基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计.docx

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基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计

本科毕业设计

论文题目：

基于单片机的 LED 电子显示屏控制系统设计

姓名：

XXX

学号：

XXX

系（部）：

XXX

专业：

XXX

班级：

XXX

指导教师：

XXX

完成时间：

2013 年 4 月

邢台学院 2013 届本科生毕业设计

摘要

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，

从此得到了广泛的应用，同时取得了飞速发展。

随着科技的飞速迅猛发展，也带动传统

控制及 LED 显示技术日新月异的更新。

大型 LED 点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合

成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码

头、车站、街道、高速公路等诸多公共场所的信息显示和广告宣传。

本文提出了一种实

现单片机控制 LED 点阵显示屏的简单方案，初步介绍了单片机的基本结构以及 LED 的发

光原理和特点，着重阐述了单片机的程序设计方法与 LED 点阵显示系统的工作原理，主

要运用 C 语言编写源程序，并利用 Proteus 软件进行仿真，设计出了一个基于 80C51 单

片机的 8×8 LED 点阵的显示屏，能够实现“XINGTAI UNIVERSITY”字样的滚动显示。

关键字：

单片机；LED；显示系统

邢台学院 2013 届本科生毕业设计

Abstract

Microcontroller since its introduction in the 1970s, to the extremely high performance and

low cost to people's attention and concern, from a wide range of applications, and at the same

time have made rapid development. With the rapid development of rapid technological, but also

led to the traditional control and LED display and technology update. Large LED dot matrix

billboards and traditional advertising is closely integrated into the new media propaganda tool,

widely used in the exhibition center, financial markets, hospitals, stadiums, airports, docks,

stations, streets, highways, and many other public places display and advertising. This paper

presents a simple LED dot matrix display program to achieve a single-chip control, the initial

introduction of the basic structure of the microcontroller and LED light-emitting principle and

characteristics, focusing on the works of MCU programming method with LED dot matrix

display system primarily use the C language source code, and Proteus software simulation,

design a 8 × 8 LED dot matrix display based on the 80C51 microcontroller can achieve the

words " XINGTAI UNIVERSITY " rolling display.

Keywords:

 SCM; LED; Display System

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前言………………………………………………………………………1

1单片机简要介绍………………………………………………………1

1.1 单片机的涵义及特点……………………………………………………1

1.2 单片机的发展过程 ……………………………………………………1

1.3 80C51 系列单片机的基本结构…………………………………………2

1.4 80C51 系列单片机的程序设计…………………………………………3

2LED 简要介绍……………………………………………………………5

2.1 LED 的发光原理…………………………………………………………5

2.2 LED 的特点………………………………………………………………5

2.3 LED 点阵原理………………………………………………………………6

3 Proteus 使用方法介绍…………………………………………………7

3.1 Proteus 的功能介绍………………………………………………………7

3.2 Proteus 的特点…………………………………………………………7

3.3 Proteus 原理图绘制……………………………………………………7

3.4 Proteus VSM 仿真与分析………………………………………………7

4LED 显示系统的设计方案………………………………………………8

4.1 设计目标………………………………………………………………8

4.2 整体电路………………………………………………………………8

4.3 硬件部分………………………………………………………………8

4.4 软件部分………………………………………………………………12

4.5 仿真效果………………………………………………………………15

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4.6 印刷电路板（PCB）……………………………………………………18

结论………………………………………………………………………18

致谢………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………20

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前言

LED 全称为“Light emitting diode”，是一种信息发布的重要载体。

因其具有亮度

高、功耗小、易于集成、驱动简单等很多显著优点，被广泛应用于医院、金融系统、运

输部门等社会各个领域。

LED 显示屏发展较快，其无论在成本和生产的社会效益等方面都

有其独特的优势。

本文初步介绍了有关单片机的基本结构和指令系统以及 LED 的发光原理和特点，重

点阐述了单片机的程序设计方法与 LED 点阵原理，设计了一个由 80C51 单片机控制的

8×8 LED 点阵显示，可滚动显示“XINGTAI UNIVERSITY”字样，并利用 Proteus 软件进

行仿真。

1 单片机简要介绍

1.1 单片机的涵义及特点

在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O 接口电路，从而构成了单芯片微

型计算机，即单片机。

单片机体积小、控制功能强，其非凡的嵌入式应用形态对于满足

嵌入式应用需求具有独特的优势。

目前，单片机应用技术已成为电子应用系统设计中最

为常用的技术手段。

单片机的特点:

