基于51单片机的点阵式LED显示控制.docx
《基于51单片机的点阵式LED显示控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的点阵式LED显示控制.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于51单片机的点阵式LED显示控制
摘要····················································
目录····················································2
第一章绪论············································3
1.1设计背景知识·····························
1.2研究趋势及发展现状··························
第二章8051单片机的体系结构
2.1单片机的基本内部资源································
2.2储存组织·································
2.3单片机系统外围电路···································
第三章LED电路
3.1LED简介·······························
3.216×16点阵LED原理及应用···································
3.3LED点阵的显示文字图形的原理···························
3.4驱动方式·································
3.5点阵的移动·····················
第四章系统总体方案·····························
摘要
本设计是基于MCS-51的16×16点阵LED电子显示屏的设计。
整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。
通过该芯片控制行驱动器74LS154和列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。
该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示多个汉字、图像、阿拉伯数字等，显示采用动态显示，使得文字等能够实现静止、移入移出等多种显示方式。
设计中详细介绍了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。
本文的设计是基于单片机系统的基本模块的一部分。
LED点阵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。
本设计主要以AT89C51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术，来制作的一款拥有多功能的模块化16×16LED点阵的多功能显示屏。
关键词：
AT89C51；单片机；LED点阵；显示屏；驱动电路
、
第1章绪论
1.1课题设计背景知识
当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为信息显示的重要媒体，由于LED电子显示屏具有所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活在金融证券、体育、邮电电信、指挥调度、国防军事等许多领域中得到了广泛应用。
因此点阵式显示器件的研制、生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。
该设计广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术，单片机技术，数据通信技术，显示技术，存储技术，系统软件技术，接口及驱动等技术。
我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求，可以相信，LED电子显示屏以其大的显示信息量，寿命长，耗电量小，重量轻，空间尺寸小，稳定性高，易于操作，安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。
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……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研究趋势及发展现状
1.我国LED产业发展现状
经过多年的发展，我国LED产业链已经日趋完善，企业遍布衬底、外延、芯片、封装、应用各产业环节。
纵观整体产业链条，由于上游产业对于技术和资金要求较高，导致国内企业极少涉足，因此产业存在企业数量少，规模小的特点。
