1、 摘 要 单片微型计算机，简称单片机。 1971 年 Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块 4 位微处理芯片 Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。单片机一种集成在电路芯片，是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的一个小而完善的计算机系统。 LED， 发光二极管 ， 是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件 ，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基 色粉发光的原理 ， 而采用电场发光 。 LED 点阵显示屏是利用发光
2、二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕 。 它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。利用不同的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。 LED 点阵显示屏可以显示汉字、数字或特殊符号，通常用来显示时间、速度、系统状态等。 本设计给出了一基于 MCS-51 系列单片机的 1616 点阵 LED显示屏的设计方案。包括系统具体的硬件设计方案，软件流程图和部分 C 语言程序等方面。在负载范 围内 , 只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展，是一种成本低廉的图文显示方案。本设计主要以 AT89C51 单片机为核心，采用串
3、行传输、动态扫描技术，来制作的一款拥有多功能的模块化 1616LED 点阵的多功能显示屏。 关键词 ： C51 单片机 ； LED 点阵 ； 驱动电路 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） Abstract The SCM is short for the single chip microcomputer, which also called microcontroller. 1971 Intel company successfully developed the worlds first four bit micro processing chip-the Intel 4004
4、， which marking the first generation of microprocessor was born, microprocessor and microcomputer era begins. SCM in an integrated circuit chips, is to use very large scale integrated circuit technology integrates the CPU that has ability of data processing, RAM ROM and variety of I/O port and inter
5、rupt system, timer/calculagraph function integrated a piece of silicon chips to constitutes such as a small and of perfect computer system. LED, light-emitting diodes, is a kind of converting electric power into the visible solid semiconductor devices, it has changed the principle of incandescent li
6、ght glow by tungsten filament and energy-saving lamps uses triphoshor powders, and adopt the principle of glowing electric glow. LED screen is using light-emitting diodes lattice modules or pixel unit composed of a flat display screen. It has high luminous efficiency, long service life, configure fl
7、exibly, rich color and for indoor and outdoor environment adaptiveness, etc. Use different materials can be made of different colors LED pixel. At present the most widely is red, green, yellow. LED screen can display characters, Numbers, or special symbols, usually used to display the time, speed, t
8、he system state, etc. It gives a design based on MCS-51 series microcontroller controller the 1616 lattice LED display design. Including system design scheme of concrete hardware and software flow chart and part C language program, etc. In load range, just through the simple cascade can expand on sc
9、reen, is a low-cost graphic display solutions. This design mainly by AT89C51 single chip computer as the core, and adopting the serials transmission, dynamic scanning technology to create one of the modular multi-function 1616 lattice LED screen . Key Words: MCS-51 SCM(single chip microcomputer)； La
10、ttice Of LED(light-emitting 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） diodes)； drive circuit 1 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 单片机的发展史 . 1 1.2 单片机的发展趋势 . 1 第 2 章 8051 单片机的体系结构 . 4 2.1 单片机基本内部资源 . 5 2.2 储存组织 . 7 2.3 单片机系统外围电路 . 8 第 3 章 LED 电路 . 10 3.1 LED 简介 . 10 3.2 1616 点阵 LED 原理及应用 . 11 3.3 LED 点阵的显示文字图形原理 . 12 3.4 驱动方式 . 15
11、3.5 点阵的移动 . 17 第 4 章 系统总体方案 . 21 第 5 章 仿真与调试 . 23 5.1 Proteus 的基本性能概述 . 23 5.2 Proteus 仿真要求 . 23 5.3 Proteus 仿真步骤 . 23 5.4 Proteus 仿真结果 . 26 5.5 仿真问题与解决 . 27 第 6 章 总结与展望 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 30 1 第 1 章 绪论 1.1 单片机的发展史 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、 MCU、 SOC 三大阶段。 第一个阶段是 SCM， 即单片微型计算机（ Si
12、ngle Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。创新模式获得成功，奠定了SCM 与通 用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上， Intel公司功不可没。 第二个阶段是 MCU， 即微控制器（ Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看， Intel 逐渐淡出 MCU的发展也有其客观因素。在发展 M
