1616点阵LED电子显示屏的方案设计书.docx
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1616点阵LED电子显示屏的方案设计书
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
三、16×16点阵LED电子显示屏的设计
1．功能要求
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．方案论证
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要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，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制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。
因此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。
具体就16×16的点阵来说，把所有同1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），先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭，……第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形了。
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。
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，数据按顺序、一位一位地输出给列驱动器，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成列数据准备（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，以致影响到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，传送下一行的列数据。
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3-1为显示屏电路实现的结构框图。
3．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。
（1）单片机系统及外围电路
单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24MHz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。
P1和P2口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。
16×16点阵显示屏的硬件原理图如图3-2所示。
（2）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。
74HC595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SER是串行数据的输入端。
引脚SCLK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER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E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。
输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为0。
由于SCLK和RCLK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Q0～Q7，最高位Q7可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因Q7受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了Q7’，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
（3）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74LSl54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。
4．系统程序的设计
显示屏软件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。
根据软件分层次设计的原理，可把显示屏的软件系统分成两大层：
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它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。
显示驱动程序由定时器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。
从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。
（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：
刷新率（帧频）
其中fosc为晶振频率，t0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，等显示数据打人输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图3-3为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。
（2）系统主程序
系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出”效果显示一个图形（⑧），停留约3s；接着向上滚动显示“我爱单片机⑥”5个汉字及1个图形，停留约3s；再向左跑马显示“我爱单片机⑧”这5个汉字及1个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形（⑧）。
由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断地循环执行上述显示效果。
图3-4是系统主程序的流程图。
5．调试及性能分析
LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。
软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。
显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表3-1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
从理论上来说，24Hz以上的刷新率就能看到连续稳定的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新率越高，显示驱动程序占用的CPU时间也越多。
实验证明，在目测条件下刷新率40Hz以下的画面看起来闪烁较严重，刷新率50Hz以上的已基本觉察不出画面闪烁，刷新率达到85Hz以上时再增加画面闪烁将没有明显改善。
表3-1显示屏刷新率（帧频）与T0初值关系表（24MHz晶振）
刷新率／Hz
25
50
62．5
75
