單片機控制LED點陣顯示屏設計

1、目 錄引言2第1章 背景介紹31.1 led及l(fā)ed顯示屏31.1.1 點矩陣顯示器的種類3 1.1.2 點矩陣顯示器的結構.31.2 mcs-51系列單片機簡介41.2.1 mcs-51系列單片機及其特點41.2.2 單片機的發(fā)展歷史簡介5第2章 功能要求6 2.1 設計目的.6 2.2 主要器件.6 2.3 任務要求.6 2.4 led動態(tài)顯示原理.6第3章 方案實現(xiàn)83.1 系統(tǒng)硬件電路的設計83.1.1單片機系統(tǒng)及外圍電路83.1.2列驅動電路93.1.3行驅動器103.2系統(tǒng)程序的設計103.2.1顯示驅動程序113.2.2系統(tǒng)主程序11第4章 性能分析與總結124.1 性能分析12

2、4.2 總結14致謝14參考文獻14附錄a 點陣led圖文顯示屏的截圖.15附錄b 程序如下.16引言 led點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的led發(fā)光二極管封裝而成. led點陣顯示屏可以顯示數字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。文章給出了一種基于mcs-51單片機的5×7 點陣led顯示屏的設計方案。包括系統(tǒng)具體的硬件設計方案,軟件流程圖和部分匯編語言程序等方面。在負載范圍內, 只需通過簡單的級聯(lián)就可以對顯示屏進行擴展,是一種成本低廉的圖文顯示方案。 led顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓

3、館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。在實際應用中的顯示屏由于成本和可靠性的因素常采用一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。本文設計的是一個室內用57的點陣led圖文顯示屏，圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。第1章 背景介紹1.1 led及l(fā)ed顯示屏 led 就是light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫。在某些半導體材料的pn結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。pn結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱led。發(fā)光二極管是

4、由p 型和n 型半導體組成的二極管。在led 的p - n 結附近,n 型材料中多數載流子是電子,p 型材料中多數載流子是空穴。p -n 結上未加電壓時構成一定的勢壘,當加正向偏壓時,在外電場作用下,p 區(qū)的空穴和n 區(qū)的電子就向對方擴散運動,構成少數載流子的注入,從而在p - n結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合,同時釋放出相對應的能量h(h 為普朗克常數,為光子頻率)而發(fā)光。該能量相當于半導體材料的帶隙能量eg(ev) ,其與發(fā)光波長(nm) 的關系為= 1239. 6peg。led顯示屏是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信

5、息的顯示屏幕。led顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由led矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、vcd節(jié)目以及現(xiàn)場實況。led顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。它的優(yōu)點：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定。1.1.1 點矩陣顯示器的種類 點矩陣顯示器的種類

6、可以分為5*7 5*8 6*8 8*8 4種，若按led發(fā)光變化顏色來分，又可分為單色 雙色 三色3種，按led的極性排列又可分為共陽極和共陰極兩種。1.1.2 點矩陣顯示器的結構 以5*7點矩陣為例，一般市售注明ca-p（共陽極）和cc-p（共陰極），端子如圖2-1所示。這里所介紹的皆為共陰極。單色8*8點矩陣顯示器在市場上兩種不同端子，如圖2-2，點矩陣顯示器結構如圖2-3所示。 點矩陣顯示器結構 圖2-1 5*7點矩陣端子 圖2-2 8*8點矩陣端子 圖2-3 點矩陣顯示器結構1.2 mcs-51系列單片機簡介1.2.1 mcs-51系列單片機及其特點可靠性高： 因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境

7、要求設計的，故抗干擾的能力優(yōu)于pc機。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數，表格)固化在rom中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片內，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。便于擴展： 片內具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)?？刂乒δ軓姡?具有豐富的控制指令：如：條件分支轉移指令，i/o口的邏輯操作指令，位處理指令。實用性好： 體積小，功耗低，價格便宜，易于產品化。1.2.2 單片機的發(fā)展歷史簡介 第1階段(1971年1978年)，以mcs-48系列為代表，稱4位單片機。在片內：cpu有4位或8位；rom有1kb或2kb

8、；ram有64b或128b；只有并行接口，無串行接口；只有1個8位的定時/計時器；中斷源只有2個。在片外：尋址范圍只有4kb；芯片引腳有40個。 第2階段(1978年1983年)，以mcs-51系列為代表，稱8位單片機。在片內：cpu有8位；rom有4kb或8kb；ram有128b或256b；有串/并行接口；有2個或3個16位的定時/計時器；中斷源有5至7個。在片外：尋址范圍有64kb；芯片引腳有40個。 第3階段(1983年以后)，以mcs-96系列為代表，稱16位單片機。在片內：cpu有16位；rom有8kb；ram有232b；有串/并行接口；有4個16位的定時/計時器；中斷源有8個；增加

