单片机点阵LED电子显示屏设计硬件设计说明.docx

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单片机点阵LED电子显示屏设计硬件设计说明

华南农业大学珠江学院

毕业论文（设计）

单片机点阵LED电子显示屏设计

——硬件设计

指导老师：

系：

信息工程系年级专业：

09自动化一班

提交日期：

2013年3月9日答辩日期：

答辩委员会主席（签名）：

评阅人（签名）：

年月日

摘要

在大型商场、车站、码头、地铁站以与各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示图形和汉字。

LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。

本文介绍了一款以单片机STC89C52RC为制器的LED点阵显示屏系统的设计。

该系统可实现中英文字的显示和动态特效显示。

系统以STC89C52RC单片机控制，由显示驱动模块驱动一个16×16分辨率的LED点阵显示屏的扫描显示。

关键字：

单片机；LED点阵显示

Abstract

Nowadays,moreandmoreplacesneedtouseLEDdotmatrixtodisplayChinesecharactersandgraphics,suchasthelargeshoppingmalls,railwaystatI/Ons,docks,subwaystatI/Ons,varI/Ouskindsofservicewindowandsoon.LEDindustryhasbecomeanewandrapidlydevelopingindustrywithahugemarketspaceandforegroundcapacI/Ous.ThispaperintroducesadesignoftheLEDlatticedisplaysystembaseonMCUSTC89C52RC.ThesystemcandisplayinbothChineseandEnglishcharactersoftheshowandfromtoptobottomandmovearoundthemagicshow.STC89C52RCreceivescontrolcommandsfromPCandshowsthecode.Drivermoduledrivesa16×16-resolutI/OnLEDlatticeLED’spaneldisplayscanshowed.

Keywords:

MCU;latticeLED’spaneldisplay

设计说明

单片机点阵LED电子显示屏设计是在指导老师给出的任务书并在其指导下完成的。

设计任务主要是以52系列单片机为核心设计一个能显示4个16×16点阵图文LED显示屏，能左移显示“欢迎华南农业大学罗××教授来校讲学”。

该单片机点阵LED电子显示屏设计系统主要硬件和软件组成，本人负责硬件系统设计与软硬的联合调试，其有以下几点基本要求：

（1）硬件电路的设计（包含元器件的选择）。

（2）PCB设计与元件装配。

针对上述要求，经过考虑，我们构思出具有自身特色的单片机点阵LED电子显示屏设计主要容为：

（1）单片机最小系统模块：

整个控制系统都是依靠单片机完成。

从功能和价位以与本题目要求来看，我们选择STC89C52RC芯片作为本系统的控制核心，同时可以实现控制、显示、键盘等功能，电路设计和制作比较简单。

（2）点阵显示模块：

选择74HC595为驱动，74HC138为数据选择，结合单片机来进行数据显示，实现左移，上移功能。

在做本设计的过程中，本人查阅了很多的相关资料，其中主要的技术资料是各个芯片的资料，如：

STC89C52RC单片机资料、74HC595芯片资料、74HC138芯片资料、74HC04芯片资料等。

关键词：

单片机；显示；软件；点阵；模块

1引言

LED点阵显示屏以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。

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[1]。

1.1研究背景

在大型商场、码头、车站、地铁站以与各种办事窗口等越来越多的场所使用LED点阵显示图形和汉字。

LED行业已成为一个发展快速新兴的产业，市场空间巨大，前景广阔。

随着信息产业的高速发展，LED作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室外需要进行服务的容和服务宗旨宣传的公共场所。

1.2研究目的和意义

现代LED的发展很快，很多研究领域非常已经深刻，很多相关的知识已经远远超出我们在校学生的能力围，我们选择LED作为我们的毕业设计是该设计课题能够使我们掌握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为深刻的了解和认识。

并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。

并且通过该设计课题掌握了52单片机的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[2]。

目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。

但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。

因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。

1.2.1国外研究情况

自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到广泛的应用。

在国外点阵屏显示技术研究已经相当成熟，完善。

并且已经开始研究新的大屏幕显示技术，但就目前来看，LED点阵显示屏仍然市场前景依然广阔。

他们在主要以下四方面有很好的优势：

一是紧抓重点，大力建设专利标准体系。

二是控制成本，加速提升企业核心竞争力。

三规市场，建立健全产品监督机制。

四是合理引导，谨防投资过热与产能过剩。

1.2.2国研究情况

与国外相比，国LED点阵显示屏技术相比于国外仍旧落后。

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，都公共场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应这一市场行势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平都得到迅速的提高。