85
100
120
T0初值
0xEC78
0xF63C
0xF830
0xF97E
0xFA42
0xFB1E
0xFBEE
显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者可对照源程序自行分析。
这个方案设计的16×16点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；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；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。
6．控制源程序清单
以下是16×16点阵LED电子显示屏的源程序，分别采用C语言及汇编语言编写。
C程序在KeiltuVision2V2.30（C51.exeV7.0）环境下调试通过。
/*------------------------------------------------------------
16×16点阵LED显示屏程序
--------------------------------------------------------------*/
#include
#defineBLKN2/*列锁存器数*/
sbitG=0x97。
/*P1.7为显示允许控制信号端口*/
sbitRCLK=0x96。
/*P1.6为输出锁存器时钟信号端*/
sbitSCLR=0x95。
/*P1.5为移位寄存器清0端*/
voiddelay（unsignedint）。
/*延时函数*/
unsignedchardispram[32]。
/*显示缓存*/
/*------------------------------------------------------------
主函数voidmain（void）
--------------------------------------------------------------*/
voidmain（void）{
unsignedcharcodeBmp[][32]={/*字模表*/
{0xF9,0xB7,0xC7,0xAF,0xF7,0xB7,0xF7,0xB7,0xF7,0xBF,0x00,0x01,0xF7,0xBF,0xF7,0xB7,0xF1,0xD7,0xC7,0xCF,0x37,0xDF,0xF7,0xAF,0xF6,0x6D,0xF7,0xF5,0xD7,0xF9,0xEF,0xFD}/*我*/,
{0xFF,0x07,0xC0,0x6F,0xED,0xEF,0xF6,0xDF,0xC0,0x01,0xDD,0xFD,0xBD,0xFF,0xC0,0x03,0xFB,0xFF,0xF8,0x0F,0xF3,0xDF,0xF4,0xBF,0xEF,0x3F,0x9C,0xCF,0x73,0xF1,0xCF,0xFB}/*爱*/,
{0xF7,0xDF,0xF9,0xCF,0xFB,0xBF,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xDE,0xF7,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xFE,0xFF,0x00,0x01,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF}/*单*/,
{0xFF,0xBF,0xEF,0xBF,0xEF,0xBF,0xEF,0xBB,0xE0,0x01,0xEF,0xFF,0xEF,0xFF,0xEF,0xFF,0xE0,0x0F,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xDF,0xEF,0xDF,0xEF,0xBF,0xEF,0x7F,0xEF}/*片*/,
{0xEF,0xFF,0xEF,0x07,0xEF,0x77,0x01,0x77,0xEF,0x77,0xEF,0x77,0xC7,0x77,0xCB,0x77,0xAB,0x77,0xAF,0x77,0x6E,0xF7,0xEE,0xF5,0xED,0xF5,0xED,0xF5,0xEB,0xF9,0xEF,0xFF}/*机*/,
{0xF8,0x3F,0xE7,0xCF,0xDF,0xF7,0xBF,0xFB,0xB3,0x9B,0x73,0x9D,0x7F,0xFD,0x7F,0xFD,0x6F,0xED,0x67,0xCD,0xB3,0x9B,0xB8,0x3B,0xDF,0xF7,0xE7,0xCF,0xF8,0x3F,0xFF,0xFF}/**/
}。
registerunsignedchari,j,k,l。
SCON=0x00。
/*串行工作模式0：
移位寄存器方式*/
TMOD=0x01。
/*定时器T0工作方式1：
16位方式*/
TR0=1。
/*启动定时器T0*/
P1=0x3F。
/*P1端口初值：
允许接收、锁存、显示*/
IE=0x82。
/*允许定时器T0中断*/
while
（1）{
delay（500）。
/*延时2s*/
for（i=0。
i<32。
i++）{/*显示效果：
卷帘出┓*/
dispram[i]=Bmp[5][i]。
if（i%2）delay（100）。
}/*━━━━━━━━┛*/
delay（500）。
for（i=0。
i<6。
i++）{/*显示效果：
上滚屏┓*/
for（j=0。
j<16。
j++）{
for（k=0。
k<16。
k++）{
dispram[k*BLKN]=dispram[（k+1）*BLKN]。
dispram[k*BLKN+1]=dispram[（k+1）*BLKN+1]。
}
dispram[30]=Bmp[i][j*BLKN]。
dispram[31]=Bmp[i][j*BLKN+1]。
delay（100）。
}
}/*━━━━━━━━┛*/
delay（500）。
for（i=0。
i<6。
i++）{/*显示效果：
左跑马┓*/
for（j=0。
j<2。
j++）{
for（k=1。
k<9。
k++）{
for（l=0。
l<16。
l++）{
dispram[l*BLKN]=dispram[l*BLKN]<<1|dispram[l*BLKN+1]>>7。
dispram[l*BLKN+1]=dispram[l*BLKN+1]<<1|Bmp[i][l*BLKN+j]>>（8-k）。
}
delay（100）。
}}/*end（k=0。
k<16。
k++）*/
}/*endfor（i=0。
i<。
i++）*//*━━━━━━━━┛*/
delay（500）。
for（i=0。
i<32。
i++）{/*显示效果：
卷帘入┓*/
dispram[i]=0x00。
if（i%2）delay（100）。
}/*━━━━━━━━┛*/
for（i=0。
i<32。
i++）{/*显示效果：
卷帘入┓*/
dispram[31-i]=0xff。
if（i%2）delay（100）。
}/*━━━━━━━━┛*/
}/*endwhile
（1）*/
}
voiddelay（unsignedintdt）{/*延时函数*/
registerunsignedcharbt。
for（。
dt。
dt--）
for（bt=0。
bt<255。
bt++）。
}
voidleddisplay（void）interrupt1using1{/*显示屏扫描（定时器T0中断）函数*/
registerunsignedchari,j=BLKN。
TH0=0xFB。
/*设定显示屏刷新率每秒62.5帧*/
TL0=0x1E。
i=P1。
/*读取当前显示的行号*/
i=++i&0x0F。
/*行号加1，屏蔽高4位*/
do{
j--。
SBUF=dispram[i*BLKN+j]。
/*送显示数据*/
while（!
