16X16点阵LED显示大学本科方案设计书.docx

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16X16点阵LED显示大学本科方案设计书

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

毕业设计说明书

课题名称:

16乘16点阵显示电路的电路原理图及pcb绘制

学生姓名徐珊

专业光电子技术

班级光电1101班

时间2013.10-2014.4

指导教师黄焰

姓名

徐珊

系

光电系

专业

光电子技术

班级

光电1101

设计题目

16乘16点阵显示电路的原理图及pcb绘制

指导教师

黄焰

设

计

目

的

利用单片机控制显示屏，显示相应字幕

掌握PROTEL99SE软件的操作和应用

理解和运用芯片

设

计

摘

要

本设计是一16×16点阵LED电子显示屏的设计。

整机以单片机AT89C51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。

通过该芯片控制一个行驱动器74LS168和两个列驱动器74LS164来驱动显示屏显示。

采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。

单片机控制系统程序采用单片机以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），也可从标准字库中提取。

论文着重介绍点阵显示的制作过程，即元器件的制作，单个封装，原理图的绘制以及PCB版布线的过程

设

计

规

划

1.建立库原件里面的没有的原件，并做出封装

2.绘制点阵点阵显示的原理图

3.对原理图里面的原件进行封装

4.创建链接表

5.导入到PCB里面，并排列连接

6.制造PCB版

7.

姓名

徐珊

系

光电系

专业

光电子技术

班级

光电1101

设计题目

16乘16点阵显示电路的原理图及pcb绘制

指导教师

黄焰

设

计

目

的

利用单片机控制显示屏，显示相应字幕

掌握PROTEL99SE软件的操作和应用

理解和运用芯片

设

计

摘

要

本设计是一16×16点阵LED电子显示屏的设计。

整机以单片机AT89C51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。

通过该芯片控制一个行驱动器74LS168和两个列驱动器74LS164来驱动显示屏显示。

采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。

单片机控制系统程序采用单片机以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），也可从标准字库中提取。

论文着重介绍点阵显示的制作过程，即元器件的制作，单个封装，原理图的绘制以及PCB版布线的过程

设

计

规

划

1.建立库原件里面的没有的原件，并做出封装

2.绘制点阵点阵显示的原理图

3对原理图里面的原件进行封装

4创建链接表

5导入到PCB里面，并排列连接

6制造PCB版

16乘16点阵显示电路的原理图及PCB绘制

内容提要

本设计是一16×16点阵LED电子显示屏的设计。

整机以单片机AT89C51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。

通过该芯片控制一个行驱动器74LS168和两个列驱动器74LS164来驱动显示屏显示。

采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。

单片机控制系统程序采用单片机以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），也可从标准字库中提取。

论文着重介绍点阵显示的制作过程，即元器件的制作，单个封装，原理图的绘制以及PCB版布线的过程

关键词：

AT89C51单片机；LED；点阵显示；原理图；PCB板。

目录

摘要……………………………………………………………………I

引言………………………………………………………………………III

第一章 点阵显示屏的概述……………………………………………4

1.1  原理图结构的介绍………………………………………………4

1.2  各模块论证………………………………………………………4

1.3硬件电路设计……………………………………………………5

1.3 所需元器件………………………………………………………5

第二章 Protel99se简介………………………………………………6

2.1 Protel99se的发展与演变………………………………………6

2.2  Protel99se的特点………………………………………………6

第三章电路原理图的设计与绘制………………………………………7

3.1电路原理图设计步骤…………………………………………………7

3.2元器件的封装………………………………………………………8

3.3填写各器件的封装…………………………………………………11

3.4画出原理图…………………………………………………………11

3.5网络表的生成………………………………………………………12

3.6设计过程中的注意事项……………………………………………13

第四章PCB电路板的设计与绘制………………………………………13

4.1印制电路板的布线流程………………………………………………13

4.2电路的焊接和现象……………………………………………………16

结束语………………………………………………………………………17

参考文献…………………………………………………………………17

引言

随着显示器件与技术的进一步发展，屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用，LED显示屏是信息显示的重要传媒之一。

LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的显示屏幕。

伴随着计算机技术的发展，使得LED数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。

而且它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适应能力强等特点，所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色，并且在今后相当长的一段时期内还有相当大的发展空间。

