基于单片机的LED点阵显示屏的设计.docx
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基于单片机的LED点阵显示屏的设计
密级公开学号200840513043
衡水学院
毕业设计
基于单片机的LED点阵显示屏的设计
论文作者
：
肖霄
指导教师
：
郭海丽
系别
：
：
物理与电子信息系
专业
电子信息工程
年级
：
2008级
提交日期
：
2012年5月18日
答辩日期
：
2012年5月30日
毕业设计学术承诺
本人郑重承诺：
所呈交的毕业论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不存在抄袭情况，论文中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。
作者签名：
日期：
毕业设计使用授权的说明
本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文的规定。
即：
学校有权保留或向有关部门送交毕业论文的原件或复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公开论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文及相关资料。
作者签名：
指导教师签名：
日期：
日期：
论文题目：
基于单片机的LED点阵显示屏的设计
摘要：
随着人们生活水平的提高，户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。
本次设计是以单片机STC89C52为核心控制器，与时钟芯片DS1302、温度传感器和点阵显示屏驱动器构成了系统的核心控制部分显示屏采用8块8×8的LED点阵搭建成16×32点阵显示屏，能显示时间、温度、字幕和单色图像等。
显示方式采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、滚动等多种显示方式。
单片机控制程序采用C语言进行编程，通过程序控制各显示单元对应LED阳极和阴极端的电平，有效地控制各显示单元的亮灭。
所显示字符的点阵数据主要利用字模提取软件提取。
基于单片机的LED点阵显示屏亮度高、能耗低、扩展性强，因此能满足应用需求。
关键词：
单片机；LED点阵屏；字模提取；滚动显示
Title：
DesignofLEDMatrixScreenbasedonMCU
Abstract:
Withtheimprovementofpeople’slivingstandard,outdoorLEDdisplaywillbegraduallyusedinvariousindustries.ThisdesignhastheMCUofSTC89C52asitscorecontroller,andtheclockchipofDS1302,thetemperaturesensorandmatrixscreendrivebuildupthemaincontrolpartofthesystem.ThescreenuseeightLEDmatrixof8×8typesothatitcanworkasthe16×32typewhichcandisplaythetime,temperature,captionandmonochromeimages,etc.Byusingdynamicdisplay,itmakesvariousdisplayingmethodspossible.Forexample,graphicsorwordscanbestatic,bescroll.ThecontrolprogramofMCUiseditedinClanguageandcancontrolthePWLoftheanodeorcathode,matchingalongwitheachdisplaypoint.Inthisway,thosedisplaypointwouldbeundercontrol.Thematrixdataofthedisplayedcharacterismainlyextractedbyfontextractionsoftware.ThedesignofLEDmatrixscreenbasedonMCUisverybright,lowenergyconsumer,scalability,soitcanmeettheapplicationrequirements.
Keywords:
MCU;LEDmatrixscreen;Fontextraction;rollingdisplay
1绪论
1.1LED显示屏的国内外现状与发展前景
目前国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，而且生产的屏幕尺寸小、显示内容相对较少、显示花样相对单一。
