为是8行LED的K极公共端（即8列公共端）；此时如果H1接V+，L1接V-，那么第一行的左起第一个LED被点亮，依此顺序，如果我们在L1-L8这组引脚上送入数据01111111（0x7F），而将H1-H8全部连接V+，那么会点亮整个8*8点阵的第一列LED，但这样只能按列或全屏点亮，如果送一组列数据并点亮一行，如此逐行分别点亮，就能显示完整的图形了，只要所有行的每行在1秒内显示超过24次，就能看到完整的画面。

如上图所示，本实验通过列扫描方式，扫描同时给行线送显示数据。

当扫描到某列，则该列选通，其他列截止，选通瞬间送显示数据，则所对应的二极管亮。

 显示的基本原理：

点阵依靠循环点亮每一列（或行），快速循环形成一屏图像，而每一屏快速交替，可进一步形成动画的效果。

第3章硬件系统设计

3.1硬件框图

汉字点阵的控制电路采用C51系列单片机，硬件电路可分为单片机控制器、LED点阵显示屏两部分，如下图所示。

图3-1系统设计硬件框图

3.2硬件原理图

利用Proteus仿真软件制作出详细的硬件原理图如下：

图3-2硬件原理图

3.3设计流程图

图3-3设计流程图

3.4程序编写

利用字库软件查找所要显示的4个字的代码

图3-4字库软件查找“出”图

图3-5字库软件查找“入”图

图3-6字库软件查找“平”图

图3-7字库软件查找“安”图

按流程图完成其他剩余程序的编写，详细程序见附录。

3.5系统的仿真调试

（1）将上述程序原代码用Keil软件编译产生一个“.hex”为后缀的文件。

图3-8“.her”图

（2）把生成的hex文件添加到硬件电路图中的单片机驱动程序中。

（3）在电路图中点击左下角的运行按钮，则可在LED显示点阵中看到图