基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计.docx

1、基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计本科毕业设计论文题目：基于单片机的LED电子显示屏控制系统设计姓 名： XXX学 号： XXX系（部）：XXX专 业： XXX班 级： XXX指导教师：XXX完成时间：2013年4月邢台学院2013届本科生毕业设计摘 要单片机自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，从此得到了广泛的应用，同时取得了飞速发展。随着科技的飞速迅猛发展，也带动传统控制及LED显示技术日新月异的更新。大型LED点阵广告牌与传统的广告宣传紧密结合成为新的媒体宣传工具，广泛应用于展览中心、金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、街道、高速公路等诸多公

2、共场所的信息显示和广告宣传。本文提出了一种实现单片机控制LED点阵显示屏的简单方案，初步介绍了单片机的基本结构以及LED的发光原理和特点，着重阐述了单片机的程序设计方法与LED点阵显示系统的工作原理，主要运用C语言编写源程序，并利用Proteus软件进行仿真，设计出了一个基于80C51单片机的88LED点阵的显示屏，能够实现“XINGTAIUNIVERSITY”字样的滚动显示。关键字：单片机；LED；显示系统邢台学院2013届本科生毕业设计AbstractMicrocontrollersinceitsintroductioninthe1970s,totheextremelyhighperfor

3、manceandlowcosttopeoplesattentionandconcern,fromawiderangeofapplications,andatthesametimehavemaderapiddevelopment.Withtherapiddevelopmentofrapidtechnological,butalsoledtothetraditionalcontrolandLEDdisplayandtechnologyupdate.LargeLEDdotmatrixbillboardsandtraditionaladvertisingiscloselyintegratedintot

4、henewmediapropagandatool,widelyusedintheexhibitioncenter,financialmarkets,hospitals,stadiums,airports,docks,stations,streets,highways,andmanyotherpublicplacesdisplayandadvertising.ThispaperpresentsasimpleLEDdotmatrixdisplayprogramtoachieveasingle-chipcontrol,theinitialintroductionofthebasicstructure

5、ofthemicrocontrollerandLEDlight-emittingprincipleandcharacteristics,focusingontheworksofMCUprogrammingmethodwithLEDdotmatrixdisplaysystemprimarilyusetheClanguagesourcecode,andProteussoftwaresimulation,designa88LEDdotmatrixdisplaybasedonthe80C51microcontrollercanachievethewordsXINGTAIUNIVERSITYrollin

6、gdisplay.Keywords:SCM;LED;DisplaySystem邢台学院2013届本科生毕业设计前言11 单片机简要介绍11.1单片机的涵义及特点11.2单片机的发展过程11.380C51系列单片机的基本结构21.480C51系列单片机的程序设计32 LED简要介绍52.1LED的发光原理52.2LED的特点52.3LED点阵原理63Proteus使用方法介绍73.1Proteus的功能介绍73.2Proteus的特点73.3Proteus原理图绘制73.4ProteusVSM仿真与分析74 LED显示系统的设计方案84.1设计目标84.2整体电路84.3硬件部分84.4软件部分

7、124.5仿真效果15邢台学院2013届本科生毕业设计4.6印刷电路板（PCB）18结论18致谢19参考文献20邢台学院2013届本科生毕业设计前 言LED全称为“Lightemittingdiode”，是一种信息发布的重要载体。因其具有亮度高、功耗小、易于集成、驱动简单等很多显著优点，被广泛应用于医院、金融系统、运输部门等社会各个领域。LED显示屏发展较快，其无论在成本和生产的社会效益等方面都有其独特的优势。本文初步介绍了有关单片机的基本结构和指令系统以及LED的发光原理和特点，重点阐述了单片机的程序设计方法与LED点阵原理，设计了一个由80C51单片机控制的88LED点阵显示，可滚动显示“

8、XINGTAIUNIVERSITY”字样，并利用Proteus软件进行仿真。1单片机简要介绍1.1单片机的涵义及特点在一片集成电路芯片上集成微处理器、存储器、I/O接口电路，从而构成了单芯片微型计算机，即单片机。单片机体积小、控制功能强，其非凡的嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的优势。目前，单片机应用技术已成为电子应用系统设计中最为常用的技术手段。单片机的特点:（1）集成度高，体积小，可靠性高单片机的功能集成在一个晶片上，高集成度，最小尺寸。该芯片本身是由工业测量和控制环境，内部布线很短，其抗噪声性能优于一般的CPU。单片机程序指令，常数和表ROM固化不易破坏，在一个单芯片多信号通

