16x16点阵式汉字电子显示屏.docx
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16x16点阵式汉字电子显示屏
郑州工程技术学院
单片机原理及应用技术课程设计
题目：
点阵式电子显示屏的设计
学号：
201550180205
姓名：
潘阳
同组人:
石国夫
专业：
电气自动化
班级：
15电气对口二班
指导教师：
孙建延
2016年12月27日
点阵式汉字电子显示屏的设计
设计内容：
以MCS-51系单片机为核心器件，设计一个点阵式汉字电子显示屏。
任务要求：
（1）显示屏为16*16LED点阵显示器；
（2）可以依次显示“老师，您辛苦了！
”8个汉字。
设计要求：
（1）设计方案选择合理，达到设计任务要求；
（2）设计思路清晰，原理框图正确，元器件选择恰当，计算正确；软件流程图正确合理，源程序完整；说明书简明扼要，文字流畅，论点明确，书写工整；
（3）图纸表达正确，符合制图规范；图面整洁，布局合理，图中电气连接和元器件符号符合要求。
（4）设计的有关技术指标符合国家有关规范、标准和政策要求。
（5）在设计过程中认真、按时完成各阶段的设计、计算、编程、绘图、调试任务。
（6）原理图绘制在A1纸，要求用PROTEUS仿真正确后，焊接实物电路板，并能测试成功。
摘要
本设计使用AT89C51系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16×16的点阵LED显示屏。
利用AT89C51系列高速单片机本身强大的功能，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。
本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示4个8×8点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。
把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件仿真下载实现。
关键词：
动态显示；单片机；
Abstract
ThisdesignUSESAT89C51serieshighspeedsinglechipmicrocomputerasthemaincontrolmodule,theuseofsimpleperipheralcircuittodrivethe16*16latticeLEDdisplay.UsingAT89C51serieshigh-speedmicrocontrolleritselfpowerfulfunction,caneasilyachievebetweenMCUandPCdatatransmissionandstorage,andconvenienttousesoftwaretodisplaycontentdiversitychange,ontheotherhanddotmatrixdisplayscreeniswidelyusedinhospitals,airports,Banksandotherpublicplaces,sothisdesignhasastrongpracticalapplicability.
TheLEDdisplaycanbedisplayedinadynamicscanningwayandatthesametimefour8x8dotmatrixChinesecharacters,andcanpassthePCsoftwarerevisiondisplaycontentandeffect,andsoon.Storenamedcharacterinthefreemicrocontrollerprogrammemoryspace,thisarticleobtainsfromtheprincipleofLEDdisplay,LEDdynamicdisplayoftheprocesswereintroducedindetail,aswellasthehardwarecircuitdesign,calculationandsimulationsoftwaretodownload.
KeyWords:
Dynamicdisplay;Singlechipmicrocomputer;
一绪论
设计课题背景知识
单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机，它是为各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通计算机微处理器，一定容量的RAM和ROM以及输入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。
单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。
在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字，汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器，广告屏等。
所以研究LED显示有实用的意义。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院
现代LED的发展很快，很多研究领域非常已经深刻，实际情况是：
很多相、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是：
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。
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。
关的知识已经远远超出我们在校学生的能力范围，所以在此只是简单的研究一下用单片机驱动的LED显示移动的汉字。
目的有三：
一是亲手制作一个简单实用的显示文字的LED点阵；二是通过制作LED点阵增强对LED点阵的了解和应用，以及复习巩固单片机知识；三是通过团队合作，增强团队合作的意识，为以后走向社会工作打下基础，并且增强了同学之间的友谊。
汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如16×16 点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。
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。
通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，在按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。
对于只控制通断的图文显示屏来说，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图形文字，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。
显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。
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。
用点阵方式构成图形或文字，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。
因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。
图文显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。
最常用的是单色图文屏。
单色屏多使用红色或橘红色或橙色LED点阵单元。
双色图文屏和多色图文屏，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，因此掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。
为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。
最简单的显示模式是静态显示。
与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。
按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。
产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。
例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。
刷新太慢，动感不显著；刷新太快了，中间过程看不清。
一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。
本次设计中，由本人和王文东组成一组，王文东负责硬件部分电路图的设计和软件部分程序的设计和调试，目的是应用简单方便的电路连接和程序完成汉字的换色与移动。
我负责用设计好的点阵电路制作PCB电路板，包括完成PCB板的制作，制作另外一块在面包板上连的点阵线连板子的焊接与调试，各人的分工不同只是工作侧重点的不同，大家是在一起互相学习互相帮助，共同完成设计任务
