LED点阵显示电子钟.docx
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LED点阵显示电子钟
目录
1概述1
1.1课题研究背景与意义1
1.2课题设计内容1
2方案的选择与论证1
2.1设计任务与要求1
2.2总体设计方案2
2.2.1硬件部分的设计2
2.2.2软件部分的设计3
2.3元件选择3
2.3.1AT89C513
2.3.274LS3735
2.3.374LS1387
2.3.4LED点阵显示器8
3系统硬件电路设计10
3.1晶振电路设计10
3.2复位电路设计11
3.3时分调节电路设计11
3.4驱动电路设计12
3.5显示电路设计12
3.6控制器件硬件原理图13
3.6.1原理图绘制工具简介13
3.6.2原理图绘制13
4系统软件设计14
4.1软件流程图14
4.2软件程序内容15
4.2.1编程软件简介15
4.2.2定时器工作程序17
4.2.3数字显示程序17
5系统仿真与调试19
5.1仿真软件简介19
5.1.1Proteus软件介绍19
5.1.2功能特点20
5.2系统调试20
5.2.1代码调试20
5.2.2电路连接24
5.3仿真结果与调试24
5.3.1电路仿真24
5.3.2仿真图调试26
5.4性能分析26
参考文献28
附录29
程序代码29
基于单片机的LED点阵显示电子钟的设计
1概述
1.1课题研究背景与意义
自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济的高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈。
而LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志,LED显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；LED显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟。
现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上了丰富多彩的LED电子产品，为城市增添了一道靓丽的风景。
而且它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。
近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等需要进行多种公告、宣传的场合。
随着LED显示器在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。
由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。
此次毕业设计就是基于以上社会背景设计出一种简单的基于单片机的LED点阵电子显示钟。
1.2课题设计内容
基于单片机，设计一个LED电子显示器系统。
可以通过按键对时间进行调整和复位，并可以通过8*8的LED显示器显示出来，当按下按键1时分数增加1；当按下按键2时，时数增加1。
并且要将误差控制在1秒之内。
设计好电路图后用AltiumDesigner画出原理图，用Proteus软件完成电路的仿真图，并运行仿真结果，对系统进行调试。
2方案的选择与论证
2.1设计任务与要求
a）采用LED点阵显示；
b）可根据按键调整时间；
c）误差小于1S。
2.2总体设计方案
2.2.1硬件部分的设计
根据毕业设计任务书的要求，经过思考和筛选，选择并行方式显示，I/O口通过锁存芯片来扩展，以此来控制LED点阵40个列线，双缓冲寄存器由5片锁存器74LS373来组成，可以驱动LED点阵8组列线，并用3/8译码器74LS138对LED点阵的8行进行扫描。
在送每一行的数据到LED点阵时，先把数据分别送到5个74LS373，然后再把数据一起输出到LED点阵列中，送出去的时间数据由AT89C51来控制。
电子钟由显示电路、行驱动电路、列驱动电路、中央控制器AT89C51、按键电路和复位电路组成。
系统框图如图2-1所示：
电源电路
列驱动电路
AT89C51
控制器
显
示
电
路
按键电路
复位电路
行
驱
动
电
路
图2-1系统框图
a）显示模块的选择
显示模块采用8*8的点阵LED数码管，它具有低功耗、小体积、高性能、低价格等特点。
这种模块由64个发光LED芯片以8*8的形式构成一个正方形模块，然后用两列12针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。
这种结构是市面上最通用，也是现在应用最为广泛采用的形式。
b）时钟信号的选择
秒信号由单片机提供，使用程序由时、分、秒计数。
采用这种方案的优点在于，它可以有效减少电路的复杂程度，减少多余芯片的使用，节约成本。
并可以减少时间误差，以达到设计要求。
c）总体设计方案
