xLED點陣屏設(shè)計

1、2012級電子信息工程單片機原理課程設(shè)計報告書設(shè)計題目LED點陣屏的設(shè)計制作姓 名學(xué) 號學(xué) 院工程技術(shù)學(xué)院專 業(yè)電子信息工程班 級2 班指導(dǎo)教師胡仲秋 2015年 6月 18日一、題目和要求1、 設(shè)計題目 單片機控制LED數(shù)碼點陣顯示屏的設(shè)計2、 設(shè)計要求(1)、通過對AT89S5S2單片機的編程，實現(xiàn)單片機控制LED數(shù)碼點陣屏模塊從右到左滾動顯示“內(nèi)江師范學(xué)院”。 （2）、寫出詳細(xì)設(shè)計報告。 （3）給出全部電路和源程序。3、增加實時時間、日期等有效信息顯示。 指導(dǎo)教師簽名： 2012年 月 日二、指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師簽名： 2012年 月 日三、成績 驗收蓋章 2012年 月 日目 錄一、

2、 引 言11、設(shè)計意義12、系統(tǒng)功能要求1二、方案設(shè)計21、總體設(shè)計2圖122、設(shè)計論證2三、硬件設(shè)計51、單片機系統(tǒng)及其管腳52、16x16點陣的級聯(lián)實現(xiàn)63、點陣驅(qū)動部分84、電源部分10四、軟件設(shè)計111、顯示驅(qū)動程序112、系統(tǒng)主程序12五、系統(tǒng)調(diào)試131、調(diào)試主要分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試132、程序仿真13六、總結(jié)14七、參考文獻(xiàn)15八、附錄A；原理圖16九、附 錄B；源程序16十、附 錄B；作品實物圖、PCB、清單如下：19 1616點陣LED電子顯示屏的設(shè)計 1、 引 言1、設(shè)計意義LED 就是Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中

3、，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。發(fā)光二極管是由p 型和n 型半導(dǎo)體組成的二極管。在LED 的p - n 結(jié)附近,n 型材料中多數(shù)載流子是電子,p 型材料中多數(shù)載流子是空穴。 LED顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息。LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛

4、應(yīng)用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。它的優(yōu)點：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定。2、系統(tǒng)功能要求設(shè)計一個能顯示16X16點陣圖文LED顯示屏，要求能顯示文字，并且顯示出“內(nèi)江師范學(xué)院”字樣。二、方案設(shè)計1、總體設(shè)計列驅(qū)動器 單片機電源16X16LED顯示點陣 行驅(qū)動器圖12、設(shè)計論證LED點陣顯示模塊進(jìn)行的方法有兩種： （1）水平方向（X方向）掃描，即逐列掃描的方式（簡稱列掃描方式）：此時用一個P口輸出列碼決定哪一列能亮（相當(dāng)于位碼），用另一個P口輸出行碼（列數(shù)據(jù)），決定

5、該列上哪個LED亮（相當(dāng)于段碼）。能亮的列從左到右掃描完16列（相當(dāng)于位碼循環(huán)移動16次）即顯示出一個完整的圖像。 （2）豎直方向（Y方向）掃描，即逐行掃描方式（簡稱行掃描方式）：此時用一個P口輸出決定哪一行能亮（相當(dāng)于位碼），另一個P口輸出列碼（行數(shù)據(jù)，行數(shù)據(jù)為將列數(shù)據(jù)的點陣旋轉(zhuǎn)90度的數(shù)據(jù)）決定該行上哪些LED燈亮（相當(dāng)于段碼）。能亮的行從上向下掃描完16行（相當(dāng)于位碼循環(huán)移位16次）即顯示一幀完整的圖像。每一個字由16行16列的點陣形成顯示，即每個字均由256個點陣來表示，我們可以把每一個點理解為一個像素。一般我們使用的1616的點陣宋體字庫，即所謂的1616，是每一個漢字在縱橫各16點

6、的區(qū)域內(nèi)顯示的。漢字庫從該位置起的32字節(jié)信息記錄了該字的字模信息。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內(nèi)的任何圖形。 圖文顯示一般有靜態(tài)和動態(tài)顯示兩種方案，靜態(tài)方案雖然設(shè)計簡單，但其使用的管腳太多，如本設(shè)計中1616的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴展端口，按8位的鎖存器來計算，1616的點陣需要256/8=32個鎖存器。這個數(shù)字很龐大，因為我們僅僅是1616的點陣，在實際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數(shù)字。因此在實際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法

