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基于8x16x16LED点阵显示屏设计

目录

一、引言1

1.1课题背景1

1.2点阵LED国内外研究现状综述1

二、硬件系统的设计2

2.1LED行线锁存器2

2.216x16LED点阵3

2.38x16x16LED点阵显示屏的构建4

2.4系统电路原理图4

2.5驱动原理及驱动能力5

三、软件系统的设计6

3.1主程序6

3.2子程序8

四、系统调试10

五、设计心得10

六、参考文献11

附录12

致谢1

基于单片机的LED点阵显示屏设计

重庆三峡学院

摘要：

本设计以TA89C51单片机为主芯片，设计了一个由单片机控制的8x16x16LED点阵滚动显示屏控制系统。

硬件主要包括单片机、LED行线锁存器、LED列线锁存器、LED显示屏部分；软件部分主要有主程序、列扫描子程序、行输出子程序和脉冲移位子程序。

阐述了实现多个汉字在8x16x16LED点阵显示屏的动态显示，最终完成“王仁靖郑川邓梅汪晓群邹莉”12个字自右至左的连续或一次性滚动显示功能，进行了仿真实验（仿真）验证。

结果表明可以实现8x16x16LED点阵滚动显示，具有实际和适用的意义。

关键词：

单片机；LED点阵；显示屏

一、引言

1.1课题背景

LED显示器在工业控制系统和过程中的应用非常广泛。

作为显示终端，LED显示器主要用来显示文字和图形。

点阵LED屏在广告、宣传等方面的应用越来越普及。

利用单片机对点阵LED显示进行控制包括硬件和软件设计两个方面。

1.2点阵LED国内外研究现状综述

我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。

据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。

全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。

在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。

技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。

LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数人中，科技人员将近50%。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

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。

未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展。

该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。

并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。

并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。

目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。

但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。

因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。

二、硬件系统的设计

系统的硬件框图如图所示。

由单片机、LED行线锁存器、LED列线锁存器、LED列线译码器和LED点阵组成。

单片机选用TA89C51、LED行线锁存器选用74LS273、LED列线译码器选用74HC154、LED点阵选用16x16点阵。

2.1LED行线锁存器

LED行线锁存器采用74LS273，这个元件使用起来比较简单，它内部由8个D触发器构成，这些触发器的脉冲连接在一起即CLK端，由外部给定，上升沿有效。

MR是输出清零端，通常接高电平。

当D0—D7端有数据时，只要CLK端没有上升沿，Q0—Q7端输出无变化，任然为上次的输出；当CLK端的脉冲上升沿到来时，输出Q0—Q7把D0—D7的数据映射过去。

2.216x16LED点阵

在proteus中一个8x8LED点阵元件取出后，上面8个引脚是共阴极，下面8个引脚是共阳极。

这里我们把每个8x8LED点阵逆时针旋转90度，即把共阳极放在左边，共阴极放在右边。

所以有LED点阵的控制方法基本上都是把共阴极作为选通端，由单片机给出低电平循环扫描信号，把共阳极作为显示驱动端，由单片机点阵数据。

四个8x8LED点阵扩展成16x16LED点阵的方法如图：

图中，上半部分两个8x8LED点阵的各自8根共阳极线两两接在一起，分别取名H1、H2、H3、H4、H5、H6、H7、H8，称为行线，分别控制1到8行的共阳极。

同理，下半部分两个8x8LED点阵的各自8根共阳极线两两接在一起，分别取名H9、H10、H11、H12、H13、H14、H15、H16，称为行线，分别控制9到16行LED的共阳极。

列线的扩展。

左半部分两个8x8LED点阵的各自8根共阴极线两两接在一起分别取名L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8，分别控制1到8列LED的共阴极；同理，右半部分两个8x8LED点阵的各自8根共阴极线两两接在一起分别取名L9、L10、L11、L12、L13、L14、L15、L16，分别控制9到16列LED的共阴极。

扩展之后，16x16LED点阵的行线从上到下分别为H1到H16，列线从左到右分别为L8、L7、L6、L5、L4、L3、L2、L1、L16、L15、L14、L13、L12、L11、L10、L9。

2.38x16x16LED点阵显示屏的构建

本设计显示部分由8个16x16LED点阵组成LED点阵显示屏。

前面我们已经组建了一个16x16LED点阵汉字显示单元，按照此种行、列线连接方式，把8个16x16LED点阵显示单元的列线（共阴极端）的同名端分别接在一起，即8个L1并接在一起出一个引线端，8个L2并接在一起出一个引线端，……以此类推，在系统原理图中这些阴极端分别和译码器的16个端相连接。

