本科毕业设计基于51系列单片机的led显示屏的设计.docx
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本科毕业设计基于51系列单片机的led显示屏的设计
Abstract
Screencontrolsystemincludinginputinterfacecircuit,signalcontrol,transformprocessingcircuit,cascadeexpansioncircuitandoutputinterfacecircuittothespecifictechnology,involvingmany.OftenusedMCS-51seriesmicrocontrollercontrol,thedesignUSESisSTC12C5A60S2chipcontrol,technologyapplications,betterat51seriestechnologynowhardwaredevelopmentisalsoveryfast,alsoappearedmanyfunctionverypowerfulmicrocontroller,sousingSCMcanrealizethebasicfunctionrequirement.Unitscreencanreceivefromcontroller（mastercontrolcircuitboard）orhigherleveldisplayelementmoduletransmissionofdatainformationandorderdowninformation,andcanputthesedatainformationandorderinformationwithoutanychangetoteleporttonextlevelagain,thusdisplaymoduleunitcanbeexpandedtomoredisplayboarddisplayunit,usedtodisplaymoredisplaycontent.
Keywords:
MCS-51seriesmicrocontroller;8x8bitmapscreen;Circuitdesign
1.概述
目前LED点阵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幕，系统自带字库。
它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。
LED点阵屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。
一种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，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、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，称可编程序型。
显示和动态效果（主要是显示内容的滚动）的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法比较方便。
另外，由于受到存储器本身的局限，其特殊字符或图案也往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。
LED电子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幕。
它是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统，是目前国际上极为先进的显示媒体。
由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富、工作性能稳定以及对室内室外环境适应能力强等优点而日渐成为显示媒体中的佼佼者。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，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。
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显示屏的发展过程。
LED点阵屏：
LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，又叫电子显示屏或者飘字屏幕，由LED点阵组成，通过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。
通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。
显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。
LED点阵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。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是：
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。
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。
大屏幕显示是超高亮度LED应用的另一巨大市场，包括:
图形、文字、数字的单色、双色和全色显示。
在表2中列出了LED显示的各种用途。
传统的大屏幕有源显示一般采用白炽灯、光纤、阴极射线管等；无源显示一般采用翻牌的方法。
如今，超高亮度AlGaInP、TS-AlGaAs、InGaNLED已能够提供明亮的红、黄、绿、蓝各种颜色，可完全满足实现全色大屏幕显示的要求。
LED点阵屏可按像素尺寸装配成各种结构，小像素直径一般小于5mm，单色显示的每个像素用一个T-1（3/4）的LED灯，双色显示的每个像素为双色的T-1（3/4）的LED灯，全色显示则需要3个T-1红、绿、蓝色灯，或者装配一个多芯片的T-1（3/4）的LED灯作为一个像素。
大像素则是通过把许多T-1（3/4）红、绿、蓝色LED灯组合在一起构成的。
用InGaN（480nm）蓝、InGaN（515nm）绿和ALGaAS（637nm）红LED灯作为LED显示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有较大的颜色范围包括:
蓝绿、绿红等，与国际电视系统委员会（NTSC）规定的电视颜色范围基本相符。
2.主要模块
2.1单片机模块
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
是一款增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。
用户应用程序空间较广：
8K/16K/20K/32K等。
时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。
共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。
外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。
STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3。