所以被广泛应用于金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传。

近几年来我国LED显示的相关技术也取得了较快和较大的发展，早期时曾因LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。

所以导致早期的LED显示屏在国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点四级调灰，产品的成本比较高。

后来LED显示屏迅速发展，进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。

蓝色LED镜片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏的动态显示效果大大提高。

这个阶段，LED显示屏在我国发展迅速，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。

今天，LED显示屏应用领域更为广阔，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]。

该设计课题使我们能够掌握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51单片机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。

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。

第1章 点阵显示屏的概述

1.1  原理图结构的介绍

课题拟以AT89C51单片机、点阵显示屏等设计一个16×16点阵LED电子显示屏的设计。

系统可以分为电源模块、时钟信号电路、复位电路、驱动模块、单片机控制模块、显示模块等，其系统结构框图如下图2.1

图2.1系统结构框图

1.2各模块方案论证

1.2.1单片机控制模块

采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KBROM存储空间,可多次擦写，而且与MCS-51系列单片机完全兼容。

1.2.2时钟信号电路

直接采用普通晶体时钟源提供脉冲信号，此种方案能够减少芯片的使用，节约成本。

1.2.3复位电路

采用上电复位，电路第一次通电时对系统进行一次复位，而后系统执行。

这个方案简单且符合实际设计，故采用本设计方案[3]。

1.2.4显示模块

6点阵LED显示屏，16×16点阵屏的功能与4块8×8点阵屏构成16×16点阵屏功能相同，但是更为美观小巧美观，且单块16×16点阵屏和4块8×8点阵屏价格相等。

1.2.5驱动模块

采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端（共阴或共阳），LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。

该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。

故采用本设计方案。

列驱动电路由集成电路74LS164构成，它具有一个8位串入并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，达到重叠处理的目的[4]。

采用芯片74LS138，74LS138芯片本身具有4/16线译码功能.

3.1硬件电路设计

本电路是由AT89C51单片机为控制核心，低功耗；时钟源电路有很多种，比如阻容低速时钟源、普通晶体时钟源、带缓冲放大的晶体时钟源等等，考虑到电路稳定及材料选购等方面，决定采用普通晶体时钟源，其中晶体用12MHZ的石英晶振；复位电路结合实际应用功能的实现，采用上电复位；显示部分由16×16点阵LED显示屏显示；行驱动电路采用74LS164，列驱动电路采用74LS138。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128的随机存取数据存储器，器件采用AEMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大,可灵活应用于各种控制领域[5]。

4.1所需元器件

10K电阻17个

470欧姆电阻16个

74LS138芯片2个

74LS164芯片2个

AT89C51单片机1个

二极管16个

12MHz晶振1个

8X8显示模块4个

30uf电容2个22uf电容1个

开关1个

200欧姆电阻一个

第二章Protel99se简介

2.1Protel99se的发展与演变

随着现在科学日新月异地发展，现代电子工业也取得了长足的进步，大规模、超大规模集成电路的使用使印制电路版的走线愈加精密和复杂。

在这种情况下，传统的手工方式设计和制作印制电路版已显得越来越难以适应形势了。

幸运的是电子计算机的飞速发展有效地解决了这个问题，精明的软件厂商针对广大电子界人士的需求及时推出了自己的电子线路软件。

这些软件有一些共同的特征：

它们能够协助用户完成电子产品路线的设计工作，比较完善的电子线路软件至少具有自动布线的功能，更完善的还应有自动布局、逻辑检测、逻辑模拟等功能。

Protel99se就是这类软件中杰出代表。

Protel软件的良好信誉以及Protel99se的卓越表现使之很快成为众多用户的首选软件。

2.2Protel99se的特点

Protel99se主要由两大部分组成：

原理图系统。

它主要用于电路原理图的设计为印制电路板的设计打好基础。

PCB电路板设计系统。

它主要用于PCB电路板的设计，产生最终的PCB文件，直接联系到最后电路板的生产。

   一般而言，PCB电路板设计最基本的完整过程大体可分为5个步骤。

电路原理图的设计与绘制

3.1原理图的设计

原理图的设计主要是利用protel99se的原理图设计绘制一张电路原理图。

设计者应充分利用protel99se所提供的强大而完善的原理图绘图工具、测试工具、模拟仿真工具和各种编辑功能，来实现其目的，最终获得一张正确、精美的电路原理图，以便为接下来的工作做好准备。