13、CU 方面，最著名的厂家当数 Philips 公司。 Philips公司以其在嵌 入式应用方面的巨大优势，将 MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记 Intel 和 Philips 的历史功绩。 第三个阶段是 SOC，即单片机嵌入式系统。 单片机的 嵌入式系统的独立发展之路，向 MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势。随着微电子技术、 IC 设计、 EDA 工具的发展，基于 SOC 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片
14、微控制器延伸到单片应用系统。 1.2 单片机的发展趋势 CMOS 化 ， 近年 由于 CHMOS 技术的进步 ，大大地促进了单片机的 CMOS 化。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。这也是今后以 80C51取代 8051为标准 MCU 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。 CMOS 电路的特点是低功武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的 TTL 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了 HMOS（高密度、高速度
15、MOS）和 CHMOS 工艺。 CHMOS 和 HMOS 工艺的结合。目前生产的 CHMOS 电路已达到 LSTTL 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合优势已在于 TTL 电路。因而，在单片机领域 CMOS 正在逐渐取代 TTL 电路。 低功耗化单片机的功耗已从 毫瓦 级，甚至 1uA 以下；使用电压在 36V 之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化几乎所有的单片机都有 WAIT、 STOP 等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在 36V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达12V。目前
16、 0.8V 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。 大容量化以往单片机内的 ROM 为 1KB4KB， RAM 为 64128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 ROM 最大可达 64KB，RAM 最大为 2KB。 高性能化主要是指进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度 和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（ RISC）结构和流水线技术
17、，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS（ Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其 I/O 功能，由此引入了虚拟外设的新概念。 小容量、低价格化与上述相反，以 4位、 8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成 电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品 1。 外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能武汉工程大学邮电
18、与信息工程学院毕业设计（论文） 把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 CPU、 ROM、 RAM、定时器 /计数器等以外，片内集成的部件还有模 /数转换器、 DMA 控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位 OTP（ One Time Programble）及各种类型片内程序存储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机 “ 单片 ” 应用结构的发展。特别是 I/C、 SPI 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，
19、单片机系统结构更加简化及规范化。 单片机作为当前应用广泛的嵌入式系统的核心部分之一，具有体积小、速度快、功耗低、价格低廉等特点，在仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控等诸多领域得到广泛的应用 。 例如，在冰箱、微波炉、洗衣机等家用电器中使用单片机控制系统，可以使它们更加智能地工作；电话、传真、打印机中可以使用单片机系统控制拨号打印 ； 单 片机还可以在工业控制和机电一体化系统中作为核心控制部件 1。 为了顺应市场需求，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，低功耗、高性能，它们各具特色，为单片机的应用提供了广阔的天地。在此文
20、中所运用的是 MCS-51 系列单片机， MCS-51 单片机 卓越的性能深受广大单片机爱好者的喜爱。本文运用的即是 MCS-51 单片机。 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 第 2 章 8051 单片机的体系结构 51 单片机系统内部结构由 8 位中央处理器、时钟模块、 I/O 端口、内部程序存储器、内部数据存储器、 2 个 16 为定 时计数器、中断系统和一个串行通信模块组成，如图 2.1 所示。 图 2.1 单片机系统内部结构图 51 系列单片机内部模块的功能将要说明如下： （ 1） 中央处理器：单片机的核心部件，执行预先设置好的程序代码，负责数据的计算和逻辑的控制。 （
21、2） 程序存储器：存放程序代码。 （ 3） 数据存储器：存放程序执行过程中的数据。 （ 4） 中断系统：根据设置接收单片机的各中断事件，提交到处理器。 （ 5） 时钟模块：提供整个单 片机所需要各个时钟信号。 （ 6） 可编程串行口 ： 根据设置进行串行数据通信 。 （ 7） 16 位定时计数器：根据设置进行定时或计数工作。 （ 8） I/O 端口：与外部接口部件通信，进行数据交换。 CPU 运算部件 控制部件 RAM P0口 P2口 ROM (EPROM) 串行口 C / T 中断 系统 SFR P1口 8 P3口 8 8 8 XTAL1 XTAL2 EA PSEN ALE RESET 外部
22、总线 cc Vss 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） 2.1 单片机基本内部资源 1. 单片机内部资源 基于 51 核的单片机的内部资源如下： （ 1） 32 个 I/O 端口， 4 组 8 位，可以位寻址。 （ 2） 2-3 个 16 位定时计数器。 （ 3） 两个外部中断。 （ 4） 5 个中断源， 2 个中断优先级。 （ 5） 一个全双工的异步串行口。 （ 6） 128Byte 以上的 RAM。 （ 7） 独立的，可扩展至 64KB 的 ROM2。 8051 单片机引脚图，如图 2.2 所示。 图 2.2 单片机引脚图 2. 并行 I/O 口引脚（复用） 并行 I/O 口引
23、脚（复用） 如下： 武汉工程大学邮电与信息工程学院毕业设计（论文） （ 1） P0 口 8 位双向三态 I/O 口；使用外存时，分时复用地址线（低 8 位） /数据总线。 （ 2） P1 口 8 位（带 上拉 电阻）准双向 I/O 口； （ 3） P2 口 8 位准双向 I/O 口；访问外存时只输出地址高 8 位； （ 4） P3 口 8 位准双向 I/O 口；每个脚还具有第二功能，如表 2.1 所示 。 表 2.1 单片机引脚控制功能表 引脚 转义引脚 功能说明 P3.0 RXD 串行数据接收端 P3.1 TXD 串行数据发送端 P3.2 INT0 外部中断 0 请求 P3.3 INT1 外
24、部中断 1 请求 P3.4 T0 计数器 0 外部输入 P3.5 T1 计数器 1 外部输入 P3.6 WR 外部数据存储器写 P3.7 RD 外部数据存储器读 3. 控制引脚 控制引脚 如下： （ 1） RST：复位信号，晶振工作后 2 个机器周期的高电平复位 CPU。 （ 2） ALE：地址锁存信号，用于访问外存时锁存低 8 位址， ALE 为晶振 6 分频。 （ 3） PSEN：外部程序存储器，从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。 （ 4） EA ：允许访问片内外程序的存储器控制端。当 EA =1 从内部开始执行程序；当 EA =0 只访问外程序存储器。 4. 电源及时钟引脚 电源及时钟引脚 如下： （ 1） X1：接外部晶体此引脚接地，又是内部振荡器的输入端。
