基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计.docx

基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计.docx

《基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计

题目基于51单片机的LED点阵电子显示屏设计

一、选题依据（拟开展研究项目的背景、目的及现实意义）

随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制驱动LED显示屏也应运产生。

LED因其体积小，耗电量低，亮度及环保等优点而被广泛应用于公共场所的大屏显示上，LED点阵大屏可应用于户外广告，交通导航，大厅公告，比赛的多媒体实时显示等领域。

本设计作品的用途正是在于实现大屏显示的核心功能，即显示功能。

可实际应用于简单的显示系统中，如简单的排队叫号显示屏，汉字显示屏、广告牌等。

通过此次设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑，校验，锻炼实践能力和理论联系实际的能力。

在现实生活中能够为人们提供方便。

二、文献综述（国内外研究现状分析、主要参考文献）

LED电子显示屏是近年来得到广泛应用的重要信息设备.这种显示屏具有耗电省、成本低、清晰度高、寿命长、显示内容的信息量大,外形美观大方,操作使用方便灵活,用户可随时任意自行编辑修改显示内容,显示方式图文并茂等优点,因此被广泛应用于商场、学校、银行、邮局[1]。

现阶段主要有以FPGA为核心的显示屏虽然具有数据处理量大，控制灵活等特点，但是FPG的亚稳态以及竞争冒险对输出的影响也是致命的[2]。

单片机采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器ＲAM、只读存储器ＲOM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成一个小而完善的微型计算机系统[3]，它的结构与指令功能都按照工业控制要求设计，故又称为微控制器（MCU）。

而以单片机为控制核心虽然不会出现竞争冒险现象，但是大多数设计所采用的显示驱动电路却占用较多的I/O[4-5]。

以单片机为核心部件设计的LED点阵电子显示屏电路，可以显示流动的的字幕，它具有实用性强，成本低，显示清析稳定，使用维护方便等优点。

是目前市场上很流行的电子广告牌，特别适用于各种信息公布和室外广告显示[6]。

除单片机AT89C51外，显示屏控制器的硬件电路部分由两个部分组成：

外部数据存储器的扩展、串行通信接口。

单片机的编程可以使用汇编语言，也可以利用C语言。

本此实验就是利用汇编语言进行编程。

对于利用AT89C51的点阵LED显示系统，优点在于电路实现简单，成本较低。

如果系统需要更大的字符显示库，只需要扩展AVR的RAM或EEPROM，并且用多个AVR单片机进行的通讯即可。

当然，这时需要注意数据写入时间问题，以免造成显示的不同步[7]。

[1]　周志敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京:

人民邮电出版社,2006.

[2]金星.基于LabVIEW的LED显示屏箱体温度测控系统设计[J].电视技术2011，35（9）：

54⁃57.

[3]王静霞.单片机应用技术（C语言版）［M］．北京:

电子工业出版社，2009

[4]王水鱼，王淼.利用LabVIEWLED显示屏设计[J].微型机与应用，2012，31（5）：

17.19.

[5]戴禄君，刘战峰.基于单片机的LED点阵显示系统的设计[J].计算机与数字工程，2014，42（4）：

734.738

[6]邱娟.LED点阵电子显示屏的设计[J].电子制作2013（23）:

8-9

[7]李昭静，韩超.基于单片机的LED点阵显示屏设计 [J].电脑知识与技术2011（11）:

2706-2707

三、研究方案（主要研究目标、研究内容、研究方法及创新之处）

LED显示屏通常由主控制器、扫描板、显示控制单元和LED显示屏体组成，主控制器从计算机显示卡获取一屏各像素的各色亮度数据，然后分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制LED显示屏上的若干行（列），而每一行（列）上的LED显示信号则用串行方式通过本行的各个显示控制单元级联传输，每个显示控制单元直接面向LED显示屏体。

