基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)方案

1、. . . . 信息工程學(xué)院綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目: 基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)：0309412學(xué) 號(hào)： 學(xué)生：指導(dǎo)教師：黃老師2012 年 10 月 16 日 基于51單片機(jī)的LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要:LED是指發(fā)光二極管，在某些半導(dǎo)體的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式點(diǎn)知發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱LED。由于電子顯示屏制作簡(jiǎn)單，安裝方便，被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)合，如公交汽車的報(bào)站

2、器、廣告屏以與公告牌等等。介紹的LED點(diǎn)陣電子顯示屏，其功能有固定漢字、字母、數(shù)字的顯示；平行左移、右移；固定信息的循環(huán)顯示；顯示屏的亮度連續(xù)可調(diào)；時(shí)間的顯示和上位機(jī)對(duì)顯示容可修改的功能隨著LED顯示屏在廣告領(lǐng)域逐漸嶄露頭角，其控制系統(tǒng)也如雨后春筍，層出不窮。由于他的控制系統(tǒng)均是基于嵌入式處理器開發(fā)，所以單片機(jī)在其中也占有一席之地。但是，由于LED顯示屏控制較復(fù)雜，特別是對(duì)于顯示特殊效果，如循環(huán)移動(dòng)、覆蓋霓虹燈效果，要求處理器運(yùn)算速度快、執(zhí)行效率高，關(guān)鍵詞：AT89C51 74HC154（行驅(qū)動(dòng)器） 74HC595（列驅(qū)動(dòng)器） 16*64點(diǎn)陣 LED 1、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總述從LED材料的不斷更新，

3、灰度控制技術(shù)的發(fā)展，真彩色圖像的展現(xiàn)：到驅(qū)動(dòng)電路的靈活、高效，控制系統(tǒng)技術(shù)的提高無(wú)不體現(xiàn)了LED 行業(yè)技術(shù)的飛躍發(fā)展。另外，隨著計(jì)算機(jī)的網(wǎng)路技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏在網(wǎng)路環(huán)境下的使用情況越來(lái)越多，在多媒體、多種顯示設(shè)備組成的信息顯示系統(tǒng)中，采用智能化網(wǎng)路控制，聯(lián)網(wǎng)控制多屏技術(shù)也在實(shí)際中得到應(yīng)用?，F(xiàn)存顯示屏的控制系統(tǒng)包括了輸入接口電路、信號(hào)的控制、轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理線路、輸出接口電路等，涉與的具體技術(shù)很多，其中為關(guān)注并研究開發(fā)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)包括：串行傳輸與并行傳輸、動(dòng)態(tài)掃描與靜態(tài)鎖存、輸入接口技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。文本以4個(gè)16*64點(diǎn)陣顯示器為例，單片機(jī)AT89C51作為控制器，探討簡(jiǎn)

4、單的漢字、數(shù)字顯示技術(shù)。1.1方案分析顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時(shí)，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹?采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無(wú)疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過(guò)程較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對(duì)于一行的顯示過(guò)程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對(duì)于串行傳輸方式來(lái)說(shuō)，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致影響到LED的亮度。解決串行傳輸中

5、列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過(guò)上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動(dòng)器電路應(yīng)具有的功能。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來(lái)說(shuō)，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并處的移位功能；對(duì)于列數(shù)據(jù)顯示來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示。圖為顯示屏電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。顯示屏電路框圖2、16*64點(diǎn) 陣 屏 原 理點(diǎn)陣部結(jié)構(gòu)與外形如下，16*64點(diǎn)陣共由1024個(gè)發(fā)光二極管組成，且每個(gè)發(fā)光二極管是放置在行線和列線的交叉

6、點(diǎn)上，當(dāng)對(duì)應(yīng)的某一行置1電平，某一列置0電平，則相應(yīng)的二極管就亮；如要將第一個(gè)點(diǎn)點(diǎn)亮，則9腳接高電平13腳接低電平，則第一個(gè)點(diǎn)就亮了；如果要將第一行點(diǎn)亮，則第9腳要接高電平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）這些引腳接低電平，那么第一行就會(huì)點(diǎn)亮；如要將第一列點(diǎn)亮，則第13腳接低電平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高電平，那么第一列就會(huì)點(diǎn)亮。 一般我們使用點(diǎn)陣顯示漢字是用的16*16的點(diǎn)陣宋體字庫(kù)，所謂16*16，是每一個(gè)漢字在縱、橫各16點(diǎn)的區(qū)域顯示的。也就是說(shuō)得用四個(gè)8*8點(diǎn)陣組合成一個(gè)16*16的點(diǎn)陣。如下圖所示，要顯示“你”則相應(yīng)的點(diǎn)就要點(diǎn)亮，由于我們的點(diǎn)陣在列線

