8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符顯示器的硬件設(shè)計(jì)

8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符顯示器的硬件設(shè)計(jì)第一章引言 2第二章方案選擇及總體設(shè)計(jì) 32.1方案確定 32.1.1功能要求 32.2.2方案確定 32.2器件選擇 3第三章操縱系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 43.1整體模塊設(shè)計(jì) 43.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 43.2.1晶振電路設(shè)計(jì) 43.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì) 53.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 63.4LED點(diǎn)陣顯示設(shè)計(jì) 7第四章操縱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 104.1軟件設(shè)計(jì)思想 104.2主程序流程圖 11第五章系統(tǒng)仿真及性能分析 125.1系統(tǒng)仿真 125.2性能分析 12第六章總結(jié)致謝 13第七章參考文獻(xiàn) 15附錄 16附錄A硬件結(jié)構(gòu)圖 16附錄B主程序清單 17附錄C元件清單 18第一章引言LED是發(fā)光二極管LIGHTEMINTTINGDIODE的英文縮寫，是一種直截了當(dāng)能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體。LED點(diǎn)陣是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件，在日常生活中隨處可見，其發(fā)光類型屬于冷光源，效率及發(fā)熱量是一般發(fā)光器件難以比擬的。它采納低電壓掃描驅(qū)動(dòng)，具有耗電少、使用壽命長(zhǎng)、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)、可靠耐用、應(yīng)用靈活、安全、響應(yīng)時(shí)刻短、綠色環(huán)保、操縱靈活等特點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)進(jìn)步，人們對(duì)LED顯示器的認(rèn)識(shí)持續(xù)加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。本設(shè)計(jì)是基于AT89C5151的8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符顯示器的設(shè)計(jì)，LED點(diǎn)陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個(gè)獨(dú)立的LED發(fā)光二極管封裝而成.LED點(diǎn)陣顯示屏能夠顯示數(shù)字或符號(hào),通常用來顯示時(shí)刻、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。本文講述了基于AT89C51單片機(jī)8×8LED數(shù)碼字符顯示器的差不多原理、硬件組成與設(shè)計(jì)，Proteus軟件仿真，程序設(shè)計(jì)等差不多環(huán)節(jié)與有關(guān)技術(shù)。LED電子顯示屏具有所顯內(nèi)容信息量大，外形美觀大方，操作使用方便靈活。適用于火車，汽車站，碼頭，金融證券市場(chǎng)，文化中心，信息中心體育設(shè)施等公共場(chǎng)所。該項(xiàng)目廣泛涉及了運(yùn)算機(jī)及電子技術(shù)中的電源技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，顯示技術(shù)，儲(chǔ)備技術(shù)，系統(tǒng)軟件技術(shù)，接口及驅(qū)動(dòng)等技術(shù)。本設(shè)計(jì)是8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符顯示器的設(shè)計(jì)。整機(jī)以美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的40腳單片機(jī)AT89C51為核心，介紹了以它為操縱系統(tǒng)的LED點(diǎn)陣電子顯示屏的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。通過該芯片操縱一個(gè)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示，該電子屏能夠各種文字或單色圖像，采納動(dòng)態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。此次科研實(shí)踐是二人一組合作，本人要緊負(fù)責(zé)硬件部分的設(shè)計(jì)及運(yùn)算，軟件設(shè)計(jì)部分由沈霞同學(xué)完成。第二章方案選擇及總體設(shè)計(jì)2.1方案確定2.1.1功能要求1、采納MCS-51單片機(jī)作為微處理器。2、設(shè)計(jì)一個(gè)8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符顯示器。3、在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度平均、充足、穩(wěn)固、清晰無串?dāng)_。4、動(dòng)態(tài)顯示“8”“0”“5”“1”幾個(gè)字符。2.2.2方案確定采納AT89C51單片機(jī)作為微處理器，將共陽極二極管用共陰型接法連接成8×8點(diǎn)陣LED數(shù)碼字符陣列，通過程序操縱，采納動(dòng)態(tài)顯示，建立字符庫“8”“0”“5”“1”。