一种基于单片机实现LED点阵显示设计-智能电子、汽车服务学院毕业设计.doc

1、 智能电子、汽车服务学院毕业设计二零一七 年 四 月毕业设计题目专 业：电气自动化班 级：自动化 1411学 号：1301115118学生姓名：叶宇伟校外指导教师：钟晓强校内指导教师：XXXXX浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计2一种基于单片机实现 LED 点阵显示设计摘 要：伴随着科技的进步，LED 点阵显示屏作为一种新兴的显示器件走进我们的视野，它是由多个独立的 LED 发光二极管封装而成。通过 LED 点阵显示屏可以显示数字、符号以及文字，通常用在广告，指示牌，公告牌上。本设计利是一种基于 STC89C52 单片机的 16*16 点阵显示屏的设计，其中STC89C52 单

2、片机负责对整个系统进行总体控制，设计中使用 4 块 8*8 单红色点阵屏来组成 16*16 点阵屏，通过三极管来控制点阵的行方向的控制，而列方向的控制采用两片串行输入八位并行输出的 74LS595 级联来控制，通过快速的动态刷新来显示我们需要的内容，已达到动态显示的目的。关键词：点阵 单片机 译码器 动态扫描浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计2目 录专 业：电气自动化 .I第 1 章 绪 论 .41.1 课题的研究背景 .41.1.1 LED 电子显示屏概述 .41.1.2 LED 电子显示屏的分类 .41.1.3 设计任务 .51.2 MCS-51 系统单片机简介 .5第 2

3、 章 总体设计 .62.1 系统概述 .62.1.1 显示单元的选择 .62.1.2 滚屏方式选择 .62.1.3 关于屏幕的可扩展性 .62.1.4 单片机控制器的考虑 .72.1.5 关于点阵数据的存储方式 .7第 3 章 硬件电路设计 .73.1 整体设计框图 .73.2 主控电路 .83.2.1 STC89C52 单片机简介 .84）STC89C52 的内部组成 .11（1）模式 0 .14（2）模式 1 .14（3）模式 2 .15（4）模式 3 .153.3 LED 点阵显示电路 .163.3.1 74LS595 的总体特点和工作原理 .161）总体特点 .162)工作原理 .17

4、3.4 整体电路 .183.5 实物图 .18第 4 章 软件实现 .194.1 概述 .194.2 系统程序方案设计 .194.2.1 主程序设计 .204.2.2 子程序设计 .214.2.3 延时函数 .214.2.4 行选控制 .21总 结 .24参考文献 .27附录 1： 电路原理图 .28附录 2： LED 点阵显示源程序 .29附录 A 元件清单 .33浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计3第 1 章 绪 论1.1 课题的研究背景本文主要围绕点阵的特点开展的点阵设计，设计中的难度诸多如限流电阻的计算，扫描时间的控制等，下面我们就介绍下点阵的概况。1.1.1 LED

5、电子显示屏概述LED 电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百-几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的 LED 像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用阶段。 LED 显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED 显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由 LED 矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED 显

6、示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 LED 显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。 1.1.2 LED 电子显示屏的分类按颜色分类单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色） 。 双基色显示屏：红和绿双基色，256 级灰度、可以显示 65536 种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256 级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色

7、。 按显示器件分类LED 数码显示屏：显示器件为 7 段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。 LED 点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 按使用场合分类室内显示屏：发光点较小，一般 3mm-8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计4按发光点直径分类室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm 、26mm 室外屏发光

8、的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。1.1.3 设计任务本设计的任务就是完成一个 16*16 的点阵设计，并能滚动显示“一种基于单片机的 LED 点阵显示设计”内容。任务要求：（1） 1 块 16*16LED 点阵组成的显示屏（2） STC89C52 型单片机作为主控制器（3） 74HC595 驱动列，74LS154 和 8550 三极管驱动行1.2 MCS-51 系统单片机简介 MCS-51 系类单片机就有：1.可靠性高：因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于 PC 机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在 RO

9、M 中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运行时系统稳定可靠。2.便于扩展：片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多工扩展用的（总线，并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的就算计机应用系统。3.控制功能强：具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O 的逻辑操作指令，位处理指令。4.实用性好：体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。单片机的发展历史简介：第 1 阶段（1971 年1978 年） ，以 MCS-48 系列为代表，称 4 位单片机。在片内：CPU 有 4 位或 8 位;ROM 有 1KB 或 2KB;RAM 有 64B 或 128B;只有并行接口，

10、无串行接口；只有 1 个 8 位的定时/计时器;中断源只有 2 个。在片外：寻址范围只有 4KB;芯片引脚有 40 个。第 2 阶段（1978 年1983 年）以 MCS-51 系列为代表，称 8 位单片机。在片内：CPU 有 8 位;ROM 有 4KB 或 8KB;RAM 有 128B 或 256B;有串/ 并行接口;有 2 个或者 3 个 16 位的定时/ 计时器;中断源有 5 至 7 个。在片外：寻址范围有 64KB;芯片引脚有 40 个。第 3 阶段(1983 年以后),以 MCS-96 系列为代表，称 16 位单片机。在片内： CPU 有 16 位;ROM有 8KB;RAM 有 23

