LED点阵显示屏控制系统的设计.docx
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LED点阵显示屏控制系统的设计
学士学位论文
LED点阵显示屏控制系统的设计
姓名：
李雪霞
学号：
2
指导教师：
李爱云田中俊
院系（部所）：
光电工程学院
专业：
电子信息工程
完成日期：
2013年05月25日
学士学位论文
LED点阵显示屏控制系统的设计
姓名：
李雪霞
学号：
2
指导教师：
李爱云田中俊
院系（部所）：
光电工程学院
专业：
电子信息工程
完成日期：
2013年05月25日
摘要
LED点阵显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏。
它具有发光效率高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点，所以受到广泛重视而得到迅速发展，LED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点阵显示屏可以显示数字或符号，通常用来显示时间、速度、系统状态等。
文章给出了一种基于MCS-51单片机的16*16点阵LED显示屏的设计方案，包括系统具体的硬件设计方案，软件流程图和部分汇编语言程序等方面。
在负载范围内，只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展，是一种成本低廉的图文显示方案。
本文主要以AT89C51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术、制作一款拥有PC机通讯功能的，模块化LED多功能显示屏。
关键词:
MCS-51；LED;16*16点阵
Abstract
LEDdotmatrixdisplayistouselight-emittingdiodedotmatrixmodules,orthecompositionoftheplanarpixeldisplayscreen.Ithasahighluminousefficience,longservicelifeandflexibleconfiguration,color-richaswellasindoorandoutdoorenvironment,adaptableandsoon.
LEDdotmatrixdisplaycandisplaynumbersorsymbols,usuallyusedtodisplaytime,speed,systemstatus.GiveninthispaperwhichisbasedonMCS-51microcontroller16*16dotmatrixLEDdisplaydesign.Includingthesystemspecifichardwaredesign,softwareflowchartandsomeassemblylanguageprocedures.Intheloadrange,justbyasimplecascadecanbeextendedtothescreenislow-costgraphicdisplayprogram.ThisdesignmainlyAT89C51microcontrollerasthecore,usingserialtransmission,dynamicscanningtechnologytoproduceaPCmachinehasacommunicationfunction,modular,multi-functionLEDdisplay.
Keywords:
MCS-51;LED;16*16dotmatrix
第1章绪论
1.1课题背景及LED的研究现状及意义
LED显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是八十年代后期在全球迅速发展起来的，由几万到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LED灯中红色、绿色、黄色应用最为广泛，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文字、图形图像、数字；既可以用于室内环境，又可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点[1]。
（1）我国LED产业发展现状
经历了多年的发展，我国LED产业初步形成从外延片生产、芯片制备到器件封装、集成应用等比较完整的产业链，已从购买芯片、外延片生产应用产品，逐步发展到自主生产外延片和芯片的阶段，并且已具备一定技术和产业基础。
我国上游产业的现状，一是参与单位多，二是与国际先进水平比较，一般芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及品质控制水平与国际厂家仍有差距，三是能满足市场需要且规模化生产的企业少，封装所芯片尤其高档芯片主要靠进口。
（2）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深刻的了解和认识。
并且通过该设计课题掌握了51单片机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。
并且对大学期间所学的一些理论进行了实践，使我们对所学的理论知识有了新的认识。
1.2LED简介
LED，即发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而发光[3]，是一种半导体固体发光器件。
显示屏的构成形式有很多种，其中最典型的有两种。
一种称为单显示型，是把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字
显示；另一种称可编程序型[4]，在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示。
目前，我国的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示花样较单一，显示内容相对较少。
可编程序型LED显示屏，虽然也存在着更换显示内容不便的缺点，但增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样有所增加。
而利用PC机通讯技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。
本设计是基于单片机讲述了16*16LED汉字点阵显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编译与下载等基本环节和相关技术。
1.3论文主要内容
根据论文设计题目的特点，对论文的内容和结构将做如下安排：
（1）初步方案的论证和选择
搜集题目的相关资料，选定以单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的设计方案。
（2）方案实现
以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从理论和实际两方面来选择和论证。
（3）软件编写
根据硬件特点和设计要求，软件选用单片机编程。
（4）结论
设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。
