单片机LED电子显示屏控制系统设计.docx
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单片机LED电子显示屏控制系统设计
本科毕业设计
论文题目：
基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计
姓名：
XXX
学号：
XXX
系（部）：
XXX
专业：
XXX
班级：
XXX
指导教师：
XXX
完成时间：
2013年4月
摘要
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，从此得到了广泛的应用，同时取得了飞速发展。
随着科技的飞速迅猛发展，也带动传统控制及LED显示技术日新月异的更新。
大型LED点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、街道、高速公路等诸多公共场所的信息显示和广告宣传。
本文提出了一种实现单片机控制LED点阵显示屏的简单方案，初步介绍了单片机的基本结构以及LED的发光原理和特点，着重阐述了单片机的程序设计方法与LED点阵显示系统的工作原理，主要运用C语言编写源程序，并利用Proteus软件进行仿真，设计出了一个基于80C51单片机的8×8LED点阵的显示屏，能够实现“XINGTAIUNIVERSITY”字样的滚动显示。
关键字：
单片机；LED；显示系统
Abstract
Microcontrollersinceitsintroductioninthe1970s,totheextremelyhighperformanceandlowcosttopeople'sattentionandconcern,fromawiderangeofapplications,andatthesametimehavemaderapiddevelopment.Withtherapiddevelopmentofrapidtechnological,butalsoledtothetraditionalcontrolandLEDdisplayandtechnologyupdate.LargeLEDdotmatrixbillboardsandtraditionaladvertisingiscloselyintegratedintothenewmediapropagandatool,widelyusedintheexhibitioncenter,financialmarkets,hospitals,stadiums,airports,docks,stations,streets,highways,andmanyotherpublicplacesdisplayandadvertising.ThispaperpresentsasimpleLEDdotmatrixdisplayprogramtoachieveasingle-chipcontrol,theinitialintroductionofthebasicstructureofthemicrocontrollerandLEDlight-emittingprincipleandcharacteristics,focusingontheworksofMCUprogrammingmethodwithLEDdotmatrixdisplaysystemprimarilyusetheClanguagesourcecode,andProteussoftwaresimulation,designa8×8LEDdotmatrixdisplaybasedonthe80C51microcontrollercanachievethewords"XINGTAIUNIVERSITY"rollingdisplay.
Keywords:
SCM;LED;DisplaySystemAlpha
前言………………………………………………………………………1
1单片机简要介绍………………………………………………………1
1.1单片机的涵义及特点……………………………………………………1
1.2单片机的发展过程……………………………………………………1
1.380C51系列单片机的基本结构…………………………………………2
1.480C51系列单片机的程序设计…………………………………………3
2LED简要介绍……………………………………………………………5
2.1LED的发光原理…………………………………………………………5
2.2LED的特点………………………………………………………………5
2.3LED点阵原理………………………………………………………………6
3Proteus使用方法介绍…………………………………………………7