显示屏的8个16x16LED点阵显示单元的行线（共阴极端）不相互连接，全部引出，共8组128个引线端，这些端子分别接不同的锁存器输出端。

由于每个锁存器的输出是由单片机发出的时钟信号来控制的，所以每个锁存器还需要一个时钟脉冲信号。

每个锁存器的输入端都并接在单片机的P0口，P0口分时传送不同的点阵数据，一次一个字节，通过锁存器的脉冲信号来决定由哪个16x16LED点阵的哪半列来显示。

显示屏128个行线的引脚分配如图示。

为了使接线清晰，第一个16x16LED点阵的16个行线分别叫做1H1、1H2、……1H16，第二个16x16点阵的16个行线分别叫做2H1、2H2……2H16,以此类推，第八个16x16点阵的16个行线分别叫做8H1、8H2……8H16,1H1到1H8接锁存器1，1H9到1H16接锁存器2；……故每个16x16LED点阵都需要两个锁存器。

在proteus中连接完成的显示屏即仿真效果如图。

2.4系统电路原理图

根据以上分析，在proteusISIS中设计系统原理如图所示。

系统电路原理图采用了总线绘制法，可以使图面清晰。

总线接法主要是以网络标识来连接元件。

核心器件为TA89C51单片机，其次是P0口数据的锁存电路。

因为P0口一次只能送出一个字节，所以想要实现8个字同时显示，需采用分时从P0口输出数据的方法。

P0口的数据可以传送至每个行锁存器输入端，经过程序判断使相应的锁存器锁存脉冲有效，达到对应16x16LED点阵接受对应数据的目的。

这和多位数码管显示的原理基本上是一致的。

16个锁存器的脉冲信号来自于单片机的P2口和P1口。

P3口的低四位作为4-16线译码器的输入信号，译码器输出接各16x16LED点阵的列线。

图中锁存器U2、U3接显示屏左边第一个16x16LED点阵行线，U5、U6接的二个，U7、U8接第三个，U9、U10接第四个，U11、U12接第五个，U13、U14接第六个，U15、U16接第七个，U17、U18接第八个。

锁存器脉冲与16x16LED点阵的对应关系从左到右分别为C1、C9、C2、C10、C3、C11、C4、C12、C5、C13、C6、C14、C7、C15、C8、C16.

在连接好显示屏电路后，为了得到较好的整体显示效果，把所有的LED按顺序紧挨着排放在一起，看起来像一个大的显示屏，把接线影藏在后面。

由于proteus的CPU模型内已嵌了时钟、复位电路和部分控制信号电路，所以此部分接线课省去。

Rp1是排阻，作为P0口的上拉电阻，AT89C51的P0口的驱动能力较其他三个口弱，所以在接显示器件时通常接上拉电阻。

2.5驱动原理及驱动能力

驱动原理：

以简单的8X8点阵为例，它共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。

　　一般我们使用点阵显示汉字是用的16x16的点阵宋体字库，所谓16x16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。

也就是说用四个8*8点阵组合成一个16x16的点阵。

比如要显示“你”则相应的点要点亮，由于点阵在列线上是低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字，则它的位代码信息要取反，即所有列（13~16脚）送（111101*********1，0xF7，0x7F），而第一行（9脚）送1信号，然后第一行送0。

再送第二行要显示的数据（13~16脚）送（111101*********1，0xF7，0x7F），而第二行（14脚）送1信号。

依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用，这样送16次数据扫描完16行后就会看到一个“你”字；第二种送数据的方法是字模信号送到行线上再扫描列线也是同样的道理。

同样以“你”字来说明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（0000000000000000，0x00，0x00）而第一列（13脚）送、“0”。

同理扫描第二列。

当行线上送了16次数据而列线扫描了16次后一个“你”字也就显示出来了。

驱动能力：

74LS273的驱动能力为20mA、5V。

三、软件系统的设计

系统的硬件结构及接线、点阵数据取莫方式是软件设计的基础。

硬件设计的合理，会给软件的设计带来很大的方便。

只有清楚硬件每一根连线及意义，才能快速的设计出合理、正确的程序来。

程序流程设计

程序采用汇编语言，主要有4部分，主程序、列扫描子程序、行输出子程序和脉冲移位子程序。

3.1主程序

主程序流程图如图示。

主程序主要完成初始化和对列扫描子程序的循环调用。

初始化是对单片机端口的初始化状态赋值，对行输出数据指针偏移量移量R0、R5及脉冲移位标志位20H赋初始值。

具体程序如下：

MOVP3,#11111111B;P3口提供译码信号

MOVP2,#10000000B;P2口作前四个字的锁存器的移位脉冲信号

MOVP1,#10000000B;P1口作后四个字的锁存器的移位脉冲信号

MOVP0,#00H;P0口作数据输出端

MOVR0,#00H;数据偏移量

MOVR5,#00H;数据偏移量之一

CLR20H;脉冲移位标志位

接下来的程序完成重复调用列扫描子程序SCAN，修改点阵数据指针首地址，使字出现滚动显示效果。

程序如下：

LOOP:

MOVDPTR,#TAB

LOOP0:

MOVR3,#226

LOOP2:

MOVR4,#6

LOOP1:

ACALLSCAN

DJNZR4,LOOP1

INCDPTR

INCDPTR

DJNZR3,LOOP2

CLRA

ADDA,20H

SJMPLOOP

主程序中还有一部分就是点阵数据块。

点阵数据放在以TAB位首地址的数据块中，为本组组员名字的点阵数据。

数据块如下：

;---转换字符王---;

DB000H,040H,002H,040H,082H,040H,082H,040H,082H,040H,082H,040H,082H,040H,0FEH,07FH

DB082H,040H,082H,040H,082H,040H,082H,040H,082H,040H,002H,040H,000H,040H,000H,000H

……

END

用MOVCA,@A+DPTR查表指令读取点阵数据，由P0口通过锁存器送给16x16点阵显示作为行驱动信号。

R3和R4分别指定两层循环的次数。

根据流程图中的参数可解释为，连续调用列扫描子程序SCAN6次，完成内层循环，然后使数据指针加二，在连续调用SCAN6次，直到R3等于226，且可以通过跳转语句不断重复执行以上过程。

3.2子程序

在主程序中，只调用了列扫描子程序SCAN。

在这里子程序是互

相嵌套的，列扫描子程序中又调用脉冲移位子程序，脉冲移位子程序又同时调用行输出子程序和延时子程序。

其流程图如图示。

列扫描子程序SCAN的流程图如图示。

每调用SCAN一次，8个字同时显示一遍。

P3口的初始数据为1111,1111，执行SCAN后，P3口内容连续加1，直到变为0000,1111，即低四位由第一次加1时的0000，变为1111。

译码输出依次使数显的列信号L1到L16为低电平。

每当选通一列，调用一次行输出子程序ROW，即完成8个字对应列所有行驱动信号的输出。

在ROW中每输出一个字节，R0加1.当16列扫描一遍后，R0为32，SCAN子程序返回，完成8字同显。

行输出子程序ROW是整个程序的关键，它决定着滚动显示程序设计的成败，其流程如图示。

主要完成点阵数据按一定的顺序输出。

调用一次ROW，P0口共输出字节数16个，不是取自同一个字，而是取同时显示的8个字的各相邻两字节；调用16次ROW才能完成8个字的所有点阵数据输出。

用R0和R5之和作为点阵数据指针的偏移地址，P0每输出一个字节数据，调相应的脉冲移位程序，并使R5加32，即下次P0取到的数应是下一个汉字对应位置的字节，直到计数器R6=6，即把8个字中某个对应的字节全部输出一遍；此时R0加1，R6、R5清零，以R0+R5内容为数据指针偏移量，把8个字中对应位置下一个相邻字节取走，再次使R0加1，即调用一次ROW，R0的值加2.

从显示效果上看，前8次P0数据输出控制对应点阵显示的上半部分，后8次数据输出控制对应点阵显示的下半部分。

当P0读取8个字中对应点阵显示上半部分的字节时，标志位20H=0不变，调用脉冲移位子程序PULSE使P2移位，输出C1到C8脉冲；当P0读取8个字中对应点阵显示上下部分的字节时，标志位20H=1，调用脉冲移位子程序PULSE使P1移位，输出C9到C16时钟脉冲，控制点阵数据到对应的锁存器输出，显示正确的字。

这里只用到成CI和C9两个脉冲。

脉冲移位子程序非常明了，每调用一次，完成C1到C16中一个脉冲移位输出。

在行输出子程序中，通过判断标志位20H的值，分两种情况来调用PUSLE。

当20H值为0时，P2（初值为1000,0000B）循环左移一位，使行输出锁存器C1到C8中有一个0到1的上升沿输出；当P2.7为1时，即移位8次，使标志位20H为1，下次调用执行P1口移位，使脉冲C9到C16有效。

四、系统调试

在KeilµVision3编程软件中进行汇编语言程序的编写和调试，然后生成“*.hex”十六进制文件，在proyeusISIS中双击单片机AT89C51元件，在弹出的对话框中选择“programfile”项，寻找在Keil中生成的“*.hex”文件，单击“OK”按钮，即相当于把软件下载到了单片机中。