2.2器件選擇微處理器采納AT89C51系列單片機(jī)，AT89C51單片機(jī)是這幾年在我國(guó)專門流行的單片機(jī)，是一種帶4K字節(jié)閃耀可編程可擦除只讀儲(chǔ)備器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）高性能單片機(jī)，可擦除只讀儲(chǔ)備器能夠反復(fù)擦除100次，具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，同時(shí)可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS—51指令集和輸出管腳相兼容，關(guān)于本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能，完全可勝任。第三章操縱系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1整體模塊設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)行、列驅(qū)動(dòng)電路，顯示器電路，運(yùn)用單片機(jī)的智能化，系統(tǒng)的將每個(gè)功能電路模塊連接在一起，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1硬件系統(tǒng)框圖此次需要實(shí)現(xiàn)的功能是利用一個(gè)AT89C51，一個(gè)8×8LED點(diǎn)陣，動(dòng)態(tài)顯示“8051”4個(gè)字，采納PC上位機(jī)驅(qū)動(dòng)顯示電路。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路、晶振電路兩部分組成。3.2.1晶振電路設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)由反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分不為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可有內(nèi)部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部振蕩電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采納的定時(shí)元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率fosc采納12MHZ，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。晶振電路圖如圖所示。圖2晶振電路圖3.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)或者顯現(xiàn)死機(jī)時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從那個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)有多種復(fù)位方式，常用的復(fù)位操作有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位方式。本設(shè)計(jì)采納最簡(jiǎn)單的上電復(fù)位方式，電路如圖3所示。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)（高電平有效）由RST引腳送入到內(nèi)部的復(fù)位電路，對(duì)AT89C51單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位信號(hào)要連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上，才能使AT89C51單片機(jī)可靠復(fù)位。當(dāng)上電時(shí)，C1相當(dāng)于短路，有時(shí)碰到干擾時(shí)會(huì)造成錯(cuò)誤復(fù)位，可在復(fù)位端加個(gè)去耦電容，能夠取得專門好的成效。AT89C51單片機(jī)復(fù)位電路如下圖所示：圖3上電復(fù)位電路圖圖4按鍵電平復(fù)位電路圖復(fù)位電路工作原理：上電瞬時(shí)RST引腳的電位與VCC等電位，RST引腳為高電平，隨著電容C5充電電流的減少，RST引腳的電位持續(xù)下降，能夠保持RST引腳在為高電平的時(shí)刻內(nèi)完成復(fù)位操作。當(dāng)單片機(jī)已在運(yùn)行當(dāng)中時(shí)，按下復(fù)位鍵S5后再松開，也能使RST引腳為一段時(shí)刻的高電平，從而實(shí)現(xiàn)AT89C51單片機(jī)復(fù)位。3.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)正向點(diǎn)亮一顆LED，至少也要10～20mA，若電流不夠大，則LED不夠大。而不管是AT89C51的I/O口，依舊TTL、CMOS的輸出端，其高態(tài)輸出電流都不是專門高，只是1～2mA而已。因此專門難直截了當(dāng)高態(tài)驅(qū)動(dòng)LED，這時(shí)候就需要額外的驅(qū)動(dòng)電路，通常有共陽型與共陰型LED陣列驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)才用共陰型高態(tài)掃描信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。共陰型LED陣列驅(qū)動(dòng)電路采納高態(tài)掃描，也確實(shí)是任何時(shí)刻只有一個(gè)高態(tài)信號(hào)，其它則為低態(tài)。一行掃描完成后，再把高態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)化到近鄰的其他行，掃描信號(hào)接用一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)器，AT89C51本身內(nèi)置一個(gè)反向驅(qū)動(dòng)器，本設(shè)計(jì)將AT89C51作為點(diǎn)矩陣顯示操縱系統(tǒng)的操縱核心，通過點(diǎn)矩陣實(shí)時(shí)顯示并移動(dòng)字符。