9、道，高可靠性。（2）控制功能为了满足对象的控制要求，单片机的指令系统，他们是极其丰富：分支转移能力，I/O端口的逻辑运算和位处理能力，适合特殊控制功能。（3）低电压，低功耗，便携式产品容易生产为了满足广泛应用于便携式系统，单片机的工作电压为1.8V至3.6V只，操作只有几百微安电流。（4）易于扩展该表拥有计算机的正常运行的必要组成部分。扩展总线和并行芯片，易形成规模的串行输入/输出引脚的计算机系统中的应用3。1.2单片机的发展过程单片机技术发展十分迅速，产品种类琳琅满目。我们纵观整个单片机技术发展过程，1邢台学院2013届本科生毕业设计可简述为：1971英特尔公司开发的世界上第一个4位微处理器

10、；英特尔霍夫成功研制出世界上第一个4位微处理器芯片的英特尔4004，标志着第一代微处理器和微机时代开始。由于微处理器的发明，有英国经济学家杂志的一个“最有影响力的第二次世界大战以来的七个科学家”。1971年11月，英特尔推出了监控-4微机系统（包括4001的ROM芯片，4002的内存芯片，4003个移位寄存器芯片和单片机4004）4004含有2300个晶体管，尺寸34mm的计算性能远超过一年的，最初售价为200美元。1972年4月，Hough等人开发的第一个8位微处理器英特尔8008。由于8008是一个P沟道MOS微处理器，因此仍属于第一代微处理器。1973英特尔公司开发的一个8位微处理器80

11、80；1973年8月，Hough等人，开发了一个8位微处理器英特尔8080，取代P沟道MOS电路，第二代微处理器就此诞生了。8080芯片的时钟速度比8008在2MHz运行速度的10倍，使用64KB内存，使用6000个晶体管的基础上，6微米技术，处理速度0.64mips（百万条指令每秒）。1975年4月，MITSAltair8800发布了第一个通用，售价为375美元，与1KB的记忆。这是世界上第一个微型计算机。1976年Intel公司研制出了MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛应用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、

12、Motorola和Intel三家公司在微处理器的领域三足鼎立。20世纪80年代初，英特尔公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列的单片机无论是片内的RAM容量，I/O口功能，系统扩展的方面都有了大的提高4。1.380C51系列单片机的基本结构80C51基本型单片机的组成如图1-1所示。图中，与并行口P3复用的引脚有：串行口输入和输出引脚RXD和TXD；外部中断输入引脚INT0和INT1；外部计数输入引脚T0和T1；外部数据存储器写和读控制信号WR和RD。由图1-1可见，80C51单片机基本型包含：（1）CPU系统：8位CPU，含布尔处理器；时

13、钟电路；总线控制。（2）存储器系统：4K字节程序存储器（ROM/EPROM/Flash,可再外扩64K）；128字节数据存储器（RAM,可再外扩64K）；特殊功能寄存器SFR。2邢台学院2013届本科生毕业设计图1-180C51基本型单片机的组成（3）I/O口和其他功能单元：4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口（UART）；中断系统（5个中断源、2个优先级）1。1.480C51系列单片机的程序设计单片机应用系统的程序设计，不仅可以采用汇编语言完成，也可以采用C语言实现。汇编语言对单片机内部资源操作直接、简洁，代码紧凑。但是当系统的规模较大时，设计人员更倾向于采用C语言

14、进行程序设计。这是因为C语言具有良好的可读性、可移植性和基本的硬件操作能力。现在有多种可以对80C51单片机进行操作的C语言，它们通常统称为C51。采用C51进行单片机应用程序设计，编译器能自动完成变量存储单元的分配，编程者可以专注于应用系统的逻辑思想；对常用功能模块和算法编制相应的函数，也可以方便地进行算法和应用程序的移植。C51程序由一个或多个函数构成，其中至少应包含一个主函数main。程序从主函数开始执行，调用其他函数后又返回主函数，被调用函数如果位于主调函数前面，可以直接调用，否则应该先说明后调用。被调用的函数可以是用户自编的函数，或者是C51编译器提供的库函数。典型示例如下：#inc