在此过程中，找出原理图所需要的元器件，罗列出来，方便与电路板原理的绘制和设计。

3.2自制元器件以及封装

在Protel99se的元件库里找不到光敏电阻，所以需要自己制作光敏电阻的元件和封装，制作封装时需要测量光敏电阻的实际尺寸，以及2个引脚的距离进行绘制，然后添加到元件库里，我们就可以在元件库里直接找出来使用。

3.2.1下面为自制的元器件图片

图一为自制的74LS164芯片

图二为自制的74LS138芯片

图三为自制的显示屏

图一

图二

图三

3.2.2下面为自制的元器件封装的图片

图4为74LS138的封装

图5为74LS164的封装

图6为显示屏的封装

图7为单片机的封装

图4

图5

图6

图7

3.3填写封装

完成原理图后，需要填写每一个元件所对应的的封装，并且要保证每个元件封装的准确性，否则无法成功导入网络表。

对于自己制作的元器件，同时要自己做出封装。

下面是库文件里面没有，自通过真实原件测量后，做出的封装。

3.4画出原理图

按照原理图的模块要求，用线一次把设计好的原理图连接起来，接上电源和地，再进行电气规格检查，知道图形正确无误为止，下面为完成后的电路原理图。

3.5产生网络表

网络表是电路原理图设计（sch）和印制电路板设计（pcb）之间的桥梁和纽带，它是印制电路板设计中布线的基础和灵魂。

网络表是由电路原理图生成，生成网络表后要对二极管和齐纳二极管的管脚标号进行修改。

3.4设计过程中的注意事项

1.注意各元器件的摆放和连线和布局的美观。

2.连电源和地的时候不能只看图片，要点看它的属性，确保摆放正确。

3.本图中要注意连接未标出的单片机的最小系统，如下图：

单片机复位电路

单片机时钟电路

5.在填写元器件的数值和封装的时候要填对到相应的属性栏，避面后面发生错误。

PCB电路板的设计

PCB电路板的布线流程，基本上可以划分为以下几个步骤。

4.1.1绘制原理图及生成网络表

  印制电路板设计工作首先是绘制原理图，然后由原理图生成相应的网络表，而网络表正是印制电路板布线的基础和灵魂。

网络表生成后，直接调用就可以了。

 4.1.2规划电路板

 在绘制电路板之前，必须对所用的电路板进行初步的规划。

比如是采用单面板、双面板还是多层电路板，电路板需要多大的尺寸，采用什么样的连接器，元件采用什么样的封装形式，是双列直插（DIP）还是其他形式，元件的安装位置等等。

