基于51单片机点阵LED汉字显示屏设计教材.docx
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基于51单片机点阵LED汉字显示屏设计教材
编号
毕业论文
题目
点阵LED汉字显示屏设计
学生姓名
学号
系部
专业
班级
指导教师
摘要
LED显示屏在我们的周围随处可见，它的应用已经普及到社会中的方方面面。
作为一种新型的显示器件，在许多场合都可以见到它的身影，不仅是它的应用使呈现出来的东西更加美观，更重要的是它的应用方便，成本很低，除了能给人视觉上的冲击外，更能给人一种美的享受。
LED显示屏是由多个发光二极管按矩阵形式排列封装而成，通常用来显示时间、图文等各种信息。
本设计是基于ATS52单片机的16*16点阵式显示屏，该LED显示屏能实现16*16个汉字，简单的显示图像,然后一直循环着显示下去。
该设计包含了硬件、软件、调试等方案，只需简单的级联就能实现显示屏的拓展，但要注意不要超过负载能力。
本次设计的作品体积小、功能多、方便实用、花费小，电路具有结构简单、操作方便、精度高、应用广泛的特点。
关键词：
LED，ATS52单片机，显示屏
Abstract
LEDdisplayinallarounduseverywhere,itsapplicationhasspreadintoeveryaspectofsociety.Asanewtypeofdisplaydevice,itcanbeseenonmanyoccasions,notonlyisitmakesomethingappearmorebeautiful,moreimportantisitsapplicationisconvenient,costislow,inadditiontocangiveapersonvisualimpact,morecangiveapersonakindofbeautifulenjoyment.LEDdisplayiscomposedofmultipleledspackagedaccordingtothematrixformisarranged,usuallyusedtodisplaytime,graphic,etcallkindsofinformation.ThisdesignisbasedontheATS52MCU16*16dotmatrixdisplayscreenandtheLEDdisplaycanachieve16*16characters,simpleimages,thencyclethedisplay.Thedesignincludeshardware,software,debugging,etc.,simplyextendcascadecanachievedisplay,butbecarefulnottooverloadcapacity.Thedesignworkofsmallsize,function,convenientandpractical,lowcost,circuitissimpleinstructure.
Keywords:
LEDdisplay,ATS52microcontroller,lattice
3.3系统各硬件电路介绍………………………………………………………………………..13
3.3.1系统电源电路设计介绍…………………………………………………………….......13
3.3.2复位电路……………………………………………………………………………......14
3.3.3晶振电路………………………………………………………………………………..15
3.3.4显示电路………………………………………………………………………………..15
3.3.5下载接口电路…………………………………………………………………………..16
3.4电路图的打印………………………………………………………………………………..16
3.5系统的总的原理图…………………………………………………………………………..18
4.3用PROTEUS绘制原理图…………………………………………………………………..20
4.4PROTEUS对单片机内核的仿真……………………………………………………………21
4.5系统主要模块的软件流程………………………………………………………………….21
致谢...............................................................................................................................26
参考文献.......................................................................................................................27
附录1元器件清单.....................................................................................................28
附录2程序代码.........................................................................................................29
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1选题背景及目的
LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
它是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万……几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成，具有亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定等特点。
在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。
LED的发展前景极为广阔，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。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
因此对它的研究已经成为一种需要，它在社会中的广泛应用促使我们不断的去更新它、改进它，达到我们的各种需要。
LED显示屏的发展是很迅猛的，在技术上有它的独特之处，虽然现在的我们还无法做出很高端的关于LED显示屏的产品，但是我们可以做一些小的作品，了解它的基本原理，基本结构，通过不断的实践来提高我们的动手能力以及我们对知识的掌握。
对于本次毕业设计，我充满了信心，与其说是让我们完成学校给我们的任务，还不如说是给我们一次检验自己，锻炼自己的机会。
科技是第一生产力，为了明天，我一定会高质量的完成本次电子作品的制作。
1.1.2LED显示屏发展现状及发展趋势
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。
（1）我国的LED显示屏发展现状
1.产业规模不断扩大
经过十余年的发展，我国LED显示屏产业基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
据行业协会的不完全统计，从1998年以来，我国LED显示屏行业持续高速速度增长，产业规模不断扩大。
目前国内主要LED显示屏制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。
就整个行业来说，具有较强的开发能力。
就整个LED显示屏系统而言，中国与国际处在同一技术水平，因为国内产品在性价比方面具有得天独厚的优势，市场占有率在90%以上，国外同类产品很难打入中国市场。
2.市场保持持续增长
从1993年至今，全国LED显示屏市场保持持续增长，年平均增长率为40%左右。
从市场增长速度来看，我国LED显示屏市场的年增长率1996、1997、1999、2000、2001年均在40%左右，只有1998年为30%。