相比之下，由于下游封装和应用对企业提出的资金和技术要求相对较低，这恰恰与国内企业资金少，技术弱的特点相匹配，因此，国内从事这两个环节的企业数量较多。
这种企业结构分布不均的局面导致中国LED产业多以低端产品为主，企业长期面临严峻的价格压力。
随着国家半导体照明工程的启动，中国LED产业发展“一头沉”的状态正在发生改变，中国LED上游产业得到了较快的发展，其中芯片产业发展最为引人注目。
但单从产业规模看，封装仍是中国LED产业中最大的产业链环节。
2006年包括了衬底、外延、芯片、封装四个环节的中国LED产业总产值达到105.5亿元，其中封装环节产值达到87.5亿元。
不断扩大的市场需求以及政府的大力支持是保证LED产业发展的有利因素。
近几年，诸如显示屏、景观照明、交通指示灯、汽车应用、背光源等LED应用市场迅速兴起。
新兴应用市场对LED发光效率要求的不断提升催生了对中高端产品的需求。
随着市场需求的增大，LED芯片产业产品升级步伐逐渐加快，LED芯片产品将整体走向高端。
另一方面，LED封装产业的快速发展，也为LED芯片提供了广阔的市场需求，进而为LED产业的发展提供了良好的外部环境。
国家对LED产业的发展也给予了大力支持。
2006年，根据我国半导体照明产业的发展现状，有关部门制定半导体照明产业发展计划和2006年技术发展路线图提出，对于LED芯片的投资将占LED产业投资的20%，研究重点将放在GaN芯片的生产以及功率芯片的研发上。
同时，随着LED芯片生产企业的不断增多，LED芯片产值的增长速度一直高于封装环节，导致芯片产值在我国LED产业产值中所占比重不断提升，由2002年的5.4%上升至2006年的11.3%。
由此可见，我国LED产业正在由低端走向高端，向附加值更高、更具核心价值的芯片环节迈进。
我国2005年—2007年LED器件、高亮度LED器件、LED芯片、高亮度LED芯片的产量和年增长率。
可以看出LED芯片产量从2005年的180亿只上升为2007年的360亿只，保持着较高的年增长率，而高亮度LED芯片在2005年的产量为60亿只，到2007年味210亿只，增长了3.5倍。
2.LED显示屏的发展趋势
我国现阶段的应用市场主要在建筑照明、室内外显示屏，因此，下一波的主力可能还是目前这些市场。
但在手机、小尺寸液晶背光、汽车的渗透会加大，另外一些零散市场如特种照明的开拓也会更大（特种照明对成本的要求没有通用照明那么苛刻）。
经过前几年的替换，LED交通指示灯已经非常普遍，由于LED的使用寿命较长，短期内很难在出现大规模的替换工作，这就使得交通指示灯对于LED的需求将出现一段低潮期；国内轿车市场庞大，但要求较高，认证周期长，只要有过硬的产品质量，国内车用背光及车灯的LED市场需求非常大，而且这一市场的需求增长比较稳定；而LED显示屏以其易拼装、低功耗、高亮度等优点已经广泛应用到银行、证券、广场、车站、体育场馆中，未来这一市场仍有很大增长潜力；在奥运会、世博会、一些城市夜景工程示范效应的带动以及国家半导体照明工程等众多有利因素的促进下，建筑照明市场依然前景广阔。
现代信息社会中，作为人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。
3.课题设计意义
本设计利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的汉字和字符。
其中显示字模数据有单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成。
点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：
点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度均匀。
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。
第二章单片机的系统结构
MCS-51单片机内部包含运算器、控制器、片内存储器、并行I/O接口、串行I/O接口、定时/计数器、中断系统、振荡器等功能等。
系统内部结构由8位中央处理器，时钟模块，I/O端口，内部程序循序存储器，内部数据存储器，2个16位定时计数器，中断系统和一个串行通信模块组成，如图2.1所示
51系列单片机内部模块的功能说明如下：
（1）中央处理器：
单片机的核心部件，执行预先设置好的程序代码，负责数据的计算和逻辑的控制。
（2）程序存储器：
存放程序代码。
（3）数据存储器：
存放程序执行过程中的数据。
（4）中断系统：
根据设置接受单片机的各中断事件，提交到处理器。
（5）时钟模块：
提供整个单片机所需要的各个时钟信号。
（6）可编程串行口：
根据设置进行串行数据通信。
（7）16位定时计数器：
根据设置进行定时或计数工作。
（8）I/O端口：
与外部接口部件通信，进行数据交流。
2.1单片机基本内部资源