3.1Proteus的功能介绍………………………………………………………7
3.2Proteus的特点…………………………………………………………7
3.3Proteus原理图绘制……………………………………………………7
3.4ProteusVSM仿真与分析………………………………………………7
4LED显示系统的设计方案………………………………………………8
4.1设计目标………………………………………………………………8
4.2整体电路………………………………………………………………8
4.3硬件部分………………………………………………………………8
4.4软件部分………………………………………………………………12
4.5仿真效果………………………………………………………………15
4.6印刷电路板（PCB）……………………………………………………18
结论………………………………………………………………………18
致谢………………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………20
前言
LED全称为“Lightemittingdiode”，是一种信息发布的重要载体。
因其具有亮度高、功耗小、易于集成、驱动简单等很多显著优点，被广泛应用于医院、金融系统、运输部门等社会各个领域。
LED显示屏发展较快，其无论在成本和生产的社会效益等方面都有其独特的优势。
本文初步介绍了有关单片机的基本结构和指令系统以及LED的发光原理和特点，重点阐述了单片机的程序设计方法与LED点阵原理，设计了一个由80C51单片机控制的8×8LED点阵显示，可滚动显示“XINGTAIUNIVERSITY”字样，并利用Proteus软件进行仿真。
1单片机简要介绍
1.1单片机的涵义及特点
在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。
单片机体积小、控制功能强，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。
目前，单片机应用技术已成为电子应用系统设计中最为常用的技术手段。
单片机的特点:
（1）集成度高，体积小，可靠性高
单片机的功能集成在一个晶片上，高集成度，最小尺寸。
该芯片本身是由工业测量和控制环境，内部布线很短，其抗噪声性能优于一般的CPU。
单片机程序指令，常数和表ROM固化不易破坏，在一个单芯片多信号通道，高可靠性。
（2）控制功能
为了满足对象的控制要求，单片机的指令系统，他们是极其丰富：
分支转移能力，I/O端口的逻辑运算和位处理能力，适合特殊控制功能。
（3）低电压，低功耗，便携式产品容易生产
为了满足广泛应用于便携式系统，单片机的工作电压为1.8V至3.6V只，操作只有几百微安电流。
（4）易于扩展
该表拥有计算机的正常运行的必要组成部分。
扩展总线和并行芯片，易形成规模的串行输入/输出引脚的计算机系统中的应用[3]。
1.2单片机的发展过程
单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。
我们纵观整个单片机技术发展过程，可简述为：
1971英特尔公司开发的世界上第一个4位微处理器；英特尔霍夫成功研制出世界上第一个4位微处理器芯片的英特尔4004，标志着第一代微处理器和微机时代开始。
由于微处理器的发明，有英国《经济学家》杂志的一个“最有影响力的第二次世界大战以来的七个科学家”。
1971年11月，英特尔推出了监控-4微机系统（包括4001的ROM芯片，4002的内存芯片，4003个移位寄存器芯片和单片机4004）4004含有2300个晶体管，尺寸3×4mm的计算性能远超过一年的，最初售价为200美元。
1972年4月，Hough等人开发的第一个8位微处理器英特尔8008。
由于8008是一个P沟道MOS微处理器，因此仍属于第一代微处理器。
1973英特尔公司开发的一个8位微处理器8080；1973年8月，Hough等人，开发了一个8位微处理器英特尔8080，取代P沟道MOS电路，第二代微处理器就此诞生了。
8080芯片的时钟速度比8008在2MHz运行速度的10倍，使用64KB内存，使用6000个晶体管的基础上，6微米技术，处理速度0.64mips（百万条指令每秒）。
1975年4月，MITSAltair8800发布了第一个通用，售价为375美元，与1KB的记忆。
这是世界上第一个微型计算机。
1976年Intel公司研制出了MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。
Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛应用于微型计算机和工业自动控制设备。
当时，Zilog、Motorola和Intel三家公司在微处理器的领域三足鼎立。
20世纪80年代初，英特尔公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。
MCS-51系列的单片机无论是片内的RAM容量，I/O口功能，系统扩展的方面都有了大的提高[4]。
1.380C51系列单片机的基本结构
80C51基本型单片机的组成如图1-1所示。
图中，与并行口P3复用的引脚有：
串行口输入和输出引脚RXD和TXD；外部中断输入引脚
和
；外部计数输入引脚T0和T1；外部数据存储器写和读控制信号
和
。
由图1-1可见，80C51单片机基本型包含：
（1）CPU系统：
8位CPU，含布尔处理器；
时钟电路；
总线控制。
（2）存储器系统：
4K字节程序存储器（ROM/EPROM/Flash,可再外扩64K）；
128字节数据存储器（RAM,可再外扩64K）；
特殊功能寄存器SFR。
图1-180C51基本型单片机的组成
（3）I/O口和其他功能单元：
4个并行I/O口；
2个16位定时/计数器；
1个全双工异步串行口（UART）；
中断系统（5个中断源、2个优先级）[1]。
1.480C51系列单片机的程序设计
单片机应用系统的程序设计，不仅可以采用汇编语言完成，也可以采用C语言实现。
汇编语言对单片机内部资源操作直接、简洁，代码紧凑。
但是当系统的规模较大时，设计人员更倾向于采用C语言进行程序设计。
这是因为C语言具有良好的可读性、可移植性和基本的硬件操作能力。
现在有多种可以对80C51单片机进行操作的C语言，它们通常统称为C51。
采用C51进行单片机应用程序设计，编译器能自动完成变量存储单元的分配，编程者可以专注于应用系统的逻辑思想；对常用功能模块和算法编制相应的函数，也可以方便地进行算法和应用程序的移植。
C51程序由一个或多个函数构成，其中至少应包含一个主函数main。
程序从主函数开始执行，调用其他函数后又返回主函数，被调用函数如果位于主调函数前面，可以直接调用，否则应该先说明后调用。
被调用的函数可以是用户自编的函数，或者是C51编译器提供的库函数。
典型示例如下：
#include
#include
voiddelayms（unsigned）;
voidmain（void）
{
unsignedchari;
P1=0x01;
do
{for（i=0;i<=7;i++）
{
delayms（5000）;
P1=P1<<1;
if（P1==0x0）{P1=0x01;}
}
}while
（1）;
}
{
unsignedcharj;
while（x--）
{
for（j=0;j<123;j++）{;}
}
}
C51的程序结构可分为顺序结构、选择结构和循环结构。
因为顺序结构比较简单，这里只对选择结构和循环结构进行简单介绍。
（1）选择结构
在C51中，选择语句有条件语句和开关语句两种,这里只介绍条件语句。
条件语句，由关键词字if构成。
有3种条件语句，这里只讲述其中一种：
if（条件表达式）语句
若条件表达式的结果为真（非0值），则执行后面的语句；反之若条件表达式的结果为假（0值），则不执行后面的语句。
（2）循环结构
在C51程序中，实现循环的方法有4种，这里主要讲述其中两种：
1）do-while语句
一般形式为：
do语句while（条件表达式）;
该结构的特点是先执行给定的循环语句，然后在检查条件表达式的结果。
当条件表达式的值为真（非0值），则重复执行循环体语句，直到条件表达式的值变为假（0值）时为止。
对于此种结构，在任何条件下，循环体语句至少会被执行一次。
2）for语句
一般形式为：
for（[初值表达式];[条件表达式];[更新表达式]）语句
该语句执行时，先计算初值表达式，作为循环控制变量的初值，再检查条件表达式的结果，当满足条件时就执行循环语句并计算更新表达式，然后再根据更新表达式的计算结果来判断循环条件是否满足，一直进行到循环条件表达式的结果为假（0值）时退出循环体[1，5-10]。
2LED简要介绍
2.1LED的发光原理
LED（LightEmittingDiode），也叫发光二级管，是一种固态的半导体器件，它能够直接把电能转化为光能。
LED的核心部分由P型半导体和N型半导体而组成的晶片。
在P型半导体，空穴的数量比自由电子的数量大得多，多数载流子为空穴，少数载流子是自由电子；在N型半导体，自由电子的数量比孔学的数量大的多，载体中大多数为自由电子，少数载流子为空穴。
半导体的它们之间的连接将是一个“P-N结”。