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，其中京东方在我国是领先的企业。
国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外的同类产品基本没有市场，其中铁路、车站、机场等均由国内代表性企业中标。
我国LED显示屏产业规模发展的同时，产品技术不断推陈出新，保持着比较先进的水平。
近几年在全彩色LED显示屏、256级灰度视屏控制技术、多级控制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。
红、纯绿、纯蓝LED大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。
LED显示屏作为代表性的平板显示器件，无疑会在各个领域得到应用。
产品正在向标准化、规范化和产品结果多样化方面发展。
由于竞争，产品价格会不断压低，一些骨干企业开始实施国际标准化生产，售后也不断完善。
由于LED显示屏的应用领域不断扩大，其产品也越来越符合广大场合的应用。
预计大型或超大型LED显示屏的主流产品将会改变，适合服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的产品种类和品种体系会更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破。
1.2本课题的目的及意义
随着科技的迅猛发展，点阵显示器件作为现代信息显示的重要媒体，在各个领域中得到了广泛应用。
因此点阵显示器件的研制、生产得到了迅速发展，形成了光电子行业的新兴产业。
LED显示屏以其外形美观大方，显示内容信息量大，操作使用灵活方便著称，主要应用在广告宣传、公交、车站、体育、军事等众多领域。
在各种公共场所，几乎我们都能看到LED显示屏，可见其在人们的日常生活中的重要性。
本设计广泛涉及到了单片机技术、硬件之间的数据通信技术、显示存储技术、系统软件开发技术、硬件接口和驱动技术。
由于我国的经济发展迅速，对信息传播要求越来越高，由于LED显示屏显示信息量大、寿命长、能耗小、重量轻、空间尺寸小、稳定性能高，便于维护和操作安装等特点，在社会中扮演着非同寻常的角色。
本课题设计能满足应用需求。
1.3本课题的主要内容
本设计利用单片机对整个系统进行控制，将要显示的字符和汉字按照设计要求进行显示。
其中显示的内容由单片机输入，其中亮度以及稳定性主要由硬件电路控制完成。
点阵采用的是单色显示，显示器电路特点是：
单片机控制硬件电路动态扫描发光二极管，扫描频率高，因此亮度也高，并且亮度可通过限流电阻来控制。
通过单片机与时钟芯片DS1302、温度传感器DS18B20通信来显示时间和温度。
因为系统要求其独立稳定地显示设计的内容，并能控制字幕的动态显示，所以本系统以单片机为核心、驱动电路以及需要的传感器等为外围挂件构成系统的核心控制部分。
单片机采用了价格低廉、扩展性强、功能强大的STC89C52。
该单片机内部继承了8KB的FLASH程序存储器和256B的随机存储器，采用CMOS工艺，具有低功耗、高可靠、超低价、安全性能高、工作频率高等优点，其存储器大小满足设计要求。
处理PC下载到单片机中的数据，将数据代码显示在LED点阵显示屏上。
点阵显示屏驱动器的选择：
行驱动用74LS154来扩展单片机I/O口，再用非门连接，输出对应的高电平，逐次点亮一行。
本次设计点阵屏行数为16行，74LS154能满足设计要求；列驱动器用多片74LS595级联，通过串行通信扩展单片机I/O口，级联也方便以后升级，能把点阵屏幕加宽。
本次设计用到4片74LS595芯片，共32列。
此系统能同时显示两个汉字。
2系统硬件设计
2.1系统整体设计
本系统主要由单片机最小系统模块、时钟模块、温度模块、报时模块、点阵显示屏模块组成，如图2-1所示。
本次设计要实现的是一个能显示时间和温度的LED点阵显示屏。
通过单片机与DS18B20、DS1302通讯和对行列驱动器进行控制，显示时间、温度、字幕和动画。
通过切换功能按键可控制其切换显示的内容：
时间显示、闹钟显示、温度显示、动画显示、字幕静态显示和滚动显示。
其中时间和闹钟都可以通过设置按键设置和调节按键调节大小。
字幕的滚动显示也可以通过调节按键控制其滚动速度。
图2-1系统框图
2.2最小系统模块
本次设计的核心控制芯片是单片机，主要利用单片机的定时器和中断。
定时器T0，控制系统节拍与时基，控制秒的冒号闪烁和控制时间设置时的闪烁。
外部中断0和外部中断1主要是模式按键和设置按键的开启标志。
当今单片机品牌、型号琳琅天下，产品性能各异。
本系统选择了STC89C52单片机。
