《基于AT89C5151的88点阵LED数码字符显示器的设计》.docx
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《基于AT89C5151的88点阵LED数码字符显示器的设计》
第一章引言
LED是光二极管LIGHTEMINTTINGDIODE的英文缩写，是一种直接能将电能转化为可见光的半导体。
LED点阵是由发光二极管排列组成的显示器件，在日常生活中随处可见，其发光类型属于冷光源，效率及发热量是普通发光器件难以比较的。
它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、本钱低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、应用灵活、平安、响应时间短、绿色环保、控制灵活等特点。
随着社会经济的不断进步，人们对LED显示器的认识不断加深，其应用领域越来越广。
本设计是基于AT89C5151的8×8点阵LED数码字符显示器的设计，LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成.LED点阵显示屏可以显示数字或符号,通常用来显示时间、速度、系统状态等。
本文讲述了基于AT89C51单片机8×8LED数码字符显示器的根本原理、硬件组成与设计，Proteus软件仿真，程序设计等根本环节与相关技术。
LED电子显示屏具有所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活。
适用于火车，汽车站，码头，金融证券市场，文化中心，信息中心体育设施等公共场所。
该工程广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术，单片机技术，数据通讯技术，显示技术，存储技术，系统软件技术，接口及驱动等技术。
本设计是8×8点阵LED数码字符显示器的设计。
整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机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驱动器来驱动显示屏显示，该电子屏可以各种文字或单色图像，采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。
第二章方案选择及总体设计
2.1方案确定
2.1.1功能要求
1、采用MCS-51单片机作为微处理器。
2、设计一个8×8点阵LED数码字符显示器。
3、在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。
4、动态显示“8〞“0〞“5〞“1〞几个字符。
2.1.2方案确定
采用AT89C51单片机作为微处理器，将共阳极二极管用共阴型接法连接成8×8点阵LED数码字符阵列，通过程序控制，采用动态显示，建立字符库“元〞“旦〞“快〞“乐〞。
2.2器件选择
微处理器采用AT89C51系列单片机，AT89C51单片机是这几年在我国非常流行的单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕高性能单片机，可擦除只读存储器可以反复擦除100次，具有低功耗、高性能的特点，并且可与工业标准的MCS—51指令集和输出管脚相兼容，对于本设计需要实现的功能，完全可胜任。
第三章控制系统硬件设计
3.1整体模块设计
本设计行、列驱动电路，显示器电路，运用单片机的智能化，系统的将每个功能电路模块连接在一起，总体结构设计如图1所示。
图硬件系统框图
此次需要实现的功能是利用一个AT89C51，一个8×8LED点阵，动态显示“元旦快乐〞4个字，采用PC上位机驱动显示电路。
3.2单片机最小系统设计
AT89C51单片机最小系统电路由复位电路、晶振电路两局部组成。
3.2.1晶振电路设计
AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。
系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振频率fosc采用12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。
晶振电路图如下图。
图3.2.1晶振电路图
3.2.2复位电路设计
AT89C51单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机有多种复位方式，常用的复位操作有上电复位和手动复位方式。
本设计采用最简单的上电复位方式，电路如图3所示。
上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路产生的复位信号〔高电平有效〕由RST引脚送入到内部的复位电路，对AT89C51单片机进行复位，复位信号要持续两个机器周期〔24个时钟周期〕以上，才能使AT89C51单片机可靠复位。
当上电时，C1相当于短路，有时碰到干扰时会造成错误复位，可在复位端加个去耦电容，可以取得很好的效果。
AT89C51单片机复位电路如下列图所示：
图3上电复位电路图图4按键电平复位电路图
复位电路工作原理：
上电瞬间RST引脚的电位与VCC等电位，RST引脚为高电平，随着电容C5充电电流的减少，RST引脚的电位不断下降，可以保持RST引脚在为高电平的时间内完成复位操作。
当单片机已在运行当中时，按下复位键S5后再松开，也能使RST引脚为一段时间的高电平，从而实现AT89C51单片机复位。
3.3驱动电路设计
正向点亮一颗LED，至少也要10～20mA，假设电流不够大，那么LED不够大。
而不管是AT89C51的I/O口，还是TTL、CMOS的输出端，其高态输出电流都不是很高，不过1～2mA而已。
因此很难直接高态驱动LED，这时候就需要额外的驱动电路，通常有共阳型与共阴型LED阵列驱动电路，本设计才用共阴型高态扫描信号驱动电路。