当它两端加上正向电压时，电子就会被推向P区，在P区的电子空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，半导体晶体会发出不同颜色的光，光电流的强度与电流息息相关，这是LED发光原理。
光的波长（颜色），是由物质形成P-N结的材料来确定的[11]。
2.2LED的特点
LED的内在诸多特征决定了其具有的很多优点，例如：
（1）体积较小：
LED大体上是一块被封装在环氧树脂里面的非常小的晶片，所以它特别小，而且重量非常轻。
（2）耗电量较低：
LED的耗电很低，直流驱动，超低功耗，它转换的电光功率大约为30%。
通常LED的工作电压为2～3.6V，工作电流为0.02～0.03A，也就是说，同等的照明效果比传统的光源节能约80%，它所消耗掉的电能不能超过0.1W。
（3）寿命长：
许多人称LED灯光源是长寿灯。
LED是固体冷光源，不存在灯丝，环氧树脂，灯体内没有松动的部分，一般不燃烧，热沉积，光线渐暗等缺陷，在适当的电压和电流下，寿命可达60000-100000小时，比传统光源的寿命大10倍之上。
（4）高亮度，低热量：
使用LED冷光源技术，比普通灯泡具有更少的热量。
（5）环保：
LED是由无毒材料制成的，不像荧光灯含有水银会造成污染，并可以循环利用。
在它的光普中没有红外和紫外光谱，这意味着不产生热量，也不会产生辐射，冷光源，可以安全的触摸，是典型的绿色照明的光源。
（6）耐用坚固：
作为LED完全封装在环氧树脂内，所以比灯泡和荧光灯管应是坚固的。
因为灯体内也没有松动的部分，所以LED不容易损坏。
（7）多变化：
LED光源可利用红，绿，蓝颜色三基色理论，在计算机技术的控制，使三种颜色具有256级灰度和混合用任何方法可以产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同的光的颜色组合有很多，可以实现各种图像显示以及各种影响的动态变化。
（8）最先进的技术：
与传统光源单调的辉光相比，LED照明光源是电压较低的微电子产品，融合了计算机技术，图像处理技术，网络通信技术，嵌入式控制技术等，它也是数字信息产品的在线编程的、灵活的、无限的可扩展性的特点[12]。
2.3LED点阵原理
8×8点阵LED外观及引脚如图2-1所示：
图2-18×8点阵LED外观及引脚图
从图2-2中可以看出，8×8点阵总共由64个发光二极管组成，而且它的每个发光二极管置于行线和列线的交叉点上，，对应于所设置的水平线，一列设置为0电平，则相应的二极管就会发光光；要显示图形或字体时，只要考虑它的显示方式。
可编程控制各显示点对应的LED的阳极和阴极端的电平，可以有效地控制显示灯。
因此，要实现一根柱形的亮法，对应的一列为一根竖柱，或对应的一行为一根横柱，因此实现柱的亮的方法如下所述：
一根竖柱：
对应的列置0，而行则采用扫描的方法来实现。
一根横柱：
对应的行置1，而列则采用扫描的方法来实现。
在此，以8×8LED点阵对LED点阵显示模块进行扫描的方法进行一下详细的介绍：
（1）水平方向扫描，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），再用另一个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8列（相当于位码循环移动8次）即能显示出一个完整的图像。
（2）竖直方向扫描，即逐行扫描的方式（简称行扫描方式）：
此时用一个P口输出行
图2-28×8点阵LED等效电路
码，决定哪一行能亮（相当于位码），再另一个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8行（相当于位码循环移动8次）即能显示一个完整的图像[11-13]。
3Proteus使用方法介绍
Proteus嵌入式系统开发平台开发是由Labcenterelectronics公司进行的，它包括ISIS/ARES等的软件模块，ARES模块主要用于完成PCB（印刷电路板）的设计，ISIS模块用来完成电路原理图的布局和仿真。
基于VSM技术Proteus软件仿真，它与其他软件最大的不同也是最大的优势是，它可以模拟大量的单芯片，如MCS-51系列，PIC系列等，以及单片机外围电路，如键盘，LED，LCD等。
它可以是各种处理器的实时仿真，调试和EDA工具测试，真的可以在没有目标样机时调试系统、测试和验证，具有较强的科学和技术代表性。
本设计采用的是Proteus7.4版本。
3.1Proteus的功能介绍
Proteus具有智能原理布图、混合电路仿真与精确分析、单片机软件调试、单片机与外围电路的协同仿真、PCB自动布局与布线等全部的功能。
3.2Proteus的特点
（1）实现了单片机仿真与SPICE电路仿真相结合