（1）集成度高，体积小，可靠性高

单片机的功能集成在一个晶片上，高集成度，最小尺寸。

该芯片本身是由工业测量

和控制环境，内部布线很短，其抗噪声性能优于一般的 CPU。

单片机程序指令，常数和表

ROM 固化不易破坏，在一个单芯片多信号通道，高可靠性。

（2）控制功能

为了满足对象的控制要求，单片机的指令系统，他们是极其丰富：

分支转移能力，I

/ O 端口的逻辑运算和位处理能力，适合特殊控制功能。

（3）低电压，低功耗，便携式产品容易生产

为了满足广泛应用于便携式系统，单片机的工作电压为 1.8V 至 3.6V 只，操作只有

几百微安电流。

（4）易于扩展

该表拥有计算机的正常运行的必要组成部分。

扩展总线和并行芯片，易形成规模的

串行输入/输出引脚的计算机系统中的应用[3]。

1.2 单片机的发展过程

单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。

我们纵观整个单片机技术发展过程，

1

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可简述为：

1971 英特尔公司开发的世界上第一个 4 位微处理器；英特尔霍夫成功研制出世界上

第一个 4 位微处理器芯片的英特尔 4004，标志着第一代微处理器和微机时代开始。

由于

微处理器的发明，有英国《经济学家》杂志的一个“最有影响力的第二次世界大战以来

的七个科学家”。

1971 年 11 月，英特尔推出了监控-4 微机系统（包括 4001 的 ROM 芯片，4002 的内存

芯片，4003 个移位寄存器芯片和单片机 4004）4004 含有 2300 个晶体管，尺寸 3×4mm 的

计算性能远超过一年的，最初售价为 200 美元。

1972 年 4 月，Hough 等人开发的第一个 8 位微处理器英特尔 8008。

由于 8008 是一个

P 沟道 MOS 微处理器，因此仍属于第一代微处理器。

1973 英特尔公司开发的一个 8 位微处理器 8080；1973 年 8 月，Hough 等人，开发了

一个 8 位微处理器英特尔 8080，取代 P 沟道 MOS 电路，第二代微处理器就此诞生了。

8080 芯片的时钟速度比 8008 在 2MHz 运行速度的 10 倍，使用 64KB 内存，使用 6000

个晶体管的基础上，6 微米技术，处理速度 0.64mips（百万条指令每秒）。

1975 年 4 月，MITS Altair 8800 发布了第一个通用，售价为 375 美元，与 1KB 的记

忆。

这是世界上第一个微型计算机。

1976 年 Intel 公司研制出了 MCS-48 系列 8 位的单片机，这也是单片机的问世。

Zilog 公司于 1976 年开发的 Z80 微处理器，广泛应用于微型计算机和工业自动控制

设备。

当时，Zilog、Motorola 和 Intel 三家公司在微处理器的领域三足鼎立。

20 世纪 80 年代初，英特尔公司在 MCS-48 系列单片机的基础上，推出了 MCS-51 系列

8 位高档单片机。

MCS-51 系列的单片机无论是片内的 RAM 容量，I/O 口功能，系统扩展的

方面都有了大的提高[4]。

1.3 80C51 系列单片机的基本结构

80C51 基本型单片机的组成如图 1-1 所示。

图中，与并行口 P3 复用的引脚有：

串行