根据以上方案所述本次毕业设计采取的总体方案如下：
用锁存芯片来扩展I/O口，控制LED点阵40个列线；5片锁存器74LS373组成双缓冲寄存器，驱动LED点阵8组列线；采用8*8的点阵LED数码管组成显示模块，显示出运行调试结果；主控系统由AT89C51组成，通过它的串行输出动态扫描来实现时和分的显示。
2.2.2软件部分的设计
在这次毕业设计中，主要用到三款计算机软件来进行毕业设计的制作，分别是AltiumDesigner、PROTEUS软件和Keil软件。
AltiumDesigner软件主要用来进行元器件的绘制和原理图的绘制，PROTEUS软件对绘制好的原理图进行仿真和调试，Keil软件对写入单片机的代码进行编译和调试。
2.3元件选择
2.3.1AT89C51
AT89C51俗称单片机，是一种带4K字节的FLASH存储器，它具有低电压、高性能的特点。
片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Intel公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用4位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C51引脚图如图2-2所示：
图2-2AT89C51引脚图
它的主要特性有以下几点：
a）与MCS-51兼容；
b）4K字节可编程FLASH存储器；
c）寿命：
1000写/擦循环；
d）数据保留时间：
10年；
e）全静态工作：
0Hz-24MHz；
f）三级程序存储器锁定；
g）128×8位内部RAM；
h）32可编程I/O线；
i）两个16位定时器/计数器；
j）5个中断源；
k）可编程串行通道；
l）低功耗的闲置和掉电模式；
m）片内振荡器和时钟电路。
它各个引脚的功能如下：
Vcc（40）：
电源电压GND（20）：
接地
P0口（32-39）：
P0口是一个8位双向I/O接口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用。
P1口（1-8）：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时，此时可作输入口。
作为输入品使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
RST（9）：
复位信号输入端。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（30）：
地址锁存有效信号输出端。
当访问片外程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的，要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
XTAL1（19）：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL1（18）：
振荡器反相放大器的输出端。
通过XTAL1、XTAL2外接晶振后，即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。
AT89C51的原理图如图2-3所示：
图2-3AT89C51原理图
2.3.274LS373
74LS373为三态输出的锁存器，共有54S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下表2-1（不同厂家具体值有差别）：
表2-1主要电器特性的典型值
型号
TDP
PD
54S373/74S373
7ns
525mW
54LS373/74LS373
17ns
120mW
373的输出端Q0～Q7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时,Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时,Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端；
OE三态允许控制端（低电平有效）；
LE锁存允许端；
Q0～Q7输出端。
它的内部结构如图2-4所示：
图2-474LS373内部结构图
74LS373的真值表如下表2-2所示：
表2-274LS373真值表
Dn
LE
OE
Qn
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
高阻态
74LS373的原理图如下图2-5所示：
图2-574LS373原理图
2.3.374LS138
74LS138工作原理如下：
当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（（/E2））和/（E3））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。
比如：