属于增长迅速、发展较快的新兴市场领域。
2003年LED显示屏行业总体发展比较快，规模型企业有所增加，产业逐步成熟。
根据发光二极管显示屏分会的统计，2003年度销售额过亿元的有西安青松、上海三思、惠州德赛、北京利亚得等四家企业。
年度销售额在1000万元以上的企业数目超过了50家，销售总额约为22亿元，占到全国销售总额的30亿元的73%。
其中位居前列的六七家企业的销售额之和接近全国的1/3。
年度销售额在5000万元以上的单位有12家，其销售额之和为12亿元，占全国年度市场销售额的40%。
从2004年到2007年，随着奥运会的临近，近年来各地区城市化改造进程加快，全国LED显示屏市场增长依然强劲，年平均增长率为35%左右。
（2）我国的LED显示屏发展趋势
1.高亮度、全彩化
蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。
基础材料的产业化。
使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。
LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。
全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。
2.标准化、规范化
材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。
近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。
行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，生产条件差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场的淘汰，预计今后几年内一批小规模LED显示屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋于有序。
3.产品结构多样化
信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。
预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。
1.2论文的主要内容
（1）方案的选择
本设计是以单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的实现的。
相对于其他方案，此设计简单、实用、精度高、功能多。
（2）方案实现
以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。
经过对比选择选定AT89S51单片机为核心控制器件，由74LS154作为字位电路器件，三极管2N5551和2N5401为驱动电路器件。
论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。
（3）软件编写
系统软件设计采用C语言编程，编译环境为keilUV4。
程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。
然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。
（4）验证与测试
调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。
在硬件调试中出现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。
在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。
通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。
（5）结论
设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。
1.3LED显示屏的特点
和很多应用技术用语一样，LED汉字屏并没有一个公认的严格定义，一般把显示文字的LED显示屏称为汉字屏。
汉字显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。
LED器件的颜色可以是单色的、双色的，甚至还可以是多色的。
LED汉字显示屏的外观可以做成条形，叫做条形汉字显示屏，简称条屏；也可以按一定高宽比例做成矩形的平面汉字显示屏。
其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理上并无区别。
不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。
通常我们先把需要显示的文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式显示数据。
对于只控制通断的汉字显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1，否则填0。
当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样时可行的。
这样依照所需显示的汉字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。
文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。
组成一个字的点阵，其大小也可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格。
用点阵方式构成文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。
因而采用点阵式汉字显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。
条屏常用于简短明确的信息，例如显示车站、机场的车次、航班信息，或者商厦的欢迎词，或写字楼的办公区的简短通知等等。
平面显示屏多用来显示比较复杂的信息，如车站显示多列列车的到开时刻、机场显示各航班运行情况以及证券交易场所显示股票行情等。
点阵显示方式适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。
点阵显示器在整个显示单元的所有位置上布置了LED器件。
而像数码管一类的LED显示器只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置是空白。
因此，点阵显示器在相同面积情况下，其价格要比数码管贵。
另一方面，由于数码管可显示的信息有限，只有0～9（或再扩展到A～F）几个字符，这些字符的变化是靠组合7段LED的发光与否实现的，由于段数不多，所以其显示数据和控制电路都比较简单。
而点阵显示器，它要对点阵上LED进行控制，并能生成所有可能显示的图形文字，其显示数据和控制电路自然要复杂的多。
因此，在有些场合显示信息虽然需要变化，但其特点或格式有一定变化范围的限制，也就是说不要求显示任意变化的信息。
这时，我们不一定非得采用点阵显示方式不可。
例如，在证券交易所的股票行情信息显示屏上，主要显示内容可以分成两大部分：
一部分是股票名称，另一部分是股票行情。
前者因为千变万化，所以必须采用点阵显示方式；而后者是由数字、小数点及正负号组成，因而完全可以使用数码管等器件进行显示。
这时，在一个屏上混合使用数码管和点阵显示单元，这种屏称之为混合屏。
显然，在同等条件下，混合屏的造价要低于点阵屏。
还有一种情况，虽然显示的图形或文字比较复杂，但不需要变化，这时可以直接把LED发光灯按所需显示的图文布置在印刷电路板上，全部LED发光灯一齐控制，要么全部点燃，要么全部熄灭，控制电路自然非常简单。
汉字显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。
最常用的是单色汉字显示屏。
单色屏多使用红色或橘红色或橙色LED点阵单元。
