毕业设计论文-基于avr单片机的点阵屏系统的设计与仿真Word文件下载.doc

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显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。

文中详细介绍了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，以及使用说明等。

单片机控制系统程序采用单片机C语言进行编辑，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。

所显示字符的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图）。

经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，扩展能力强。

关键词：

Atmega16单片机；

LED；

点阵显示；

C语言

Abstract

Thisdesignisa16×

16latticeLEDelectrondisplaymonitordesign.Thewholeequipmentiswiththe40-pinAtmega16MCU（MicroControllerUnit）producedbytheAmericanATMELcompanyatthecore,introducedtakeitasthecontrolsystemLEDlatticeelectrondisplaymonitordynamicdesignandthedevelopmentprocess.Controlstwogooddriver74HC573andtworowdriver74HC573throughthischipactuatesthedisplaymonitordemonstration.Theelectronicscreencanshowallkindsofwrittenormonochromeimages,onefullscreendisplayChinesecharacters,fourpiecesof8×

8dot-matrixLEDdisplaymodulestoformthe16×

16dotmatrixdisplaymode.Showdynamicshowthatmakesstaticgraphicortextcanbeachieved,shiftedoutofvariousformats.ThispaperdescribesthehardwaredesignoftheLEDdotmatrixdisplay,andtheprinciplefunctionofthevariouspartsofthecircuit,thecorrespondingsoftwareprogramdesignandtheuseofsomesuch.

SCMprocesscontrolsystemusedforeditingMCUClanguage,ProgrammingcontrolpointsindicatedbythecorrespondingLEDanodeandovercastextremelevel.Wecaneffectivelycontrolthedefenseshowedbrightspots.Thelatticedatashowscharacterscanpreparethemselves（thatis,directlatticePainting）.

Asthepracticeproves,thesystempossessesadvantagesinlowshowserrors,stable,andstrongextensibleabilities.

Keywords:

Atmega16MicroControllerUnit；

LED；

Latticedisplay；

Dynamicdisplay；

Clanguage.

目录

前言 i

第一章绪论 1

1．1LED及LED显示屏 1

1.2AVR系列单片机的简介 2

1.2.1AVR系列单片机及其特点 2

1.2.2单片机的发展历史简介 3

第二章硬件设计 4

2.1设计框图及介绍 4

2.2AVR单片机最小应用系统电路设计（图2-2） 5

2.3LED点阵介绍 7

2.4LED显示方式 8

2.5点阵的移动 12

2.6LED点阵列驱动 17

第三章软件设计 21

3.1单片机延时子系统 21

3.1.1机器周期和指令周期 21

3.1.2延时指令 22

3.2点阵显示的流程图及分析 23

第四章软件仿真 25

4.1Protues软件介绍PROTUES仿真 25

4.1.1Proteus的工作过程 25

4.1.2Proteus软件所提供的调试手段 26

4.1.3功能特点 26

4.2基于AVR单片机的Protues仿真 27

4.3调试 27

第五章总结 29

致谢 31

参考文献 32

附录 33

附录一16ｘ16的点阵显示屏的硬件PROTUES仿真图 33

附录二程序代码 33

i

前言

LED电子屏显示是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。

它发布信息灵活多变，易于控制。

LED显示屏可应用于城市公共场快速准确的发布信息，如商场、车站、码头、繁华街等。

她以绚丽的彩色、灵活的显示和多变的图案风糜国内外市场，深受广大用户的欢迎。

投入小的成本，加上我们的智慧，就能够获得大的收益。

LED显示屏投入市场将为我国城市的发展重大作用，它的应用前景将会十分广泛。

单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

正因为如此，在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、家用电器等各个方面。

随着电子设备变成我们日常生活始终必备之物，电子显示产品也成为一个重要组件，提供快捷而方便的通讯。

发光二极管（LED）电子显示屏也被广泛应用．LED电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。

它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。

随着市场的急速需求，在现有的市场上已经出现许多有关点阵显示器有关的产品，如广告活动字幕机，股票显示板，活动广告栏等。

它们的优点是可按需要的大小，形状，颜色来组合，可与微处理器连接，做各种广告文字或图形变化，从而来实现市场的各种需求。

本文介绍了此系统的研究意义，并详细介绍了基于AVR单片机ATMEGA16的LED电子显示屏的开发设计过程，从最基本的控制原理开始入手把系统分成各个模块，然后对各个模块进行详细的PROTUES仿真设计。

系统可以实现字符﹑数字或者汉字的左移﹑右移﹑上移﹑下移。

。

无论是基于单片机技术还是基于逻辑电路其最基本的原理是相同的，即：

LED构成的电子显示屏容入单片机技术，使其在上面显示人们所需要的信息。

我们用LED显示屏显示信息，不论显示图形还是文字，都是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。

通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，在按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。

