单片机控制的LED滚屏显示屏的设计.doc

1、 唐山工业职业技术学院 毕业设计（论文、创作）说明书 题目 单片机控制的 LED 滚屏显示屏的设计 系别 自动化工程系 班级 11电气 11 姓名 学号 118993104 指导教师 2014 年 04 月 30日 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 2 - 目 录 摘要 .3 关键字 .3 一、前言 .4 1.1 背景 .4 1.2 LED显示屏的发展趋势 .4 二、总体方案设计与分析 .4 2.1 总体硬件方案 .4 2.2 系统总体电路的框架 .5 三、系统的硬件设计 .5 3.1 AT89C51 单片机最小应用系统 .5 3.1.1 单片机 AT89C51.5 3.

2、1.2 AT89C51最小应用系统 .6 3.2 显示部分 .7 3.2.1 16x16 点阵单元 .7 3.2.2 LED 点阵的动态显示文字图形原理 .9 3.2.3 16x16 LED 驱动电路 .10 3.3 驱动元件简介 .12 3.3.1 移位寄存器 74HC595.12 3.3.2 译码器 74HC154.13 3.3.3 7406 芯片 .14 四、仿真及调试 .14 4.1 ROTEUS 仿真软件介绍 .14 4.2 PROTEUS 仿真调试过程及结果 .15 五、总结与收获 .17 参考文献 . .18 附录 . .19 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者：

3、- 3 - 单片机控制的 LED 滚屏显示屏的设计 设计者： 11 电气 11 摘 要 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 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 4 - 一、

4、前言 1 1 背景 LED 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万几十万个半导体发光二 极管像素点均匀排列组成。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。而蓝色和纯绿色 LED的开发已经达到了实用阶段。 LED 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 在短短的十来年中， LED 点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。 LED 的发展

5、前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、 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。 LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（ 1）证券交易、金融信息显示。（ 2）机场航班动态信息显示。（ 3）港口、车站旅客引导信息显示。（ 4）体育场馆信息显示。（ 5）道路交通信息显示。（ 6）调度指挥中心信息显示。（ 7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。（ 8）广告媒体新产品等。 1 2 LED 显示屏的发展趋势 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

6、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

7、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。 二、总体方案设计与分析 2.1 总体硬件方案分析 点阵 LED 显示器是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块， LED 点阵显示屏可以显示数字或符号。 常见的规格有 5 7 及 8 8 两种可供选购。通常，要显示阿拉伯数字、英文字母、日文字母和特色符号等，可以采用 5 7 的点阵显示器即可够单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 5 - 用。要显示中文字，则需要 4片 8 8的点 阵显示器组合成 16 16的点阵显示器才能完整的显示一个中文字。 从理论

8、上讲，只要控制与组成这些图形或文字的各个所在位置相对应的器件发光，就可以得到想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。每个 16 16 的点阵共有 256 个发光二极管，显然单片机没有这么多端口。如果采用锁存器来扩展端口，那么按 8 位的锁存器来计算，一个 16 16 的点阵需要 256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为这里仅仅是 16 16 的点阵，而在实际应用中的显示屏往往还要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的 数。因此在实际应用中，显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。所谓动态扫描，简单的说就是逐行轮流点亮，这样扫描

9、驱动电路就可以实现多行（如 16 行）的同名列共用一套列驱动器。以 5 7 点阵为例，把所有同一行发光管的阳极连在一起，把所有同一列发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其点亮相同的时间，然后熄灭第十六行之后有重新点亮第一行，这样反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒 24 次以上）时，由于人眼的视觉暂留现象，我们就能看到显示屏上稳定的图形了 本次设计系统的硬件大体可分为三个部分 ： AT89C51 单片机作为主控制部分，行输入驱动由 4-16译码器 74HC154控制芯片 7406 实现，列输入驱动由四个 8位串行输入，串行或行输出三态移位寄存器 74

10、HC595实现。 2.2 系统的整体电路框架 图 2-1显示屏电路框 三、系统的硬件设计 3 1 AT89C51 单片机最小应用系统及外围电路 3.1.1单片机 AT89C51 简介 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 6 - AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 （ FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位 微处理器 ，俗称 单片机 。AT89C2051是一种带 2K字节 闪存可编程可擦除 只读存储器 的 单片机 。 单片机 的可擦除 只读存储器

11、可以反复擦除 1000次。该器件采用 ATMEL高密度非易失 存储器 制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪速 存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机 为很多 嵌入式控制系统 提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及 引脚 排列 ,如图 3-1所示。 图 3-1 AT89C51 的引脚排列 3.1.2 单片机最小应用系统 单片机最小应 用系统一般有两块：时钟电路和复位电路。 时钟电路由一个晶振和两个小电容组成，用来产生时钟频率。