7、。動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行（比如16行）的同名列共用一套驅(qū)動器。具體就1616的點陣來說，把所有同1行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽極的接法），先送出對應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以此類推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。采用掃描方式進(jìn)行顯示時，每一行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個驅(qū)動器。

8、顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉?。采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘柧€，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)

9、據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間可能相當(dāng)長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應(yīng)具有的功能。對于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來說，它應(yīng)能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。三、硬件設(shè)計

10、1、單片機系統(tǒng)及其管腳常用的時鐘電路設(shè)計有兩種方式,一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式。本次設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，將XTAL1與XTAL2之間跨接一個12MHZ石英晶振和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激震蕩器。電容值取30pF左右，其大小將影響震蕩頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。為減少線間的寄生電容，晶振和電容應(yīng)盡能安裝得與單片機靠近，保證晶振穩(wěn)定可靠的工作。另一部分是復(fù)位部分。上電自動復(fù)位電路是最簡單的復(fù)位電路，只需要一個10K左右電阻、一個10uF左右的電容及一個按鍵。需要按鍵手動復(fù)位。1、AT89S52的最小系統(tǒng)其中，C1 ，C2都是30 pF的片狀電容，C3 為10F的電

11、解電容。R1為10K的電阻。2、X1為12MHz的晶振，連接到單片機的18，19引腳，為單片機提供內(nèi)部時鐘信號，內(nèi)部反相放大器自激振蕩產(chǎn)生時鐘信號。時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖2分頻，即石英頻率f=12MHz，則單片機時鐘信號為6MHz。3、9號角接上電復(fù)位電路。當(dāng)給單片機加電，高電平脈沖通過10F的電解電容，到達(dá)9號引腳（RST），實現(xiàn)主復(fù)位。如果正常工作中產(chǎn)生意想不到的情況發(fā)生，可以用按鍵開關(guān)控制發(fā)送一個高電平實現(xiàn)主復(fù)位。4、36到39角各接一個470的上拉電阻，實現(xiàn)限流的作用。這四個上拉電阻可以使輸出的電壓趨于穩(wěn)定，上輸出穩(wěn)定的高電平，是的點陣屏能正常工作。 圖2 圖3 單片機系統(tǒng)及管腳圖2、1

12、6x16點陣的級聯(lián)實現(xiàn) 00011011 圖4 級聯(lián)圖級聯(lián)方法：如圖四個點陣。1、把00，01相同的行線相連接。2、把10，11相同的行線相連接。3、把00，10相同的列線相連接。4、把01，11相同的列線相連接。5、最后，00，01的列就作為16x16點陣的列控線。00，10的行就作為16x16點陣的行控線。 圖5 點陣實物管腳編號由于我們本次選用的是行點亮SZ410788K型號的點陣，如上圖右所示。首先，用萬用表測出四個8x8點陣的行控線，列控線。通過實際測量實際行列線如上圖所示，故四片點陣的實際連接方式如下圖所示： 圖6 點陣連接圖 3、點陣驅(qū)動部分點陣顯示用是動的態(tài)掃描來實現(xiàn)的。在采用

13、掃描方式顯示時，由于每列要帶動十六個二極管，每行電流較大。若每個二極管安5mA計算，十六個二極管就得80mA電流，超出單片機管腳的承受范圍，因此每列都加有一個驅(qū)動器，本設(shè)計的列驅(qū)動用的是十六個pnp型三極管。三極管的集射極通過限流240歐姆電阻接5V電壓，發(fā)射極接點陣的列線，而其基級本應(yīng)接單片機，但該接線方式占用為了16個單片機管腳，為了節(jié)省單片機管腳，用了兩片74HC595Y移位寄存器,這樣就只需要4個管腳了。各行的同名行共用一個行驅(qū)動，數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式存放。由于行線過多，故多采用串行傳輸。由于每次要傳輸16位，而且數(shù)據(jù)要逐位輸給驅(qū)動器，只有當(dāng)一列中各列數(shù)

14、據(jù)都已傳輸?shù)轿缓?，這一列的各列才能進(jìn)行并行顯示，耗時較長。為了滿足以上要求，驅(qū)動選擇74HC595移位寄存器。74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS器件，。74HC595是有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。 移位寄存器和存儲器是分別的時鐘。 數(shù)據(jù)在SCHcp的上升沿輸入，在STcp的上升沿進(jìn)入的存儲寄存器中去。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7）,和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的，具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。其特點：8位串行輸入 /8位串行

