1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于单片机 LED 电子显示屏的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 LED 点阵显示屏作为一种新兴的显示器件 ,是由多个独立的 LED 发光二极管封装而成 . LED 点阵显示屏可以显示数字或符 号 , 通常用来显示时间、速度、系统状态等。 本设计是 4个 16 16点阵 LED 电子显示屏的设计。整机以美国 ATMEL 公司生产的 40脚单片机 AT89S51为核心，介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个行驱动器 74LS154和八
2、个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示 4个汉字，采用 16块 8 x 8点阵 LED 显示模块来组成 4个 16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。文 中详细介绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。 关键词 ： AT89S51 单片机； LED；点阵显示；动态显示 Abstract As a popular display device component, LED dot-matrix display board co
3、nsists of several independent LED (Light Emitting Diode). The LED dot-matrix display board can display the number or sign, and it is usually used to show time, speed, the state of system etc. This design is 4 16 16 lattice LED electron display monitor design.The whole equipment is with the 40-pin AT
4、89S51 MCU (Micro Controller Unit) produced by the American ATMEL company at the core, introduced take it as the control system LED lattice electron display monitor dynamic design and the development process. Controls good driver 74LS154 andeight row driver 74HC595 through this chip actuates the disp
5、lay monitor demonstration. The electronic screen can show all kinds of written or monochrome images, one full screen display Chinese characters,sixteen pieces of 8 x 8 dot-matrix LED display modules to form the 16x16 dot matrix display mode. Show dynamic show that makes static graphic or text can be
6、 achieved, shifted out of various formats. This paper describes the hardware design of the LED dot matrix display, and the principle function of the various parts of the circuit, the corresponding software program design and the use of some such. Key words:AT89S51 Micro Controller Unit ； LED ； Latti
7、ceDisplay ；DynamicDisplay 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 问题提出 . 1 1.2 课题背景 . 2 第二章 功能要求及方案论证 . 3 2.1 功能要求 . 3 2.2 显示模块方案论证 . 3 2.3 数据传输方案论证 . 5 第三章 系统硬件电路的设计 . 6 3.1 单片机系统及外围电路 . 6 3.2 列驱动电路 . 8 3.3 行驱动器 . 10 第四章 系统程序的设计 . 12 4.1 显示驱动程序 . 12 4.2 系统主程序 . 13 第五章 调试及性能分析 . 19 5.2 理论性能分析 . 19 5.3 系统调试 . 19 第六章 总 结
8、. 21 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 24 第一章 绪论 1.1 问题提出 在某些半导体材料的 PN 结中， 注 入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压， 少量 载流子难以注入， 所以 不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管， 俗 称 LED 。 LED 显示屏 是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来 显示文字、图形、图像、行情、动画、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视频显示屏，均由 LED 矩阵块组成。图文显示屏可以和计算机同步显示汉字、英
9、文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、电视、录像、 VCD 节目以及现场实况。 LED 显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，多用于车站、码头、机场、医院、商场、银行、宾馆、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 它的 优点： 亮度高、响应速度快、功耗小、低电压、耐冲击、耐震动、寿命长等优点 。 随着 LED 显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也得到了发展。它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，单片机在其中也占有一席之地。但是 LED 显示屏控制复杂，特
10、别是对于显示特殊效果， 要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影 等现象。总之， LED 显示屏控制卡的设计中硬件是一方面因素，同时还要兼顾到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本论文提出基于普通 51系列单片机实现 LED 显示屏控制的原理及方法。 1.2 课题背景 LED 显示屏的发展历史： 1970 年代最早的 GaP、 GaAsP 同质结红、黄、
