LED广告牌的单片机控制系统毕业设计Word格式文档下载.docx
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图1-1出租车后的LED广告牌图1-2公交车内的LED显示屏
图1-3出租车顶棚的LED广告牌图1-4大巴车后的LED广告牌
第二章系统硬件设计
2.1硬件系统总体设计方案
要显示中文字,需要4片8×
8的点阵显示器组合成16×
16的点阵显示器才能完整的显示一个中文字。
如图2-1为整个系统的电路框架图。
图2-1显示电路框架图
从理论上讲,只要控制与组成这些图形或文字的各个所在位置相对应的器件发光,就可以得到想要的显示结果,这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
把行列总线接在单片机的I/0口,然后把上面分析到的扫描代码送入总线,就可以得到显示的汉字了。
但是若将LED点阵的行列端口全部直接接入89C52单片机,则需要使用32条I/0口,这样会造成I/0口资源的耗尽,系统也再无扩充的余地。
因此,我们在实际应用中只是将LED点阵的16条行线直接接在P0口和P2口,至于列选扫描信号则是由4—16线译码器74HCl54来选择控制,这样一来列选控制只使用了单片机的4个I/O口,节约了很多I/O口资源,为单片机系统扩充使用功能提供了条件。
本设计中,汉字扫描显示的基本过程是这样的:
单片机89C52按照设定的程序在P0和P2接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行选线(高电平驱动),同时在P1.1,P1.2,P1.3,P1.4接口输出列选扫描信号(低电平驱动),即轮流给行信号输出低电平,当高电平与低电平接通,则该发光二极管亮。
在任意时刻只有一行发光二极管是处于可以被点亮的状态,其它行都处于熄灭状态。
利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。
再改变取表地址实现汉字的滚动显示。
2.2STC89C52单片机选用
2.2.1STC89C52单片机的特性
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU,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。
以下为STC89C52单片机的引脚图和实物图。
图2-2单片机STC89C52引脚图图2-3单片机STC89C52实物图
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置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51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,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。
2.3单片机最小系统
一般来说,单片机的最小系统包括电源,晶振,复位电路。
有了以上三块内容,单片机就能够工作了。
另外要注意的一点是,EA脚也要接高电平,告诉单片机不使用片外存储器,这样单片机系统才会老老实实地执行我们所烧写进去的程序。
2.2.1时钟晶振电路
单片机XTAL1脚和XTAL脚是外部接晶振的两个引脚,通常在接一个晶振的同时要在晶振的两个脚接两个电容,这两个电容叫晶振的负载电容,分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,一般在几十皮法。
它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度,使晶振频率更加稳定。
本设计中,单片机晶振采用12MHz的频率,以获得较高的刷新率,使显示更加稳定。
如图2-4所示为单片机的时钟晶振电路原理图。
图2-4单片机的时钟电路
2.3.2复位电路
本设计采用上电复位的方式实现复位。
上电复位电路由电容串联电阻构成,由图3-4所示,并结合“电容电压不能突变”的性质,可以知道:
当系统一上电,RST脚将会出现高电平,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。
所以我们只要适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般文献推荐C取10uF,R取8.2K。
本设计中我们采用C取10u法拉,R取10K欧姆。
如图2-5为单片机的复位电路原理图。
图2-5单片机复位电路
2.4列驱动
2.4.174HC154芯片的特性
74HC154是一款高速CMOS器件,74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入,并提供16个互斥的低有效输出。
74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通,以消除输出端上的通常译码“假信号”,也可用于译码器扩展。
该使能门电路包含两个“逻辑与”输入,必须置为低以便使能输出端。
任选一个使能输入端作为数据输入,74HC154可充当一个1-16的多路分配器。
当其余的使能输入端置低时,地址输出将会跟随应用的状态。
以下为74HC154的引脚图和实物图。
图2-6译码器74HC154引脚图图2-774HC154实物图
引脚说明:
1-1113-17:
输出端。
(outputs(activeLOW))
18-19:
使能输入端、低电平有效(enableinputs(activeLOW))
20-23地址输入端(addressinputs)
24:
VCC电源正(positivesupplyvoltage)
表2-1译码器74HC154真值表
需要注意的是,只要控制端G1、G2任意一个为高电平,A、B、C、D任意电平输入都无效。
G1、G2必须都为低电平才能操作芯片。
2.4.2列驱动电路
由于16x16点阵显示器有16行,为充分利用单片机的接口,本电路中加入了一个4-16线译码器74HC154,其输入是一个16进制码,解码输出为低态扫描信号,把74HC154的G1口连接单片机89C52的P1.4引脚,来实现控制,G2引脚接地,然后以A、B、C、D四脚为输入端。