口输入和输出引脚 RXD 和 TXD；外部中断输入引脚I NT0 和I NT1；外部计数输入引脚 T0 和

T1；外部数据存储器写和读控制信号 WR和 RD。

由图 1-1 可见，80C51 单片机基本型包含：

（1）CPU 系统：

8 位 CPU，含布尔处理器；

时钟电路；

总线控制。

（2）存储器系统：

4K 字节程序存储器（ROM/EPROM/Flash,可再外扩 64K）；

128 字节数据存储器（RAM,可再外扩 64K）；

特殊功能寄存器 SFR。

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图 1-1  80C51 基本型单片机的组成

（3）I/O 口和其他功能单元：

4 个并行 I/O 口；

2 个 16 位定时/计数器；

1 个全双工异步串行口（UART）；

中断系统（5 个中断源、2 个优先级）[1]。

1.4 80C51 系列单片机的程序设计

单片机应用系统的程序设计，不仅可以采用汇编语言完成，也可以采用 C 语言实现。

汇编语言对单片机内部资源操作直接、简洁，代码紧凑。

但是当系统的规模较大时，设

计人员更倾向于采用 C 语言进行程序设计。

这是因为 C 语言具有良好的可读性、可移植

性和基本的硬件操作能力。

现在有多种可以对 80C51 单片机进行操作的 C 语言，它们通常统称为 C51。

采用 C51

进行单片机应用程序设计，编译器能自动完成变量存储单元的分配，编程者可以专注于

应用系统的逻辑思想；对常用功能模块和算法编制相应的函数，也可以方便地进行算法

和应用程序的移植。

C51 程序由一个或多个函数构成，其中至少应包含一个主函数 main。

程序从主函数开

始执行，调用其他函数后又返回主函数，被调用函数如果位于主调函数前面，可以直接

调用，否则应该先说明后调用。

被调用的函数可以是用户自编的函数，或者是 C51 编译

器提供的库函数。

典型示例如下：

#include

#include

void delayms（unsigned）;

void main（void）

3

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{

unsigned char i;

P1=0x01;

do

{for（i=0;i<=7;i++）

{

delayms（5000）;

P1=P1<<1;

if（P1==0x0） {P1=0x01;}

}

}while

（1）;

}

{

unsigned char j;

while （x--）

{

for（j=0;j<123;j++） {;}

}

}

C51 的程序结构可分为顺序结构、选择结构和循环结构。

因为顺序结构比较简单，这

里只对选择结构和循环结构进行简单介绍。

（1）选择结构

在 C51 中，选择语句有条件语句和开关语句两种,这里只介绍条件语句。

条件语句，

由关键词字 if 构成。

有 3 种条件语句，这里只讲述其中一种：

if （条件表达式） 语句

若条件表达式的结果为真（非 0 值），则执行后面的语句；反之若条件表达式的结果

为假（0 值），则不执行后面的语句。

（2）循环结构

在 C51 程序中，实现循环的方法有 4 种，这里主要讲述其中两种：

1）do-while 语句

一般形式为：

do 语句 while （条件表达式）;