15、或并行輸出 存儲狀態(tài)寄存器，三種狀態(tài); 輸出寄存器可以直接清除 100MHz的移位頻率。各行的同名列共用一個列驅(qū)動，數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式存放。由于每次要傳輸16位，而且數(shù)據(jù)要逐位輸給驅(qū)動器，只有當(dāng)一列中各列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)轿缓?，這一列的各列才能進(jìn)行并行顯示。為了滿足以上要求，驅(qū)動選擇74LHC154譯碼器。74LHC154通過四位輸入輸出十六個低電平進(jìn)行列選通。兩片74HC595級聯(lián)并行輸出通過9013控制行數(shù)據(jù)： 1、兩片的11號引腳:相連接單片機的P0.1口，作為移位時鐘脈沖。 2、第一片的14號腳接單片機的P0.3口，提供串行數(shù)據(jù)。3、兩片的12號引腳相連接

16、P0.2口，作為存儲寄存器的時鐘脈沖。4、10號腳：接單片機P0.0。5、13號腳：都同時接地。6、第一片的9號引腳級聯(lián)到第二片的14號引腳。7、兩片的Q0Q7:接16個相同的470的電阻。8、D1D16：接到點陣的D1D16,高電平有效。 圖7 數(shù)據(jù)傳送模塊74HC154信號控制列選通：1、A、B、C、D作為地址數(shù)據(jù)輸入線，接P2.3、P2.2、P2.1、P2.0端口。2、18、19號引腳接P2.4。3、K1K16接到16個S8050的基極后面的電阻控制點陣的行點亮4、為了方便PCB布線在此K1到K16的順序進(jìn)行了調(diào)整。 對4個輸入信號進(jìn)行譯碼。得到16個輸出狀態(tài)。 G1,G2為數(shù)據(jù)允許輸出

17、端，E1,E2低電平有效。A,B,C,D為譯碼信號輸出端，K0K16為譯碼輸出端，低電平有效 圖9 74HC154驅(qū)動列選通 三極管部分采用16個S8550，集電極接地，發(fā)射極接點陣4、電源部分電源部分采用了7805進(jìn)行穩(wěn)壓輸出5V供電電源，具體電路如下圖:圖10 電源四、軟件設(shè)計1、顯示驅(qū)動程序 本軟件要求實現(xiàn)如下要求：漢字要穩(wěn)定、明亮并且文字要以一定速度滾動顯示。顯示屏軟件模塊：初始化程序、主程序、多字滾動、顯示程序、掃描程序。顯示程序的主要功能是向屏體提供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號，使屏幕按設(shè)計的要求顯示。軟件設(shè)計中，顯示屏的軟件系統(tǒng)分為兩層；第一層是底層的顯示驅(qū)動程序，第二層是上層的

18、系統(tǒng)應(yīng)用程序。顯示驅(qū)動程序負(fù)責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生行掃描信號和其他控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動器程序由延時程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實現(xiàn)。然后顯示驅(qū)動程序查詢當(dāng)前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動程序先要關(guān)閉顯示屏，等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。圖六為顯示驅(qū)動程序（顯示屏掃描函數(shù)）流程圖端口初始化 掃描多次 列掃描切換顯示數(shù)據(jù)并左移行送漢字編碼數(shù)據(jù)發(fā)送新行號，打開顯示送新行顯示數(shù)據(jù)循環(huán)

19、顯示 圖11 程序流圖2、系統(tǒng)主程序本設(shè)計的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。如果想改變些事內(nèi)容，先用字模產(chǎn)生字代碼，將用這段代碼覆蓋原來的代碼，即可顯示你想要的內(nèi)容。五、系統(tǒng)調(diào)試1、調(diào)試主要分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試（1）、硬件調(diào)試：在焊接電路板的時候，應(yīng)該從最基本的最