單片機(jī)的串口與行驅(qū)動(dòng)器相連，用來發(fā)送顯示數(shù)據(jù)信息。P0口與LED陣列的行引腳相連，送出數(shù)據(jù)、地址以及系統(tǒng)操縱信號(hào)。輸出低態(tài)時(shí)，最大可吸取0.5A，即500mA，若每個(gè)LED取30mA，7個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮，需要210mA，完全滿足LED點(diǎn)亮的差不多條件。圖5驅(qū)動(dòng)電路圖所要顯示的信號(hào)各個(gè)通過一個(gè)限流電阻送入晶體管的基極，而每個(gè)NPN晶體管的的集極連接VCC、射極輸出經(jīng)一個(gè)100Ω的限流電阻連接到LED陣列的列陣腳。關(guān)于高態(tài)的顯示信號(hào)，將可提供其所連接LED的驅(qū)動(dòng)電流，而那個(gè)驅(qū)動(dòng)電流通過LED到輸出端，形成正向回路，即可點(diǎn)亮該LED。其中每個(gè)晶體管任何時(shí)刻只需負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED，因此選擇30mA射極電流的晶體管。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。3.4LED點(diǎn)陣顯示設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采納ATMEL公司的AT89C51作矩陣顯示操縱系統(tǒng)操縱核心，12MHZ晶振,88點(diǎn)陣共陽LED顯示器。其中，P0口作為字符數(shù)據(jù)輸出口,P2口為字符顯示掃描輸出口,第31腳(EA)接電源，P1.7開關(guān)S1，改變電阻（270*8）的大小可改變顯示字符的亮度，驅(qū)動(dòng)用9012三極管。本設(shè)計(jì)LED矩陣顯示器電路選用8×8點(diǎn)陣模塊，系統(tǒng)由單片機(jī)操縱。LED顯示屏是將發(fā)光二極管按行按列布置的，在掃描驅(qū)動(dòng)方式下能夠按行掃描按列操縱，也能夠按列掃描按行操縱。本文確實(shí)是使用1塊8×8點(diǎn)陣，采納按列掃描按行操縱操縱方式，掃描順序自左向右，以滿足漢字顯示的要求。8×8點(diǎn)陣LED結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6LED數(shù)碼顯示管8×8點(diǎn)陣LED的工作原理。圖7為8×8點(diǎn)陣LED外觀及引腳圖，其等效電路如圖8所示，只要其對(duì)應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點(diǎn)亮，則Y0=1，X0=0即可。應(yīng)用時(shí)限流電阻能夠放在X軸或Y軸。圖78×8點(diǎn)陣LED外觀及引腳圖圖88×8點(diǎn)陣LED等效電路一個(gè)8×8點(diǎn)陣是由64個(gè)發(fā)光二極管按規(guī)律組成的，如圖8所示。圖中，行接低電平，列接高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。第四章操縱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)思想主程序先進(jìn)行設(shè)置中斷，并啟動(dòng)，再進(jìn)行鍵盤掃描載入“8051”字型，然后判定一組字型是否掃描完，按不同情形進(jìn)行循環(huán)調(diào)用子程序。進(jìn)入子程序后，第一設(shè)置相應(yīng)的程序，反復(fù)調(diào)用顯示子程序，并在顯示過程中反復(fù)調(diào)用鍵盤掃描子程序進(jìn)行延時(shí)，判定是否退出相應(yīng)的方式顯示子程序。設(shè)計(jì)過程中，能專門好得提升按鍵響應(yīng)速度。如圖9所示為軟件系統(tǒng)框圖。圖9軟件系統(tǒng)框圖字符編碼：8×8點(diǎn)陣能夠看成是從上至下8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)8位，因?yàn)樵擖c(diǎn)陣為共陰型點(diǎn)陣，因此若該燈亮，則該位為“1”；該燈不亮，則該位為“0”。因此“8051”的編碼為，從上至下：“8”：00H00H36H49H49H36H00H00H；“0”：00H1CH22H41H41H22H1CH00H；“5”：00H00H27H45H45H45H39H00H；“1”：00H40H44H7EH7FH40H40H00H。4.2主程序流程圖主程序第一設(shè)置并啟動(dòng)T0中斷，然后調(diào)用初始化程序，為后面程序要用到的數(shù)據(jù)調(diào)入，并清零一些用到的數(shù)據(jù)單元，然后載入“8051”字型，進(jìn)行掃描。圖10為主程序流程圖，詳細(xì)主程序清單及子程序設(shè)計(jì)見附錄C。圖10主程序流程圖第五章系統(tǒng)仿真及性能分析5.1系統(tǒng)仿真本設(shè)計(jì)是以KeilC與Proteus.ISIS相結(jié)合方式來實(shí)現(xiàn)本LED點(diǎn)矩陣顯示器的仿真實(shí)現(xiàn)過程。電路的核心是單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)的P0口八個(gè)引腳通過總線連接到LED矩陣顯示器的段選碼和位選碼（a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8）的引腳上，來作為操縱信號(hào)的來源。如圖11、12所示。圖圖11動(dòng)態(tài)顯示程序調(diào)試結(jié)果圖圖12延時(shí)程序調(diào)試結(jié)果5.2性能分析此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果較好，LED顯示屏能專門好的顯示信息。LED顯示屏由4塊8×8的LED小模塊組成，整個(gè)顯示屏能夠顯示8×8的“8051”字型。