A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
可用在8086的译码电路中，扩展内存。
其引脚图如图2-6所示：
图2-674LS138引脚图
引脚功能为：
A0~A2：
地址输入端；
TA（E1）：
选通端；
/STB（/E2）、/STC（/E3）：
选通端（低电平有效）；
/Y0~/Y7：
输出端（低电平有效）；
VCC：
电源正；
GND：
接地。
74LS138的译码逻辑如下表2-3所示：
表2-374LS138译码逻辑表
CBA
译码输出
000
Y0
001
Y1
010
Y2
011
Y3
100
Y4
101
Y5
110
Y6
111
Y7
74LS138的原理图如下图2-7所示：
图2-774LS138原理图
2.3.4LED点阵显示器
8乘8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。
8*8的LED等效电路图如下图2-8所示：
图2-8LED等效电路图
LED点阵原理图用Altium绘制。
因为元器件库中没有现成的元器件，所以采用手动绘制的方法绘制。
原理图如下图2-9所示：
图2-9LED点阵原理图
LED点阵显示器实物图如图2-10所示：
图2-10LED实物图
3系统硬件电路设计
3.1晶振电路设计
晶振电路部分由两个值为30uf的电容C1、C2和一个6MHz的晶振X1串联组成。
由它产生的振荡信号可以保证精度高而且稳定并且频率稳定在6MHz，次方波信号提供给单片机作为一个时钟信号，当定时器需要定时的时候使用。
如图3-1：
图3-1晶振电路原理图
3.2复位电路设计
复位电路由一个数值为10uf的电容和一个按键串联组成，电路中的复位设定为上电与按键均有效的模式，当电路上电时，RST引脚获得一个高电频，随着C3电容不断的在运行过程中充电，所以导致RST引脚的高电频不断地下降。
因为RST引脚上的高电频只能维持两个机器周期的时间，所以单片机就可以通过这个复位电路进行复位操作。
在电路运行期间，当按下按键开关的瞬间，RST上的电频立即变为高电频，以此来实现电路复位。
如图3-2：
图3-2复位电路原理图
3.3时分调节电路设计
由AT89C51的P3.2端口接入按键S1，P3.3端口接入按键S2，再将二者并联，分别接入74LS138的E2和E3端口，以此来实现按键调节时分的设计。
当电路运行时，LED显示器初始值为12:
00。
每按一次S1按键，分针数字就会加1，当分针数字满60再次按下按键S1，就会回归为0；每按下按键S2时，时针数字就会依次加1，当时针为12时再次按下按键S2，时针为就会显示为0。
时分调节电路部分如图3-3：
图3-3时分调节电路原理图
3.4驱动电路设计
驱动部分采用5个74LS373并行的方式，该芯片是常用的三态门8D锁存器。
只有当同时满足以下两个条件时，D端的数据才会被锁存到锁存器的输出端，即有正脉冲输入到门控端G，有效的高电频输出控制OE。
其它情况下，当G为低电频，输出Q保持不变；当OE为低电频，输出Q为高阻态。
驱动部分电路图如下图3-4所示：
图3-4驱动电路原理图
3.5显示电路设计
每个LED点阵由64个发光二极管组成，在每一个行线和列线的交叉点上都放置一个发光二极管。
要让其中一个二极管发亮，只需使其对应的列线置1电频，行线置0电频因此要实现一根柱形的亮法，如图3-5所示，对应的一列为一根竖柱，或者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1，而行则采用扫描的方法来实现。
一根横柱：
对应的行置0，而列则采用扫描的方法来实现。
显示电路部分如图3-6所示：
图3-5模拟电路图
图3-6显示电路原理图
3.6控制器件硬件原理图
3.6.1原理图绘制工具简介
硬件原理图是用AltiumDesigner软件制作的。
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一款软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
由于AltiumDesigner在继承前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要求高一些。
它具有以下几大优点：
a）增强的高速、高密度板布线能力，高效解决日益复杂的布线问题；
b）更人性、更便利的编辑工具，提高工程师的工作效率；
c）提供与公司数据库的接口，在各个设计环节中有效控制元器件质量；
d）与流行的3D机械软件交换数据，在设计初期实时验证并解决所有装配问题；
e）搭起到设计和制造间的桥梁，可管理所有制造数据的生成和验证；
f）强大的管理功能，有效提高设计团队的工作效率；
g）融合了板级、FPGA、嵌入式软件等不同的流程的统一应用平台，各流程之间交换数据更流畅；
h）高层次和独立于器件的FPGA设计，可以在任何FPGA芯片之间转移设计；
i）独立于处理器和更关注应用的嵌入式软件设计，放飞工程师的设计灵感；