共阴型LED阵列驱动电路采用高态扫描，也就是任何时间只有一个高态信号，其它那么为低态。
一行扫描完成后，再把高态信号转化到近邻的其他行，扫描信号接用一个反向驱动器，AT89C51本身内置一个反向驱动器，本设计将AT89C51作为点矩阵显示控制系统的控制核心，通过点矩阵实时显示并移动字符。
单片机的串口与行驱动器相连，用来发送显示数据信息。
P0口与LED阵列的行引脚相连，送出数据、地址以及系统控制信号。
输出低态时，最大可吸取0.5A，即500mA，假设每个LED取30mA，7个LED同时点亮，需要210mA，完全满足LED点亮的根本条件。
图驱动电路图
所要显示的信号各个经过一个限流电阻送入晶体管的基极，而每个NPN晶体管的的集极连接VCC、射极输出经一个100Ω的限流电阻连接到LED阵列的列阵脚。
对于高态的显示信号，将可提供其所连接LED的驱动电流，而这个驱动电流经过LED到输出端，形成正向回路，即可点亮该LED。
其中每个晶体管任何时间只需负责驱动一个LED，所以选择30mA射极电流的晶体管。
驱动电路如下图。
3.4LED点阵显示设计
本设计采用ATMEL公司的AT89C51作矩阵显示控制系统控制核心，12MHZ晶振,8
8点阵共阳LED显示器。
其中，P0口作为字符数据输出口,P2口为字符显示扫描输出口,第31脚（EA）接电源，P1.7开关S1，改变电阻〔270*8〕的大小可改变显示字符的亮度，驱动用9012三极管。
本设计LED矩阵显示器电路选用8×8点阵模块，系统由单片机控制。
LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制，也可以按列扫描按行控制。
本文就是使用1块8×8点阵，采用按列扫描按行控制控制方式，扫描顺序自左向右，以满足汉字显示的要求。
8×8点阵LED结构如下图。
图.1LED数码显示管
8×8点阵LED的工作原理。
图为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图8所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。
例如如果想使左上角LED点亮，那么Y0=1，X0=0即可。
应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
图8×8点阵LED外观及引脚图
图8×8点阵LED等效电路
一个8×8点阵是由64个发光二极管按规律组成的，如下图。
图中，行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。
第四章控制系统软件设计
4.1软件设计思想
主程序先进行设置中断，并启动，再进行键盘扫描载入“8051〞字型，然后判断一组字型是否扫描完，按不同情况进行循环调用子程序。
进入子程序后，首先设置相应的程序，反复调用显示子程序，并在显示过程中反复调用键盘扫描子程序进行延时，判断是否退出相应的方式显示子程序。
设计过程中，能很好得提高按键响应速度。
如下图为软件系统框图。
图软件系统框图
字符编码：
8×8点阵可以看成是从上至下8个字节，每个字节8位，因为该点阵为共阴型点阵，因此假设该灯亮，那么该位为“1〞；该灯不亮，那么该位为“0〞。
所以“元旦快乐〞的编码为，从上至下：
“元〞：
0xe20xa40x240x240xff0x000x7e0x00；
“旦〞：
0xff0x000x7e0x420x7e0x420x7e0x00；
“快〞：
0x460x2a0x120xfe0x570x520x7e0x12；
“乐〞：
0x100x180x920x540xfe0x120x120x7e。
4.2主程序流程图
主程序首先设置并启动T0中断，然后调用初始化程序，为后面程序要用到的数据调入，并清零一些用到的数据单元，然后载入“元旦快乐〞字型，进行扫描。
图10为主程序流程图，详细主程序清单及子程序设计见附录C。
图4.2主程序流程图
第五章系统仿真及性能分析
5.1软件系统仿真
本设计是以KeilC与Proteus.ISIS相结合方式来实现本LED点矩阵显示器的仿真实现过程。
电路的核心是单片机AT89C51。
单片机的P0口八个引脚通过总线连接到LED矩阵显示器的段选码和位选码〔a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8〕的引脚上，来作为控制信号的来源。
如下图。
图动态程序调试
图延时程序调试
5.2硬件仿真结果分析
此次系统设计结果较好，LED显示屏能很好的显示信息。
LED显示屏由4块8×8的LED小模块组成，整个显示屏可以显示8×8的“8051〞字型。
这个方案设计的8ｘ8的点阵LED图文显示屏，电路简单，本钱较低，且较易扩展；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰。
图5.2.1显示汉字“元〞
图5.2.2显示汉字“旦〞
图5.2.3显示汉字“快〞
图5.2.4显示汉字“乐〞
第六章总结致谢
本次课程设计到现在有一个多星期，回忆这些天我感到学到了很多东西，在写这个心得的时候，我想就这些天的收获，说一说自己内心的想法。
本设计是一个8x8的点阵LED数码显示器，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，本钱低等特点。
总结本文的研究工作，主要做了下面几点工作：
一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些优点，明确了研究目标。
并且通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。
并证实了自己的思路：
“查资料→思考总结→运用→找出过失，再查资料和向别人询问→再次运用〞的正确性。
二，本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。