11、2B;有串/并行接口; 有 4 个 16 位的定时/计时器; 中断源有 8 个;增加了 D/A 和浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计5A/D 转换电路。在片外：寻址范围有 64KB;芯片引脚有 48 个或者 68 个。以上是对 MCS-51 系列以其优良的性价比，在我国得到了广泛的应用。浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计6第 2 章 总体设计2.1 系统概述一个完备的系统要考虑到多种问题的实现，点阵的设计也是如此，下面我详细说明我的设计过程。2.1.1 显示单元的选择显示一个简体汉字，至少需要 1616 点阵来描述。为了在较远距离处获得清晰的视觉效果，本设计采用

12、 4 个 88 点阵，像素直径 5mm 的红色 LED 模块拼接成 1616 点阵的 LED 阵列。这样每个 1616 汉字能够获得 1212cm 的显示尺寸，因此在 50 米处仍能清晰阅读。本设计要求整个屏幕能显示“你好！我是陆敏杰”一系列汉字，则需要用使用 16*16 红色点阵滚动显示。2.1.2 滚屏方式选择字符的位置在屏幕上实现移动，即术语“滚屏” 。可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。因此本设计采用软件算法实现左滚屏显示的常见滚屏方式。用软件来完成滚屏算法，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。2.1.3 关于屏幕的可扩展性除了基本要求外，本设计

13、还要实现显示单元数目的随意扩展。在传统的并行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，且每个显示单元的电路结构不同,PCB 结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。不仅板间连接简单，更是降低了 PCB 布局及布线的难度。每个显示单元的 PCB 都是完全一样的，便于浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计7量产。2.1.4 单片机控制器的考虑因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有 ARM7

14、 和高速 8 位单片机。ARM 的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM 内部的资源浪费严重，且成本较高。因此选择高速 8 位单片机作为控制器，常见的高速 8位单片机有 AVR 系列单片机， C8051F 系列单片机，STC89C52 单片机。这几种单片机的处理速度均能达到 1MIPS/MHz（在时钟频率为 1MHz 时处理能力为每秒 100 万条指令） ，但 AVR 系列单片机的极限时钟频率只能到 16MHz，而 C8051F 系列 SOC 类似于 ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源，而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。于是最佳选择为 STC89C52 系列

15、单片机，其最高时钟能到 40MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为 9 元/片。大幅降低了产品成本。2.1.5 关于点阵数据的存储方式目前使用最广泛的技术是，通过上位机软件将待显示的字符串转换为对应的点阵字模数据，通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在 E2PROM 中。在条屏显示的过程中按规定的方式取出 E2PROM 中的字模数据进行处理。对于一个 1616 点阵的汉字字模数据，需要连续 32 字节的 E2PROM 空间来存储。照此计算，若有 256 个需要显示的字符，则至少需要 32B256=8192 字节（8KB）的 E2PROM 存储空间。通常的单

16、片机内部没有集成这么大容量的 E2PROM。因此这种方案，需要在单片机外部扩展大容量的 E2PROM，增加硬件成本。上位机程序设计由于涉及到汉字取模，取模算法的难度较大。在多字下载的时候传输时间也较长。诸多弊端使本设计放弃了传统方案。因为本设计只需要很少的显示内容所以直接保存在STC89C52 中是足够的，因此没有使用外部设备。浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计8第 3 章 硬件电路设计3.1 整体设计框图经过对此设计的分析，为了能够实现要求，利用单片机 STC89C52 作为本系统的主控模块。LED 点阵显示屏作为显示模块，把单片机传来的数据显示出来，并且可以实现滚动显示。硬

17、件整体设计框图如图 1 所示：图 1 整体设计框图3.2 主控电路此方案通过主控电路控制完成 LED 点阵显示屏的字符滚动显示，主控制器使用 STC 公司生产的单片机 STC89C52。3.2.1 STC89C52 单片机简介 STC89C52 是 STC 公司推出的一款超强抗干扰，加密性强，在线可编程，高速，低功耗 CMOS 8 位单片机。片内含 8k bytes 的可反复擦写 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机数据存储器（RAM） ，器件采用 STC 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS51 指令系浙江工商职业技术学院智能电子、汽车服务学院毕业设计9统及

18、 8052 产品引脚兼容， 片内置通用 8 位中央处理器 （CPU）和 Flash 存储单元， 功能强大的 STC89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。1）STC89C52 外部结构及特性 其外形封装有两种方式：双列直插式 40 脚封装（DIP）和方形 44 脚封装 （PLCC） ，直插式40 脚封装（DIP）和外部总线结构如图 2 和图 3 所示： 图 2 STC89C52 引脚排列 图 3 外部总线STC89C52 的 4 个 8 位 I/O 口的功能说明如下：（1）P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。对

19、P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 （2）P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P1 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2 ）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） 。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 （3）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个