12、复位电路由一个电阻、按键和一个电容组成，用来产生复位信号，使单片机上电的单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 7 - 时候复位。 图 3-2 时钟电路 AT89C51 单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器， XTAL1 和 XTAL2 分别为振荡器电路的输入端和输出端，时钟可由内部和外部生成， XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择 12MHz， C1、 C2的电容值取 22PF，电容的大小频率起微调的作用。 图 3-3 复位电路 单片机有多种复位电路， 单片机复位

13、电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分 /合过程中引起的抖动而影响复位。 本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，当上电时， C1相当于短路，使单片机复位，在正常工作时，按下复位时单片机复位。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但是大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某 些寄存器错误复位，在复位端加一个去藕电容， 则会得到很好的效果。 3 2 显示部分 3.2.1 16X16点阵单元 1616 点阵 LED 实物如下图所示。 设计时必须掌握点阵工作原理方能进行更深层

14、设计。 1616LED 点阵其实就是 4块 88 点阵 LED级联而成的，因此给出组成图及其原理图。如图 3-4 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 8 - 图 3-4 88 点阵 LED外观及引脚图 88 点阵 LED的工作原理。 图 3-5为 88 点阵 LED外观及引脚图，其等效电路如下图所示，只要其对应的 X、 Y轴顺向偏压，即可使 LED发亮。例如如果想 使左上角 LED点亮，则 Y0=1， X0=0即可。应用时限流电阻可以放在 X轴或 Y轴。而 1616 就是在 88原理的基础上将四块 88 级联而成，如图 3-6所示。 图 3-5 88 点阵 LED等效电路

15、单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 9 - 图 3-6 四块 8 8点阵 LED级联成 16 16点阵 3.2.2 LED点阵的 动态 显示文字图形原理 汉字显示屏用于显示汉字、字符及图像信息，在公共汽车、银行、医院及户外广告等地方都有广泛的应用。下面是简单的汉字显示屏的制作，由单片机控制汉字的显示内容。为了降低成本， 使用了四块 88 的 LED 点阵发光管的模块，组成了一个 1616 的LED 点阵显示屏。在实际的使用中可以根据这个原理自行的扩展显示的汉字，下面是介绍汉字显示的原理。 LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现

16、多行的同名列共用一套列驱动器。以 1616 点阵为例，把所有同一行的发光管的 阴 极连在一起，把所有同一列的发光管的 阳 极连在一起（共 阴 的接法），先送出对应第 1列 发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第 1列 使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第 2列 的数据并锁存，然后选通第 2列 使 其燃亮相同的时间，然后熄灭； 第 16列 之后，又重新燃亮第 1列 ，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒 24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单 片 机的资源。 显示数据可通过单片机的 P0， P2口接驱动电路传输到点阵

17、行引脚。 LED点阵显示模块进行的方法有两种： （ 1）水平方向（ X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），用另一个 P口输出行码（列数据），决定该列上哪个 LED亮（相 当于段码）。能亮的列从左到右扫描完 16列（相当于位码循环移动 16次）即显示出一个完整的图像。 单片机控制的 LED 滚 屏显示屏的设计 设计者： - 10 - （ 2）竖直方向（ Y方向）扫描，即逐行扫描方式（简称行扫描方式）：此时用一个P口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个 P口输出列码（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

18、 LED灯亮（相当于段码）。能亮的行从上向下扫描完 16行（相当于位码循环移位 16次）即显示一帧完整的图像。 本设计应用的是第二种的扫描方法，即竖直方向（ Y方向）扫描。 每一个字由 16行 16列的点阵形成显示，即每个字均由 256个 点阵来表示，我们可以把每一个点理解为一个像素。一般我们使用的 1616 的点阵宋体字库，即所谓的1616 ，是每一个汉字在纵横各 16点的区域内显示的。汉字库从该位置起的 32字节信息记录了该字的字模信息。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在 256像素范围内的任何图形。 我们以“习”为例来说明其扫描原理，每一个字由 16行 16列的点阵组成显示，

19、如图下的，如果用 8位的 AT89C51的单片机来控制，由于单片机的总线为 8位，一个字需要拆分成两个部分。一般我们把它分解成左部分和右部分，左部分由 168 （列行）的 点阵组成，右部分也由 168 （列行）的点阵组成。在本例中单片机首先显示的是左上角的第一行的部分，因为列接阴极， 0是亮， 1是灭，“习”字的上面两行的二进制码是 11111111,11111111,11000000,00111111，转换成对应的 16进制代码是0xFF,0xFF,0xC0,0x03，依此类推，就这样一行一行的扫描。如图 3-7所示。 图 3-7 显示原理图 3.2.3 16x16 LED 驱动电路 （ 1） 列驱动电路 列驱动部分 由 4 片 74HC595组成 32列的驱动。第一片驱动器的 SER端连接单片机的串行显示数据，其 Q7端连接下一片的 SER 端，各片均采用同样的方法组成 4片的级联。各片相应的 SRCLK、 SRCLR*、 RCLK端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据清除信号和输出锁存器打人信号 。如 3-8图。