那個(gè)方案設(shè)計(jì)的8ｘ8的點(diǎn)陣LED圖文顯示屏，電路簡(jiǎn)單，成本較低，且較易擴(kuò)展；顯示屏各點(diǎn)亮度平均、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)固、清晰無串?dāng)_。第六章總結(jié)致謝此次課程設(shè)計(jì)到現(xiàn)在有一個(gè)多星期，回憶這些天我感到學(xué)到了專門多東西，在寫那個(gè)心得的時(shí)候，我想就這些天的收成，講一講自己內(nèi)心的方法。本設(shè)計(jì)是一個(gè)8x8的點(diǎn)陣LED數(shù)碼顯示器，能夠在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度平均、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)固、清晰無串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)固可靠，成本低等特點(diǎn)?？偨Y(jié)本文的研究工作，要緊做了下面幾點(diǎn)工作：一、通過查閱大量的有關(guān)資料，詳細(xì)了解了LED的發(fā)光原理和LED顯示屏的原理，了解了LED的現(xiàn)狀，清晰地了解了LED顯示屏與其它顯示屏相比較有那些優(yōu)點(diǎn)，明確了研究目標(biāo)。同時(shí)通過對(duì)單片機(jī)資料的查閱和應(yīng)用，更進(jìn)一步增加了對(duì)單片機(jī)知識(shí)的明白得和運(yùn)用能力。并證實(shí)了自己的思路：“查資料→摸索總結(jié)→運(yùn)用→找出差錯(cuò)，再查資料和向不人詢咨詢→再次運(yùn)用”的正確性。二，本文設(shè)計(jì)的LED顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度平均、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)固、清晰無串?dāng)_。三，本文列出了系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計(jì)方案,硬件結(jié)構(gòu)電路圖，軟件流程圖和具體匯編語言程序設(shè)計(jì)與調(diào)試等方面。四，在這次課程設(shè)計(jì)的過程中學(xué)會(huì)了PROTEUS的差不多使用，感到PROTEUS對(duì)電子專業(yè)的同學(xué)來講是一個(gè)專門有用的軟件。在運(yùn)用PROTEUS時(shí)能夠運(yùn)用一些快捷的標(biāo)號(hào)，總線的方法畫圖，如此既能使電路圖清晰，簡(jiǎn)單，更能大大提升畫圖速度五，通過這次課程設(shè)計(jì)，重新復(fù)習(xí)并進(jìn)一步增強(qiáng)了動(dòng)手的能力，學(xué)以致用，把只是運(yùn)用到實(shí)際生活中才是全然目的。六，存在咨詢題：沒有考慮仿真軟件是一個(gè)理想的仿真環(huán)境，而實(shí)際連接的電路板會(huì)由于譬如連接不當(dāng)，相鄰器件間的干擾等等的咨詢題導(dǎo)致在仿真軟件中能良好運(yùn)行的程序，顯現(xiàn)顯示咨詢題，通過排查和合理的器件擺放焊接，咨詢題解決?？傮w來講這次的科研實(shí)踐專門成功，達(dá)到了預(yù)想的目的：學(xué)到了知識(shí)，提升了能力，完成了任務(wù)。有點(diǎn)缺憾是時(shí)刻有限，不能進(jìn)一步深入和擴(kuò)散學(xué)習(xí)和研究。期望有時(shí)刻能夠?qū)Τ绦蚝碗娐穲D作更進(jìn)一步的改進(jìn)，譬如實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的上下移動(dòng)，對(duì)角線移動(dòng)，多色顯示等。在此感謝指導(dǎo)老師范力旻老師的盡心教誨，改正了專門多不曾發(fā)覺的咨詢題，為立即的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。第七章參考文獻(xiàn)[1]張靖武,周靈彬《單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真》電子工業(yè)出版社[2]吳金戌，沈慶陽，郭庭吉《8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用》清華大學(xué)出版社[3]李群芳，肖看《單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用》清華大學(xué)出版社[4]張毅剛，彭喜元等《新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)》哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社[5]張義和，陳敵北編著《例講8051》人民郵電出版社[6]AT89C51DATASHEEPPhilipsSemiconductors1999.dec.[7]Yang.Y.,Yi.J.,Woo,Y.Y.,andKim.B.:‘OptimumdesignforlinearityandefficiencyofmicrowaveDohertyamplifierusinganewloadmatchingtechnique’,Microw.J.,2001,44,(12),pp.20–36.[8]吳金戌，沈慶陽，郭庭吉．《8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用》．清華大學(xué)出版社.[9]李群芳，肖看．《單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用》．北京：清華大學(xué)出版社.附錄附錄A硬件結(jié)構(gòu)圖附錄B主程序清單COLUMNREGP0；行ROWREGP2；列SCANCODEEQU10000000B；掃描碼SPEEDEQU1；0.25s延遲S_TIMEEQU-2500；2.5ms掃描時(shí)刻ORG0000H；程序從0000H地址開始JMPMAIN；跳至MAINORG000BH；TIMER0中斷向量JMPTIMER0；跳至TIMER0中斷子程序MAIN:MOVIE,#82H；設(shè)定TIMER0中