j）与NB2配合的LiveDesign设计方法，让带来创新价值的软件设计贯穿整个是设计过程。
3.6.2原理图绘制
LED点阵电子显示器采用AT89C51作为控制芯片，5片74LS373作为双缓冲寄存器，在Altium上画出的原理图如下图3-7：
图3-7原理图
4系统软件设计
4.1软件流程图
设计中，计时采用定时器T0中断完成，其余状态循环调用显示子程序，当端口开关按下时，转入相应功能程序。
当计时中断开始时，LED显示器开始接受信号，接受到一个信号时秒数增加1，当秒数累计加到60时，则分数为主动进1，分数位累计加到60时，时数位主动增加1。
秒针、分针、时针只要有一位未接受到信号，那么系统就会自动结束。
其程序执行流程见下图4-1和4-2所示：
图4-1流程图1
4.2软件程序内容
4.2.1编程软件简介
Keil软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
Keil工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
N
Y
N
Y
N
Y
图4-2流程图2
4.2.2定时器工作程序
MOVSP,#60H
MOVTMOD,#01H
MOVTL0,#0e0H
MOVTH0,#0b1H
MOVIE,#87H
MOV30H,#01H//7个管子的地址
MOV31H,#02H
MOV32H,#0AH//小数点
MOV33H,#00H//分
MOV34H,#00H//分
MOV35H,#00H//秒
MOV36H,#00H//秒
SETBIT0//IT0变成1（ITO为外部中断0，1为下降沿触发，是按键功能）
SETBPT0//同理
SETBTR0//TR0为定时器开关，开定时器0
4.2.3数字显示程序
LOOP00:
MOVA,3BH//整个loop都是显示数字的
MOVDPTR,#TABE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R4
MOVP0,A
MOVP1,#0FEH
INC3BH
INCR4
LCALLDELAY
DJNZR5,LOOP00
MOVA,31H
MOVB,#08H
MULAB
MOV3BH,A
MOVR4,#00H
MOVR5,#08H
LOOP11:
MOVA,3BH
MOVDPTR,#TABE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R4
MOVP0,A
MOVP1,#0FDH
INC3BH
INCR4
LCALLDELAY
DJNZR5,LOOP11
MOVA,32H
MOVB,#08H
MULAB
MOV3BH,A
MOVR4,#00H
MOVR5,#08H
LOOP22:
MOVA,3BH
MOVDPTR,#TABE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R4
MOVP0,A
MOVP1,#0FBH
INC3BH
INCR4
LCALLDELAY
DJNZR5,LOOP22
MOVA,33H
MOVB,#08H
MULAB
MOV3BH,A
MOVR4,#00H
MOVR5,#08H
LOOP33:
MOVA,3BH
MOVDPTR,#TABE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R4
MOVP0,A
MOVP1,#0F7H
INC3BH
INCR4
LCALLDELAY
DJNZR5,LOOP33
MOVA,34H
MOVB,#08H
MULAB
MOV3BH,A
MOVR4,#00H
MOVR5,#08H
LOOP44:
MOVA,3BH
MOVDPTR,#TABE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,R4
MOVP0,A
MOVP1,#0EFH
INC3BH
INCR4
LCALLDELAY
DJNZR5,LOOP44
POPPSW
POPACC
RET
5系统仿真与调试
5.1仿真软件简介
5.1.1Proteus软件介绍
PROTEUS软件嵌入式系统仿真与开发平台是一款可以实现数字电路、模拟电路、微控制器系统仿真以及PCB设计等功能的EDA软件。
从元器件的选取到连线，直至电路的调试、分析和软件的编译，都是在计算机中完成，所有的工作先在虚拟环境下进行。
基于这一思想开发的PROTEUS软件，可在原理图设计阶段对所设计的电路进行评估、验证，看是否达到设计要求的技术指标，并可以通过改变元器件参数使整个电路性能达到最优化。
这样就避免了传统电子电路设计中方案更换带来的多次重复购买元器件及制版，在节省设计时间与经费的同时，提高了设计效率与质量。
PROTEUS软件提供了三十多个元器件库、数千种元器件。
元器件涉及电容、电阻、二极管、晶体管、MOS管
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