15、lude#includevoiddelayms(unsigned);voidmain(void)3邢台学院2013届本科生毕业设计unsignedchari;P1=0x01;dofor(i=0;i=7;i+)delayms(5000);P1=P11;if(P1=0x0)P1=0x01;while(1);unsignedcharj;while(x-)for(j=0;j123;j+);C51的程序结构可分为顺序结构、选择结构和循环结构。因为顺序结构比较简单，这里只对选择结构和循环结构进行简单介绍。（1）选择结构在C51中，选择语句有条件语句和开关语句两种,这里只介绍条件语句。条件语句，由关键词字i

16、f构成。有3种条件语句，这里只讲述其中一种：if(条件表达式)语句若条件表达式的结果为真（非0值），则执行后面的语句；反之若条件表达式的结果为假（0值），则不执行后面的语句。（2）循环结构在C51程序中，实现循环的方法有4种，这里主要讲述其中两种：1）do-while语句一般形式为：do语句while(条件表达式);该结构的特点是先执行给定的循环语句，然后在检查条件表达式的结果。当条件表达式的值为真（非0值），则重复执行循环体语句，直到条件表达式的值变为假（0值）时为止。对于此种结构，在任何条件下，循环体语句至少会被执行一次。4邢台学院2013届本科生毕业设计2）for语句一般形式为：for(

17、初值表达式;条件表达式;更新表达式)语句该语句执行时，先计算初值表达式，作为循环控制变量的初值，再检查条件表达式的结果，当满足条件时就执行循环语句并计算更新表达式，然后再根据更新表达式的计算结果来判断循环条件是否满足，一直进行到循环条件表达式的结果为假（0值）时退出循环体1，5-10。2LED简要介绍2.1LED的发光原理LED（LightEmittingDiode），也叫发光二级管，是一种固态的半导体器件，它能够直接把电能转化为光能。LED的核心部分由P型半导体和N型半导体而组成的晶片。在P型半导体，空穴的数量比自由电子的数量大得多，多数载流子为空穴，少数载流子是自由电子；在N型半导体，自由

18、电子的数量比孔学的数量大的多，载体中大多数为自由电子，少数载流子为空穴。半导体的它们之间的连接将是一个“P-N结”。当它两端加上正向电压时，电子就会被推向 P区，在P区的电子空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，半导体晶体会发出不同颜色的光，光电流的强度 与电流息息相关，这是LED发光原理。光的波长（颜色），是由物质形成P-N结的材料来确定的11。2.2LED的特点LED的内在诸多特征决定了其具有的很多优点，例如：（1）体积较小：LED大体上是一块被封装在环氧树脂里面的非常小的晶片，所以它特别小，而且重量非常轻。（2）耗电量较低：LED的耗电很低，直流驱动，超低功耗，它转换的电光功率大约为3

19、0%。通常LED的工作电压为23.6V，工作电流为0.020.03A，也就是说，同等的照明效果比传统的光源节能约80%，它所消耗掉的电能不能超过0.1W。（3）寿命长：许多人称LED灯光源是长寿灯。LED是固体冷光源，不存在灯丝，环氧树脂，灯体内没有松动的部分，一般不燃烧，热沉积，光线渐暗等缺陷，在适当的电压和电流下，寿命可达60000-100000小时，比传统光源的寿命大10倍之上。（4）高亮度，低热量：使用LED冷光源技术，比普通灯泡具有更少的热量。（5）环保：LED是由无毒材料制成的，不像荧光灯含有水银会造成污染，并可以循环利用。在它的光普中没有红外和紫外光谱，这意味着不产生热量，也不会

20、产生辐射，冷光源，可以安全的触摸，是典型的绿色照明的光源。5邢台学院2013届本科生毕业设计（6）耐用坚固：作为LED完全封装在环氧树脂内，所以比灯泡和荧光灯管应是坚固的。因为灯体内也没有松动的部分，所以LED不容易损坏。（7）多变化：LED光源可利用红，绿，蓝颜色三基色理论，在计算机技术的控制，使三种颜色具有256级灰度和混合用任何方法可以产生256256256=16777216种颜色，形成不同的光的颜色组合有很多，可以实现各种图像显示以及各种影响的动态变化。（8）最先进的技术：与传统光源单调的辉光相比，LED照明光源是电压较低的微电子产品，融合了计算机技术，图像处理技术，网络通信技术，嵌入