主控制器所作的工作，是把计算机显示是配卡的信号转换成LED显示屏所需要的数据和控制信号格式。

显示控制单运的作用，和图像显示屏的情况类似，一般由带有灰度级控制功能的移位寄存器锁存器构成。

只是视频LED显示屏的规模往往更大，所以应该使用集成规模更大的集成电路。

基于51单片机实现大屏显示的核心功能，即显示功能。

通过软硬件的结合实践，锻炼学生的实践能力和编程能力。

单片机的硬件系统包括单片机最小系统，译码、锁存电路和显示电路。

熟悉掌握并动手实践。

利用C语言编程LED电子点阵显示屏的控制，主要包括主程序和时序程序。

通过这种方法可以实现自己想要表达的字幕，简洁方便，灵活多变，不需要太大的变动，模块化程度高。

摘要

LED点阵显示屏因为其具有运行可靠、安全节能、价格低廉、使用方便等特点而深受大家的喜爱。

随着时间的变迁，LED点阵显示屏在我们的生活中已经变得不可或缺，给我们的生活带来了极大的便利，使我们的生活更加的丰富多彩。

为进一步加深对LED的了解，增强动手操作能力，开展了基于51单片机的LED点阵显示屏设计。

本研究主要是讨论了基于51单片机的LED点阵的显示屏系统，并利用51单片机的程序设计实现LED点阵显示。

单片机的程序设计主要分为汇编程序设计和C程序设计两种，本次设计主要运用了汇编程序设计。

硬件电路采用AT89C51芯片和74LS154芯片，通过汇编语言编写程序并在Keil软件下进行程序仿真并连接实物电路，最后观察电路设计是否达到设计要求。

实验结果表明，设计目标与最终结果具有一致性，成功实现了设计目的，显示了我们所需要显示的汉字。

本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED显示的过程，以及硬件电路的设计与仿真。

关键词：

51单片机；C语言；LED显示屏；Keil仿真软件

Abstract

ThereasonpeoplelikeLEDdotmatrixdisplaysisthatitsreliableoperation,safety,energysaving,lowcost,easytouseandsoon.Astimegoesby,LEDdotmatrixdisplayhasbecomeindispensableinourlives,Itbringsgreatconvenienceandmakesourlifemorecolorful.TofurtherdeepentheunderstandingoftheLED,enhancehands-onabilitytocarryouta51-chipbasedontheLEDdotmatrixdisplaydesign.ThisstudymainlydiscussestheLEDdotmatrixdisplaysystembasedon51singlechipmicrocomputer.ThissystemachievesLEDdotmatrixdisplaybyusing51single-chipprogramdesign.ProgrammingofSingleChipMicrocomputerisdividedintoassemblyprogramdesignandCprogramming.ThisdesignisrealizedbyuseingtheCprogram.ThehardwarecircuitusestheAT89C51chipandthe74LS343chip.ThisdesignwritestheprogramthroughtheClanguage,andconnetctingcircuit,finallyobserveswhetherthecircuitdesignmeetsthedesignrequest.Theexperimentalresultsshowthatthedesigngoalisconsistentwiththefinalresult,andthedesigngoalisachievedsuccessfully.ThispaperstartswiththedisplayprincipleofLED,expoundstheprocessofLEDdisplayandthedesignandsimulationofhardwarecircuitindetail.

Keywords:

Single-ChipMicrocomputer;Assemblerlanguage;Light-emittingdiodedisplayscreen;Keilsimulation

引言

上世纪90年代随着蓝光LED灯的发明，科学家已经能够合成白光LED灯，LED灯正式进入照明领域，使其能为人类照明的功能得到了实现；也使LED显示成功实现了全彩色显示。

进入20世纪，LED产业蓬勃发展，它凭借着亮度高和价格低廉成为了广大消费者的宠儿，于此它的应用范围也越来越广，渗入到人类社会的方方面面。

成为众多媒体中的佼佼者，是目前国际上较为先进的显示为媒体之一[1]。

进入城市，我们会发现各种各样的LED显示屏早已占领各行各业。

无论是医院还是银行，火车站还是飞机场，高楼大厦还是普通商店，总是需要由LED显示屏制成的广告牌来吸引客户或者是用来公布一些重要的信息，这已经成为一种重要的广告手段和一种必要的宣传手段。

目前LED显示屏应用已越来越广范和越来越多样。

LED显示屏是由许多的LED发光二极管组成的，而它也是组成我们所研究的51单片机的一般控制设备。

而51单片机又是如何利用发光二极管实现信息发布的呢？

这主要分为两个部分来完成的，一部分是由硬件系统，而另一部分就是他的软件系统。

这两部分都可以由我们来设计研发，并为之向屏幕更大，信息成载量更多，动态滚动范围更广泛，色彩更加鲜艳而努力。

本次研究主要是利用51单片机来实现汉字的显示。

正文

1实验平台概述

1.1单片机概述

微型计算机是由运算器、控制器、存储器、输入/输出接口四个基本部分外加输入/输出设备等构成的,如果一块集成芯片包含了上述四个基本部分，则这种芯片就被称为单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机。