该结构的特点是先执行给定的循环语句，然后在检查条件表达式的结果。

当条件表

达式的值为真（非 0 值），则重复执行循环体语句，直到条件表达式的值变为假（0 值）

时为止。

对于此种结构，在任何条件下，循环体语句至少会被执行一次。

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2）for 语句

一般形式为：

for（[初值表达式];[条件表达式];[更新表达式]） 语句

该语句执行时，先计算初值表达式，作为循环控制变量的初值，再检查条件表达式

的结果，当满足条件时就执行循环语句并计算更新表达式，然后再根据更新表达式的计

算结果来判断循环条件是否满足，一直进行到循环条件表达式的结果为假（0 值）时退出

循环体[1，5-10]。

2 LED 简要介绍

2.1 LED 的发光原理

LED（Light Emitting Diode），也叫 发光二级管，是一种固态的半导体器件，它

能够 直接把电能转化为光能。

 LED 的核心部分由 P 型半导体和 N 型半导体 而组成的

晶片。

在 P 型半导体， 空穴 的数量比自由电子的数量大得多，多数载流子 为空穴 ，

少数载流子是自由电子 ；在 N 型半导体，自由电子的数量比孔学的数量大的多，载体

中大多数为自由电子，少数载流子为空穴 。

半导体的它们之间的连接将是一个 “P-N

结”。

当它两端加上正向电压时，电子就会被推向P 区，在 P 区的电子空穴复合，然

后就会以光子的形式发出能量，半导体晶体会发出不同颜色的光，光电流的强度与

电流息息相关 ，这是 LED 发光原理。

光的波长（颜色），是由物质形成 P-N 结的 材料

来确定 的[11]。

2.2 LED 的特点

LED 的内在诸多特征决定了其具有的很多优点，例如：

（1）体积较小：

LED 大体上是一块被封装在环氧树脂里面的非常小的晶片，所以它

特别小，而且重量非常 轻。

（2）耗电量较低：

LED 的耗电很低，直流驱动，超低功耗，它转换的电光功率大约

为 30%。

通常 LED 的工作电压为 2～3.6V，工作电流为 0.02～0.03A，也就是说，同等的

照明效果比传统的光源节能约 80%，它所消耗掉的电能不能超过 0.1W。

（3）寿命长：

许多人称 LED 灯光源是长寿灯。

LED 是固体冷光源，不存在灯丝，环

氧树脂，灯体内没有松动的部分，一般不燃烧，热沉积，光线渐暗等缺陷，在适当的电

压和电流下，寿命可达 60000-100000 小时，比传统光源的寿命大 10 倍之上。

（4）高亮度，低热量：

使用 LED 冷光源技术，比普通灯泡具有更少的热量。

（5）环保：

LED 是由无毒材料制成的，不像荧光灯含有水银会造成污染，并可以循

环利用。

在它的光普中没有红外和紫外光谱，这意味着不产生热量，也不会产生辐射，

冷光源，可以安全的触摸，是典型的绿色照明的光源。

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（6）耐用坚固：

作为 LED 完全封装在环氧树脂内，所以比灯泡和荧光灯管应是坚固

的。

因为灯体内也没有松动的部分，所以 LED 不容易损坏。

（7）多变化：

LED 光源可利用红，绿，蓝颜色三基色理论，在计算机技术的控制，

使三种颜色具有 256 级灰度和混合用任何方法可以产生 256×256×256 = 16777216 种颜

色，形成不同的光的颜色组合有很多，可以实现各种图像显示以及各种影响的动态变化。

（8）最先进的技术：

与传统光源单调的辉光相比，LED 照明光源是电压较低的微电

子产品，融合了计算机技术，图像处理技术，网络通信技术，嵌入式控制技术等，它也

是数字信息产品的在线编程的、灵活的、无限的可扩展性的特点[12]。

2.3 LED 点阵原理

8×8 点阵 LED 外观及引脚如图 2-1 所示：

图 2-1  8×8 点阵 LED 外观及引脚图

从图 2-2 中可以看出，8×8 点阵总共由 64 个发光二极管组成，而且它的每个发光二

极管置于行线和列线的交叉点上，，对应于所设置的水平线，一列设置为 0 电平，则相应

的二极管就会发光光；要显示图形或字体时，只要考虑它的显示方式。

可编程控制各显

示点对应的 LED 的阳极和阴极端的电平，可以有效地控制显示灯。

因此，要实现一根柱

形的亮法，对应的一列为一根竖柱，或对应的一行为一根横柱，因此实现柱的亮的方法

如下所述：

一根竖柱：

对应的列置 0，而行则采用扫描的方法来实现。

一根横柱：

对应的行置 1，而列则采用扫描的方法来实现。