STC89C52是高性能CMOS工艺的8位单片机，片内含8KB的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256B的随机存取数据存储器（RAM），可存储字模。
单片机在启动、运行时可能出现死机现象，这就需要复位功能，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
复位电路产生的复位信号由RST引脚送入到内部的复位电路，复位信号要持续两个机器周期以上，才能使其可靠复位。
XTAL1和XTAL2是片内震荡电路输入端，这两个端子用来外接石英晶体和电容，因为LED点阵显示屏需要动态显示，要求刷新频率高，所以采用了24MHz的晶振，能稳定的显示字幕。
图2-2是单片机的最小系统原理图。
图2-2单片机最小系统原理图
2.3时钟模块
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，芯片内部含有一个实时时钟、日历和31字节静态RAM。
通过简单的串行接口与单片机进行通信。
实时时钟和日历电路提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：
RST（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。
RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。
图2-3时钟芯片DS1302的电路图
时钟芯片DS1302的电路图如图2-3所示，芯片的1引脚和8引脚为供电接口，其中1脚接5V电，8引脚接3V电。
复位引脚、时钟线和数据口都接在单片机上并实时通讯，2和3引脚接32768Hz晶振，两脚再对地耦合，接10pf电容。
2.4温度模块
DS18B20数字温度传感器是以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此单片机和DS18B20之间仅需一条连接线。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面有深远意义。
DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（℃），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的1表示0.5℃。
将存贮器中的二进制数求补后再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-55℃—125℃）。
2脚接到单片机上，其余两脚接VCC和GND。
电路原理图如图2-4所示。
图2-4温度传感器DS18B20原理图
2.5报时模块
报时模块的主要功能是整点提示和闹钟提示。
因为蜂鸣器驱动电流达到70mA就能满足提示的功能，所以用一个PNP三级管驱动。
三级管的基极接1K电阻，与单片机相连，并控制其导通与关闭，通过改变单片机I/O口输出频率来改变音调来区分整点报时和闹钟提示。
至于蜂鸣器接在发射极或者是集电极都一样。
本次设计将发射极接蜂鸣器，集电极直接接地。
图2-5是蜂鸣器驱动电路图。
图2-5蜂鸣器驱动电路图
2.6点阵显示屏模块
2.6.1点阵显示原理
LED点阵是由许多发光二级管所组成。
如图2-6是8×8点阵的原理图。
图2-68×8点阵原理图
每一行的LED是共阳极，每一列的LED是共阴极，要想点亮一个LED，需要将对应的行接入高电平，对应的列接入低电平。
如果要显示出一个字符，那么就需要利用动态刷新显示，刷新的时间必须小于人眼视觉暂留性时间（0.2s）。
例如，行按由低位到高位接入单片机的P0口，列由高位到低位接入单片机的P2口。
如果要显示对角线的LED，首先P0口传0x01，P2口传0x7e，点亮了第一行的第一个和最后一个LED，延时一段时间，大约2ms，再给P0传0x02，P2口传0xbc，延时2ms......依此类推，一直循环下去，最后视觉效果就是点阵的两个对角线的LED点亮。
本系统的显示功能多，因此要用到动态显示。
所谓动态显示就是对一副画面进行分割，对组成画面的各部分分别显示。
但是如果设计上处理不当，容易造成亮度低，闪烁等问题。
因此合理的设计既要保证驱动电路易实现又要保证图像稳定、无闪烁。
动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，复用的程度不是无限增加的。
因为利用动态扫描显示的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度等因素造成的。
当扫描刷新频率为50Hz，发光二极管导通时间大于1ms时，显示亮度较好，无闪烁感。
