基于单片机的LED滚动显示屏设计.docx

资源描述

基于单片机的LED滚动显示屏设计.docx

《基于单片机的LED滚动显示屏设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的LED滚动显示屏设计.docx（65页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的LED滚动显示屏设计.docx

基于单片机的LED滚动显示屏设计

摘要

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写。

由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮（N）、铟（In）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。

在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

并且不同的元素化合形成的二极管会发出不同颜色的可见光。

LED行业发展迅速并已成为一个具有一定规模的新兴产业，而且从总体上来看，宏观环境也非常有利于LED行业的发展，可以说LED行业前景广阔，市场潜力巨大。

本设计实现了基于单片机AT89C51的16×64LED点阵的图形的滚动显示。

本文主要介绍了LED点阵显示的硬件电路的设计思路以及各个部分的功能及原理和相应程序设计的设计思路和功能。

该设计使用取模软件对所要显示的图形进行取模，采用C语言编写其显示程序，利用KeilC集成开发平台生成HEX文件，在Proteus中对硬件电路的时钟、复位、驱动、16×64点阵进行设计并通过译码器等与AT89C51芯片连接，进而对系统进行仿真调试。

本设计具有使用性强，操作简单易实现等优点。

关键字：

单片机，二极管，LED点阵，图形显示，硬件电路

TheDesignofLEDMobileDisplayedBasedonSingle-ChipMicrocomputer

ABSTRACT

TheLEDislightemittingdiode.Diodeismadeofgallium（Ga）andarsenic（As）,phosphorus（P）andnitrogen（N）,indium（In）elements,whenelectronsandholesintegratecanradiatelight,thusitcanbeusedtomakelightemittingdiode.Inthecircuitandequipmentitactaslight,ordisplaythewordsorfigures.Andifthediodehasdifferentelementsitwillemitsdifferentcolorsofvisiblelight.LEDindustryhasdevelopedrapidlyandhasbecameanewindustrywhichhasacertainscale,andonthewhole,macroenvironmentisbeneficialtotheLEDindustrydevelop,sotheLEDindustryhasprospect,hugemarketpotential.

Thisdesignhasrealizedscrollofgraphicson16x64LEDwhichbasedonAT89C51.ThisarticlemainlyintroducedthehefunctionandprincipleofhardwarecircuitofLEDdotmatrixdisplay,eachpartandthedesignideaandfunctionofcorrespondingprogramming.Thisdesignusingthemodulussoftwaretogetthemodelofgraphics,usingClanguagetowritethedisplayprogram,HEXfilegeneratedbyKeilCintegrateddevelopmentplatform.Theclock,reset,drives,16×64LEDdotmatrixofhardwarecircuitwillbedesignedandconnectwithAT89C51intheProteus,andthendosystemsimulationanddebugging.Thisdesignhastheadvantageofusabilityisstrong,easytorealizeoperationetc.

KEYWORDS:

Singlechipmicrocomputer，Diode，LEDdotmatrix，Graphicdisplay，

Hardwarecircuit

目　录

第1章绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1LED显示屏发展背景以及国内外现状

能源是人类生存与经济发展的物质基础，然而伴随着人类的一次次科技革命，世界经济是出现了持续、高速地发展，但也带来了很多负面的问题，例如能源短缺、生态恶化等问题。

当前世界的能源供给主要以化石资源为主，部分国家是以煤炭或者石油与天然气为主。

根据专家预测，按目前能源的消耗情况来看，石油、天然气资源最多只能在未来半个世纪内为人类提供能源，煤炭能维持的时间也不会超过二百年。

因此许多国家在想法设法提高能源的使用效率，其中开发可再生能源是一个重要举措。

随着全球环境的日恶化、人类节能环保意识的逐步加强，具有节能环保概念的LED行业在全世界大放光彩。

在欧洲，由于人们的节能环保意识比较强，因此使用环保产品的接受度较高，加之欧盟较早提出淘汰白炽灯的相关法律，各国政府在节能灯的应用领域均推出了比例相当高的补贴计划。

因此从全球来看，欧洲市场在节能灯方面的应用普及和推广率比其他地区高的多。

在技术上，由于欧洲相关的市场准入标准和技术门槛相对宽松，所以节能行业尤其是LED照明行业发展迅速，技术水平比同行业其他地区也高的多。

在美洲，由于金融海啸的影响，一向不懂节省的美国人也不得不开始变得节约起来，不得不想方设法节省支出，因此LED照明应用产品也摆上各大市场和超市的货架。

在技术上，美国人在市场准入方面非常严格，除了能源之星标准以外，针对固态光源的UL标准草案也在制定和陆续出台，同时还伴随着其他准入标准也在陆续制定和协商中，虽然LED应用产品被欧美做芯片的公司忽悠的风生水起，大有立刻扑向全世界消费市场的势头，但由于UL等认证费用的高昂和繁琐，LED固态照明市场在北美市场的真正启动也在2012年以后。