第2章总体设计
2.1LED点阵显示屏控制系统设计的原理
如2-1所示，本产品拟采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路实现，主要由图16*16LED点阵、电源、AT89C51芯片、行驱动器、列驱动器5部分组成。
行驱动器
图21显示屏电路框图
控制与组成图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，从而得到我们想要的显示结果，这种显示方法就是所谓的静态驱动显示。
16*16的点阵共有256个发光二极管，而单片机没有这么多的端口，因此在实际应用中的显示屏是采用另一种称为动态扫描的显示方法，几乎都不采用这种设计。
逐行轮流点亮就是所谓的动态扫描，这样的扫描驱动电路可以实现多行同名列共用一套驱动器[6]。
动态扫描有两种接法，共阴极接法和共阳极接法。
采用动态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[8]。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。
第3章系统硬件选择及介绍
由图2-1可知此次设计的硬件选择如下：
AT89C51芯片、LED、74LS154、电阻、LED的驱动三极管等一些单片机外围应用电路组成。
下面将介绍各种外围电路。
3.1AT89C51单片机的结构
AT89C51俗称单片机，是一种带4KB闪烁可编程序可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS型8位微处理器[9]。
该器件采用的是ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造的[10]，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU合闪烁存储器组合在芯片中，AT89C51是一种高效微控制器。
它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
因此，在智能化电子设计与制作过程中AT89C51芯片是经常被用到的。
AT89C-51的特性与组成及外部总线：
I.特性
与MCS-51兼容
数据保留时间：
10年寿命：
1000次写/擦循环
三级程序存储器锁定
全静态工作：
0Hz-24Hz
II.组成
一个8位CPU
4K字节可编程闪烁存储器
12*8位内部RAM
两个16位定时器/计数器
32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O端口）
具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构
可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路
一个片内振荡器及时钟电路
一个可编程全双工串行接口
III.外部总线
（1）地址总线宽度为16位，高8位由P2口输出，P0口输出低8位。
P0是地址/数据共用的端口。
（2）数据总线宽度为8位，由P0口提供。
（3）控制总线由4条控制总线和P3口的第二功能状态组成。
3.1.1AT89C51管脚说明
（1）主电源引脚VSS和VCC。
VCC:
正常工作时接+5V电源。
VSS:
接地。
（2）输入/输出（I/O）端口引脚
P0口：
P0口可以作为输入/输出口，但在实际应用中，通常作为地址/数据总线口，即低8位地址与数据线分时使用P0口。
低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中，而高8位地址由P2口输出。
P1口：
P1口作为输入输出端口，但必须先写1。
P2口：
P2口作为输入口或输出口使用，外接I/O设备时，又作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。
P3口：
P0口为双功能口，作为第一功能使用时，其功能同P1口。
当作第二功能使用时，如下列所示:
管口引脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0输入线）
P3.3INT1（外部中断1输入线）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通信号输出）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
（3）控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。
RST:
复位输入当振荡器复位器件时，要保持RST引脚上出现两个机器周期的高电平。
ALE/PROG:
允许地址锁存输出/编程脉冲输入正常工作时为ALE功能，提供把低字节地址锁存到外部锁存器的信号。
ALE引脚以不变的频率周期性的发出正脉冲信号。
因此，它还可对外输出时钟信号，或用于定时目的。
但要注意，没当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动8个TTL电路。
PSEN:
片外程序存储器读选通信号输出从外部程序存储器取指期间，PSEN每个机器周期内两次有效。
EA/VPP:
片内、片外程序存储器选择输出/编程电压输入当EA为高电平时，地址小于4KB时，访问内部程序存储器，当地址大于4KB时，访问外部程序存储器；当EA为低电平时，访问外部程序存储器。
（4）时钟电路引脚XTAL1、XTAL2。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2LED点阵显示屏
显示部分包括显示屏，至少可以显示一个汉字，以及驱动该显示屏的驱动电路。
由于单片机的I/O口有限，不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需对单片机I/O口进行扩展增加单片机并行输出的能力。
构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成的大的LED点阵模块[11]。
这两种屏幕构成方法各有优缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，兼修的成本较低，缺点在于连接电路复杂；而点阵模块成的方法却正好与之相反，模块构成节省了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所以LED都必须更换，这就加大了维修的成本[12]。
目前市场上普遍采用的点阵模块有8*8、16*16几种。
两种方法相比较，决定采用模块构成的方法来制作一个LDE点阵显示屏。
为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小这一问题的风险。
所以构建一个16*16的LED点阵显示屏。
一个16*16的LED点阵显示屏行和列各有16个引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展[13]。
经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。
3.3行驱动器和列驱动器
3.3.1行驱动芯片74HC154介绍