单击proteusISIS中的仿真运行按钮，进行软、硬件交互仿真验证。

仿真结果如图示，“王仁靖郑川邓梅汪晓群邹莉”12个字从右到左滚动循环显示。

当需要调整单片机程序更改显示的字时，只需在Keil中再次生成“*.hex”文件即可，而不用将“*.hex”文件从新导入proteusISIS的单片机中去。

运行时的截图：

五、设计心得

以上仅对LED显示屏的结构和驱动、显示电路原理作一详细介绍和分析。

LED点阵的应用很广，对于不同的应用环境和应用要求，可以有各种各样的应用方式。

由于自己知识水平的局限和时间的仓促，设计中或还存在着一些不足，我真诚的接受老师们的批评和指正。

经过几周的努力学习和工作，我终于完成了设计。

从课题选择、方案论证到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，我不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，不懂就请教老师或同学，再接着提出新的问题，在这个往复的过程中，我这篇稚嫩的设计日趋完善。

每一次改进我都收获良多，虽然我的设计作品不是很成熟，而且借鉴了前人的很多资料，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程，更重要的是这个设计中我加入了自己鲜活的思想。

在做这次课程设计过程中使我学到了很多，加深了对数子电路的理解，验证了所学理论知识，提高了基本的解决实际问题的能力，并增加了对电子设计方面的兴趣。

更重要的是我体会到不论做什么事都要真真正正用心去做，才会使自己更好的成长，没有学习就不可能有实践的能力，实践才是最终的目的，没有实践就不会有自己的突破和创新，希望这次的经历能让我在以后的工作和生活中不断成长与进步。

就此作结！

六、参考文献

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航空航天大学出版社,2000.

[2]蔡朝洋.单片机控制实习与专题制作[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2006.11.

[3]丽凤，王艳秋，张军.单片机原理及接口技术[M]，北京：

清华大学出版社，2004.

[4]徐国华.模拟及数字电子技术试验教程[M]，北京：

北京航空大学出版社，2004.

[5]吴金戊，沈庆阳，郭庭吉.8051单片机实践与应用[M]，北京：

清华大学出版社，2004.

[6]李朝青.单片机原理及接口技术（第3版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2005.

[7]李光飞，楼然苗，胡佳文，谢象佐.单片机课程设计实例指导[M]，北京：

北京航空大学出版社，2004.

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哈尔滨工业大学出版社，2004.06.

[9]张洪润,刘秀英,张亚凡.单片机应用设计200例（上册）（下册）[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2006.08.

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电子科技大学出版社，2000.

[11]许小军.电子技术实验与课程设计指导.数字电路分册[M].南京：

东南大学出版社，2004.12.

[12]陆应华.电子系统设计教程[M].北京：

国防工业出版社，2005.02.

[13]王松武,赵旦峰,于蕾,王扬.常用电路模块分析与设计指导[M].北京：

清华大学出版社，2007.4.

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[15]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2005.02.

[16]汉泽西.EDA技术及其应用[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2004.05.

[17]王松武,于鑫,武思军.电子创新设计与实践[M].北京：

国防工业出版社，2005.1.

[18]proteus显示控制系统设计与实例清华大学出版社

[19]单片机课程设计指导（第二版）北京航空航天大学出版社

附录

一、元器件清单：

序号

元器件名称

规格

数目

1

单片机

AT89C51

1

2

4-16译码器

74HC154

1

3

锁存器

74LS273

16

4

LED点阵

8x8LED点阵

32

10

11

12

13

14

二、电路原理图：

三、仿真图

四、源程序：

ORG0000H

LJMPMAIN

ORG0030H

;*******************

;多字同显，每字锁存

;*******************

MAIN:

;============

;主程序初始化

;============

MOVP3,#11111111B

MOVP2,#10000000B

MOVP1,#10000000B

MOVP0,#00H

MOVR0,#00H

MOVR5,#00H

CLR20H

;====================

;控制文字变化速度

;=====================

LOOP:

MOVDPTR,#TAB

LOOP0:

MOVR3,#226

LOOP2:

MOVR4,#6

LOOP1:

ACALLSCAN

DJNZR4,LOOP1

INCDPTR

INCDPTR

DJNZR3,LOOP2

CLRA

ADDA,20H

SJMPLOOP

;====================

;扫描子程序

;=====================

SCAN:

INCP3

ACALLPORT

ACALLDELAY

CJNER0,#32,SCAN

MOVR0,#00H

RET

;====================

;移位脉冲子程序

;=====================

PORT:

MOVA,R0

ADDA,R5

MOVCA,@A+DPTR