在亚洲地区，超高亮度的LED蓝光技术是由日本人于八十年代研究出来的，所以日本社会对LED照明应用抱有全世界最高的热情，所以日本市场对LED应用的支持力度非常大，随着近些年政府强力推出积分换购LED产品的计划，LED产品在日本市场的销售增长率一直遥遥领先于其他国家；而对于韩国和台湾地区由于拥有较为成熟的半导体制造和研发技术，目前全世界70%的中高端LED芯片制造都是在这个区域完成的。

在我国的照明行业里，传统光源产品将被节能灯所替代已是势不可挡。

继全球十多个国家和地区陆续发布白炽灯淘汰计划之后，我国发布了《逐步淘汰白炽灯路线图》。

路线图指出，在2016年前，我国将分多个阶段一步步使白炽灯退出市场，同时以节能灯替代之，这样我国一年便可节电达480亿度。

"十二五"期间，国内还将加大推广绿色照明工程的力度，与此同时节能灯市场容量也将出现空前增长，LED照明行业发展潜力巨大。

1.1.2LED显示屏发展的简要回顾

上世纪六十年代未，第一个发光二极管（LED）问世，到七十年代，随着电子技术与半导体技术的迅速发展，发光二极管的发光颜色、亮度等性能得到很大提高。

八十年代后，对发光二极管性能的研究有了突飞猛进的发展，LED显示屏也在这个时期形成。

大体上，LED显示屏的发展可以分为三个时期：

第一个时期是1990年以前，这是时期LED显示屏开始形成。

在这个时期LED在材料上受到很大的限制，同时控制技术也相对落后，影响了LED显示屏的显示效果，产品成本又较高，直接影响了LED显示屏的推广。

因此在1990年以前LED显示屏的应用领域非常狭窄。

第二个时期是1990-1995年，这一阶段随着相关技术上的突破和信息产业飞速增长，LED行业也得到了迅速发展，全彩色LED显示屏开始进入市场。

这一时期，我国的LED行业也快速发展，由几家企业年产值几千万元发展到几十家企业年产值达数十亿元。

LED显示屏成为了平板显示领域的主流产品。

第三个时期是从1995年至今，LED行业进入一个总体稳步提高但格局仍需完善的发展时期。

自1995年以来，LED行业市场容量扩大，技术更加成熟，许多中小企业如雨后春笋般出现，使产品价格大幅降低，行业内部竞争更加剧烈。

1.1.3LED显示屏的应用领域

LED显示屏是集电子信息技术与半导体技术于一体的显示系统。

它具有体积小、色彩显示范围广、亮度高等优点，因而成为各种显示媒体的理想选择。

近几年LED点阵显示技术发展迅速，其抗干扰能力强等特点使得其在户外广告、公共告示、标语提示等方面得到了广泛的应用，因此研究LED点阵显示屏接口与控制技术具有较高的实际应用价值。

LED显示屏的应用领域非常广泛，主要包括：

城市道路使用的太阳能LED，各类工矿企业、宾馆、商厦、写字楼的高效照明，车站、银行、证券、医院的LED提示用的显示屏，市政广场、演唱会用的播放媒体的全彩显示屏等。

1.2论文的主要内容

在撰写此论文之前，我从学校的图书馆借阅了大量有关单片机、LED显示电路设计和显示程序编写的相关书籍，并在网络搜集、参阅了较多的相关论文。

经过对这些资料的研究与整理，我从中学习到很多新的相关专业知识，加深和丰富了我对单片机的理解。

最后，我写出了这篇基于单片机的LED滚动显示屏设计的论文。

其主要内容是：

（1）LED、单片机的背景与发展前景。

（2）AT89C51芯片的功能与应用以及时钟、复位、驱动、电源电路的设计与组成。

（3）16×64LED点阵以及汉字、图形的显示原理。

（4）汉字、图形显示的取模与程序编写。

（5）仿真电路图的绘制，HEX文件的生成以及调试。

（6）实物的制作。

各个章节安排如下：

第1章绪论主要讲述该设计的背景，意义以及设计思想。

第2章系统的总体方案设计主要是硬件组成部分及与设计电路相关的芯片介绍。

第3章显示程序的编写部分。

第4章系统仿真，显示符合设计要求的显示结果。

第2章系统的硬件部分设计

2.1设计基本方案

本设计主要采用AT89C51单片机及其周边芯片，设计点阵LED与单片机的接口电路。

硬件电路包括：

主控单片机模块、驱动电路模块、LED显示模块、复位电路模块、时钟电路模块。

总体组成框图如图2-1所示。

图2-1总体结构框图

图2-1简略的描述了系统的结构，本系统由电源电路提供电源，先由单片机的P2.0口按位输出所要显示字的代码到列驱动，然后再通过单片机的P3.0至P3.3口送行代码到LED显示模块选中行，这样进行逐行扫描从而实现汉字、图形等的显示。