为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般单片机正常工作所需要的供电电压为+5V，由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC在特定的工作电压范围内以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机开始正常工作。
目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：
（1）微分型复位电路；
（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路
由STC12C5A60S2单片机芯片组成的最小系统如下图所示：
图2-1单片机组成的最小系统
2.2LED驱动模块
点阵屏是LED显示屏的一种，一个分支，LED显示屏分为：
直插型LED显示屏，一般为户外和半户外屏；一种为表面贴装型，简称表贴，有表贴三拼一和表贴三合一，一般为室内显示屏；其次就是点阵显示屏，封装方式类似于5050和表贴三合一，一颗灯里分别封装有1颗、两颗、三颗芯片，也就分别对应单色、双色和全彩色。
点阵屏一般是有8点×8点的小模块组成的，所以叫模块，模组和单元板的称呼分别对应户外显示屏和室内显示屏。
LED模块就是把LED按一定规则排列在一起再封装起来,加上一些防水处理组成的产品，就是LED模组。
所述的四边形模块的主视面上可带有用于模糊模块拼接界限的装饰结构。
本设计从视觉和光学的角度出发，利用发光管的余晖和人眼的视觉暂留效益，使人看上去觉得是同时在点亮多个灯。
从而显示出变化的数字、文字、图形图像等。
一般的点阵显示屏用于室内，大多见于低端的单双色，用来滚动显示文字和图片（双色可播放视频），也有全彩色。
点阵显示屏的价格比较低，散热不是很好，效果一般，所以彩屏用的很少
2.3数据控制存储模块
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
74HC595具有一个8位串行输入并行输出的移位寄存器和一个8位输出锁存器，在正常使用时SCLR为高电平，G为低电平。
74HC595是一款低噪声、低功耗、高速的COMS移位寄存器，能够驱动15个LS-TTL的负载。
该器件包含一个8位串行输入，并行输出的移位寄存器及带有三态输出控制的8位D型存储器。
移位寄存器和存储器分别由独立的时钟提供信号。
移位寄存器内置直接清零，串行输入和用于级联的串行输出功能。
时钟的上升沿触发移位寄存器和存储器。
如果同一个时钟提供信号，则移位寄存器的状态必须比存储器提前一个脉冲信号
它的使用方法很简单，数据在SHcp的上升沿输入，在STop的上升沿进入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能
时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
由于占用MCU的I/O口线少，硬件结构简单，因此应用广泛。
如图2-2：
图2-274HC595引脚图
主要引脚介绍：
14脚：
串行数据输入端列接MCU-P0.0，行接MCU-P0.1。
11脚：
移位时钟接MCU-P0.4。
12脚：
输出锁存器的送入信号接MCU-P0.3。
13脚：
使能信号控制端接MCU-P0.2
本设计中74HC595主要应用于驱动点阵屏，以16×16点阵为例：
传送一行共二个字节。
串行输入，并行输出，总线驱动；标准中等规模集成电路595移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使用
时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
参考数据
Cpd决定动态的能耗，
Pd＝Cpd×VCC×f1+∑（CL×VCC^2×f0）
F1＝输入频率，CL＝输出电容f0＝输出频率（MHz）Vcc=电源电压
2.4LED字模软件模块
在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，点“生成字模”（如图2-3），十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要的竖排数据复制到我们的程序中即可。
在通过硬件实现字模提取的技术中，有在单片机系统中增加硬汉字库的方法，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取显示字模，实现汉字显示。
由于带有硬汉字库，进行动态文字显示时，通用智能显示单元仅接受汉字的机内码即可，这样数据通讯量大大减少。
因此，“动态文字显示速度快”。
字模信息是设计的核心。
软件控制系统在实际编辑过程中，要求各种字体、字号的文字都能被编辑、保存。
所以系统在设计时，把文本区理解为由众多的象素点构成，而把不同字体、字号的文字理解为一幅图像。
因为所开启的文本区大小与LED点阵屏的大小对应，所以采用16×16点阵为单位，把文本区内的每个像素点都看成一个二维数组，由于系统中各种颜色都有对应的值，赋予每个不同颜色的像素点不同的对应值，再把每个点赋予一个int型的值，这样保存下来的信息就是二进制数据。
通过这样的设计，我们不仅可以把任何字型，任何大小的文字保存下来，还可以显示以256个像素点阵为单位的任何图形。
在软件控制系统中实现字模的提取，也就避免了在单片机中加载硬汉字库模块，从而简化了硬件模块的设计。
图2-3字模软件模块
3.各模块功能
3.1单片机功能
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
本设计中控制电路采用单片机，主要负责与上位机的通讯、控制存储显示数据模块、安排控制信号的定时与顺序、控制驱动LED显示点阵的电路等。
3.274HC595移位寄存器功能
74HC595移位寄存器接收上位机的数据进行保存，并把串行输入的数据并行输出，送人LED点阵显示。
其功能表如下表3-1所示：
表3-1595功能表
3.3驱动电路
LED驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面：
一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15％的变动时，仍应能保持输出电流在±10％的范围内变动。
二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。
本设计主电路和控制电路之间，有控制电路的信号进行放大的中间电路，用来驱动LED显示点阵的电路。
在行驱动电路与点阵屏之间接三极管，用来对控制电路的信号进行放大和实现电流的恒定（即放大控制电路的信号使其能够驱动功点阵屏）。
3.4控制信号模块
显示屏的控制模块包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测等各种控制信号用来使显示屏正常工作，包括行选通信号、列数据移位信号、列数据输出锁存器打入信号、产生上下部分在时间上错开的SRCLK信号、清屏信号等。
接口单片机系统存储模块行扫描电路及控制列扫描电路及控制行驱动列驱动点阵
4.硬件组成框图和设计流程图
4.1总体硬件组成框图
系统主要由三大模块组成即LED驱动模块、控制存储模块、显示模块。
在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。
点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。