2.1.1单片机的内部资源
基于51单片机的内部资源如下：
（1）32个I/O端口，4组8位，可以位寻址。
（2）23个16位定时计数器。
（3）两个外部中断。
（4）5个中断源，2个中断优先级。
（5）一个全双工的异步串行口。
（6）128Bytl以上的RAM。
（7）独立的，可扩展至64KB的ROM。
2.1.2并行I/O口引脚
并行I/O口引脚如下：
（1）P0口—8位双向三态I/O口；使用外存时，分时复用地址线（低8位）数据总线；P0作为通用输出口时2，必须外接上拉电阻；用作输入口时，必须先把锁存器写入1。
（2）P1口—8位准双向I/O口，只用作通用的I/O口使用；作为输出口时，由于内部有上拉电阻，所以不需要外接上拉电阻；用作输入口时，必须首先向锁存器写入1。
（3）P2口—8位准双向I/O口；访问外存时只输出地址高8位；
（4）P3口—8位准双向I/O口；每个脚还是具有第二功能，当P3处于第二功能时，单片机内部硬件自动将端口锁存器的Q端置1.如表2.1所示。
表2.1单片机引脚控制功能表
引脚
转义引脚
功能说名
P3.0
RXD
串行数据接收端
P3.1
TXD
窜行数据发送端
P3.2
INT0
外部中断0请求
P3.3
INT1
外部中断1请求
P3.4
T0
计数器0外部输入
P3.5
T1
计数器1外部输入
P3.6
WR
外部数据存储器写
P3.7
RD
外部数据存储器读
P3口相应的端口线处于第二功能，应满足以下条件：
1串行I/O口处于运行状态（RXD,TXD）
②外部中断已经打开（INT0，INT1）
③定时/计数器处于外部计数状态（T0，T1）
④执行读/写外部RAM的指令（RD,WR）
2.1.3控制引脚
控制引脚如下：
（1）RST/VPD:
复位信号输入端/备用电源输入端（当VCC电源降低到低电平时，RST/VPD端的备用电源自动施加到系统，保证片内RAM中的信息不丢失）。
晶振工作后2个机器周期的高电平复位CPU。
（2）ALE:
地址锁存信号，用于访问外存时锁存器低8位地址。
ALE为晶振6分频。
（3）PSEN:
外部程序存储器，从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。
（4）EA:
允许访问片内外程序的存储器控制端。
当EA=1从内部开始执行程序；当EA=0只访问外程序存储器
2.1.4电源及时钟引脚
电源及时钟引脚如下：
（1）X1：
按外部晶体此引脚接地，又是内部振荡器的输入端。
（2）X2：
接外部晶体的另一端，又是内部振荡器的输出端。
（3）VCC,VSS:
电源和地，+5电源供电，使用TTL电平【6】。
2.2储存组织
2.2.1算数逻辑单元ALU
算数逻辑单元是8位，由加法器和其它逻辑电路（如移位电路、控制门）组成，主要功能是完成算数/逻辑运算，位处理。
2.2.2寄存器
（1）通用寄存器（8位）：
4组，8个寄存器R0-R7,R0和R1可用于间接寻址。
（2）特殊功能寄存器（SFR）：
共有21个。
①累加器A（Acc）：
8051是累加器结构，所有的运算都是以累加器为一个源操作数和目的操作数。
常用于存放与算术或逻辑运算的两个操作数中的一个操作数及运算结果，或用于存放目的操作数。
②累加器B：
乘、除指令中的一个操作数，在乘法运算中被乘数放在累加器A中，乘数放在累加器B中，而积的稿8位放在寄存器B中，低8位放在累加器A中。
可以作为一般变量使用
③程序状态字寄存器PSW:
也称为标志位寄存器，8位寄存器，保存指令执行状态，其状态表如表2.2所示。
表2.28位寄存器执行状态表
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Cy
AC
F0
RS1
RS0
OV
-
P
Cy：
进（借）位标志，保存算数运算的进或接位，位操作的累加器。
“1”：
当加法或减法运算时，最高位有进位或借位；“0”：
当加法或减法运算时，最高位无进位或借位。
Cy=1，溢出；Cy=0未溢出
AC:
辅助进位标志，“1”：
当加法或减法运算时，低4位向高4位有进位或借位；“0”:
当加法或减法运算时，低4位向高4位无进位或借位。
常用于BCD码的调整。
F0：
用户标志，可以使用的位变量，可以随PSW被保存。
RS1，RS0：
寄存器组选择如表2.3所示。
表2.3寄存器表组选择表
M1M0
方式
地址
00组
0
（00H~07H）
01组
1
（08H~0FH）
10组
2
（10H~17H）
11组
3
（18H~1FH）
OV:
溢出标志位，有符号数运算结果超出允许范围OV=1，否则OV=0；计算机在数据处理过程中，OV置位和清零的依据是：
加法运算时，若最高位产生进位，而次高位没有向最高位产生进位；或最高位没有产生进位，而次高位向最高位产生进位时，OV=1否则OV=0.
减法运算时，，若最高位产生借位，而次高位没有向最高位产生借位；或最高位没有产生借位，而次高位向最高位产生借位时，OV=1否则OV=0.