9、了d/a和a/d轉換電路。在片外：尋址范圍有64kb；芯片引腳有48個或68個。以上mcs-51系列以其優(yōu)良的性價比，在我國得到了廣泛的應用。第2章 功能要求2.1 設計目的 掌握單片機控制原理與光顯示器件的應用熟悉匯編語言編程。2.2 主要器件 at89c51，rp1(100k*8), 16*16led點陣（green共陰極），74h154，振（12m）, 2個30pf電容, 0.01uf電容，r1(100k)，按鈕開關。2.3 任務要求 通過at89c51的p1.0p1.3連接416線譯碼器74ls154對16*16led點陣的每一豎列進行逐列掃描，并將p0與p2端口作為數據輸出端點亮數碼

10、管發(fā)光顯示，實現(xiàn)“新余學院機電工程學院*單片機課程設計；”字樣，并依次左移循環(huán)顯示。2.4 led 動態(tài)顯示原理 led點陣顯示系統(tǒng)中各模塊的顯示方式： 有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種。靜態(tài)顯示原理簡單、控制方便，但硬件接線復雜，在實際應用中一般采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示采用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖電壓驅動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數據信號，反復循環(huán)以上操作，就可顯示各種圖形或文字信息。點陣式led絕大部分是采用動態(tài)掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續(xù)的幾幀畫面高速的循環(huán)顯示，只要幀速率高于24幀/秒，人眼看起

11、來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態(tài)掃描顯示方式極大的縮減了發(fā)光單元的信號線數量，因此在led顯示技術中被廣泛使用。以8×8點陣模塊為例，說明一下其使用方法及控制過程。圖2.1中，紅色水平線y0、y1y7叫做行線，接內部發(fā)光二極管的陽極，每一行8個led的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行線間絕緣。同樣，藍色豎直線x0、x1x7叫做列線，接內部每列8個led的陰極，相鄰兩列線間絕緣。在這種形式的led點陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用“1”表示），在某列線上施加低電平（用“0”表示）。則行線和列線的交叉點處的led就會有電流流過而

12、發(fā)光。比如，y7為1，x0為0,則右下角的led點亮。再如y0為1，x0到x7均為0，則最上面一行8個led全點亮。 proteus中只有5×7和8×8等led點陣，并沒有16×16led點陣，而在實際應用中，要良好地顯示一個漢字，則至少需要16×16點陣。下面我們就首先介紹使用8×8點陣構建16×16點陣的方法，并構建一塊16×16led點陣，用于本次設計。首先，從proteus7.5的元件庫中找到“matrix-8x8-red”元器件，并將四塊該元器件放入proteus文檔區(qū)編輯窗口中。此時需要注意,如果該元器件保持初始

13、的位置（沒有轉動方向），我們要首先將其左轉90°，使其水平放置，那么此時它的左面8個引腳是其行線，右邊8個引腳是其列線（當然，如果你是將右轉，則右邊8個引腳是行線）。然后我們將四個元器件對應的行線和列線分別進行連接，使每一條行線引腳接一行16個led，列線也相同。并注意要將行線和列線引出一定長度的引腳，以便下面我們使用。連接好的16×16點陣如圖3.2所示。成如上圖的16×16點陣只是第一步，這樣分開的數塊并不能達到好的顯示效果,下面我們要將其進一步組合。組合實際上很簡單，首先選中如上圖中右側的兩塊8×8點陣，然后拖動并使其與左側的兩塊相并攏，如圖3.3

14、所示。圖3.2 點陣模塊組合 第3章 方案實現(xiàn) 從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所在的位置相對應的led器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時控制各個發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅動顯示方式。57的點陣共有35個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，57的點陣需要35/8=5個鎖存器。這個數字比較大，因為我們僅僅是57的點陣，在實際應用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很大的數字。因此在實際應用中的顯示屏幾乎都不采用這種設計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。動態(tài)掃描的意思簡

15、單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅動電路就可以實現(xiàn)多行（比如7行）的同名列共用一套驅動器。具體就57的點陣來說，把所有同1行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽極的接法），先送出對應第一行發(fā)光管亮滅的數據并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第二行的數據并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以此類推，第7行之后，又重新燃亮第1行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。采用掃描方式進行顯示時，每一行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個驅動器。顯示數據通常存儲在單片機的