单片机系统就是由以单片机为核心的硬件电路[2]。

微型计算机自1976年诞生之后单片机也随之研制成功。

单片机历经3代发展，功能日已趋于完善，性能稳步提高，CPU的计算处理能力也在逐步增强，价格上也越来越迎合大众。

其中以Intel公司发布的MCS-51系列尤为突出，至今依然能够在市场上占据领导地位。

图1微型计算机的基本结构

通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部结构框图如下图2所示，包含有计算机的基本功能部件：

中央处理器、存储器和I/O接口电路等。

因此，当单片机与恰当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

经过4代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，即它们的CPU功能一直在不断增强，内部资源不断增多，引角功能趋向于多样化，而电压、功耗却一直在降低。

图2MCS-51单片机结构框图

1.2芯片简介

1.2.1MSC-51芯片简介

MCS-51系列单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O口等基本功能部件的一台计算机，其核心就是单片机芯片。

本次研究用到的芯片就是51系列中到的AT89C51芯片，AT89C51芯片带有4KBflash存储器的电压低、性能高的CMOS8位的微处理器，并因为它的使用灵活方便，为很多的嵌入式的控制系统提供了超高的性价。

AT89C51能够与MCS-51系列兼容，数据可以保留10年之久，具有128×8位内部RAM、32个可编程的I/O线，还具有低功耗的闲置和掉电模式，这些都是它深受欢迎的因素之一。

AT89C51具有40个引脚，每个引脚都有其特定的序号名称，图3是单片机的引脚排列。

由于MCS-51系列的引脚数目受限，导致很多引脚都是双功能。

其功能如下表1所示：

表1AT89C51引脚功能

引脚名称

功能

VCC/VSS

VCC是电源输入端，VPP（GND）是接地端

XTAL1/XTAL2

XTAL1晶体振荡电路的反向器输入端，XTAL2为输入端

RST/VPD

控制信号，RST为复位信号输入端；VPD为ROM备用电源输入端

ALE/

ALE为地址锁存允许信号；

编程脉冲输入端

外部存储器的读选通信号

/VPP

访问外部存储器控制信号

P0端口

8位漏极开路型的双向I/O口

P1端口

内部加有拉电阻的8位准双向I/O口

P2端口

内部加有拉电阻的8位准双向I/O口；访问外部存储器输出8位地址

P30端口

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;串行输入

P31

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;串行输出

P32

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;外部中断0输入

P33

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;外部中断1输入

P34

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;定时/计数器0外部输入

P35

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;定时/计数器1外部输入

P36

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;外部数据存储器写信号

P37

内部带上拉电阻的8位准双向I/O口;外部数据存储器写信号

图3AT89C51芯片引脚图

1.2.274LS154芯片简介

74LS154能够将4个输入编译成16个相互独立的输出，是一种4线-16线的高性能译码器，共有24个管脚，其管脚图如下图4所示。

其中：

20~23号引脚为4个低电平有效的译码地址输入端。

1~11与13~17号引脚为16个低电平有效的数据输出端。

12号引脚为公共端GND。

18、19号引脚为G1、G2是选通端，可以将地址端输入的信息编译成一个对应的输出端，在有效电平时输出。

74LS154还具有第二功能即作为一个1-16线的数据分配器。

图474LS154芯片引脚

2实验设计

2.1硬件系统设计

此次实验硬件系统部分不仅包含单片机及其外围电路部分，还包含LED点阵显示部分，为实现我们的实验目的和操作方便，我们借助了除了运用了AT89C51芯片，74LS154芯片外，还借助了时钟电路和上电加按键手动复位电路作为外周电路。

2.1.1时钟电路

单片机的时钟电路可分为内部时钟电路和外部时钟电路两种类型。

当AT89C51芯片的脉冲频率达到最高24KHz，其已经具备了内部本身自己形成的振荡电路，只要将石英震荡晶体的管脚与芯片AT89C51上的XTAL1和XTAL2的管脚相接就可以，与此同时，我们也要求将石英晶体与两个电容与地相接，如下图5所示。