7、上是低電平有效，而在行線上是高電平有效，所以要顯示“你”字的話，它的位代碼信息要取反，即所有列（1316腳）送(11111，0xF7，0x7F)，而第一行（9腳）送1信號(hào)，然后第一行送0。再送第二行要顯示的數(shù)據(jù)（1316腳）送(11111，0xF7，0x7F)，而第二行（14腳）送1信號(hào)。依此類推，只要每行數(shù)據(jù)顯示時(shí)間間隔夠短，利用人眼的視覺暫停作用，這樣送16次數(shù)據(jù)掃描完16行后就會(huì)看到一個(gè)“你”字；第二種送數(shù)據(jù)的方法是字模信號(hào)送到行線上再掃描列線也是同樣的道理。同樣以“你”字來(lái)說(shuō)明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（00000，0x00，0x00）而第一列（13腳）送、“0

8、”。同理掃描第二列。當(dāng)行線上送了16次數(shù)據(jù)而列線掃描了16次后一個(gè)“你”字也就顯示出來(lái)了。 2.1 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)       單片機(jī)控制器行掃描電路行驅(qū)動(dòng)列掃描電路列驅(qū)動(dòng)16*64點(diǎn)陣  圖1、16*64LED點(diǎn)陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖3、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作控制器。整個(gè)電路主要由單片機(jī)控制與其接口電路、驅(qū)動(dòng)顯示電路、電源電路等部分組成。為了簡(jiǎn)化顯示屏電路，降低成本，本系統(tǒng)在單片機(jī)部分不加字庫(kù)存儲(chǔ)器，而在PC機(jī)上編輯漢字和字符顯示信息，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)。然后通過(guò)串口

9、(采用RS一232通信標(biāo)準(zhǔn))送給單片機(jī)存儲(chǔ)并進(jìn)行顯示處理。31單片機(jī)控制電路(1)MCU的選擇：由于軟件對(duì)空間的需求和硬件的簡(jiǎn)化，本系統(tǒng)MCU采用的是AT89C51，它具有8KB的ROM，128字節(jié)的RAM，不需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器了。圖2、AT89C51的電路設(shè)計(jì)圖3、AT89C51引腳圖3.2、16*64點(diǎn)陣顯示屏設(shè)計(jì)圖4是一種8x8的LED點(diǎn)陣單色行共陽(yáng)模塊的部結(jié)構(gòu)圖，其單點(diǎn)工作電壓礬為18 V，正向電流露為810 mA。當(dāng)某一行線為高電平而某一列線為低時(shí)，其行列交叉的點(diǎn)就被點(diǎn)亮；而當(dāng)其某一列線為高時(shí)，其行列交叉的點(diǎn)為暗；當(dāng)某一行線為低電平時(shí)。無(wú)論列線如何。對(duì)應(yīng)這一行的點(diǎn)全部為暗。用四個(gè)8x8點(diǎn)

10、陣顯示可構(gòu)成16x16點(diǎn)陣顯示器，其連接方法如圖5所示。圖中，將(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分別對(duì)應(yīng)相連，同時(shí)將(A)和(C)的8行、 (B)和(D)的8行分別對(duì)應(yīng)相連。即可形成一個(gè)16行(每一行有16個(gè)LED)、16列(每一列也有16個(gè)LED)的16x16點(diǎn)陣顯示器，可將這256個(gè)點(diǎn)稱為一頁(yè)，這樣，顯示字符時(shí)。只要對(duì)一頁(yè)中對(duì)應(yīng)的亮滅進(jìn)行控制即可。把4個(gè)16x16點(diǎn)陣顯示器相連從而構(gòu)成16x64的點(diǎn)陣顯示器如圖6。圖4、行共陽(yáng)8*8點(diǎn)陣顯示屏部原理圖 圖5、16*16點(diǎn)陣連接圖圖6、16*64點(diǎn)陣連接圖33 LED點(diǎn)陣顯示器的掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)與所用控制系統(tǒng)相配

11、合。驅(qū)動(dòng)通常分為動(dòng)態(tài)掃描型與靜態(tài)鎖存型驅(qū)動(dòng)二大類。本文以動(dòng)態(tài)掃描型驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)為例來(lái)進(jìn)行分析。動(dòng)態(tài)掃描型驅(qū)動(dòng)方式是指顯示屏上的16行發(fā)光二極管共用一組列驅(qū)動(dòng)寄存器，然后通過(guò)行驅(qū)動(dòng)管的分時(shí)工作來(lái)使每行LED的點(diǎn)亮?xí)r間占總時(shí)間的116。只要每行的刷新速率大于50 Hz，利用人眼的視覺暫留效應(yīng)。人們就可以看到一幅完整的文字或畫面。   AT89C51單片機(jī)有四個(gè)IO口(P0、P1、P2、P3)。每個(gè)IOEl有8位，如果都采用并行輸出，顯然不能滿足要求。因此，本設(shè)計(jì)中的行掃描驅(qū)動(dòng)采用并口輸出。而場(chǎng)掃描驅(qū)動(dòng)采用串口輸出。3.3.1、行驅(qū)動(dòng)電路由于16x64點(diǎn)陣顯示器有16行，為充分

