毕业论文1616点阵LED电子显示屏的设计.docx

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毕业论文1616点阵LED电子显示屏的设计

毕业设计论文

16×16点阵LED电子显示屏的设计

The16×16latticeLEDelectrondisplaymonitordesign

学生XX：

李晓威

学号：

9

指导教师；X东汉

所在院系：

电气与电子信息工程学院

所学专业：

电气工程及其自动化

XX理工学院

中国·XX

2007年4月

毕业设计［论文］任务书

姓名杜春雷学号043023133院（系）电气与电子信息工程学院

同组XX潘恒斐史学涛叶滔指导教师江玲

一、课题名称

16×16点阵LED电子显示屏的设计

二、课题内容

设计一个室内用的16×16点阵LED图文显示屏。

三、课题任务要求

在目测条件下16×16点阵LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

四、同组设计者

潘恒斐史学涛叶滔

五、主要参考文献

[1]李全利编著：

《单片机原理及接口技术》（第2版）．：

高等教育，2004

[2]X志良主编：

《单片机原理及控制技术》（第2版）．：

机械工业，2005

[3]X毅刚主编：

《单片机原理及应用》．：

高等教育，2006

[4]李光飞编著：

《单片机课程设计实例指导》（第2版）．：

航空航天，2004

[5]李华主编：

《MCS-51单片机实用接口技术》．：

航空航天，1997

[6]X仁贵主编：

《微型计算机接口技术及应用》．：

机械工业，1998

[7]诸昌钤编著：

《LED显示屏系统原理及工程技术》．XX：

电子科技大学，2000

[8]梅开乡主编：

《数字逻辑电路》（第2版）．：

电子工业，2005

[9]杨素行主编：

《模拟电子技术基础简明教程》（第2版）．：

高等教育，2004

[10]吉雷主编：

《Protel99从入门到精通》．XX：

XX电子科技大学，2004

指导教师签字

教研室主任签字

年月日

摘要

本设计是一16×16点阵LED电子显示屏的设计。

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行驱动器74HC154和两个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。

该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示1个汉字，采用4块8×8点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。

显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。

文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。

单片机控制系统程序采用单片机汇编语言进行编辑，通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。

所显示字符的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图），也可从标准字库中提取。

LED显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合的信息发布，公益宣传，环境参数实时，重大活动倒计时等等得到广泛的应用。

经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。

关键词：

AT89C51单片机；LED；点阵显示；动态显示；汇编语言。

Abstract

Thisdesignisa16×16latticeLEDelectrondisplaymonitordesign.

Thewholeequipmentiswiththe40-pinAT89C51MCU（MicroControllerUnit）producedbytheAmericanATMELpanyatthecore,introducedtakeitasthecontrolsystemLEDlatticeelectrondisplaymonitordynamicdesignandthedevelopmentprocess.Controlsgooddriver74HC154andtworowdriver74HC595throughthischipactuatesthedisplaymonitordemonstration.Theelectronicscreencanshowallkindsofwrittenormonochromeimages,onefullscreendisplayChinesecharacters,fourpiecesof8×8dot-matrixLEDdisplaymodulestoformthe16×16dotmatrixdisplaymode.Showdynamicshowthatmakesstaticgraphicortextcanbeachieved,shiftedoutofvariousformats.ThispaperdescribesthehardwaredesignoftheLEDdotmatrixdisplay,andtheprinciplefunctionofthevariouspartsofthecircuit,thecorrespondingsoftwareprogramdesignandtheuseofsomesuch.

SCMprocesscontrolsystemusedforeditingMCUassemblylanguage,ProgrammingcontrolpointsindicatedbythecorrespondingLEDanodeandovercastextremelevel.Wecaneffectivelycontrolthedefenseshowedbrightspots.Thelatticedatashowscharacterscanpreparethemselves（thatis,directlatticePainting）,whichcanalsobeextractedfromthestandardfont.