。
二单元电路设计与分析
2.1系统设计
LED点阵总体框图如下图所示，点阵电路大体上可以分成微机本身的硬件、显示驱动电路、控制信号电路三部分。
控制电路部分包括一个51CUP和一些外围电路。
在整个电路当中单片机负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。
点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。
此显示电路采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源的一端接通）。
另一方而，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。
接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。
可通过扫描输出口的控制实现颜色的转换。
、
2.2系统硬件电路的设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。
2.2.1单片机系统
单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24M或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。
单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。
P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5~P1.7口则用来发送控制信号。
P0和P2口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。
管脚说明
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.2.2行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74HC138译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。
2.2.3列驱动电路
列驱动电路由集成电路74HC595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。
概述：
74HC595是一款漏极开路输出的CMOS移位寄存器，输出端口为可控的三态输出 端，亦能串行输出控制下一级级联芯片。
特点：
�速移位时钟频率Fmax>25MHz
�标准串行（SPI）接口
CMOS串行输出，可用于多个设备的级联
低功耗：
TA=25℃时，Icc=4μA（MAX）
引脚功能表：
管脚编号
管脚名
管脚定义功能
1、2、3、4、5、6、7、15
QA—QH
三态输出管脚
8
GND
电源地
9
SQH
串行数据输出管脚
10
SCLR
移位寄存器清零端
11
SCK
数据输入时钟线
12
RCK
输出存储器锁存时钟线
13
OE
输出使能
14
SI
数据线
15
VCC
电源端
图174HC595引脚图
图274HC595逻辑图
真值表：
输入管脚
输出管脚
SI
SCK
SCLR
RCK
OE
X
X
X
X
H
QA—QH输出高阻
X
X
X
X
L
QA—QH输出有效值
X
X
L
X
X
移位寄存器清零
L
上沿
H
X
X
移位寄存器存储L
H
上沿
H
X
X
移位寄存器存储H
X
下沿
H
X
X
移位寄存器状态保持
X
X
X
上沿
X
输出存储器锁存移位寄存器中的状态值
X
X
X
下沿
X
输出存储器状态保持
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SI是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。
SCLR信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH’，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
74HC595外形及内部逻辑结构图
2.3软件设计
2.3.1软件要求
汉字要稳定、明亮并且文字要以一定速度上升滚动显示。
显示屏软件模块：
初始化程序、主程序、多字滚动、显示程序、扫描程序。
显示程序的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。
软件设计中，显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。
显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。
显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。
系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。
1显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏
刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频）=1/16×T0溢=1/16×f/12（65536-t）
其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图六为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图
2.3.2程序代码
#include//头文件
sbitshcp=P1^2;//数据输入时钟线595的11脚
sbitstcp=P1^1;//输出存储器锁存时钟线595的12脚
sbitds=P1^0;//数据线595的14脚
sbits1=P3^1;//按下暂停再暂按继续
sbits2=P3^2;//按下方向取反
bitfx;//方向切换
unsignedcharalt;//数据移动定时时间
unsignedintnet;//控制显示的字符
unsignedcharzi=8;
unsignedintzong;//总字符（所有的字数+1）*32字数指的是汉字，字母、数字两个算一个数字
unsignedcharcodetab[]={
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
//老（0）师
（1），
（2）您（3）辛（4）苦（5）了（6）！
（7）
0x04,0x08,0x04,0x10,0x24,0x20,0x24,0x40,0x24,0xFC,0x24,0xA2,0xFD,0x22,0x26,0x22,
0x24,0x42,0x2C,0x42,0x14,0x42,0x24,0x82,0x44,0x1E,0x04,0x00,0x04,0x00,0x00,0x00,/*"老",0*/
0x00,0x00,0x3F,0xE1,0x00,0x02,0x00,0x0C,0xFF,0xF0,0x00,0x00,0x40,0x00,0x47,0xF8,
0x44,0x00,0x44,0x00,0x7F,0xFF,0x44,0x10,0x44,0x08,0x47,0xF0,0x40,0x00,0x00,0x00,/*"师",1*/
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x1A,0x00,0x1C,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*"，",2*/
0x04,0x02,0x08,0x0C,0x10,0x00,0x3F,0xEE,0xC4,0x01,0x08,0x81,0x11,0x11,0xE6,0x4D,
0x20,0x21,0x2F,0xC1,0x20,0x01,0x24,0x07,0x2A,0x00,0x31,0x88,0x00,0x06,0x00,0x00,/*"您",3*/
0x02,0x00,0x02,0x20,0x22,0x20,0x22,0x20,0x2A,0x20,0x26,0x20,0xA2,0x20,0x63,0xFF,
0x22,0x20,0x26,0x20,0x2A,0x20,0x22,0x20,0x22,0x20,0x02,0x20,0x02,0x00,0x00,0x00,/*"辛",4*/
0x21,0x00,0x21,0x00,0x21,0x00,0x21,0x3F,0xF9,0x22,0x21,0x22,0x21,0x22,0x2F,0xE2,
0x21,0x22,0x21,0x22,0xF9,0x22,0x21,0x3F,0x21,0x00,0x21,0x00,0x21,0x00,0x00,0x00,/*"苦",5*/
0x00,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x02,0x40,0x01,0x47,0xFE,
0x44,0x00,0x48,0x00,0x50,0x00,0x60,0x0
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