20、小系統(tǒng)開始，分模塊，逐個進(jìn)行焊接測試。在對各個硬件模塊進(jìn)行測試時，要保證軟件正確的情況下去測試硬件，要不然發(fā)生錯誤時，不知道到底是哪一方出錯了。當(dāng)然，在設(shè)計的過程中也存在著失誤和不足，在調(diào)試中進(jìn)行修改了。焊接完成后，檢驗點陣、及線路的好壞：燒進(jìn)檢驗程序，點陣將自第一排向下（上）點亮。檢驗無異常，下載主程序。（2）、軟件調(diào)試：軟件為老師所提供提供，其原理在上一模塊以作說明，在這里再作說明，軟件經(jīng)調(diào)試無誤，直接將其下再到單片機中，看是否達(dá)到所要的效果。軟件部分是先參考書上的例子，然后自己根據(jù)硬件電路寫程序，由于以前所學(xué)是單片機C語言，所以這個系統(tǒng)在編寫程序過程中都采用C語言編寫。剛剛開始，編寫不會

21、一次性通過，經(jīng)過仔細(xì)分析修改最后編譯成功。但是，在實際寫如S51中，LED顯示屏出現(xiàn)各種各樣的亂碼，通過再次認(rèn)真仔細(xì)分析多次修改程序后，程序能夠正常運行 六、總結(jié) 本文設(shè)計的616的點陣LED圖文顯示屏，能夠在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示的圖形和文字較穩(wěn)定、清晰。圖形或文字向上滾動顯示。本系統(tǒng)具有硬件少，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。在此次設(shè)計中，我們得到以下體會：1、在這次點陣設(shè)計的過程讓我進(jìn)一步熟悉KEIL和Protel99se及Proteus的使用。2、本文設(shè)計的LED顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖

22、形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。圖形或文字以移入移出方式顯示。3、在后的設(shè)計中，既要想到電路器件的聯(lián)合使用，又要靈活變通，舉一反三。在焊接方面，我們了解到焊接某些器件時，要先消去電烙鐵上的靜電，防止靜電對芯片特別是放大器件造成傷害，焊接二極管、三極管等芯片時要快，防止持續(xù)高溫?fù)p壞芯片。七、參考文獻(xiàn)1唐穎.單片機原理與應(yīng)用及C5程序設(shè)計。北京大學(xué)出版社 2008.82 劉欣片機的LED顯示屏的漢字顯示J.中國科技信息，2005，（12）：112.3 Mark Nelson著.瀟湘工作室譯.串行通信開發(fā)指南M.中國水利水電出版社，2002. 4 王宜懷.單片機原理及其嵌入式應(yīng)用教程M.

23、北京希望電子出版社，2002. 5 韓潤萍,陳小萍.點陣LED顯示屏控制系統(tǒng)J.微計算機信息，2003，19（10）：50-51. 八、附錄A；原理圖九、附 錄B；源程序#include#include#define uchar unsigned char#define unit unsigned intsbit ds=P20;sbit mr=P21;sbit st_cp=P22;sbit sh_cp=P23;sbit hc154e=P03;uchar data table=0x0e,0x02,0x0c,0x05,0x01,0x09,0x06,0x0a, 0x0b,0x04,0x08,0x0f

24、,0x00,0x07,0x03,0x0d,;uchar code test= 0x00,0x00,0x62,0x18,0x42,0x48,0x42,0x48,0x3e,0x48,0x02, 0x4c,0x02,0x4a,0x1e,0x48,0x22,0x48,0x42,0x18,0x06,0x0c, 0x09,0xb4,0x10,0x44,0x08,0x04,0x7f,0xfc,0x00,0x00,/院 0x00,0x00,0x08,0x60,0x08,0xa0,0x08,0x26,0x08,0x28,0x0b, 0x30,0x0d,0x20,0x7d,0x2c,0x89,0x22,0x49,

25、0x20,0x09,0x20, 0x09,0x2c,0x08,0x22,0x08,0x60,0x08,0x80,0x00,0x00,/ 學(xué) 0x00,0x00,0x70,0x08,0x40,0x08,0x40,0x08,0x43,0xc8,0x44, 0x5e,0x42,0x48,0x40,0x48,0x3f,0xc8,0x00,0x08,0x02,0x1e, 0x04,0x48,0x79,0x28,0x10,0x88,0x10,0x08,0x00,0x00,/ 范 0x00,0x00,0x00,0x04,0x0f,0xe4,0x10,0x24,0x08,0x24,0xff, 0xfc,0x00,0x24,0x00,0x24,0x0f,0xe4,0x00,0x04,0x00,0x00, 0x1f,0xfe,0x20,0x00,0x40,0x00,0x8f,0xf8,0x00,0x00,/ 師 0x00,0x00,0x20,0x04,0x20