12、利用單片機(jī)的接口。本電路中加入了一個(gè)416線譯碼器74HCl54，其輸入是一個(gè)16進(jìn)制碼，解碼輸出為低態(tài)掃描信號(hào)它們的管腳示意圖如圖7所示。把74HCl54的E1和E2引腳接地。然后以A、B、C、D四腳為輸入端。就會(huì)形成16種不同的輸入狀態(tài)，分別為00001111，然后使每種狀態(tài)只控制一路輸出。即會(huì)有16路輸出。如果一行64點(diǎn)全部點(diǎn)亮。圖7、74HC154引腳圖3.3.2、列驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)列掃描驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)可用串人并出的通用集成電路74HC595來(lái)作為數(shù)據(jù)鎖存。74HC595是一個(gè)八位串行輸入三態(tài)并行輸出的移位寄存器，其管腳見圖8所示，其中SI是串行數(shù)據(jù)的輸入端，RCK是存儲(chǔ)寄存器的輸入時(shí)鐘

13、，SCK是移位寄存器的輸入時(shí)鐘。Q 7H是串入數(shù)據(jù)的輸出，G是對(duì)輸入數(shù)據(jù)的輸出使能控制，QAQH為串人數(shù)據(jù)的并行輸出。從SI口輸入的數(shù)據(jù)可在移位寄存器的SCK腳上升沿的作用下輸入到74HC595中并在RCK腳的上升沿作用下將輸入的數(shù)據(jù)鎖存在74HC595中，這樣，當(dāng)G為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)便可并行輸出。為了避免與PC機(jī)串口輸入的數(shù)據(jù)相互干擾，也可使用模擬串口P14P17來(lái)分別輸出串行數(shù)據(jù)、移位時(shí)鐘SCK、存儲(chǔ)信號(hào)RCK和并行輸出的使能信號(hào)G。為了消除電源電壓的波動(dòng)與行掃描管壓降(第一行點(diǎn)亮的點(diǎn)數(shù)不同，將引起管壓降的變化，從而影響通過(guò)LED管的電流1的變化對(duì)LED顯示屏亮度的影響，設(shè)計(jì)時(shí)可采用列恒流驅(qū)

14、動(dòng)電路，可選用三極管8550和外圍元件構(gòu)成列恒流驅(qū)動(dòng)電路，并通過(guò)調(diào)整100 kQ可調(diào)電阻使三極管處于放大狀態(tài)。同時(shí)將集電極電流調(diào)整為10 mA從而使點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)點(diǎn)陣時(shí)通過(guò)LED的電流不變。圖8、74HC595引腳圖4、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)   顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號(hào)，使屏幕按設(shè)計(jì)的要求顯示。根據(jù)軟件分層次設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)程序，第二層是上層的系統(tǒng)應(yīng)用程序。顯示驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生行掃描信號(hào)和其他控制信號(hào)，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動(dòng)器程序由定時(shí)器T0中斷

15、程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。從有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法（顯示效果處理）和有利于程序結(jié)構(gòu)化考慮，顯示屏程序適宜采用C語(yǔ)言編寫。4.1顯示驅(qū)動(dòng)程序顯示驅(qū)動(dòng)程序在進(jìn)入中斷后首先要對(duì)定時(shí)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(jì)算公式如下： 刷頻率（幀頻）=×溢出率=× （4-1）其中f位晶振頻率，t為定時(shí)器T0初值（工作在16位定時(shí)器模式）。然后顯示驅(qū)動(dòng)程序查詢當(dāng)前燃亮的行號(hào)，從顯示緩存區(qū)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)程序

16、先要關(guān)閉顯示屏，即消隱，等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號(hào)，重新打開顯示。4.2系統(tǒng)主程序本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_。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(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，包括設(shè)置串口、定時(shí)器、中斷和端口；單元顯示屏可以接收來(lái)自控制器（主控制電路板）或上一級(jí)顯示單元模塊傳輸下來(lái)的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示板可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示容。函數(shù)聲明、宏定義、全局變量開始

17、初始化程序顯示列表函數(shù)顯示程序主程序延時(shí)程序結(jié)束程序流程圖5、調(diào)試與性能分析5.1開發(fā)環(huán)境介紹程序編寫采用Keil51環(huán)境下調(diào)試,Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)

18、更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。5.2 理論性能分析LED顯示屏硬件電路只要硬件質(zhì)量可靠，引腳焊接正確，一般無(wú)需調(diào)試即可 正常工作。軟件部分需要調(diào)試的主要有顯示屏刷新頻率與顯示效果兩部分。顯示屏刷新率由定時(shí)器T0的溢出率和單片機(jī)的晶振頻率決定，表5-1給出了實(shí)驗(yàn)調(diào)試時(shí)采用的頻率與其對(duì)應(yīng)的定時(shí)器T0初值。表5-1 顯示平刷新率與T0初值關(guān)系表（24MHz晶振）刷新率255062.57585100120T0初值0xec780xf63c0xf8300xf97e0xfa420xfb1e0xfbee從理論上來(lái)說(shuō)，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(shí)刷新頻率越高，顯示驅(qū)動(dòng)程序占用的CPU時(shí)間越多。試驗(yàn)證明，在目測(cè)條件下刷新頻率40Hz一下的畫面看起來(lái)閃爍較嚴(yán)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(dá)到85Hz以上時(shí)再增加畫面閃爍沒有明顯的改善。這個(gè)方案