就会形成16种不同的输入状态,分别为0000~1111,然后使每种状态只控制一路输出,即会有16路输出。
如图2-8为驱动电路在proteus仿真软件中的电路原理图。
图2-8驱动电路原理图
2.5LED点阵显示屏工作原理
LED发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片。
以下为8*8点阵LED显示屏的原理图和结构图。
图2-9点阵LED原理图
图2-108*8LED点阵正面图图2-118*8LED点阵背面图
晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED灯发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。
2.7Proteus仿真软件的运用
2.7.1Proteus仿真软件简介
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
如图2-12为Proteus工作主界面图。
图2-12proteus主界面
在PROTEUS绘制好原理图后,调入已编译好的目标代码文件:
*.HEX,可以在PROTEUS的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。
PROTEUS不仅可将许多单片机实例功能形象化,也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果,后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。
这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能,例:
元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。
2.7.2Proteus环境下的原理图
本设计在Proteus系统下绘制的原理图如图2-13。
图2-13在Proteus下的原理图
2.7.3仿真图
基于Proteus环境下仿真结果如图2-14。
图2-14“机械09”字样在Proteus系统下的仿真图
2.8AltiumDesigner软件的运用
2.8.1AltiumDesigner的简介
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WindowsXP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,熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
图2-15AltiumDesigner工作主界面
图2-16AltiumDesigner软件环境下设计的原理图
图2-17通过AltiumDesigner软件绘制的PCB板图
第三章系统软件设计
3.1系统显示原理
每一个字由16行16列的点阵组成显示,即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。
我们可以把每一个点理解为一个像素,而把每一个字的字形理解为一幅图像。
事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字,
也可以显示在256像素范围内的任何图形。
用8位的AT89C52单片机控制,
由于单片机的总线为8位,一个字需要拆分为2个部分如图2-3所示。
本电路把它拆分为左部和右部,左部由16(行)*8(列)点阵组成,右部也由16(行)*8(列)点阵组成。
以显示汉字“繁”为例,来说明其扫描原理:
图3-1点阵屏
单片机首先由P2口输出显示数据信号给右部分的第一行如图2-3所示,即第一行的P20---P27口。
方向为P20到P27,显示汉字“繁”时,P21点亮,由左到右排,为P20灭,P21亮,P22灭,P23灭,P24灭,P25灭,P26灭,P27灭。
即二进制01000000,转换为16进制为0x40。
右部分的第一行完成后,继续扫描左半部的第一行,为了接线的方便,我们仍设计成由左往右扫描,即从P00向P07方向扫描,从上图可以看到,这一行只有P01亮,其它灭,即为01000000,16进制则为0x40。
然后单片机再次转向右半部第二行,仍为P21点亮,为01000000,即16进制0x40。
这一行完成后继续进行左半部分的第二行扫描,P00灭,其他都点亮,为二进制01111110,即16进制0x7E。
依照这个方法,继续进行下面的扫描,一共扫描32个8位,可以得出汉字“繁”的扫描代码为:
0x40,0x40,0x40,0x7E,0x7E,0x80,0x84,0x7E,
0x48,0x53,0x28,0xFE,0x10,0x4A,0x28,0x7F,
0x46,0x03,0x40,0x04,0x80,0x1F,0x20,0x02,
0xF0,0x0F,0x10,0x01,0x20,0x09,0x10,0x13
由这个原理可以看出,无论显示何种字体或图像,都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。
3.2程序框图
3.3字模提取软件的运用
一个国标汉字是由16X16即256个点(像素)来构成的,显示一个汉字该亮哪些点这些复杂的工作都交给取模软件来完成,同时,取模软件也负责把要显示的汉字转化成程序中要用到的显示代码,代码以一定的规律表征了该亮的点(用“1”表示)与不该亮的点(用“0”表示),一共256位。
单片机负责将这些代码一段一段有规律地送到LED屏。
汉字的点阵字模是从点阵字库文件中提取出来的,就可以显示汉字了。
本设计采用图3-2和3-3所示软件进行取模:
图3-2字模提取图3-3取模方式设置窗口
3.4循环程序的设计
为了是文字能够在LED显示屏上循环显示,设计了程序如下:
intoffset=0;
//定义偏移量
intcount=0;
//定义次数
if(count<
60)//设置为每闪60次指针发生一次偏移
{count++;
if(count==60)
{
count=0;
//次数清零
offset+=2;