在此，以 8×8 LED 点阵对 LED 点阵显示模块进行扫描的方法进行一下详细的介绍：

（1）水平方向扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：

此时用一个 P 口输出

列码，决定哪一列能亮（相当于位码），再用另一个 P 口输出行码（列数据），决定该列

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上哪个 LED 亮（相当于段码）。

能亮的列从左到右扫描完 8 列（相当于位码循环移动 8 次）

即能显示出一个完整的图像。

（2）竖直方向扫描，即逐行扫描的方式（简称行扫描方式）：

此时用一个 P 口输出行

图 2-2  8×8 点阵 LED 等效电路

码，决定哪一行能亮（相当于位码），再另一个 P 口输出列码（行数据，行数据为将

列数据的点阵旋转 90 度的数据），决定该行上哪些 LED 灯亮（相当于段码）。

能亮的行从

上向下扫描完 8 行（相当于位码循环移动 8 次）即能显示一个完整的图像[11-13]。

3 Proteus 使用方法介绍

Proteus 嵌入式系统开发平台开发 是由 Labcenterelectronics 公司 进行的 ，

它包括 ISIS/ARES 等的软件模块， ARES 模块主要用于完成 PCB（印刷电路板 ）的设

计， ISIS 模块用来完成电路原理图的布局和仿真。

基于VSM 技术 Proteus 软件仿真，

它与其他软件最大的不同也是最大的优势是，它可以模拟大量的单芯片，如MCS-51

系列， PIC 系列等，以及单片机外围电路，如键盘， LED，LCD 等。

它可以是各种处

理器的实时仿真，调试和 EDA 工具测试 ，真的可以在没有目标样机时调试系统、 测

试和验证，具有较强的科学和技术代表 性。

本设计采用的是 Proteus 7.4 版本。

3.1 Proteus 的功能介绍

Proteus 具有 智能原理布图、混合电路仿真与精确分析、单片机软件调试、单片

机与外围电路的协同仿真、 PCB 自动布局与布线 等全部 的功能 。

3.2 Proteus 的特点

（1）实现了单片机仿真 与 SPICE 电路仿真相结合

（2）支持主流单片机系统的仿真

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（3）提供软件调试 的功能

（4）具有强大的原理图绘制功能

（5）PCB 设计以及自动布线 [14-16]

3.3 Proteus 原理图绘制

电路原理图的设计方法和步骤：

创建一个新的设计文件 →设置工作环境 →提取

元器件 →在原理图中放置元器件 →编辑元器件 →绘制原理图 →建立网络表 →对原理

图进行电气规则检测 →存盘及输出报表。

3.4 Proteus VSM 仿真与分析

原理图输入 →建立源代码文件（选择代码生成工具，建立新的源代码文件，源文

件命名） →源代码文件与单片机连接（源代码编辑，源代码汇编编译，程序加载到

CPU）→交互式仿真 （可实时显示系统输出结果，元器件引脚电平 ）。

4LED 显示系统的设计方案

4.1 设计目标

设计一个基于 80C51 单片机的 8×8 LED 点阵显示屏，实现“XINGTAI UNIVERSITY”

字样的滚动显示。

4.2 整体电路

对于整体电路，因为 80C51 单片机 P0 口设计成了开漏极的结构,所以需要在 P0 口加

上拉电阻。

4.3 硬件部分

4.3.1 80C51 单片机引脚功能

80C51 系列中，用 CHMOS 工艺制造的单片机都采用双列直插式 DIP40 脚封装引脚信号

完全相同，其引脚图如图 4-2 所示。

各引脚功能简述如下：

（1）电源及时钟引脚（4 个）

·VCC，电源引脚；

·VSS，接地引脚。

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·XTAL1，内部振荡电路反相放大器输入端，是外接晶振的一个引脚。

当采用外部振

荡器时，此引脚接地。

图 4-1 整体电路

图 4-2 80C51 单片机引脚图

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·XTAL2，内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另一个引脚。

当采用外部

振荡器时，此引脚接外部振荡源。

（2）控制线引脚（4 个）

· EA/VPP，内外程序存储器选择引脚/片内 EPROM（或 FlashROM）编程电压输入引脚。