双色显示屏和多色显示屏，在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。
换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。
显示的时候，各颜色的显示点阵是分开控制的。
事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。
每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色汉字显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。
第二章系统方案的设计
2.116×16LED显示屏总体方案设计
2.1.1显示屏系统硬件设计
本设计的主要框图如：
驱动电路
图2-1系统硬件组成框图
如图2-1所示，根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。
上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。
2.1.2LED点阵显示屏介绍
LED点阵显示器，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。
具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
点阵显示器有单色和双色两类，可显示红，黄，绿，橙等。
LED点阵有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16、24×24、40×40等多种；
根据像素的数目分为等，双基色、三基色等，根据像素颜色的不同所显示的文字、图象等内容的颜色也不同，单基色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。
图1--5示出几种LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。
LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号．如5x7点阵显示器用于显示西文字母．5×8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵用于显示中文文字，也可用于图形显示。
用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过微机或单片机控制驱动。
2.2系统的工作过程
汉字显示屏广泛应用与汽车报站器，广告屏等。
本文介绍一种实用的汉字显示屏的制作，考虑到电路元件的易购性，没有使用8*8的点阵发光管模块，而是直接使用了256个高量度发光管，组成了16行16列的发光点阵。
同时为了降低制作难度，仅作了一个字的轮流显示，实际使用时可根据这个原理自行扩充显示的字数。
1、汉字显示的原理：
我们以UCDOS中文宋体字库为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。
即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。
我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。
事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。
图2-2显示汉字“大”的点阵图形
我们以显示汉字“大”为例，来说明其扫描原理：
在UCDOS中文宋体字库中，每一个字由16行16列的点阵组成显示。
如果用8位的AT89C51单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分。
一般我们把它拆分为上部和下部，上部由8*16点阵组成，下部也由8*16点阵组成。
在本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00---P07口。
方向为P00到P07,显示汉字“大”时，P05点亮,由上往下排列，为P0.0灭，P0.1灭,P0.2灭P0.3灭,P0.4灭,P0.5亮,P0.6灭,P0.7灭。
即二进制00000100，转换为16进制为04H.。
上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，即从P27向P20方向扫描，从上图可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，16进制则为00H。
然后单片机转向上半部第二列，仍为P05点亮，为00000100，即16进制04H.这一列完成后继续进行下半部分的扫描，P21点亮，为二进制00000010，即16进制02H.依照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描32个8位，可以得出汉字“大”的扫描代码为：
04H,00H,04H,02H,04H,02H,04H,04H
04H,08H,04H,30H,05H,0C0H,0FEH,00H
05H,80H,04H,60H,04H,10H,04H,08H
04H,04H,0CH,06H,04H,04H,00H,00H
由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。
不过现在有很多现成的汉字字模生成软件，我们就不必自己去画表格算代码了。
软件打开后输入汉字，点“检取”，十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要的竖排数据复制到我们的程序中即可。
我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。
在这个例子里，由于一共用到16行，16列，如果将其全部接入89c51单片机，一共使用32条I/O口，这样造成了I/O资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。
实际应用中我们使用4-16线译码器74ls154来完成列方向的显示。
而行方向16条线则接在P0口和P2口。
电路中行方向由P0口和P2口完成扫描，由于P0口没有上拉电阻，因此接一个4.7k*8的排阻上拉。
如没有排阻，也可用8个普通的4.7k1/8w电阻。
为提高负载能力，接16个2n5551的NPN三极管驱动。
列方向则由4—16译码器74LS154完成扫描，它由89C51的P1.0---P1.3控制。
同样，驱动部分则是16个2N5401的三极管完成的。
电路的供电为一片LM7805三端稳压器，耗电电流为100ma左右。
第三章系统硬件电路的设计
本设计硬件电路主要包括单片机的最小系统的设计、显示电路的设计、键盘电路的设计、温度测量电路的设计、温度控制电路的设计、电源电路的设计。
3.1AT89S51芯片的介绍
3.1.1系统单片机选型
单片机选择在整个系统中有着至关重要的作用，这里要选择一款低成本、高运算速度、内存大等特点的单片机，经过不断的查找资料，最后我们选择了AT89S52作为主控芯片。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次以上的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51芯片具有以下特性：
①指令与8051完全兼容；
②8KB片内Flash程序存储器；
③时钟频率为0～33MHz；
④128字节片内随机读写存储器（RAM）；
⑤32个可编程输入/输出引脚；
⑥3个16位定时/计数器；
⑦2个外部中断，1个串口中断，3个定时器中断
AT89S51有32个可编程IO，1个VCC接口，1个GND接口，1个复位引脚接口，还有2个晶振接口。
具体的引脚如下图所示：
3.1.2AT89S51引脚功能介绍
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每引
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