21、式控制技术等，它也是数字信息产品的在线编程的、灵活的、无限的可扩展性的特点12。2.3LED点阵原理88点阵LED外观及引脚如图2-1所示：图2-188点阵LED外观及引脚图从图2-2中可以看出，88点阵总共由64个发光二极管组成，而且它的每个发光二极管置于行线和列线的交叉点上，对应于所设置的水平线，一列设置为0电平，则相应的二极管就会发光光；要显示图形或字体时，只要考虑它的显示方式。可编程控制各显示点对应的LED的阳极和阴极端的电平，可以有效地控制显示灯。因此，要实现一根柱形的亮法，对应的一列为一根竖柱，或对应的一行为一根横柱，因此实现柱的亮的方法如下所述：一根竖柱：对应的列置0，而行则采用

22、扫描的方法来实现。一根横柱：对应的行置1，而列则采用扫描的方法来实现。在此，以88LED点阵对LED点阵显示模块进行扫描的方法进行一下详细的介绍：（1）水平方向扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：此时用一个P口输出列码，决定哪一列能亮（相当于位码），再用另一个P口输出行码（列数据），决定该列6邢台学院2013届本科生毕业设计上哪个LED亮（相当于段码）。能亮的列从左到右扫描完8列（相当于位码循环移动8次）即能显示出一个完整的图像。（2）竖直方向扫描，即逐行扫描的方式（简称行扫描方式）：此时用一个P口输出行图2-288点阵LED等效电路码，决定哪一行能亮（相当于位码），再另一个P口输出列码

23、（行数据，行数据为将列数据的点阵旋转90度的数据），决定该行上哪些LED灯亮（相当于段码）。能亮的行从上向下扫描完8行（相当于位码循环移动8次）即能显示一个完整的图像11-13。3Proteus使用方法介绍Proteus嵌入式系统开发平台开发是由Labcenter electronics公司进行的，它包括ISIS/ARES等的软件模块，ARES模块主要用于完成PCB（印刷电路板）的设计，ISIS模块用来完成电路原理图的布局和仿真。基于 VSM技术Proteus软件仿真，它与其他软件最大的不同也是最大的优势是，它可以模拟大量的单芯片，如 MCS-51系列，PIC系列等，以及单片机外围电路，如键盘

24、，LED，LCD等。它可以是各种处理器的实时仿真，调试和EDA工具测试，真的可以在没有目标样机时调试系统、测试和验证，具有较强的科学和技术代表性。本设计采用的是Proteus7.4版本。3.1Proteus的功能介绍Proteus具有智能原理布图、混合电路仿真与精确分析、单片机软件调试、单片机与外围电路的协同仿真、PCB自动布局与布线等全部的功能。3.2Proteus的特点（1）实现了单片机仿真与SPICE电路仿真相结合（2）支持主流单片机系统的仿真7邢台学院2013届本科生毕业设计（3）提供软件调试的功能（4）具有强大的原理图绘制功能（5）PCB设计以及自动布线14-163.3Proteus

25、原理图绘制电路原理图的设计方法和步骤：创建一个新的设计文件设置工作环境提取元器件在原理图中放置元器件编辑元器件绘制原理图建立网络表对原理图进行电气规则检测存盘及输出报表。3.4ProteusVSM仿真与分析原理图输入建立源代码文件（选择代码生成工具，建立新的源代码文件，源文件命名）源代码文件与单片机连接（源代码编辑，源代码汇编编译，程序加载到CPU）交互式仿真(可实时显示系统输出结果，元器件引脚电平)。4 LED显示系统的设计方案4.1设计目标设计一个基于80C51单片机的88LED点阵显示屏，实现“XINGTAIUNIVERSITY”字样的滚动显示。4.2整体电路对于整体电路，因为80C51

26、单片机P0口设计成了开漏极的结构,所以需要在P0口加上拉电阻。4.3硬件部分4.3.180C51单片机引脚功能80C51系列中，用CHMOS工艺制造的单片机都采用双列直插式DIP40脚封装引脚信号完全相同，其引脚图如图4-2所示。各引脚功能简述如下：（1）电源及时钟引脚（4个）VCC，电源引脚；VSS，接地引脚。8邢台学院2013届本科生毕业设计XTAL1，内部振荡电路反相放大器输入端，是外接晶振的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。图4-1整体电路图4-280C51单片机引脚图9邢台学院2013届本科生毕业设计XTAL2，内部振荡器的反相放大器输出端，是外接晶振的另一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（2）控制线引脚（4个）EA/VPP，内外程序存储器选择引脚/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚。