基于单片机的LED点阵显示电子钟毕业设计论文.docx
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基于单片机的LED点阵显示电子钟毕业设计论文
毕业设计说明书
基于单片机的LED点阵显示
电子钟设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
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日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
基于单片机的LED点阵显示电子钟的设计
摘要：
毕业设计是基于AT89C51单片机的LED点阵电子显示器的设计，采用的并行方式的显示方案来实现。
该电子时钟由AT89C51，74LS373数码管等构成，采用晶振电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时分秒的计时。
用keil软件生成.hex文件，用Proteus的ISIS软件实现了单片机LED点阵电子时钟系统的设计与仿真。
单片机具有体积小，成本低，抗干扰能力强，面向控制，可以实现分机各分布式控制等优点。
电子显示器就是利用单片机的上述优点，采用目前市场上性能价格比较高的AT89C51单片机设计而成的最小系统。
它在实际生活中具有广泛的应用。
电子钟由显示电路，行驱动电路，列驱动电路，中央控制器，按键电路和复位电路组成。
在毕设中，LED点阵作为电子时钟的显示屏，最大的优点在于其显示内容的多样性，为用户提供了灵活的人机交互界面。
同时由于在这里采用带晶振的单片机，使得电子时钟不仅走准确，而且可以利用单片机的高度灵活性，为电子时钟扩充许多显来诸如定时自动报警、按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启动等。
关键词：
单片机；LED点阵；电子显示器
DesignonMicrocontroller-basedLEDdotmatrix
displayelectronicclock
Abstract:
GraduationdesignisbasedonAT89C51microcontrollerLEDdotmatrixdesignofelectronicdisplays,Weusetheparalleldisplayofprogramstoachieve.TheelectronicclockbytheAT89C51,74LS373digitalcontrolconstitutes,Asadrivercircuitusingcrystaloscillatorcircuit,ProgramandCyclicProgrambythedelayofonesecondtimergenerates,Reachedwheneveryminutetimer.Usingkeilsoftwaregenerates.Hexfile,WiththeProteusISISsoftwareofthemicrocontrollerLEDdotmatrixelectronicclocksystemdesignandsimulation.Microcontrollerwithasmall,lowcost,anti-interferenceability,control-oriented,canachieveanextensionofthedistributedcontrol,etc.TheelectronicdisplayistheuseoftheaboveadvantagesSCM,UsingahighcostperformanceonthemarkettodaydesignedbyAT89C51microcontrollerminimumsystem.Inreallife,ithasawiderangeofapplications.Electronicclockbythedisplaycircuit,thelinedrivercircuit,thecolumndrivercircuit,thecentralcontroller,keycircuitandresetcircuit.
Inthecompletesetin,LEDdotmatrixdisplayasanelectronicclock,thebiggest
advantageliesinitsdiversityofcontentdisplaytoprovideuserswithaflexibleandinteractiveinterface.Asusedherewiththesamesingle-chipcrystaloscillator,makingaccurateelectronicclocknotonlywalk,butalsocantakeadvantageofsingle-chiphighdegreeofflexibilityfortheelectronicclocktoexpandsignificantlyasmanyregularautomaticalarm,automaticbellschedule,regularbroadcasts,automaticlightsfromclosed,oventimerswitch,on-offpowerequipment,andevenavarietyoftimingElectricstartautomatically,etc.
Keywords:
SCM；LEDdotmatrix；Electronicdisplays
基于单片机的LED点阵显示电子钟的设计
1概述
1.1课题研究背景与意义
自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济的高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈。
而LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志,LED显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；LED显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟。
现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上了丰富多彩的LED电子产品，为城市增添了一道靓丽的风景。
而且它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。
近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等需要进行多种公告、宣传的场合。
随着LED显示器在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。
由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。
此次毕业设计就是基于以上社会背景设计出一种简单的基于单片机的LED点阵电子显示钟。
1.2课题设计内容
基于单片机，设计一个LED电子显示器系统。
可以通过按键对时间进行调整和复位，并可以通过8*8的LED显示器显示出来，当按下按键1时分数增加1；当按下按键2时，时数增加1。
并且要将误差控制在1秒之内。
设计好电路图后用AltiumDesigner画出原理图，用Proteus软件完成电路的仿真图，并运行仿真结果，对系统进行调试。
2方案的选择与论证
2.1设计任务与要求
a）采用LED点阵显示；
b）可根据按键调整时间；
c）误差小于1S。
2.2总体设计方案
2.2.1硬件部分的设计