三，本文列出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。
四，在这次课程设计的过程中学会了PROTEUS的根本使用，感到PROTEUS对电子专业的同学来说是一个很有用的软件。
在运用PROTEUS时可以运用一些快捷的标号，总线的方法画图，这样既能使电路图清晰，简单，更能大大提高画图速度
五，通过这次课程设计，重新复习并进一步增强了动手的能力，学以致用，把只是运用到实际生活中才是根本目的。
六，存在问题：
没有考虑仿真软件是一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板会由于譬如连接不当，相邻器件间的干扰等等的问题导致在仿真软件中能良好运行的程序，出现显示问题，经过排查和合理的器件摆放焊接，问题解决。
总体来说这次的科研实践很成功，到达了预想的目的：
学到了知识，提高了能力，完成了任务。
有点缺憾是时间有限，不能进一步深入和扩散学习和研究。
希望有时间可以对程序和电路图作更进一步的改良，譬如实现点阵的上下移动，对角线移动，多色显示等。
第七章参考文献
[1]张靖武,周灵彬?
单片机系统的PROTEUS设计与仿真?
电子工业出版社
[2]吴金戌，沈庆阳，郭庭吉?
8051单片机实践与应用?
清华大学出版社
[3]李群芳，肖看?
单片机原理、接口及应用?
清华大学出版社
[4]张毅刚，彭喜元等?
新编MCS-51单片机应用设计?
哈尔滨工业大学出版社
[5]张义和，陈敌北编著?
例说8051?
人民邮电出版社
附录
附录A硬件结构图
附录B主程序清单
#include
unsignedcharcodetaba[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f};//行选
unsignedcharcodetabb[]={0xe2,0xa4,0x24,0x24,0xff,0x00,0x7e,0x00};//选列"元"
unsignedcharcodetabc[]={0xff,0x00,0x7e,0x42,0x7e,0x42,0x7e,0x00};//"旦"
unsignedcharcodetabd[]={0x46,0x2a,0x12,0xfe,0x57,0x52,0x7e,0x12};//"快"
unsignedcharcodetabe[]={0x10,0x18,0x92,0x54,0xfe,0x12,0x12,0x7e};//"乐"
unsignedchari,j;
voiddelay（void）//延时5ms
{
unsignedchari,j;
for（i=10;i>0;i--）
for（j=248;j>0;j--）;
}
voiddelay1（void）//延时10ms
{
unsignedchari,j,k;
for（k=10;k>0;k--）
for（i=20;i>0;i--）
for（j=248;j>0;j--）;
}
voidmain（void）
{
while
（1）
{
for（j=0;j<10;j++）//from上to下3time
{
for（i=0;i<8;i++）
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P3=tabb[i];
//P1=0xff;
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}
}
//for（j=0;j<2;j++）//from下to上3time
//{
for（i=0;i<8;i++）
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P0=taba[i];
//P3=tabb[i];
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//}
for（j=0;j<10;j++）//from上to下3time
{
for（i=0;i<8;i++）
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//P1=0xff;
delay（）;
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for（i=0;i<8;i++）
{
delay1（）;
}
for（j=0;j<10;j++）//from上to下3time
{
for（i=0;i<8;i++）
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P0=taba[i];
P3=tabd[i];//"平"
//P1=0xff;
delay（）;
}
}
for（i=0;i<8;i++）
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for（i=0;i<8;i++）
{
delay1（）;
}
for（j=0;j<10;j++）//from上to下3time
{
for（i=0;i<8;i++）
{
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}
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delay1（）;
}
/*for（i=0;i<8;i++）
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P0=taba[7-i];
//P3=tabb[i];
P1=0xff;
delay1（）;
}*/
}
}
附录C元件清单
元件名称
规格
数量
备注
AT89C51单片机
一块
附底座
晶振
12MHZ
一块
NPN三极管
9012
八支
8×8点阵共阳LED显示器
共阳
一块
极性电容
30uf
一个
瓷片电容
22pf
两个
电阻
10kΩ、220Ω
十个、两个
电源插座
一个
升级会员 