最重要的就是字模的提取，它是用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状。
在硬件系统中，只能通过简单的二进制码来进行识别。
通过软件实现的技术中，目前有许多字模生成软件，软件打开后输入汉字，选择C51模式的字模，十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把所需要的一行数据复制到程序中即可。
主控器发送的汉字是其机内码，用两个字节来表示一个汉字。
根据机内码，显示单元控制模块从汉字库中查找显示的字模，实现汉字显示。
如图2-7即是用软件提取的汉字字模，图2-8是提取的字符的字模，图的下面是相应的字码。
图2-7软件提取汉字字模
图2-8软件提取字符字模
2.6.2驱动电路设计
行扫描用的是一块74LS154，每个译出引脚都与非门连接进行取反，其中使能引脚接到单片机I/O口上来控制输出，作用就是消除每一列之间的干扰。
每个非门分别再控制每一行。
非门的输入引脚接在74LS154的输出引脚上，非门的输出引脚接在对应的点阵显示屏上。
74LS154的数据选择端接到单片机上做数据处理，使能引脚接到单片机上控制输出，用来消除上下行之间的影响。
如图2-9所示，图中只画出了74LS154的第一个输出引脚连接到非门的输入引脚，其余输出引脚也都需要连到非门的输入引脚。
图2-9行驱动器
列的驱动采用了四片74LS595，由于这个芯片可以级联，在数据传输上节省了I/O口，因此只需要一个串行数据输入引脚、一个时钟引脚和一个锁存引脚。
时钟和锁存的引脚是每片74LS595的锁存和时钟引脚连到一起的。
列驱动器原理图如图2-10所示，四片74LS595的13脚使能引脚，全部接低电平有效。
10脚一般全部接高电平。
第一片的数据口14脚和所有的11脚和12脚接到单片机上。
扩展只要再接多片74LS595即可。
图2-10列驱动器
2.6.3显示电路设计
本次设计采用了8块8×8LED点阵屏构成了16×32LED点阵显示屏，其中称16个LED为一列，32个LED为一行，共有16行和32列。
其中可搭建成两种方式。
一种方式是所有行的引脚都是正导通，所有列的引脚都是负导通。
另一种方式则与之相反。
本次设计采用了第一种方式，这样只要74LS595提供低电平就可以将其导通。
如图2-11所示，其中H1到H8接到行驱动器上的非门引脚上，L1到L32连接到列驱动器上，图中只给出了上半屏原理图，下半屏H9到H16也连接到行驱动器。
图2-11点阵显示屏连接原理图
3系统软件设计
3.1系统主程序设计
本设计主要实现LED点阵屏对文字或图形的显示，附加功能有LED显示屏对时间及温度的实时显示。
程序是用C语言设计，实现LED点阵显示屏显示需要的内容，可以实现从左到右的滚动显示以及静态显示、动画显示、时间、闹钟显示和设置、温度显示。
系统采用模块化结构，包括主程序、延时程序、显示程序、时间运行程序、温度采集程序。
本系统由STC89C52、74LS154、74LS595、DS1302、DS18B20芯片和8个8×8LED点阵显示屏构成一个完整的LED点阵显示屏系统。
时钟芯片（DS1302），温度传感器（DS18B20）都需要驱动才能正常工作。
因为这些驱动的头文件可以通用，所以把主要精力放在主函数的编写上。
编写主函数有两大方面：
一是如何实现对LED显示屏驱动及外围器件的控制；二是如何把时钟芯片（DS1302），温度传感器（DS18B20）和LED显示屏有机的结合起来。
程序设计最重要的就是中断嵌套和中断处理，STC89C52单片机只能实现2级中断嵌套。
本系统的功能切换部分利用外部中断0，时间设置、闹钟设置和字幕模式的切换都是利用外部中断1的嵌套来实现系统的整体架构。
其余各部分程序，需要逐次实现。
程序主要由开始、初始化、主程序、库函数和自定义函数等构成。
程序开始上电后要进行预处理，关闭点阵显示屏。
首先进行系统初始化，时钟芯片进行初始化，定时器初始化。
读取时间和温度信息，紧接着进入系统大循环，实时调用中断判断程序，这时候的判断就由系统功能键菜单选择键，判断其功能选择，分别调用自己的子程序，即自定义程序，显示自己相应的内容。
如果按下就进入相应的功能显示模块。
上电后系统默认进入时间显示，后判断是否设置时间，如有设置键按下，进入设置时间模式，并且通过增加和减小可调节时间，其中一直检测功能按键。
进入闹钟显示后可显示初始化的闹钟，上电初始化闹钟为上午8:
00。
如果有设置按键按下，进入到闹钟设置，可设定闹钟和取消闹钟并且能调节闹钟时间。
进入字幕显示模式时，调用字幕显示模块，并且判断字幕切换按键是否按下，可切换字幕显示模式，静态显示和滚动显示。
当进入到滚动模式下，可进行加减速调控。
最后一个是动画显示模式，此模式能显示动态的图画，其中一直检测功能键是否按下，便可再次切换到时间显示模式。
系统整体流程图如图3-1所示。
图3-1系统整体流程图