LEDdisplaywithfabricmeansflexibility,stability,lowpowerconsumption,longlife,maturetechnology,low-costfeaturesatthestation,securities,sportsvenues,transportationcorridorsandvariousindoor/disseminationofinformationonforeignshowsoccasions,goodpublicity,real-timeenvironmentalparameters,etc.countdownmajoractivitiesarewidelyused.

Asthepracticeproves,thesystempossessesadvantagesinlowshowserrors,stable,rationalstructureandstrongextensibleabilities.

Keywords:

AT89C51MicroControllerUnit；LED；Latticedisplay；Dynamicdisplay；Assemblylanguage.

第一章前言

单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。

单片机的特点是体积小、集成度高、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。

正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。

在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。

我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。

更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。

以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。

这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。

例如，本文所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。

LED是发光二极管英文LightEmittingDiode的简称，是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和Ｐ-Ｎ结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。

进入八十年代后，LED在发光波长X围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。

LED电子显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。

它是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统，是目前国际上极为先进的显示媒体。

由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富、工作性能稳定以及对室内室外环境适应能力强等优点而日渐成为显示媒体中的佼佼者。

在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。

LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显示屏的发展过程。

随着信息产业的高速发展，LED显示屏作为信息传播的一种重要手段成为现代信息化社会的一个闪亮标志。

近年LED显示屏已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如银行、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布，政府机关政策、政令，各类市场行情信息的发部和宣传等。

目前，对于那些需要显示的信息量不是很大，分辨率不是很高，又需要制造成本相对比较低的场合，使用大、小屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的，它可以用单片机控制实现显示字符、数字、汉字和简单图形，可以根据需要使用不同字号、字型。

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言，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。

具体显示技术和原理将会在正文中得到详细论述。

杜春雷

2007年4月

第二章系统整体设计方案

2．1需要实现的功能

设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

2．2LED显示特点

LED发光灯可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等多种类型。

按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等。

这种单个的发光灯适宜用做指示灯，如电源指示、电路状态指示灯，进而对能够转变成电信号的各种物理量进行指示。

也可以用多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，如大型剧场会堂的出入口及洗手间的显示。

和很多应用术语一样，LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图形和/或文字的LED显示屏称为图文屏。

这里所说的图形，是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便于不同亮度（灰度）点阵组成的图像相区别。

图文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图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条形图文显示屏（简称条屏），也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。

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。

从理论上说，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，再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，相反的定义同样是可行的。

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X，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。

汉字的点阵结构相应的显示数据是用16进制格式以字节为单位表示的。

     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。

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都布置了LED器件，而像数码管一类的显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置是空白的。

因此，点阵显示器在相同面积情况下，价格要贵些。

但是，数码管可显示的信息有限，只有0～9或单个的英文字符，由于组合形成的字符不多，所以其显示数据和控制电路都比较简单。

点阵显示器则不然，它要对点阵上全部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得多。

因此，根据不同的场合，不同的显示特点和格式可以分别采用数码管器件或点阵显示方式，有的情况可以采用两者搭配的混合屏显示方式。

     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、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。

2．3设计方案论证

2．3．1显示模式方案

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。

这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式。

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；同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。

其它模式的数据刷新，也可找到相应的算法。

不过当算法太复杂，太浪费时间的话，也可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。

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X围之内。

同时控制LED显示屏的各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。

16×16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16的点阵需要256/8=32个锁存器。

这个数字很庞大，因为我们仅仅是16×16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。

而且静态显示功耗大，显示一个16×16的字的功耗为：

16×16×10×5=12800mW=12.8W！

普通电池根本无法驱动，要是组成大显示屏那功耗将更惊人。

因此虽然静态显示效果好，但是在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套列驱动器，每行有一个行驱动器，具体就16×16的点阵来说，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），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）。

另一方面，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，就在该行该列燃亮相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。

当一行的扫描持续时间结束后，该行燃亮的LED也就熄灭；下一行又以同样的方法进行显示。

全部各行都扫过一遍之后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。

只要一个扫描轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就不容易感觉出闪烁现象，就能看到显示屏上稳定的图形了。