74HC154为变量译码器，也称二进制译码器，它是一种四线--十六线译码器，输入端有4个，输出端有24=16个，并有两个选通端，它的管脚形式如图3-1所示。
当选通端E1、E2均为低电平时，译码器处于工作状态，可将地址输入端（A0-A3）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
否则译码器被禁止，所以输出端被封锁在高电平。
Y0-Y15为译码器输出端，低电平有效，即在选通时，每输入一个二进制代码将使对应的一个输出端为低电平，而其他输出端均为高电平的无效信号。
图3-174HC154管脚图
图3-274HC595管脚图
3.3.2列驱动芯片74HC595介绍
74HC595芯片的输入测有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器，如图3-2所示。
引脚SER是串行数据的输入端。
引脚SRCLK输入移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCLK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。
引脚OE是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。
SRCLR信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为0。
芯片的输出端为QA-QH，最高位QH可作为多片74HC595级连应用时，向上一级的级连输出。
但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH’，作为与移位寄存器完全同步的级连输出。
3.474ls154芯片
4线－16线译码器74LS154/54LS154引脚图,参数,及功能介绍
74ls154功能简介:
74ls154为4线－16线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。
74LS154引脚图及逻辑图见附录I
原理：
这种4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。
当两个选通输入G1和G2为低时,它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。
实现解调功能的办法是：
用4个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。
当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高[20]。
引脚功能介绍
A、B、C、D译码地址输入端（低电平有效）
G1、G2选通端（低电平有效）
0－15输出端（低电平有效）
推荐工作条件
74ls154电气参数极限值
电源电压:
7V
输入电压:
5.5V
工作环境温度
54154:
－55～125℃
74154:
0～70℃
贮存温度:
－65～150℃
第4章软件的程序实现
4.1流程图
编译、装载、连续运行程序，点阵显示模块应循环显示字样！
下面是单片机流程图。
N
Y
Y
（a）主程序流程图（b）串行中断流程图
图4-1流程图
该系统的软件编程采用MCS-51系列单片机汇编语言完成，并把显示程序作为一个子程序，从而使主程序对其进行方便的调用。
图4-1所示是其流程图。
4.2程序代码
具体的程序编码参考附录II
4.3程序实现及硬件调试
该设计方案可以应用于学生实验单片机LED显示电路和多种仪器显示系统中。
只要将该显示程序调入其主程序中，即可完成显示功能。
经过多次使用证明：
该方法可移植性好、实用性强。
单片机应用系统的硬件调试和软件调试时密不可分的，许多硬件故障在软件调试时才能发现，但通常要先排除系统中明显的硬件故障。
而本设计中硬件部分的调试将在proteus仿真软件中调试，其调试工作可以分为三步：
1.目测检查
根据硬件逻辑设计图，仔细检查样机线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。
2.通电检查
在确保电源良好的前提下，启动汉字显示屏查看结果。
若接通后汉字显示屏闪烁很强，则应该立即关闭设计。
说明显示存在问题，可能是电压不足，也可能是CPU内存不够，也可能是负载太大。
则应全面考虑，逐一分析原因。
3.检查相应芯片的逻辑关系
加电后检查各芯片相关引脚的电位，仔细测量相应的输入输出电平是否正常。
单片机系统大都是数字逻辑电路，使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确，选用器件和连接关系是否符合要求等。
第5章总结及展望
虽然本设计只使用了一块16*16LED点阵，电路简单，但是已经包含了LED显示屏的电路基本原理和基本程序，在设计的过程中应该使显示图形和文字稳定、清晰、无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。
在此次设计中通过查阅大量的相关资料，详细了解LED的发光原理和LED显示屏的原理，并了解了LED的现状，清楚的了解了LED显示屏与其他显示屏相比较有哪些优点，明确了研究目标。
通过这次课程设计，重新复习并进一步学习MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。
进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。
但是从中也存在不足之处：
对知识的积累还不够，有些问题自己不能独立解决，对实验操作还要进一步熟练，只有这样才能让自己在不断的学习中提高自己。
美国纽约州立大学研究LED的专家，多年来一直关注和致力于中国的LED产业的发展，介绍说：
2010年,全球LED市场将达到500亿美元，中国是600亿人民币，可以看出，中国的LED事业正处于稳步增长的过程中。
但和世界LED产业比较发达的地区相比，我们在产业规模，产能和技术上都还处于一个比较下游的阶段。
我国自主研制的第一个发光二极管比世界上第一个发光二极管仅仅晚几个月，目前我国半导体发光二极管产业的技术水平，与发达国家只差3年左右。
发展半导体照明产业，能够充分发挥我国的人力资源优势，带动相关产业，并增加出口，吸纳就业。
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[20]。
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附录
附录I常用芯片引脚
（1）AT89C51管脚图
（2）74LS154引脚图
（3）74LS154的实际应用电路图
附录IILED点阵显示屏控制系统程序清单
16*16点阵显示程序清单如下：
ORG0000H
LJMPXB13
X01A:
CLRA;清列值
MOVE0EH,A;指向零列
X023：
MOVA,0EH;取列值
CLRC
SUBBA,#10H;减16（十进制数）
JCX0D2;未满16列继续扫描下一行
RET;本次扫描完毕返回主程序
X0D2：
MOV0F0H,#02H
MOVA,0EH
MULAB;当前列值与2进行十进制调正
MOV82H,A;调正结果送数据指针DPTR
MOV83H,0F0H
LCALLXB1F;
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