主要发展可分为以下几个阶段：

第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。

用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。

第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。

视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。

LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国企业开发出来并得以应用。

第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国的大屏幕带入全彩时代[3]。

1.3论文主要容

针对设计题目的特点，对论文的容和结构将做如下安排：

（1）系统总体方案

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。

最终选定了以PC机为上位机，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）系统硬件设计

以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。

经过对比选择选定STC89C52RC单片机为核心控制器件，由串并转换器74HC138，74HC595为驱动电路器件。

论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

（3）系统调试

调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。

在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。

在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。

通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。

（4）结论

设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以与自己的想法进行总结。

2系统总体方案

2.1系统总体方案

本设计以STC89C52RC单片机为核心，通过74HC138芯片为列驱动，74HC595芯片为行驱动。

以PC机作为上位机存储和处理显示容用串行通信的方式将显示容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的容和指令通过端口译码扩展后驱动4块16×16LED点阵模块构成的16×64的LED点阵显示屏显示出来[4]。

2.2系统硬件方案选择

大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。

为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。

硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。

如图2-1所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统与上位机四部分组成。

上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示容和显示方式。

图2-1系统硬件组成框图

2.2.1上位机部分选择

其中系统采用现在已经非常普遍的PC机作为上位机，这样对该显示系统的硬件要求便降低了，增加了系统的通用性。

上位机的作用是存储并处理显示容，然后通过通信系统传送到控制系统驱动显示[5]。

LED显示上位机的容一般有实时显示和存储显示两种方法。

实时显示与上位机屏幕上的容同时显示在LED显示屏上，上位机上容变化LED显示屏也跟着变化。

存储显示是将显示容处理过后存储在上位机过通信系统传输到显示屏显示。

两种显示方法相比较：

实时显示屏幕能与时反应上位机容的变化，显示的效果和容的实时性好多用于新闻播报、实况转播用，但实时显示硬件开销大，对通信系统要求高，工艺复杂，成本高；存储显示虽实时性不高但硬件开销小，成本低廉。

该设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示屏尺寸不时显示的容不多，所以实时显示就没有必要。

所以上位机选择存储显示的方法，控制LED显示屏的显示容。

2.2.2通信部分方案选择

通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。

因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。

ISP（In-SystemProgramming）在系统编程，通过下载电缆直接对安装在用户目标板上的器件编程，给电子产品的设计和生产带来许多革命性的变化[6]。

目前，比较成熟的ISP下载器大多是基于串口或者并口通信的，但是也存在着以下问题：

（1）用户PC机的主频、硬件和操作系统不同，可能会造成控制信号错误；

（2）不同的厂商提供不同的ISP下载器，互不兼容，给嵌入式开发带来不便；

（3）限于串、并口的通信协议，ISP数据传输速率较低，影响嵌入式产品的开发。

基于以上原因，本设计选择了一种将单片机和USB总线相结合，进行ISP下载的方法。

2.2.3控制部分方案选择

控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示容。

单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。

它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器（MCU）。

单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。

它们的价格也高低不等，这样极满足了开发者的选择自由。

除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。

随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS过渡。

供电电压由5V降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至μA，这在便携式产品有用武之地。

单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。

现在市场上常用的单片机主要有MCS-52、AVR、ARM、PIC等。

其中应用最广泛的单片机首推Intel的52系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。

且52系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。

当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。

所以在控制部分方案的选择中选定52系列单片机作为控制部分的核心器件。

2.2.4显示部分方案选择

显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以与驱动该显示屏的驱动电路。

由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机I/O口进行扩展增加单片机并行输出的能力[7]。

LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。

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，如图2-2所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。

目前市场上普遍采用的点阵模块有8×8、16×16等几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，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，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。

这就加大了维修的成本。

两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED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出现这一问题的风险。

所以构建一个16×16的LED点阵屏选用四块8×8点阵模块。

图2-2LED点阵图

一个16×16的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠52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。

经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。

常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74HC138（8位串并转换器）、74HC595等。

52系列单片机端口低电平时，吸入电流可达2０ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μＡ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。