//每次偏移量为2
if(offset>
64)//指针终点
offset=0;
//偏移量归零,重新开始循环
}
}
count用来控制每次移位LED灯闪的次数。
这里设置为60,即每移位一次,LED灯闪60次,然后再进行下次移位。
3.5延时程序的设计
画面的稳定有两个条件:
显示延长的时间应控制在合理的范围之内,时间小了会看不清画面,时间大了画面不连续。
延时函数如下:
voiddelay(void)
{intj;
for(j=0;
j<
25;
j++);
3.6指针程序的设计
为了让图像实现滚动,设计了指针p加偏移量offset。
当偏移量发生变化,*(p+offset)也跟着变化,这样指针就会指向下一个数组单元,实现滚动显示。
offset的增量必须为2的倍数,如果为奇数,会出现左右屏交替显示的现象。
本设计将offset每次的偏移量设置为2,因为如果设置太大,滚动会有加大的跳跃性,使画面失去流畅性。
voiddelay(void);
voidmain()
{
char*p;
//定义指针
inti;
p=&
word_gu[0][0];
//p指向数组起始点
while
(1)
for(i=0;
i<
16;
i++)//滚动显示程序
P1=i;
P2=*(p+offset+2*i);
//左边屏幕
P0=*(p+offset+2*i+1);
//右边屏幕
delay();
//亮延时
60)
{count++;
if(count==60)//滚动速度,count越小越快闪的次数
{
count=0;
offset+=2;
if(offset>
64)
}
}}}
从i=0到i=15,显示完16行,并且重复60次后,指针偏移量+2,实现整体移位一行。
依此执行,直到执行完数组全部单元,然后offset赋值0,即重头开始执行。
这样就实现了滚动循环显示。
3.7暂停程序的设计
sbitkey=P1^5;
//定义开关引脚
if(key==0)//开关处于断开状态
//每次偏移2个数组单元
465)//循环显示的终点
}//循环初始化
if(key==1)//开关闭合
{offset=offset;
//偏移量不发生变化
}
当开关被按下,key=1,偏移量将保持当时的数值,指针停止偏移,即完成了显示的停止滚动,保留当前画面。
重新将开关断开,key=0,指针偏移量的增量恢复为+2,画面将继续滚动。
3.8KeiluVision软件的运用
KeiluVision是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,使用接近于传统c语言的语法来开发,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,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期,KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。
C51已被完全集成到uVision的集成开发环境中,这个集成开发环境包含:
编译器,汇编器,实时操作系统,项目管理器,调试器。
uVisionIDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
图3-4KeiluVision的操作主界面
图3-5运用KeiluVision编程
本设计采用KeiluVision软件辅助设计是因为该软件有一个优点,该软件能将我们编的程序生成HEX文件,HEX文件也可以直接运用于proteus仿真。
如图3-6为运用KeiluVision软件生成HEX文件的设置。
图3-6KeiluVision编程软件生成HEX文件
第四章调试与分析
4.1硬件调试与分析
4.1.1LED点阵显示屏引脚的确定
LED点阵显示屏的引脚分布图并不是像原理图那样行与列分开分布的,而是交错分布。
在实际运用中,需要先用万用表测出其引脚分布才能正确的连接。
用一个9V的电池,串联一个1K的电阻,然后一个一个引脚的测试。
先给LED点阵各行各列编号。
我将列用字母A到H表示,行用数字1-8表示。
如图4-1所示,将电源正极连接引脚上方第一个引脚,然后用电池的负极去依次接触各个引脚,发现上方第一引脚是点阵第八列的阳极,标注+H,并且通过这个引脚,确定了每一行阴极所在的引脚。
分别标记-1—-8。
然后根据这个方法,测出了所有引脚所连接的行与列,并编号。
如图4-1为测试引脚过程中,手绘的引脚分布示意图。
图4-1LED各引脚极性分布图
4.1.2烧入程序
程序的下载使用的硬件是学习板TX-1CHC,软件是STC_ISP。
打开软件STC_ISP,选择型号为STC89C52的单片机,然后打开整理在Keil软件里编译好的HEX程序。
然后用USB数据线将学习板与电脑连接起来,选择COM口与电脑的相互对应。
接着点击下载。
当提示与单片机上电的时候,打开学习板的开关,在这之前不能打开开关,不然容易造成电脑死机,或者程序下载不进去。
当提示已加密,就表示程序已经下载完成。
如图4-2为TX-1CHC学习板,4-3为STC_ISP软件。
图4-2TX-1CHC学习板
图4-3STC_ISP软件窗口
4.1.3操作失误与总结
由于以前从未接触过焊接,缺乏焊接技术,在焊接的过程中经常出现短焊,虚焊等问题,甚至因为接错时间太长,把L7805C芯片烧坏。
焊接时应使电烙铁的温度高于焊锡的温度,但也不能太高,以烙铁头接触松香刚刚冒烟为好。
焊接时间太短,焊点的温度过低,焊点融化不充分,焊点粗糙容易造成虚焊,反之焊接时间过长,焊锡容易流淌,并且容易使元件过热损坏元件。
焊接点上的焊锡数量不能太少,太少了焊接不牢,机械强度也太差。
而太多容易造成外观一大堆而内部未接通。
焊锡应该刚好将焊接点上的元件引脚全部浸没,轮廓隐约可见为好。
不要用电烙铁在焊接处来回移动或者用力挤压。
正确的方法是用电烙铁的搪锡面去接触焊接点,这样传热面积大,焊接速度快。
4.2软件调试与分析
4.2.1拖尾现象
在滚动显示的过程中,发现在切换行显示数据的时候产生拖尾现象,通过多次调试都无法解决该问题,于是决定在切换行前先关闭列驱动器。
并且延时,以此来消除切换行过程中,在人眼中产生的残影。
从而实现消隐。
设计程序如下:
i++)
//右边
P2=*(p+offset+2*