期末论文1632点阵LED电子显示屏的设计模块Word格式文档下载.docx
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《51单片机C语言教程》北京：
电子工业出版社，2013
[2]张毅刚主编：
《单片机原理及应用》．北京：
高等教育出版社，2006
指导教师签字
教研室主任签字
年月日
摘要
本设计是一16×
32点阵LED电子显示屏的设计。
整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C52为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。
通过该芯片控制两个个行驱动器74HC138和两个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。
该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示2个汉字，采用8块8×
8点阵LED显示模块来组成16×
32点阵显示模式。
显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。
文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。
单片机控制系统程序采用单片机C语言进行编辑，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。
所显示字符的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图）。
LED显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合的信息发布，公益宣传，环境参数实时，重大活动倒计时等等得到广泛的应用。
经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。
关键词：
AT89C52单片机；
LED；
点阵显示；
动态显示；
C语言。
第一章前言
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。
单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。
正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。
在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。
我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。
更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。
例如，本文所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。
LED是发光二极管英文LightEmittingDiode的简称，是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和Ｐ-Ｎ结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。
进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。
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。
随着信息产业的高速发展，LED显示屏作为信息传播的一种重要手段成为现代信息化社会的一个闪亮标志。
近年LED显示屏已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如银行、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布，政府机关政策、政令，各类市场行情信息的发部和宣传等。
目前，对于那些需要显示的信息量不是很大，分辨率不是很高，又需要制造成本相对比较低的场合，使用大、小屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的，它可以用单片机控制实现显示字符、数字、汉字和简单图形，可以根据需要使用不同字号、字型。
汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如16×
16点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码。
而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语言，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。
具体显示技术和原理将会在正文中得到详细论述。
第二章系统整体设计方案
2．1需要实现的功能
设计一个室内用16×
32点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。
2．2LED显示特点
LED发光灯可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等多种类型。
按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等。
这种单个的发光灯适宜用做指示灯，如电源指示、电路状态指示灯，进而对能够转变成电信号的各种物理量进行指示。
也可以用多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，如大型剧场会堂的出入口及洗手间的显示。
和很多应用术语一样，LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图形和/或文字的LED显示屏称为图文屏。
这里所说的图形，是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便于不同亮度（灰度）点阵组成的图像相区别。
图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。
LED图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条形图文显示屏（简称条屏），也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。
其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理上并无区别。
从理论上说，不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。
通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。
对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1，否则填0。
当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。
这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。
显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。
文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。
组成一个字的点阵，其大小也可以有16×
16、24×
24、32×
32、48×
48等不同规格。
汉字的点阵结构相应的显示数据是用16进制格式以字节为单位表示的。
用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。
因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。
点阵显示方式适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。
点阵显示器在整个显示单元的所有位置上都布置了LED器件，而像数码管一类的显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置是空白的。
因此，点阵显示器在相同面积情况下，价格要贵些。
但是，数码管可显示的信息有限，只有0～9或单个的英文字符，由于组合形成的字符不多，所以其显示数据和控制电路都比较简单。
点阵显示器则不然，它要对点阵上全部LED进行控制，并能生成所有可能显示的图形文字，其显示数据和控制电路自然要复杂得多。
因此，根据不同的场合，不同的显示特点和格式可以分别采用数码管器件或点阵显示方式，有的情况可以采用两者搭配的混合屏显示方式。
图文显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。
最常用的是单色图文屏。
单色屏多使用红色、橘红色或橙色LED点阵单元。
双色图文屏和多色图文屏，在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。
换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。
显示的时候，各颜色的显示点阵是分开控制的。
事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。
每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。
2．3设计方案论证
2．3．1显示模式方案
为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式，最简单的显示模式是静态显示。
这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式。
与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。
按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。
产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。
例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；
而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；
同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。
其它模式的数据刷新，也可找到相应的算法。
不过当算法太复杂，太浪费时间的话，也可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。
刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。
刷新太慢，动感不显著；
刷新太快了，中间过程看不清。
一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。
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，每行有一个行驱动器，具体就16×
32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（共阳的接法），由行译码器给出的行选通信号，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）。
另一方面，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，就在该行该列燃亮相应的LED；
未接通的列所对应的LED熄灭。
当一行的扫描持续时间结束后，该行燃亮的LED也就熄灭；
下一行又以同样的方法进行显示。
全部各行都扫过一遍之后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。
只要一个扫描轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就不容易感觉出闪烁现象，就能看到显示屏上稳定的图形了。
而且动态扫描方式功耗低，硬件成本低，每个LED都不是连续工作，因而还有利于延长LED的使用寿命。