11、绿色低发光效率的 LED 已开始应用于指示灯、数字和文字显示。从此 LED 开始进入多种应用领域 ，包括宇航、飞机 、 汽车 、工业应用、 通信 、消费类产品等，遍及国民经济各部门和千家万户。 最近十年，高亮度化、全色化一直是 LED 材料和器件工艺技术研究的前沿课题。超高亮度 (UHB)是指发光强度达到或超过 100mcd 的 LED，又称坎德拉 (cd)级 LED。高亮度 A1GaInP 和 InGaN LED 的研制进展十分迅速，现已达到常规材料 GaA1As、GaAsP、 GaP 不可能达到的性能水平。 1991 年日本东芝公司和美国 HP 公司研制成InGaA1P 620nm 橙色超
12、高亮度 LED， 1992 年 InGaA1p590nm 黄色超高亮度 LED 实用化。同年，东芝公司研制 InGaA1P 573nm 黄绿色超高亮度 LED，法向光强达 2cd。1994 年日本日亚公司研制成 InGaN 450nm 蓝 (绿 )色超高亮度 LED。至此，彩色显示所需的三基色红、 绿、蓝以及橙、黄多种颜色的 LED 都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使 发光管 的户外全色显示成为现实。 我国发展 LED 起步于七十年代，产业出现于八十年代。全国约有 100 多家企业， 95%的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从国外进口。通过几个“五年计划”的技术改
13、造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术， 使我国 LED的生产技术已向前跨进了一步。 第二章 功能要求及方案论证 2.1 功能要求 本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： 1.要求采用 51 单片机作为微控制器； 2.通过四个 16 16 的点阵 LED 进行文字显示； 3.在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 4.文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式 2.2 显示模块方案论证 四个 8 8的点阵构成一个 16 16的点阵。行和列的交叉处有一个 LED，共由256个 LED 构成，假定 LED 的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给该 LE
14、D对应 的行以高电平，列以低电平，那么对应的 LED 就发光。 图 2-1为室内直插式 8 8点阵双基色 LED 模块实物图。这种模块由 64个发光LED 芯片以 8 8的形式构成一个正方形模块，然后用 2列 8针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用 1。 图 2-1 LED 点阵显示原理图 行对应的给 LED的阳极，先给第一行以高电平，如果送给 16列的代码为 EFFF，则第一行的第 4个 LED 被点亮，再给第二行以高电平，如果送给 16列的代码为EF07，则第二行的第 4、 9、 10、 11、 12、 13个被点亮，接着给第三行以高电平，同 时给列以驱动代码，这样不断地进行行行的扫描
15、，只要速度够快，因为人的视觉暂留作用，所以不会感觉到明显的闪烁感。点阵上会看到一个清晰的“机”字。 本文所述的是 LED 的数据显示方式，这种方式通常使用 8段 LED 或者 16 段LED。在实际应用中，点亮 LED 数码管的方式有静态和动态 2 种方法。本文以 8段 LED 作为示例来论证方案 1.静态显示方式 静态显示方式，即 8段 LED 数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码保持不变，直至切换其他数码为止 2。这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示一位数码需要 8根 输出线，当 N位显示则需 N 8 根输出控制线。占用 I/O 资源较多。 2.动态显示方式 因静态显示
16、占用较多 I/O 资源，所以多位显示时通常采用动态显示方式， 动态显示的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套驱动器。具体就 16 16的点阵来说，把所有同 1行的发光管的阳极并联在一起，把所有同 1 列的发光管的阴极并联在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第 1 行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第 2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭 ；以此类推，第 16行之后，又重新燃亮第 1行，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，就能够看到显示屏上稳定的图形了
17、 3。 由于单片机的特性，我们将采用方案 2：动态显示方式，采用动态显示方式进行显示时，显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。 2.3 数据传输方案论证 显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输 的方案是不可取的。 采用串行传输的方法的优点是在硬件方面无疑是十分经济的，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各
18、列才能并行地进行显示 4。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到 LED 的亮度。 解决串行传输中列数据准备和列数据显示的 时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能 5。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示
19、时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。 图 2-2 显示屏电路框图 单片机控制器 列驱动器 16*16 LED 显示点阵 行驱动器 列驱动器 列驱动器 列驱动器 16*16 LED 显示点阵 16*16 LED 显示点阵 16*16 LED 显示点阵 第三章 系统 硬件电路的设计 3.1 单片机系统及外围电路 单片机采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，为了时期显示更稳定将采用 24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。 P1口低 4位与行驱动器相连，送出行选信号； P1.5 P1.7 口则用来发送控制信号 6。 P0
20、 口和 P2 口空着，在有必要的时候可以扩展系统的 ROM 和 RAM。 图 3-AT89S511 单片机最小系统 AT89S51 单片机管脚说明如下： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：为双向 8位三态 I/O 口，当作为 I/O 口使用时，可以直接连接外部I/O 设备。它是地址总线低 8位及数据总线分时复用口，可驱动 8 个TTL 负载。在 FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时， P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1口： P2口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入 7。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，