P：
奇偶标志位，每个机器周期根据累加器A中的内容的奇偶性由硬件置1复位，A中1的个数为奇P=1；否则P=0
④堆栈及堆栈指针SP：
堆栈（存储区）按先进后出的原则读写数据，堆栈空间用内部RAM（256），用于保护现场和恢复现场。
堆栈指针SP为8位寄存器，指示栈顶位置。
进栈，SP+1，再压栈；出栈，先出栈再SP-1,MCS-51系统复位后，SP初始化为07H。
⑤数据指针寄存器DPTR：
16位专用寄存器，由DPH（数据指针高8位）和DPL（数据指针低8位）组成，用于存储外部数据存储器的存储单元地址。
DPTR寄存器间接寻址方式可访问0000H~FFFFH的全部64KB的外部数据存储器的空间。
⑥程序计数器PC（16位）：
不属于SFR，但有联系，用于存放下一条的指令地址。
2.3单片机系统外围电路
单片机外围电路一般有两块；时钟电路（如图2.3所示）和复位电路（如图2.4所示）。
时钟电路由一个晶振和两个小电容组成，用来产生时钟频率。
复位电路由一个电阻、按键和一个电容组成，用来产生复位信号使单片机上电的时候复位。
AT89C51单片机芯片内部都有有一个反相放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡器电路的输入端和输出端。
时钟可由内部和外部生成，在XTAL1和XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器就会产生自激振荡。
外接元件有晶体振荡器和电容，他们组成并联谐振电路。
晶振的振荡频率选择12MHz,C1、C2的电容取值22PF，具有快速起振、稳定晶振频率和微调频率的作用。
若外接晶振频率为fosc=12MHz,则4个基本周期的具体数值为：
（1）震荡周期=1/12uf;
（2）时钟周期=1/6uf；
（3）机器周期=1uf;
（4）指令周期=1,2,和4uf。
单片机有多种复位电路，单片机复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分和过程中引起的抖动而影响复位。
本系统采用电平式开关复位和上电复位方式，当上电时，C1相当于与短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位时单片机复位，在有时2碰到干扰时会造成错误复位。
但是大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，在服务端加一个去耦电容，则会得到很好地效果
第3章LED电路
3.1LED简介
组合型LED点阵显示器以以发光二极体为图素，它用高亮度LED晶粒进行阵列组合后，再透过环氧树脂和塑模封装而成。
具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点,
点阵显示器有单色和双色两类，可显示红、黄、绿、橙等。
LED点阵有4*4，4*8,5*7,5*8,8*8,16*16,24*24,40*40……多种。
根据图素的数目分为：
单色、双原色、三原色等；根据图素的颜色不同所显示的文字、图像等内容的颜色也不同，单元色点阵只能显示固定色彩如：
红、绿、黄等单色、双原色和三原色点阵显示内容的颜色有图素不同颜色发光二极体变量组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极体的点亮时间，可显示256或更高级灰度显示，即可是实现真色彩显示。
几种LED点阵显示器的内部电路结构和外形规格，其它型号点阵的结构与引脚可实验获得，LED点阵显示器单块使用时，即可代替数码显示数位，也可显示各种中西文字符号。
如5*7点阵显示器用于显示西文字母，5*8点阵显示器用于显示中西文。
8*8点阵显示器用于显示中文文字，也可用于图形显示。
用多块点阵显示器组合则可构成大荧幕显示器，但这类使用装置常通过微机或单片机控制驱动。
由LED点阵显示器的内部结构可知，器件易采用动态扫描驱动方式工作，由于LED管芯大多为高亮度型，因此某行或某列的单体LED驱动电流可选用窄脉冲，但其平均电流应限制在20mA内，多数点阵显示器的单体LED的正向压降约在2V左右，但大亮点∮10的点阵显示器单体LED的正向压降约为6V。
大荧幕显示系统一般是将由多个LED点阵组成的小模组以搭积木的方式组合而成的，每一个小模组都有自己的独立的控制系统，组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模组的命令和资料即可，这种方法既简单而且具有易展、易维修的特点。
LED点阵显示系统中各模组的显示方式有静态和动态显示两种。
静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示幕的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字资讯的脉冲信号，反复以上操作就可显示各种图形或文字通讯。
3.216×16点阵LED原理及应用
16*16点阵LED实物如图3.1所示。
设计时必须掌握点阵工作原理方能进行更深层设计。
16*16LED点阵其实就是4块8*8点阵LED级联而成的，因此特给出8*8的点阵LED的工作原理图。
如图3.2为8*8点阵LED外观及引脚图
其等效电路如图3.3所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。
例如：
如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。
应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
而16*16就是在8*8院里的基础上将四块8*8级联而成，如图3.4所示。
3.3LED点阵的显示文字图形原理
汉子显示屏用于显示汉子、字符及图像信息，在公共汽车、银行、医院及户外广告等都有广泛的应用。
下面是简单的汉字显示屏的操作，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3.5所示。
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：
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驱动电路。
以16*16点阵为例，把所有同一行的发光管的阴极连在一起把所有同一行的发光管的阳极连长在一起（共阴极的接法）。
先送出对应的第一列发光管亮灯的数据并锁存，然后选通第一列使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二列的数据并锁存，然后选通第二列使其燃亮相同的时间，然后熄灭；······第16列之后，又重新燃亮第一列，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。
显示数据可通过单片机的P0，P2口接驱动电路传输到点阵行引脚。
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），决定该列上哪个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口输出决定哪一个能亮（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）即显示一帧的完整图形。
本设计应用的是第二种的扫描方法，即竖直方向（Y方向）扫描。
每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均有256个点阵来表示，我们可
升级会员 