（2）支持主流单片机系统的仿真
（3）提供软件调试的功能
（4）具有强大的原理图绘制功能
（5）PCB设计以及自动布线[14-16]
3.3Proteus原理图绘制
电路原理图的设计方法和步骤：
创建一个新的设计文件→设置工作环境→提取元器件→在原理图中放置元器件→编辑元器件→绘制原理图→建立网络表→对原理图进行电气规则检测→存盘及输出报表。
3.4ProteusVSM仿真与分析
原理图输入→建立源代码文件（选择代码生成工具，建立新的源代码文件，源文件命名）→源代码文件与单片机连接（源代码编辑，源代码汇编编译，程序加载到CPU）→交互式仿真（可实时显示系统输出结果，元器件引脚电平）。
4LED显示系统的设计方案
4.1设计目标
设计一个基于80C51单片机的8×8LED点阵显示屏，实现“XINGTAIUNIVERSITY”字样的滚动显示。
4.2整体电路
对于整体电路，因为80C51单片机P0口设计成了开漏极的结构,所以需要在P0口加上拉电阻。
4.3硬件部分
4.3.180C51单片机引脚功能
80C51系列中，用CHMOS工艺制造的单片机都采用双列直插式DIP40脚封装引脚信号完全相同，其引脚图如图4-2所示。
各引脚功能简述如下：
（1）电源及时钟引脚（4个）
·VCC，电源引脚；
·VSS，接地引脚。
·XTAL1，内部振荡电路反相放大器输入端，是外接晶振的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
图4-1整体电路
图4-280C51单片机引脚图
·XTAL2，内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
（2）控制线引脚（4个）
·
/VPP，内外程序存储器选择引脚/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚。
当
为低电平时，访问外部程序存储；当
为高电平时，访问内部程序存储器（PC值小于4K）。
·RST/VPD，复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。
振荡器工作时，该引脚上持续2个机器周期的高电平可实现复位操作。
此引脚还可接上备用电源。
在VCC掉电期间，由VPD向内部RAM提供电源，以保持内部RAM中的数据。
·ALE/
，地址锁存允许的信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。
正常运行时，允许地址锁存地址的低字节到外部锁存器锁存。
ALE引脚定期在恒定频率（振荡器频率的1/6）周期性的发出了一个正脉冲信号。
因此，它可用于对外输出的时钟信号或者是用作定时。
但是请注意，一个ALE脉冲每当访问外部数据存储器时将跳过。
（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）
·
，外部程序存储器读选通信号输出引脚。
在从外部程序存储器取指令或数据期间，
在每个机器周期内两次有效。
·P0.0～P0.7，一般I/O口引脚或数据或低位的地址总线复用引脚。
在外部存储器访问时实现分时操作，先用作地址总线，在ALE的信号处于下降沿，地址被锁存；即用作为数据总线。
它也可以用于双向输入/输出口。
P0口能驱动8个LSTTL负载。
·P1.0～P1.7，一般I/O口引脚。
·P2.0～P2.7，一般I/O口引脚或高位的地址总线引脚。
·P3.0～P3.7，一般I/O口引脚或第二功能引脚：
P3.0——RXD，串行口的输入端；
P3.1——TXD，串行口的输出端；
P3.2——
，外部中断0中断请求输入端；
P3.3——
，外部中断1中断请求输入端；
P3.4——T0，定时器/计数器0外部输入端；
P3.5——T1，定时器/计数器1外部输入端；
P3.6——
，外部数据存储器写选通信号；
P3.7——
，外部数据存储器读选通信号[1]。
4.3.2复位电路
图4-3复位电路
当80C51的RST引脚加高电平复位信号（保持2个以上机器周期）时，单片机内部就会执行复位操作。
当复位信号变为低电平时，单片机开始执行程序。
在实际应用中，复位操作有两种基本形式，一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
如图4-3所示为上电与复位均有效的复位。
复位电路基本功能：
系统上电的时候提供复位信号，到系统的功率稳定性时，复位信号即撤销。
为了稳定可靠，电源稳定后还要经过一定延时复位信号才会撤销，也为了防止功率开关或电源
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