不能小看这步工作，它直接影响到后续工作的进行。

如果在这里出现问题，很可能会对后面的工作造成很大的麻烦，甚至使设计工作无法继续进行。

我的电路布线比较简单，所以我采用的是单面板，而且采用单面板做印制电路板时成本比较低。

关于电路板的尺寸我是根据元件的多少绘制的。

4.1.3启动Protel99se印制电路板（pcb）编辑器

 这步工作就是如何进入protel99se印制电路板（pcb）编辑器的编辑环境。

4.1.4设置参数

  启动编辑器后，要对元件的布置参数、板层参数、布线参数等进行相应的设置。

其中有些参数可以直接采用系统缺省值，有些参数必需根据设计要求进行修改，而有些参数可以根据习惯进行设置。

总之，参数的设定是在满足设计要求的前提下尽量符合个人习惯，所以因人而异。

4.1.5导入网络表及元件的封装

 这一步工作是整个设计工作中一个非常重要的环节。

前面已经强调，网络表是自动布线的灵魂，也是原理图编辑软件与印制电路板设计之间的接口和桥梁。

对于每一个装入的元件还必须有相应的外形即所谓的封装形式，这也是布线中所不能缺少的。

因此，只有将网络表和元件的封装装入后，才能开始PCB电路板的布线工作。

4.1.6布置元件

在设定好的电路板的尺寸和外形并装入网络表后，程序会自动装入元件，并自动将元件布置在电路板的边界内。

还要对元件的位置进行手工调整，以便顺利地进行下面的布线工作。

4.1.7布线

 Protel99se的自动布线功能十分强大，只要各种参数设置合理，元件的位置布置得当，自动布线的成功率几乎是100%。

但是，由于算法的限制以及特殊要求和习惯，自动布线往往也有许多不尽人意的地方，还必须靠手工进行调整。

手工布线中有很多至关重要的窍门，真正掌握了手工布线的技巧才算是真正学会了印制电路板的设计。

4.1.8加焊盘

当电路板的布线连好，电源和地线加粗以后，要为电路板的每个节点添加焊盘。

 4.1.9电路板文件的保存

 完成印制电路板的布线工作后，用户应该及时地将文件进行存盘保存。

以上就是Protel99se软件设计PCB印制电路板的设计步骤，按照上边的步骤我们就能圆满的设计出一张PCB电路图来，根据以上电路原理图的设计步骤我设计出的电子蜡烛的电路PCB板如图所示。

4.2电路的焊接和现象

如果要制作出成品，就要进行电路焊接。

在焊接电路时，先对电路板进行检查，看有无裂痕，连接导线是否开路等，在插放元件的时候，最好对每个元件进行检测，查看购买元件是否存在一定的误差。

在焊接是要注意元件引脚的正确摆放，特别是一些有级性的元件，防止插错了有可能对电路造成短路，在焊接元件时也要注意，特别是对一些精密度高的元件应注意电烙铁的温度，最好不要在风扇下面进行操作，以免风扇影响烙铁的温度，同时要注意焊接技术，不要出现尖角，剪出引脚的时候，引脚不要留的太长，避免不必要的干扰，焊点要圆滑光亮。

由于上个学期毕业设计我做的是这个题目，这个电路图以前已经焊接成功，达到了想要的效果，下面是做成成品后显示出的效果,如下图所示：

结束语

以上仅对LED显示屏的结构和驱动、显示电路原理作一详细介绍和分析。

LED点阵的应用很广，对于不同的应用环境和应用要求，可以有各种各样的应用方式，在这里就不做详尽叙述。

由于自己知识水平的局限和时间的仓促，设计中或还存在着一些不足，我真诚的接受老师们的批评和指正.。

经过了几周的努力学习和工作，我终于完成了论文。

从课题选择、方案论证到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，我不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，不懂就请教老师或同学，再接着提出新的问题，在这个往复的过程中，我这篇稚嫩的设计日趋完善。

每一次改进我都收获良多，虽然我的设计作品不是很成熟，而且借鉴了前人的很多资料，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程，更重要的是这个设计中我加入了自己鲜活的思想。

在做这次毕业设计过程中使我学到了很多，加深了对数子电路的理解，验证了所学理论知识，提高了基本的解决实际问题的能力，并增加了对电子设计方面的兴趣。

更重要的是我体会到不论做什么事都要真真正正用心去做，才会使自己更好的成长，没有学习就不可能有实践的能力，实践才是最终的目的，没有实践就不会有自己的突破和创新，希望这次的经历能让我在以后的工作和生活中不断成长与进步。

就此作结！

主要参考文献

[1]李全利编著：

《单片机原理及接口技术》（第2版）．北京：

高等教育出版社，2004

[2]张志良主编：

《单片机原理及控制技术》（第2版）．北京：

机械工业出版社，2005

[3]张毅刚主编：

《单片机原理及应用》．北京：

高等教育出版社，2006

[4]李光飞编著：

《单片机课程设计实例指导》（第2版）．北京：

北京航空航天出版社，2004

[5]李华主编：

《MCS-51单片机实用接口技术》．北京：

北京航空航天出版社，1997

[6]徐仁贵主编：

《微型计算机接口技术及应用》．北京：

机械工业出版社，1998

[7]诸昌钤编著：

《LED显示屏系统原理及工程技术》．成都：

电子科技大学出版社，2000

[8]梅开乡主编：

《数字逻辑电路》（第2版）．北京：

电子工业出版社，2005

[9]杨素行主编：

《模拟电子技术基础简明教程》（第2版）．北京：

高等教育出版社，2004

版权申明

本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。

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