2．3．2数据传输方案
采用扫描方式进行显示时，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方式的问题。
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，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换。
首先，单片机从存储器中读出的8位并行数据要通过并串变换，按顺序一位一位地输出给列驱动器。
与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到全部列数据都传输完为止。
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，以至影响到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，准备下一行的列数据。
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。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；
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。
图2-1为显示屏电路实现的结构框图。
第三章系统硬件部分设计
由于图文屏的控制电路采用单片机方案，控制功能的实现应在硬件和软件两方面进行折中。
单片机及相应软件，主要负责存储（或生成）显示数据、安排控制信号的定时与顺序等。
但是单片机的接口数量少，驱动能力不强，必须扩展一定的硬件电路，才能满足显示屏的需要。
系统硬件部分电路大致上可以分成稳压电源、单片机系统及外围电路、列驱动器电路、行驱动器电路和LED显示屏电路五部分。
3．2单片机系统及外围电路
3．2．1单片机的选择
单片机采用89C52或其兼容系列的芯片进行控制，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、以及给屏体电路部分发送命令。
这里我们选择了内含4K字节Flash的AT89C52，因为我们只需要显示特定的图形和文字，无需庞大的字库，因此4KFlash已经可以满足字库储存的需求，不需要扩展外存储器。
3．2．2AT89C52芯片介绍
AT89C52
AT89C52是美国ATMEL公司生产的8位FlashROM单片机。
其最突出的优点是片内ROM为FlashROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有在片程序ROM二级保密系统。
因此可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52包含以下一些功能部件：
（1）一个8位CPU；
（2）一个片内振荡器和时钟电路；
（3）4KBFlashROM；
（4）128B内RAM；
（5）可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；
（6）两个16位定时/计数器；
（7）21个特殊功能寄存器；
（8）4个8位并行I/O口；
（9）一个可编程全双工串行口；
（10）5个中断源，可设置成2个优先级。
AT89C52单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图3-3为其引脚排列图。
40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制各I/O引脚。
一．电源
Vcc——芯片电源，接+5V；
GND——接地端。
二．时钟
XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端。
图3-3AT89C52引脚图
三．控制线
控制线共有4根，其中3根是复用线。
所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。
1．ALE/
——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。
（1）ALE功能：
用来锁存P0口送出的低八位地址。
AT89C52在并行扩展外存储器时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。
当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；
ALE信号无效时，P0口传送的是低8位地址信号。
在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。
需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。
但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。
（2）
功能：
片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
2．
——外ROM读选通信号。
89C51读外ROM时，每个机器周期内
两次有效输出。
可作为外ROM芯片输出允许
的选通信号。
在读内ROM或读外RAM时，
无效。
3．RST/VPD——复位/备用电源。
（1）正常工作时，RST端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，AT89C52芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。
（2）VPD功能：
在VCC掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由VPD向片内RAM供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。
4．
/VPP——内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
（1）
正常工作时，
为内外ROM选择端。
AT89C52单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外。
当
保持高电平时，先访问内ROM，但当PC值超过4KB时，将自动转向执行外ROM中的程序。
保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。
（2）VPP功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源。
四．I/O引脚
AT89C52有P0、P1、P2、P34个8位并行I/O端口，共32个引脚。
P0口是一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；
而在验证程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P1口写入1时P1口被内部上拉为高电平，可用作输入口。
当作为输入脚时被外部信号拉低的P1口会因为内部上拉而输出一个电流。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
P2口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据，当使用8位寻址方式（MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容，在整个访问期间不改变。
Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3口是带内部上拉电阻的双向I/O口，向P3口写入1时P3口被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的是它的第二功能，如表3．1所示：
表3．1P3各端口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0——RXD
串行口输入端
P3.1——TXD
串行口输出端
P3.2——
外部中断0请求输入端
P3.3——
外部中断1请求输入端
P3.4——T0
定时/计数器0外部信号输入端
P3.5——T1
定时/计数器1外部信号输入端
P3.6——
外RAM写选通信号输出端
P3.7——
外RAM读选通信号输出端
3．2．3单片机系统外围电路
单片机系统外围电路形式如图3-4所示。
单片机振荡器反相放大器的输入端（XTAL1）和输出端（XTAL2）之间接上12MHz或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。
电容C4、C5是晶振的负载电容，主要起频率微调和稳定的作用。
单片机的串行口工作在方式0下，作为同步移位寄存器使用，端口RXD（P3.0）作为数据移位的输入/输出端，而由TXD（P3.1）端输出移位时钟脉冲。
移位数据的发送和接收均以8位为一帧，不设起始位和停止位，无论输入/输出，均低位在前高位在后。
89C51的通用I/O口P1作为显示数据和二进制行号的公用输出口。
两种数据的输出在时间上是错开的。
P1口的低4位与行驱动器相连，送出二进制的行选信号；
P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。
P0和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。
图3-4单片机系统外围电路图
3．3列驱动电路
列驱动电路由集成电路74HC595构成，它具有一个8位串行输入/输出或者并行输出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。
74HC595的管脚及内部结构形式如图3-5所示。
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SER是串行数据的输入端。
引脚SRCLK输入移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCLK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。
引脚
是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。
信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为0，由于SRCLK和RCLK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级连应用时，向上一级的级连输出。
但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH′，作为与移位寄存器完全同步的级连输出。
移位寄存和输出锁存的时序波形如图3-6所示：
由74HC595组成的列驱动器示于图3-7中。
该图由两片74HC595组成16列的驱动，由16个行驱动器驱动16行。
第一片列驱动器的SER端连接单片机输出的串行列显示数据，其QH′端连接第二片的SER端，采用这样的方法组成两片的级连。
两片相应的SRCLK、
、RCLK端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据清除信号和输出锁存器打入信号。
这样的结构，使得各片串行移位能把16列的显示数据依次输入到相应的移位寄存器输出端。
移位过程结束之后，控制器输出RCLK打入信号，16列显示数据一起打入相应的输出锁存器。
然后选通相应的行，该行的各列就按照显示数据的要求进行显示。
3．4行驱动电路
3．4．1行驱动芯片74HC138介绍
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A3），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，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。
图3-874HC138管脚图
说明：
H—高电平；
L—低电平；
X—任意．
3．5LED显示屏电路
LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。
在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制
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