根据毕业设计任务书的要求，经过思考和筛选，选择并行方式显示，I/O口通过锁存芯片来扩展，以此来控制LED点阵40个列线，双缓冲寄存器由5片锁存器74LS373来组成，可以驱动LED点阵8组列线，并用3/8译码器74LS138对LED点阵的8行进行扫描。
在送每一行的数据到LED点阵时，先把数据分别送到5个74LS373，然后再把数据一起输出到LED点阵列中，送出去的时间数据由AT89C51来控制。
电子钟由显示电路、行驱动电路、列驱动电路、中央控制器AT89C51、按键电路和复位电路组成。
系统框图如图2-1所示：
电源电路
列驱动电路
AT89C51
控制器
显
示
电
路
按键电路
复位电路
行
驱
动
电
路
图2-1系统框图
a）显示模块的选择
显示模块采用8*8的点阵LED数码管，它具有低功耗、小体积、高性能、低价格等特点。
这种模块由64个发光LED芯片以8*8的形式构成一个正方形模块，然后用两列12针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。
这种结构是市面上最通用，也是现在应用最为广泛采用的形式。
b）时钟信号的选择
秒信号由单片机提供，使用程序由时、分、秒计数。
采用这种方案的优点在于，它可以有效减少电路的复杂程度，减少多余芯片的使用，节约成本。
并可以减少时间误差，以达到设计要求。
c）总体设计方案
根据以上方案所述本次毕业设计采取的总体方案如下：
用锁存芯片来扩展I/O口，控制LED点阵40个列线；5片锁存器74LS373组成双缓冲寄存器，驱动LED点阵8组列线；采用8*8的点阵LED数码管组成显示模块，显示出运行调试结果；主控系统由AT89C51组成，通过它的串行输出动态扫描来实现时和分的显示。
2.2.2软件部分的设计
在这次毕业设计中，主要用到三款计算机软件来进行毕业设计的制作，分别是AltiumDesigner、PROTEUS软件和Keil软件。
AltiumDesigner软件主要用来进行元器件的绘制和原理图的绘制，PROTEUS软件对绘制好的原理图进行仿真和调试，Keil软件对写入单片机的代码进行编译和调试。
2.3元件选择
2.3.1AT89C51
AT89C51俗称单片机，是一种带4K字节的FLASH存储器，它具有低电压、高性能的特点。
片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Intel公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用4位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
AT89C51引脚图如图2-2所示：
图2-2AT89C51引脚图
它的主要特性有以下几点：
a）与MCS-51兼容；
b）4K字节可编程FLASH存储器；
c）寿命：
1000写/擦循环；
d）数据保留时间：
10年；
e）全静态工作：
0Hz-24MHz；
f）三级程序存储器锁定；
g）128×8位内部RAM；
h）32可编程I/O线；
i）两个16位定时器/计数器；
j）5个中断源；
k）可编程串行通道；
l）低功耗的闲置和掉电模式；
m）片内振荡器和时钟电路。
它各个引脚的功能如下：
Vcc（40）：
电源电压GND（20）：
接地
P0口（32-39）：
P0口是一个8位双向I/O接口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用。
P1口（1-8）：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平时，此时可作输入口。
作为输入品使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
RST（9）：
复位信号输入端。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（30）：
地址锁存有效信号输出端。
当访问片外程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的，要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
XTAL1（19）：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL1（18）：
振荡器反相放大器的输出端。
通过XTAL1、XTAL2外接晶振后，即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。
AT89C51的原理图如图2-3所示：
图2-3AT89C51原理图
2.3.274LS373
74LS373为三态输出的锁存器，共有54S373和74LS373两种线路结构型式，其主要电器特性的典型值如下表2-1（不同厂家具体值有差别）：
表2-1主要电器特性的典型值
型号
TDP
PD
54S373/74S373
7ns
525mW
54LS373/74LS373
17ns
120mW
373的输出端Q0～Q7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时,Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时,Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号：
D0～D7数据输入端；
OE三态允许控制端（低电平有效）；
LE锁存允许端；
Q0～Q7输出端。
它的内部结构如图2-4所示：
图2-474LS373内部结构图
74LS373的真值表如下表2-2所示：
表2-274LS373真值表
Dn
LE
OE
Qn
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
高阻态
74LS373的原理图如下图2-5所示：
图2-574LS373原理图
2.3.374LS138
74LS138工作原理如下：
当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（（/E2））和/（E3））为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。
比如：
A2A1A0=110时，则Y6输出端输出低电平信号。
利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
可用在8086的译码电路中，扩展内存。
其引脚图如图2-6所示：
图2-674LS138引脚图
引脚功能为：
A0~A2：
地址输入端；
TA（E1）：
选通端；
/STB（/E2）、/STC（/E3）：
选通端（低电平有效）；
/Y0~/Y7：
输出端（低电平有效）；
VCC：
电源正；
GND：
接地。
74LS138的译码逻辑如下表2-3所示：
表2-374LS138译码逻辑表
CBA
译码输出
000
Y0
001
Y1
010
Y2
011
Y3
100
Y4
101
Y5
110
Y6
111
Y7
74LS138的原理图如下图2-7所示：
图2-774LS138原理图
2.3.4LED点阵显示器
8乘8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。
8*8的LED等效电路图如下图2-8所示：
图2-8LED等效电路图
LED点阵原理图用Altium绘制。
因为元器件库中没有现成的元器件，所以采用手动绘制的方法绘制。
原理图如下图2-9所示：
图2-9LED点阵原理图
LED点阵显示器实物图如图2-10所示：
图2-10LED实物图
3系统硬件电路设计
3.1晶振电路设计
晶振电路部分由两个值
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