图5内部时钟电路图

2.1.2复位电路

要想单片机初始化，复位电路是必不可少的。

单片机的复位电路包含两种：

上电自动复位和上电加按键手动复位。

本研究实验利用的就是第二种复位方式—上电加按键手动复位，电路图如下图6所示，当RST接高电平，我们按摁键时就可以进行复位。

图6上电加按键手动复位

2.1.3驱动电路

为节约单片机接口，提高效率，采用了74LS154芯片作为驱动芯片，作为一个4/16译码器，它能够有效减少占用单片机的接口。

2.2LED显示原理

2.2.1LED点阵显示屏

LED点阵显示屏是由发光二极管构成的显示点阵[3]，从原理上来讲，无论我们是想要显示数字，图形还是文字，只要我们把显示我们所需要显示的数字、图形、文字的位置的发光二极管点亮，我们就能得到我们所需要的显示结果。

LED显示屏由于点阵不同可以分为5×7、5×8、8×8、16×16等不同类型。

我们也可以利用其中一种尺寸组合成我们需要的点阵，如本次研究显示汉字LED显示屏我们可以直接运用16×16的点阵显示屏，也可以用4块8×8的点阵显示屏组成。

按照点阵显示模块的内部连接的不同可分为共阳极和共阴极两种[4]。

首先我们选择从行的角度上来看，如下图7所示，共阴极LED点阵是指每一行的8个LED的负极都连接到一块，形成8根行线，每一列的8个LED的正极也连接到一起，形成了8根列线，当8根行线与低电平连接，8根列线与高电平相接时就会使其与之对应LED发光；与之相反，共阳极连接就是每一行8个LED都是的正极连接到一块，形成行线，每一列的8个LED的阴极连接到一块形成列线，此时的行线则需要连接高电平，列线连接低电平才能使其与之相对应的LED被点亮。

共阴极LED点阵共阳极LED点阵

图7LED点阵

当然，8×8点阵可以显示数字图形等，但它无法显示汉字，如果想要显示出汉字文字，就需要使用16×16点阵显示，考虑到实验的灵活性与方便性，我们采用了4个8×8的点阵显示屏，其连接方式如下图8所示：

图816×16点阵显示器连接图

2.2.2LED显示方式

由上可知，LED显示图像或者文字均是需要它需要的位置发出亮光才能组成相应的图文信息，那么LED的显示图像方式可分为静态显示和动态显示两种显示方式。

通常LED的控制包括字形控制（显示什么字符）和字位控制（哪些位显示）[5]。

如果文字的每一位字形控制线是单独连接的，它们分别接到一个8位的I/O接口上，字位控制线也连接到另外的一个8位I/O接口上。

此时，如果我们想要显示一个字符时，只要使与之对应的LED与高低电平相接使之变亮即可。

这种显示方式是最简单实现也是最经济实惠的。

动态扫描[6]就是逐行或者逐列轮流点亮LED，可以实现多行的同名列或多列的同名行共用一套驱动器[7]。

简单的以16×16点阵显示来讲，将所有同一行的二极管的阳极连接到一块，所有同一列的二极管的阴极连接到一块，先将图文显示所对应的能够控制第一行LED被点亮还是熄灭的数据送出并锁存起来，然后接通第一行让它在一定的时间段内保持亮度，熄灭后再将第二行的数据输送并锁存，随之接通第二行保持一定的亮度与时间，熄灭。

循环往复，直至将所有行的信息数据都输送完毕之后，再重新将第一行点亮，如此反复轮回，利用人的视觉的暂留效果和发光二极管的亮度和持续时间长短使我们看到了一幅稳定的图文显示。

实际上，动态扫描的不稳定因素还有许多，首当其冲的就是它的闪烁问题，由实验可得，如果我们的动态扫描刷新频率小于50Hz即二极管的发光时间大于或者等于1ms时，就会出现闪烁问题，呈现出来的图像就不是那么稳定。