TI）。
TI=0。
}while（j）。
/*完成一行数据的发送*/
G=1。
/*消隐（关闭显示）*/
P1&=0xF0。
/*行号端口清0*/
RCLK=1。
/*显示数据打入输出锁存器*/
P1=i。
/*写入行号*/
RCLK=0。
/*锁存显示数据*/
G=0。
/*打开显示*/
SCLR=1。
}
以下为用汇编语言编写的字符显示控制程序：
。
**********************************************
。
*个16×16点阵电子屏字符显示器*
。
**********************************************
。
显示字用查表法，不占内存，字符用16×16共阳LED点阵。
。
效果：
向上滚动显示19个字，再重复循环。
。
R1：
查表偏址寄存器，B：
查表首址，R2：
扫描地址（00～0FH）。
。
R3：
滚动显示时控制移动速度，单字显示可控制静止显示的时间。
。
***************************************
。
*中断入口程序*
。
***************************************
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
RETI
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
RETI
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
。
***************************************
。
*初始化程序*
。
***************************************
。
。
***************************************
。
*主程序*
。
***************************************
START：
MOV20H，#00H。
清标志，00H为第16行开始扫描标志，01为1帧扫描结束标志
MOVA，#0FFH
MOVP1，A。
端口初始化
MOVP2，A
MOVP3，A
MOVP0，A
CLRP1.6。
串行寄存器输入打入输出控制位
MOVTMOD，#01H。
使用T0作16位定时器，行扫描用。
MOVTH0，#0FCH。
1ms初值（12MHz）
MOVTL0，#18H
MOVSCON，#00H。
串口0方式传送显示字节
MOVIE，#82H。
T0中断允许，总中断允许
MOVSP，#70H
MAIN：
LCALLDIS1。
显示准备，黑屏，1.5s
MOVDPTR，#TAB
LCALLMOVDISP。
向上滚动显示一页（8个字）
INCDPH
LCALLMOVDISP。
向上滚动显示一页（8个字）
INCDPH
LCALLMOVDISP。
向上滚动显示一页（8个字）
AJMPMAIN
。
***************************************
。
*多字滚动显示子程序*
。
***************************************
。
每次8个字，入口时定义好DPTR值
MOVDISP：
MOVB，#00H。
向上移动显示，查表偏址暂存（从00开始）
DISLOOP：
MOVR3，#07H。
移动速度
DISMOV：
MOVR2，#00H。
第0行开始
MOVR1，B
SETBTR0。
开扫描（每次一帧）
WAITMOV：
JBC01H，DISMOV1。
标志为1扫描一帧结束（16ms为一帧，每行1ms）
AJMPWAITMOV
DISMOV1：
DJNZR3，DISMOV。
一帧重复显示（控制移动速度）
INCB。
显示字的下一行（每行2字节）
INCB
MOVA，R1。
R1为0，8个字显示完
JZMOVOUT
AJMPDISLOOP
MOVOUT：
RET。
移动显示结束
。
***************************************
。
*单字显示子程序*
。
***************************************
；显示表中某个字
DIS1：
MOVR3，#5AH。
静止显示时间控制（16ms*#=1.6s）
DIS11：
MOVR2，#00H。
一帧扫描初始值（行地址从00～0FH）
MOVDPTR，#TAB。
取表首址
MOVR1，#00H。
查表偏址（显示第一个字）
SETBTR0。
开扫描（每次一帧）
WAIT11：
JBC01H，DIS11。
为1，扫描一帧结束
AJMPWAIT11
DIS111：
DJNZR3，DIS11
RET
。
***************************************
。
*扫描程序*
。
***************************************
。
1ms刷新一次，每行显示1s。
INTT0：
PUSHACC
MOVTH0，#0FCH。
1ms初值重装
MOVTL0，#18H
JBC00H，GOEND。
16行扫描标志为1，结束
INCR1。
取行右边字节偏址
MOVA，R1
MOVCA，@A+DPTR。
查表
MOVSBUF，A。
串口0方式发送
WAIT：
JBCTI，GO。
等待发送完毕
AJMPWAIT
GO：
DECR1。
取行左边字节偏址
MOVA，R1
MOVCA，@A+DPTR
MOVSBUF，A
WAIT1：
JBCTI，GO1
AJMPWAIT1
GO1：
SETBP1.7。
关行显示，准备刷新
NOP。
串口寄存器数据稳定
SETBP1.6。
产生上升沿，行数据打入输出端
NOP
NOP
CLRP1.6。
恢复低电平
MOVA，R2。
修改显示行地址
ORLA，#0F0H。
修改显示行地址
MOVR2，A。
修改显示行地址
MOVA，P1。
修改显示行地址
ORL
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