3.2模块程序设计
3.2.1显示模块
显示模块是行和列的驱动模块，如图3-2是显示模块的流程图。
行扫描根据74LS154每一时刻都有一个输出引脚能输出低电平，经过非门后输出高电平，进行扫描刷新显示。
每行间隔0.1s，亮度效果最好，刷新完一整屏后，关闭显示，防止花屏。
74LS595的级联通过数据口进行串行传送数据，传送完后移动到输出寄存器中，等待输出显示。
图3-2显示模块流程图
3.2.2时钟模块
时钟模块读写时首先要进行变量初始化，去掉DS1302的写保护功能，复位端产生高电平，初始化完毕。
其次向DS1302写地址，严格按照时序图延时一段时间，向该地址写入数据。
同时地址增加，并判断数据是否已经写入。
再次写入相应数据后，复位端给一个高电平，继续写入地址，延时一段时间，读出该地址并增加，重复读写地址，判断需要的时间信息是否读取完毕，其中每次读写数据要判断数据是否传输完毕。
最后将读取的温度显示到点阵显示屏上。
流程如图3-3所示。
图3-3时钟模块流程图
3.2.3温度检测模块
温度采集模块用于实时采集当前温度并显示到LED点阵显示屏。
首先需要对DS18B20进行初始化，然后单片机与温度传感器通讯，完成温度转换。
数据处理完毕后，通过单片机控制行列驱动器显示到点阵显示屏上。
流程图如图3-4所示。
图3-4温度采集模块流程图
4调试及性能分析
4.1系统硬件调试
因为在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各模块电路功能进行逐次测试。
首先测试的是最小系统，写一个简短的程序，给P0.0传一个低电平，用万用表的负极接在单片机P0.0，正极接在40脚，上电后，电压表显示5V，最小系统正常工作。
再进行74LS595级联测试，关键是把74LS595的几个引脚都接在一起再接到单片机上，测试其是否接好，用万用表测试，调到测试二极管的档位，发出声响证明连接好。
最后再进行整合，整体进行测试。
4.2系统软件调试
按照流程图在KeilC51软件中编写程序，在编写过程中注意语法和语句，逻辑结构不能错乱。
温度传感器驱动程序和时间芯片的驱动程序要注意与单片机通讯时的时序，不能错乱。
最后通过软件检测是否有语法错误，再通过编译运行。
4.3系统整体调试
将程序代码下载到单片机中，进行联调，找出逻辑错误。
调试过程中遇到的困难就是把74LS595的数据传入时序弄混，导致点阵显示屏显示错误，出现不正常的字符，经过修改最后实现设计要求的功能。
实际效果如图4-1所示。
图4-1动画显示
4.4性能分析
经过调试，系统功能实现。
显示效果没有预期的好，主要是点阵没有完全焊接在万能板上，只将点阵的引脚插在了排母上，连接不是很好造成了有时候不是很亮，或者有不亮的地方。
点阵板和控制板是两个板子，中间需要很多线连接，造成了互相影响，时间和温度传感器之间读取数据会互相影响，时序要求比较严格。
并且芯片也不是完全焊接在一起，而是插在底座上。
非门应该用三极管取代，再加上限流电阻，亮度会提高。
从总体上来说，点阵实现的实际果能满足应用要求。
结语
通过本次毕业设计，我学到了许多东西。
在单片机的选择、显示屏的搭建和各种器件的选用有了一个新的认识。
在程序设计上有了清晰的思路，理论实践和动手能力上有了较大的提高。
我通过查阅资料了解了许多相关知识，认识到形式的多样性，其中有许多大师设计的优秀作品需要去学习。
本设计由浅入深，循序渐进。
设计共分三步。
第一步是硬件设计。
虽然通过对实验的积累与电路的设计经验，设计出了电路的原理，但是实物的设计会遇到很多实际问题，比如器件的选择，元器件的排列，以及电路的焊接。
第二步是程序的设计。
我采用了C语言设计，在大学最后的时光，我自学了很多单片机的知识，在学习期间也得到了很多同学的热心指导，从而为我的编程以及素材上积累了广泛的知识和经验，因此本次设计思路很清晰。
主要有主显示程序的设计和附加电路程序的设计。
第三步是实物调试。
在实物调试的时候会遇到很多问题，为了正确的控制系统的运行，必须多次修改程序，多次的烧录。
几经波折后终于调试成功，实物功能按设计要求已经实现。
本设计为简单的单色显示屏。
在工业上，单色LED屏、双基色LED屏以及全彩LED屏技术方兴未艾，在生活中得到了广泛应用并将继续发挥它们的作用。
将来全彩LED显示屏必将大放异彩。
因此我不会满足当前所取得的微小成绩，还将继续努力，不断充实和提高自己，为社会主义现代化贡献自己的力量。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2006:
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[4]郝建国,郑燕.单
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