2.2.3电路原理图

本次实验的单片机及其外围电路为下图9所示，为保证LED显示文字稳定不闪烁，我们选择了刷新速度快的24MHz的晶振频率。

AT89C51芯片具有40个引脚，在本电路图中，我们占用了20个引脚。

单片机的P0和P2的每个接口都连接一上拉电阻与电源相接。

显示屏行显示没有采用驱动电路，为使稳定屏视屏显示、提高亮度故采取了分立元件三极管作为驱动电路[8]。

单片机P3口的四个口作为输入端译码器74LS154芯片相连，芯片74LS154芯片的16个输出端与显示屏的列相连，继而间接完成利用4个引脚控制显示屏的16个列。

此电路设计只占用了单片机的20个引脚。

剩余的P1口和P3口，在必要时可以扩展系统的ROM和RAM[9]。

图9电路原理图

2.3软件系统设计

2.3.1程序语言设计

单片机的程序设计语言可以分为三类,第一种是完全适用于计算机的机器语言，是用数字0和1来表示我们所需要表达的指令。

第二种为C语言程序设计，C语言是一种编程方式比较灵活、调试比较方便、编译比较高效的系统编程语言。

而使用具有C51编译扩展功能的C语言进行MCS-51单片机应用系统的开发编程，简称C51编程[10]。

第三种是汇编语言，汇编语言是一种比较高效的语言，占用资源比较少，能够对最底层的一些东西进行操作。

本次试验研究所利用的语言为汇编语言。

2.3.2汇编语言

单片机的30余种指令功能如果要用汇编语言来表达的话需要40多种助记符。

汇编语言与其他语言相比较而言就具有以下几点优点:

（1）指令执行需要的时间比较短。

（2）指令字节少。

（3）位操作指令多种多样。

这从侧边体现了51单片机具有面向控制的特点。

但其缺点也比较突出，其不具有可移植性，并且维护和修改都比较困难。

但汇编语言可以和C语言进行交叉汇编，集两种的语言的优点与一身，提高开发效率。

为了使LED点阵显示屏能够达到所要求的轮流显现“生物医学工程本班”8个汉字，我们采用了汇编语言。

2.3.3汇编程序

汇编程序是根据我们的电路设计而来的，先将单片机的P0口和P3口清除，将P0口和P3口连接到LED的16个行线，P0口的8个引脚控制LED的上半部分取值，P3口控制LED显示屏的下半部分取值。

选择P1口中4个口作为列输入的输入端，控制列的输出。

显示的每个文字之间都有一定时间的停留以确保文字显示的稳定性。

显示完第一个字开始进行下一个文字的扫描，如此循环8次之后，再从第一个字开始扫描，进入循环阶段。

2.3.3.1清除程序

先对显示屏进行清除。

MOVA,#0FFH

MOVP0,A

ANLP3,#00

MOVR2,#200

2.3.3.2延时程序

每个汉字取码完毕之后，需要跳转到延时程序，此程序是为了使每个汉字都具有一定的停留时间，使文字显示更加易于人们辨认。

延时子程序为：

MOVR3,#248

DJNZR3,$

2.3.3.3取汉字全部部分

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@A+DPTA

MOVP0,A

INCR0

MOVA,R0

MOVDPTR,#TABLE

MOVCA,@A+DPTA

MOVR3,A

INCR0

2.3.3.4进入循环

此程序具有3个循环，第一循环为汉字上半部分与下半部分16个字码取模是否完成；第二循环则为每个字的停留时间是否达到了；第三循环则为是否这8个汉字总256个码是否都送读完毕。

DJNZR6,L3;16个码是否完成？

DJNZR1,L2;每个字的停留时间是否到了？

MOV20H,R0

CJNER0,#0FFH,L1;8个字的256个码检测是否送完？

JMPSTART

2.3.3.5显示文字字模

下列程序为本次实验显示的“生物医学工程本班”8个汉字的汇编程序字模。

TABLE:

DB00H,82H,03H,02H,0CH,42H,78H,42H;生

DB08H,42H,08H,42H,08H,42H,0FFH,0FEH

DB08H,42H,08H,42H,08H,42H,08H,0C2H

DB18H,42H,08H,06H,00H,02H,00H,00H

DB02H,40H,3CH,40H,08H,80H,0FFH,0FFH;物

DB09H,00H,05H,08H,08H,30H,0F8H,0C2H

DB0FH,0CH,08H,70H,0FH,82H,08H,01H

DB08H,02H,1FH,0FCH,08H,00H,00H,00H

DB00H,00H,7FH,0FEH,40H,02H,45H,02H;医

DB49H,0AH,79H,0AH,49H,12H,49H,62H

DB4FH,82H,49H,42H,49