在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路[8]。

2.2功能要求

本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件：

（1）要求采用52单片机作为微控制器。

（2）通过四个16×16的点阵LED进行文字显示。

（3）在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。

（4）文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式。

2.3系统总结构

2.3.1最终确定硬件设计方案

最终方案如图2-3所示，以PC机作为上位机存储和处理显示容用串行通信的方式将显示容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的容和指令通过端口译码扩展后驱动4块8×8LED点阵模块构成的16×16的LED点阵显示屏[9]。

题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。

该系统的组成结构如图2-3所示。

图2-3系统组成结构图

3系统硬件设计

硬件电路大致上可以分成单片机系统与外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。

3.1硬件整体设计概述与功能分析

显示系统具体设计主要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和16×16的点阵屏六部分组成。

具体工作流程为：

上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示容[10]。

根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。

通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图3-1所示。

图3-1硬件原理图

该系统所要实现的功能和要求有以下几点：

（1）LED显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。

并且显示要清晰。

（2）驱动电路要能提供LED显示所需围的电压和电流要求。

（3）译码电路的高低电平的区分能力以与译码的输入输出频率必须满足单片机以与驱动电路的要求。

（4）单片机要能接收上位机的指令和显示容且能够处理后控制LED显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。

执行频率要能达到扫描显示的最低要求。

（5）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。

（6）由串口完成单片机与上位机的通信，通信速度和数据传输的可靠性要达到显示要求。

3.2控制单元设计

3.2.1单片机最小系统设计

控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。

STC89C52RC的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的I/O口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。

根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-2所示。

在该系统中，P0各口主要用作LED显示数据的行控制输出。

具体接法为：

P0.4,P0.5,P0.6分别接74HC138的A端，B端,C端向74HC138送入串行数据经过其转换后并行输出；P0.3,P0.7接138芯片的使能控制端，当为低电平使允许输出；P0.0,P0.1,P0.2接595的SH_CP端,ST_CP端,DS端控件系统的列输入，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

因为没有扩展外部程序存储器所以将EA置为高电平[11]。

图3-2控制部分电路图

3.2.2STC89C52RC简介

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-52核，但做了很多的改进使得芯片具有传统52单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，522字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统52的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

STC89C52RC具有以下特点：

1.增强型8052单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8052。

​

2.工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。

3.工作频率围：

0～40MHz，相当于普通8052的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。

4.用户应用程序空间为8K字节。

5.片上集成522字节RAM。

6.通用I/O口（32个），复位后为：

P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。

8.具有EEPROM功能。

9.具有看门狗功能。

10.共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2。

11.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

12.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。

13.工作温度围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

3.3LED点阵显示设计

四个16×16的点阵构成一个16×64的点阵。

行和列的交叉处有一个LED，共由1024个LED构成，如果LED的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给该LED对应的行以高电平，列以低电平，那么对应的LED就发光[12]。

图3-3画出了室直插式8×8点阵双基色LED模块实物图。

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2列8针引脚将部电路接口引出，供驱动电路使用。

图3-3LED点阵显示实物图

LED数码管结构简单，价格便宜。

本文所述的是LED的数据显示方式，这种方式通常使用8段LED或者16段LED。

在实际应用中，点亮LED数码管的方式有静态和动态2种方法。

本文以16段LED作为示例来论证方案。

（1）静态显示方式

静态显示方式，即16段LED数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。

这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N位显示则需N×16根输出控制线。

占用较多I/O资源。

（2）动态显示方式

为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个16位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控制。

显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。

位线控制某位选通时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时，我们就能看到稳定的图像了[13]。

由于单片机的特性，我们将采用方案2：

动态显示方式，采用动态显示方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。

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列方式或串行方式。

3.4列驱动单元设计

3.4.1列驱动系统设计

译码电路的功能是为了解决单片机I/O端口不足。

行译码所用器件为串并转换器74HC138和锁存器74HC595。

两个138级联成4线-16线译码器，三级管Q1-Q16接显示屏H1-H8解决了显示屏供电不足的问题[14]。

具体电路如图3-4所示。

图3-4列驱动电路图

3.4.274HC138简介

74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。

74HC138特有3个使能输入端：

两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。

除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。

利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。

任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输