对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1，否则填0。

当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样时可行的。

这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。

显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。

文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。

组成一个字的点阵，其大小也可以有16×

16、24×

24、32×

32、48×

48等不同规格。

（本文制作的是16×

16的四块屏的组合）。

通过本次设计与制作LED显示屏，使我懂得了基本的项目开发与设的过程。

还有要作一个项目必须要分工合作，每个人负责一个模块的设计在开发过程中要细心，还要有不怕苦的精神。

本系统最复杂的就是软件试阶段，这个阶段的工作量最大，往往是解决了一个问题却又产生了一个新的问题，这就需要我们有足够的耐心与力，还要有扎实的专业知识。

LED显示屏正在向更高的方向发展，其应用也越来越广泛，而这些是基于电子的发展基础之上的，所以，消费类电子的发展也越来越迅速。

LED显示屏投入市场将为我国城市的繁荣、美化起到重大作用。

它的应用前景十分广泛，但暂时在整个消费电子领域还还不算领先，所以，这还需要我们的共同努力！

第一章绪论

1．1LED及LED显示屏

LED就是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管。

在LED的p-n结附近,n型材料中多数载流子是电子,p型材料中多数载流子是空穴。

p-n结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν（h为普朗克常数,ν为光子频率）而发光。

该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg（Ev）,其与发光波长λ（nm）的关系为λ=1239.6PEg。

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；

视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

它的优点：

亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

1.2AVR系列单片机的简介

1.2.1AVR系列单片机及其特点

①可靠性高：

因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。

系统软件（如：

程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。

许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。

②便于扩展：

片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。

③控制功能强：

具有丰富的控制指令：

如：

条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。

④实用性好：

体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。

1.2.2.2AVR单片机的发展历史简介

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。

AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR。

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。

AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了瓶颈现象，增强了功能；

同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。

故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。

AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。

内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，避免断电丢失。

片内大容量的RAM不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并可像MCS-51单片机那样扩展外部RAM。

1.2.2单片机的发展历史简介

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1.SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

2.MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，主要的技术发展方向是：

不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；

因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

第二章硬件设计

2.1设计框图及介绍

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的位置相对应的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。

16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16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16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，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，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。

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）的同名列共用一套驱动器。

具体就16ｘ16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16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。

采用扫描方式进行显示时，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。

图2-1为显示屏电路实现的结构框图。

单片机

列驱动电路

电源

行驱动电路

LED显示点阵

图2-1显示屏电路结构框图

2.2AVR单片机最小应用系统电路设计（图2-2）

图2-2AVR单片机Atmega16的最小系统

注:

该最小系统由按键复位电路、晶体振荡电路﹑AD转换滤波线路﹑ISP下载接口﹑JTAG仿真接口﹑电源以及串口电路组成。

复位的实现通常用2种方式:

开机上电复位和外部手动复位，本设计用的是外部手动复位。

电路图2-3如下：

图2-3单片机复位图

单片机Atmega16的工作电压VCC=5V,其EA引脚需接高电平,5V电源电路如图2-4所示。

图2-4单片机电源原理图

该电源电路主要模块为IC7805,它能输出稳定的5V电源,图中整流桥是将市电转变为直流电,电容起到虑波作用由7805的OUT引脚输出5V电压。

2.3LED点阵介绍

8×

8单色点阵共需要64个发光二极管组成，且每个二极管是放置在行线与列线的叉点上。

本设计是一种实用的汉字显示屏的制作，制作的是双色点阵。

考虑到元器件的易购性，没有使用8×

8的点阵发光二极管模块，而是直接使用了256个高亮度发光管，组成了16行16列的发光点阵。

实际使用时可以根据这个原理自行扩充显示的字数。

对比下面的8×

8单色点阵和8×

8双色点阵可以看出，其实8×

8双色点阵就是两块8×

8单色点阵组合在一起的。

要实现用两种颜色显示，只要在电路的设计中适当的连线就可以了。

图2-58×

8点阵外观及引脚图

8单色和双色点阵LED结构分别如下图2-6和2-7所示。

图2-68×

8单色点阵内部图图2-78×

8双色点阵内部图

2.4LED显示方式

汉字显示屏用于显示汉字、字符及图像信息，在公共汽车、银行、医院及户外广告等地方都有广泛的应用。

下面是简单的汉字显示屏的制作，由单片机控制汉字的显示内容。

为了降低成本，使用了四块8×

8的LED点阵发光管的模块，组成了一个16×

16的LED点阵显示屏，如图2-8所示。

在这里仅做了四个汉字的显示，在实际的使用中可以根据这个原理自行的扩展显示的汉字，下面是介绍汉字显示的原理。

图2-8四块8×

8的LED点阵组成16×

16的LED点阵

LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。

以16×

16点阵为例，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1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；

再送出第2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；

….第16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，就能看到显示屏上稳定的图形。

该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。

显示数据传输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。

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。

采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾，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有锁存功能。

对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能。

这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串行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。

LED点阵显示模块进行的方法有两种：

（1）水平方向（X方向）扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：

此时用一个P口输出列码决定哪一列能亮（相当于位码），用另一个P口输出行码（列数据），决定该行上那哪个LED亮（相当于段码）。

能亮的列从左到右扫描完16列（相当于位码循环移动16次）即显示出一个完整的图像。

（2）竖直方向（Y方向）扫描，即逐行扫描方式（简称行扫描方式）：

此时用一个P口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个P口输出列码（行数据，行数据为将列数据的点阵旋转90度的数据）决定该行上哪些LED灯亮（相当于段码）。

能亮的行从上向下扫描完16行（相当于位码循环移位16次）即显示一帧完整的图像。

本设计应用的是第一种的扫描方法，即水平方向（X方向）扫描。

每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均由256个点阵来表示，我们可以把每一个点理解为一个像素。

一般我们使用的16×

16的点