2.2硬件电路芯片介绍

2.2.1单片机的发展过程

单片机技术发展十分迅速，产品种类已经琳琅满目。

纵观整个单片机技术发展过程，可以分为以下是三个主要阶段：

（1）单片形成阶段

1976年，Intel公司推出了MCS-48系列单片机。

基本型产品在片内集成有，8位CPU、1KB程序存储器（ROM）、64B数据存储器（RAM）、1个8位定时器/计数器、2个中断源。

此阶段的主要特点是：

在单个芯片内完成了CPU、存储器、I/O接口等部件的集成，但存储器容量较小，存执范围小（不大于4KB），无串行接口，指令系统功能不强。

（2）结构成熟阶段

1980年，Intel公司推出MCS-51系列单片机。

基本型产品在片内集成有，8位CPU,4KB程序存储器（ROM），128B数据存储器（RAM），2个16位定时器/计数器，5个中断源、2个优先级，1个全双工串行口。

此阶段的主要特点是：

存储器容量增加，寻址范围扩大（64KB），结构体系成熟。

现在MCS-51已成为公认的单片机经典机种。

（3）性能提高阶段

近年来，各半导体厂商不断推出新型单片机芯片，典型的产品如ATMEL的AT89C51RD2单片机，在片内集成有，8位CPU,64KB程序存储器（Flash）、具有ISP能力，256B的RAM+1KB的XRAM+2KB的EEPROM，3个16位定时器/计数器，7个中断源，4个优先级，1个全双工串行口，硬件WatchdogTimer等。

此阶段的主要特点是：

控制性能优异、种类繁多。

现在单片机芯片市场已经呈现出百花齐放、欣欣向荣的局面。

2.2.2AT89C51芯片的简要介绍

AT89C51是一种带4kB闪速可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL公司高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写/擦循环，数据保留时间为10年。

他是一种高效微型控制器，它灵活性高，价格低廉，常用于嵌入式控制系统。

因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。

其引脚分配见图2-2所示。

图2-2AT89C51引脚分配图

AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

AT89C51将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

AT89C51拥有40个引脚，它的主要性能参数：

（1）8位微处理器（CPU）；

（2）程序存储器（4KBFlashROM）；

（3）数据存储器（128KBRAM）；

（4）1个全双工的异步串行通信口；

（5）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口和P3口）；

（6）2个可编程的16位定时/计数器；

（7）5个中断源，2个优先级；

（8）有低功耗空闲和掉电模式；

（9）1000次擦写周期；

（10）与MCS-51产品指令系统完全兼容。

AT89C51的管脚说明：

1．电源引脚

电源引脚接入单片机的工作电源。

（1）VCC（40脚）：

接+5V电源。

（2）VSS（20脚）：

接数字地。

2．时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。

当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟振荡器的信号。

（2）XTAL2（18脚）：

片内振荡器反相放大器的输出端。

当使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶体和微调电容；当采用外部时钟时，该引脚悬空。

3.控制引脚

此类引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。

（1）RST（TESET,9脚）：

复位信号输入端，高电平有效。

在此引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，就可以是单片机复位。

在大年纪正常工作时，此引脚应为<0.5V低电平。

（2）EA/VPP（31脚）：

EA为该引脚的第一功能，即外部程序存储器访问允许控制端。

VPP为该引脚第二功能，即在对片内Flash进行编程时，VPP引脚接入编程电压。

（3）ALE/PROG（30脚）：

ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供一个地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。

PROG为该引脚的第二功能，即在对片内Flash存储器编程时，此引脚作为编程脉冲的输入端。

（4）PSEN（29脚）：

片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。

4.并行I/O口引脚

P0口：

（1）P0口为双功能口——地址/数据复用口和通用I/O口。

（2）当P0口用作地址/数据复用口时，是一个真正的双向口，用作与外部存储器的，输出低8位地址和输出/输入8位数据。

（3）当PO口用作通用I/O口时，由于需要在片外接上拉电阻，端口不存在高阻抗（悬浮）状态，因此是一个准双向口。

为保证引脚信号的正确读入，应首先向锁存器写1。

单片机复位后，锁存器自动被置1；当P0口由原来的输出状态转变为输入状态时，应首先置锁存器为1，方可执行行输入操作。

（4）一般情况下，P0口大多作为地址/数据复用口使用，这时就不能再作为通用I/O口使用。

P1口：

（1）P1口是一个8位双向I/O口。

P2口：

（1）作为地址输出线使用时，P2口可以输出外部存储器的高8位地址，与P0口输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址64KB的地址空间。