由于两部分的电路在制板时可以放到一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通讯方式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。
其总体组成框图如图4-1：
图4-1总体硬件组成框图
4.2硬件设计流程图：
硬件的设计包括：
否
是
图4-2硬件设计流程图
5.各模块及电路的设计
5.1LED驱动模块的硬件设计
LED驱动模块是LED点阵屏设计的关键部分，驱动电路设计的好坏直接关系到LED点阵屏的亮度、稳定度等重要指标。
本次设计中LED的驱动是采用三极管和74HC595实现的。
图5-1为8×8点阵LED等效电路，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。
一般我们使用点阵显示汉字是用的16×16的点阵宋体字库，所谓16×16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。
也就是说得用四个8×8点阵组合成一个16×16的点阵。
图5-1LED点阵结构图
5.2驱动电路的设计
此系统中驱动电路是由74HC595和三极管组成的。
点阵显示屏有16个8×8点阵LED显示模块。
16片8×8点阵LED显示模块利用总线形组成一个16×64的LED点阵，用于同时显示4个16×16点阵汉字、字母﹑字符或数字。
单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。
采用74HC595移位寄存器。
将从STC12C5A60S2里出来的列信号通过8个74HC595级联而成的64位的信号输出端连接到16×64的点阵LED的输入端，作为点阵的行驱动信号。
通过595移位这64位的信号，来控制显示内容的变化。
再从STC12C5A60S2输出三个信号分别输入到2个级联的74HC595移位寄存器，然后输出16位行信号，经过16个1K的电阻，其中所有的三极管的E极相连接+5V的电源，所有的B极接16个1K欧姆的电阻,再输入到16个PNP（8550）三极管的E极来进行对行信号的放大，得到的信号作为点阵LED的行输入信号。
行驱动电路：
每个LED管亮需要7mA的电流，那么64个同时亮就需要448mA的电流，所以我们要对列进行驱动。
5.2.1行驱动电路设计
本系统采用两块74HC595级联作为点阵屏的行控制信号，控制点阵屏的16行。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
当使能
时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
这里用到2块74HC595，采用级联的工作方式可以组成16位移位寄存器，输出的16个数据端口来控制点阵屏的16行。
74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处，LED显示器件没有闪烁感。
行驱动部分接线图：
图5-2行驱动部分接线
5.2.2列驱动电路设计
我们平时使用的红光LED，导通电压一般在1.8V左右，也就是说无论输入电压如何变化，只要串联了电阻，那么LED上的电压的变化是很小的。
随输入电压变化的，只有电流，电压越大，电流越大，要将电流控制在LED所能容忍的范围内（一般要小于10mA）。
举例来说，如果输入电压为4.8V，红光LED上的导通压降为1.8V，如果要向LED提供3mA（已经比较亮了）的驱动电流，则需要串联一个1K的电阻即可。
具体可以在实际应用中购买几支低成本LED在通电情况下测量其正向压降，前提是一定不要忘了串联限流电阻，以免烧坏电源。
此显示电路采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
由行74HC595给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源的一端接通）。
另一方而，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。
接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。
本设计同样采用74HC595作为点阵屏列控制信号，8个74HC595级联起来控制列信号的输入输出，列驱动电路中595与点阵屏之间接电阻，以限制电流。
其部分接线图如下：
图5-3列驱动部分电路图
5.3LED点阵屏行列扩展的设计
在实际应用中的显示屏一般采用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）的同名列共用一套列驱动器。
具体就16×16的点阵来说，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，先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第l行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其点亮相同的时间，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了。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
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路数量大，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。
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已传输到位之后，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）和列数据显示两个部分。
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具有锁存功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串人并出的移位功能；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。
扩展的时候把对应的行接出来，再对595移位寄存器进行级联。
行扩展部分电路图如下：
图5-4行扩展部分电路图
6.成板调试与测试结果分析
根据系统设计方案，本系统的调试共分为二大部分：
硬件调试，软件调试。
由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：
LED驱动模块的调试，控制存储模块的调试等，最后将各模块组合后进行整体测试。
在本设计中，元器件的选择、整机的安装及调试都起到了很重要的作用。
特别是元器件的选择，这影响到硬件电路的可靠工作。
硬件电路的焊接及其各个元器件在整体的布局，直接影响到硬件电路的测试及检修。
因此，合理的布局及细心的工作是必不可少的。
6.1使用的仪器仪表
数字万用表、单片机学习板和下载软件STC-ISP。
6.2硬件调试
对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能，检测电路有无短路、开路。
首先电路板焊接完毕之后先用万用测一下电源、地之间是否短路，如果正常再上电。
第二:
上电之后用万用表测各个电压是否正常；第三：
下载程序，按各个功能模块一步一步调试。
6.3软件调试
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