16、存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數據都傳送到相應的列驅動器上去，這就存在一個顯示數據傳輸的問題。從控制電路到列驅動器的數據傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅動器的線路數量大，相應的硬件數目多。當列數很多時，并列傳輸的方案是不可取的。采用串行傳輸的方法，控制電路可以只用一根信號線，將列數據一位一位傳往列驅動器，在硬件方面無疑是十分經濟的。但是，串行傳輸過程較長，數據按順序一位一位地輸出給列驅動器，只有當一行的各列數據都以傳輸到位之后，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數據準備（傳輸）和列數據顯示

17、兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數據準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到led的亮度。解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時，傳送下一列數據。為了達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有所存功能。經過上述分析，就可以歸納出列驅動器電路應具有的功能。對于列數據準備來說，它應能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數據顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會影響本行的顯示。圖1為顯示屏電路實現(xiàn)的結構框圖。 列驅

18、動器 單片機電源 行驅動器led顯示點陣圖1，顯示屏電路框圖3.1 系統(tǒng)硬件電路的設計硬件電路大致上可以分成單片機系統(tǒng)及外圍電路、列驅動電路和行驅動電路三部分。3.1.1單片機系統(tǒng)及外圍電路單片機采用msc-51或其兼容系列芯片，采用24mhz或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機的串口與列驅動器相連，用來顯示數據。p1口低4位與行驅動器相連，送出行選信號；p1.5p1.7口則用來發(fā)送控制信號。p0口和p2口空著，在有必要的時候可以擴展系統(tǒng)的rom和ram。57的點陣顯示屏的硬件原理圖如圖2所示（在附錄a）。3.1.2列驅動電路列驅動電路有集成電路74hc595構成。它具

19、有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器的結構，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現(xiàn)在顯示本行列數據的同時，傳送下一行的列數據，既達到重疊處理的目的。74hc595的外形及內部結構如圖3所示。它的輸入側有8個串行移位寄存器，每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器。引腳si是串行數據的輸入端。引腳sck是移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將si的下一個數據打入最低位。移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。rck是輸出鎖存器的打入信號，其上升沿將移位寄存器的輸出打入輸出鎖存器。引腳g是輸出三態(tài)門的開放信號，只有當其為低時鎖

20、存器的輸出才開放，否則為高組態(tài)。sclr信號是移位寄存器清零輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全部為零。由于sck和rck兩個信號是互相獨立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為qaqh，最高位qh可作為多片74hc595級聯(lián)應用時，向上一級的級聯(lián)輸出。但因為qh受輸出鎖存器的打入控制，所以還從輸出鎖存器前引出qh，作為與移位寄存器完全同步的級聯(lián)輸出。74hc595 qb 1 16 vcc qc 2 15 qaqd 3 14 siqe 4 13 g qf 5 12 rckqg 6 11 sck qh 7 10 sclrgnd 8 9 qh 圖3. 74hc595外形及引

21、腳3.1.3行驅動器單片機p1口低4位輸出的行號經4/16線譯碼器74ls154譯碼后生成16條行選通信號線，再經過驅動器驅動對應的行線。一條行線上要帶動16列的led進行顯示，按每一led器件20ma電流計算，16個led同時發(fā)光時，需要320ma電流，選通三極管8550作為驅動管可滿足要求。3.2.系統(tǒng)程序的設計顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數據，并產生各種控制信號，使屏幕按設計的要求顯示。根據軟件分層次設計的原理，可以把顯示屏的軟件系統(tǒng)分為兩層；第一層是底層的顯示驅動程序，第二層是上層的系統(tǒng)應用程序。顯示驅動程序負責向屏體送顯示數據，并負責產生行掃描信號和其他控制信號，配合完成le

22、d顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動器程序由定時器t0中斷程序實現(xiàn)。系統(tǒng)應用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實現(xiàn)。從有利于實現(xiàn)較復雜的算法（顯示效果處理）和有利于程序結構化考慮，顯示屏程序適宜采用c語言編寫。3.2.1顯示驅動程序顯示驅動程序在進入中斷后首先要對定時器t0重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩(wěn)定，1/16掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計算公式如下： 刷頻率（幀頻）=1/16×t0溢出率 =1/16×f/12（65536-t） 其中f位晶振頻率，t為定時器t0初值（工作在16位定時器模式）。然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內讀

23、取下一行的顯示數據，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數據的時候產生拖尾現(xiàn)象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等顯示數據打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。圖4為顯示驅動程序（顯示屏掃）進入中斷 定時器賦初值 讀取行號并增加1 送新行顯示數據 消 隱 切換顯示數據 發(fā)送新行號，打開顯示 退出中斷 圖 4 顯示驅動程序流程圖3.2.2系統(tǒng)主程序本文設計的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測條件下led顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。系統(tǒng)主程序開始以后，首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，包括設置串口、定