当P2口作为高8位地址输出口时，输出锁存器的内容保持不变。

（2）作为通用I/O口使用时，P2口为一个准双向口。

功能能与P1口。

（3）一般情况下，P2口大多作为高8位地址总线口使用，这时就不能再作为通用I/O口使用。

P3口：

（1）P3口内部没有上拉电阻，不存在搞阻抗输入状态，为准双向口。

（2）当某位不作为第二功能使用时，可作为第一功能通用I/O口使用。

2.2.3时钟电路

AT89C51单片机时钟信号为各个部件单位的运行提供时间基准，即各个部件均在时钟信号的基础上有条不紊的工作，因此，单片机的工作速度直接受到时钟信号频率快慢的影响，时钟信号的稳定性也直接决定着单片机系统能否正常工作。

内部时钟方式和外部时钟方式是单片机时钟电路常用的两种方式。

本设计采用的是内部时钟方式。

图2-3是AT89C51内部时钟方式的电路。

图中的电容C1和C2值的通常均选择为30pF。

晶震频率的范围通常在1.2-12MHz内。

本设计选用的晶体振荡频率为12MHz。

晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的工作运行速度越快。

但反过来，运行速度越快对存储器的速度要求就越高，对印刷电路板的工艺要求也越高，即要求线间的寄生电容越小。

晶体和电容应尽可能的安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠的工作。

随着集成电路制造工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在部分类型的单片机芯片的时钟频率最高可达33MHz。

图2-3时钟电路图

2.2.4复位电路

图2-4复位电路图

复位是单片机的初始化操作，只需要给AT89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使单片机复位。

复位电路的基本功能是：

从系统上电直至系统电源稳定前为系统提供复位信号，待系统电源稳定后再将复位信号撤除。

但为防止电源开关抖动，电源稳定后也要经一段时间后才能撤销复位信号。

复位电路有上电自动复位和按钮复位两种方式，按键复位又分为电平复位和脉冲复位两种。

本设计采用按键电平复位方式，按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现，具体电路如图2-4所示，图中电容为10uF，电阻为10K。

2.2.5驱动电路

1.行驱动电路

行驱动电路由74HC154译码器来充当。

所谓译码，就是将每一组代码的含意翻译出来的过程，也就是编码的逆过程。

该设计中采用74HC154译码器，其作用即是将一组4位代码转换为想要的确定的16位代码。

译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，芯片74HC154为4线16线译码器，74HC154译码器的引脚（管脚）如图2-5所示。

图2-574HC154引脚图

其引脚功能如表2-1所示。

74HC154译码器工作原理：

当两个选通端（E1和E2）均为低电平时，可将地址端（A、B、C、D，A为最低位，D为最高位）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平的方式译出。

假设地址端的值为0000（分别对应D、C、B、A），那么则说明其O号端口输出是有效的，则其输出值为0111111111111111（低电平有效）。

假设地址端的值为0001，那么则说明其1号端口输出是有效的，则其输出值为1011111111111111。

假设地址端的值为0010，那么则说明其3号端口输出是有效的，则其输出值为1101111111111111,以此类推。

表2-174HC154引脚功能表

引脚号

符号

功能

输出

Y10

输出

GND

接地端

Y11

输出

Y12

输出

Y13

输出

Y14

输出

Y15

输出

使能端

地址输入端

VCC

电源

表2-274HC154译码器真值表

输入

输出端口

选通端口

地址端口

74HC154译码器引脚功能如表2-2所示。

以上已经介绍该毕业设计使用74HC154作为译码器，且其输出端口以“0”（低电平）有效。

在下面介绍汉字显示原理时我们会发现LED点阵的行以“1”（高电平）为有效，即其有效电平方式与我们所使用的74HC154译出的有效电平方式刚好相反，所以在将74HC154译出的代码发送给LED端口前，我们要加一个反相器。

因为该设计需要做实物，即要考虑驱动能力，所以我们选择74HC04作为反相器，反相的同时，增加其驱动能力。

74HC04的输出电流是20mA，选用的点阵的LED点阵的点亮电流也为20mA,所以74HC04足够驱动LED显示屏。

74HC04的引脚图如图2-6所示。

图2-674HC04的引脚图

其引脚功能表，如表2-3所示。

其功能表如表2-4。

将74HC154译码器和74HC04反相器组合起来，就可以满足该设计的列驱动的要求。

其应用电路图如图2-7所示。

表2-374HC04引脚功能表

引脚

符号

功能

数据输入

数据输出

数据输入

数据输出

数据输入

数据输出

GND

接地端

数据输出

数据输入

数据输出

数据输入

数据输出

数据输入

VCC

电源

表2-474HC04功能表

输入

输出

输出控制

数据

————OE1

————

展开阅读全文