而且动态扫描方式功耗低，硬件成本低，每个LED都不是连续工作，因而还有利于延长LED的使用寿命。

2．3．2数据传输方案

采用扫描方式进行显示时，显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。

显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输方式的问题。

从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。

显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。

当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。

但是，串行传输过程较长，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换。

首先，单片机从存储器中读出的8位并行数据要通过并串变换，按顺序一位一位地输出给列驱动器。

与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到全部列数据都传输完为止。

只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。

这样，对于一行的显示过程就可以分解列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。

对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以至影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。

即在显示本行各列数据的同时，准备下一行的列数据。

为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。

经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。

对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。

这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

图2-1为显示屏电路实现的结构框图。

第三章系统硬件部分设计

由于图文屏的控制电路采用单片机方案，控制功能的实现应在硬件和软件两方面进行折中。

单片机及相应软件，主要负责存储（或生成）显示数据、安排控制信号的定时与顺序等。

但是单片机的接口数量少，驱动能力不强，必须扩展一定的硬件电路，才能满足显示屏的需要。

系统硬件部分电路大致上可以分成稳压电源、单片机系统及外围电路、列驱动器电路、行驱动器电路和LED显示屏电路五部分。

3．1电源设计

稳压电源的功能是把来自电网的220V交流电压转变为所需的、稳定的直流电压。

它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图3-1所示：

+电源+整流+滤波+稳压+

u1u2u3uIU0

_变压器_电路_电路_电路_

（a）稳压电源的组成框图

u1u2u3uIU0

0t0t0t0t0t

图3-1稳压电源的组成框图及整流与稳压过程

根据要求所确定的稳压电源的电路形式如图3-2所示。

图中变压器T将来自电网的220V交流电压变换为整流电路所需要的7.5V交流电压，再经整流电桥（4个二极管）D1将交流电压变换成脉动的直流电压，随后电解电容器C1将脉动直流电压中的大部分纹波加以滤除，以得到较为平滑的直流电压。

为了得到改善的纹波电压，再将直流电压通过电容C2，然后经集成稳压器IC1稳压，在输出端得到稳定的5V直流电压。

这时，在输出端接上电容C3，用以滤除输出端的高频信号，改善负载的瞬态响应，最后即可得到所需的、稳定的直流电压。

电路最后接入的发光二极管用做电源指示灯。

图3-2电源电路图

3．2单片机系统及外围电路

3．2．1单片机的选择

单片机采用89C51或其兼容系列的芯片进行控制，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、以及给屏体电路部分发送命令。

这里我们选择了内含4K字节Flash的AT89C51，因为我们只需要显示特定的图形和文字，无需庞大的字库，因此4KFlash已经可以满足字库储存的需求，不需要扩展外存储器。

3．2．2AT89C51芯片介绍

AT89C51

AT89C51是美国ATMEL公司生产的8位FlashROM单片机。

其最突出的优点是片内ROM为FlashROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有在片程序ROM二级XX系统。

因此可灵活应用于各种控制领域。

AT89C51包含以下一些功能部件：

（1）一个8位CPU；

（2）一个片内振荡器和时钟电路；

（3）4KBFlashROM；

（4）128B内RAM；

（5）可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；

（6）两个16位定时/计数器；

（7）21个特殊功能寄存器；

（8）4个8位并行I/O口；

（9）一个可编程全双工串行口；

（10）5个中断源，可设置成2个优先级。

AT89C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图3-3为其引脚排列图。

40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制各I/O引脚。

一．电源

Vcc——芯片电源，接+5V；GND——接地端。

二．时钟

XTAL1、XTAL2——晶体振荡电路反相输入端和输出端。

三．控制线

控制线共有4根，其中3根是复用线。

所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。

1．ALE/

——地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

（1）ALE功能：

用来锁存P0口送出的低八位地址。

AT89C51在并行扩展外存储器时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。

当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是低8位地址信号。

在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。

需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令，ALE以时钟振荡频率1/6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。

但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。

（2）

功能：

片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