24、時器、中斷和端口；然后以“卷簾出”效果顯示圖形，停留約3s；接著向上滾動顯示“0-b”這11個字符，然后以“卷簾入”效果隱去圖形。由于單片機沒有停機指令，所以可以設置系統(tǒng)程序不斷的循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果。單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數據信息和命令信息，并可將這些數據信息和命令信息不經任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內容。圖5是系統(tǒng)主程序流程圖。開始 系統(tǒng)初始化 “卷簾出”顯示效果 “上滾屏”顯示效果 “左跑馬”顯示效果 “卷簾入”顯示效果 圖 5 系統(tǒng)主程序流程圖第4章 性能分析與總結4.1

25、 性能分析led顯示屏硬件電路只要硬件質量可靠，引腳焊接正確，一般無需調試即可 正常工作。軟件部分需要調試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。顯示屏刷新率由定時器t0的溢出率和單片機的晶振頻率決定，表5.1給出了實驗調試時采用的頻率及其對應的定時器t0初值。 表5.1 顯示平刷新率與t0初值關系表（24mhz晶振）刷新率255062.57585100120t0初值0xec780xf63c0xf8300xf97e0xfa420xfb1e0xfbee從理論上來說，24hz以上的刷新頻率就能看到穩(wěn)定的連續(xù)的顯示，刷新率越高，顯示越穩(wěn)定，同時刷新頻率越高，顯示驅動程序占用的cpu時間越多。試驗證明

26、，在目測條件下刷新頻率40hz一下的畫面看起來閃爍較嚴重，刷新頻率50hz以上的已基本察覺不出畫面的閃爍，刷新頻率達到85hz以上時再增加畫面閃爍沒有明顯的改善。顯示效果處理程序的內容及方法非常廣泛，其調試過程在此不作具體討論，讀者可以照源程序自行分析。這個方案設計的57的點陣led圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無串擾；可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。4.2 總結本文設計的一個室內用57的點陣led圖文顯示屏，能夠在目測條件下led顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清

27、晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件少，結構簡單，容易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。 總結本文的研究工作，主要做了下面幾點較突出的工作：1、通過查閱大量的相關資料，詳細了解了led的發(fā)光原理和led顯示屏的原理，了解了led的現(xiàn)狀，清楚地了解了led顯示屏與其它顯示屏相比較有那些優(yōu)點，明確了研究目標。2、本文設計的led顯示屏能夠實現(xiàn)在目測條件下led顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。3、文章給出了系統(tǒng)具體的硬件設計方案,硬件結構電路圖，軟件流程圖和具體匯編語言程序設計與調試

28、等方面。4、在這次畢業(yè)設計的過程中學會了 protel 99se 的基本使用，感到protel 99se 對電子專業(yè)的同學來說是一門很有用的課程。5、通過這次畢業(yè)設計，重新復習并進一步學習了mcs-51；熟練掌握了word軟件的使用。6、存在缺陷：沒有考慮抗干擾的問題。致謝本文是在胡花老師的悉心指導下完成的。從課題的立項、選題到課題的開發(fā)與研究，再到本論文的撰寫到定稿的每一步工作都傾注著黃老師的心血和汗水，同時得到同學們相助，并提供了大量的資料. 在此，對于老師和同學們的幫助表示忠心的感謝。參考文獻1 何立民.mcs-51系列單片機應用系統(tǒng)設計與接口技術 .北京航空航天大學出版社，19902

29、任濤等.閃速存儲器數據及應用簡明速查手冊.電子工業(yè)出版社，19973 何立民.單片機應用技術選編.北京航空航天大學出版社，20004 張毅剛等.mcs-51單片機應用設計.哈爾濱工業(yè)電子出版社，19965 鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊.北京航空航天大學出版社，19986 張凱.led介紹完全手冊.北京航空航天大學出版社，20007 張友德等.單片微型機原理應用與實驗，復旦大學出版社，1996附錄a 點陣led圖文顯示屏的截圖：附錄b 程序如下：#include <reg52.h>#define int8 unsigned char#define int16 unsigned int#define int32 unsigned longint8 flag;int8 n;int8 code table32= 0x40,0x0c,0x7e,0x0c,0x60,0x0c,0x30,0x0c, 0x08,0x0d,0x18,0x2f,0x58,0x2f,0xb8,0x4d, 0xbc,0xcd,0x9e,0xcc,0x5a,0x4c,0x1