基于51单片机的点阵设计.doc

XXXXXXXXX学院毕 业 论 文题 目基于STC89C52的1616点阵屏设计学生姓名系部名称专业班级指导教师起止时间摘 要伴随着科技的进步，LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件走进我们的视野，它是由多个独立的LED发光二极管封装而成。通过LED点阵显示屏可以显示数字、符号以及文字，通常用在广告，指示牌，公告牌上。本设计利是一种基于STC89C52单片机的16*16点阵显示屏的设计，其中STC89C52单片机负责对整个系统进行总体控制，设计中使用4块8*8单红色点阵屏来组成16*16点阵屏，通过单片机串行输入八位并行输出的74LS595来控制点阵的行和列，通过快速的动态刷新来显示我们需要的内容，已达到动态显示的目的。关键词：点阵 单片机 动态扫描AbstractAlong with the progress of science and technology, LED dot matrix display screen as a new display devices into our field of vision, it is composed of multiple independent packaged LED light-emitting diodes. Through the LED dot matrix display screen can display Numbers, symbols and words, usually used in advertising, signage, bulletin board. This design is based on an STC89C52 MCU 16 * 16 dot matrix display screen design, including STC89C52 microcontroller is responsible for overall control, the system used in the design of 4 pieces of 8 * 8 dot matrix screen to form a single red 16 * 16 dot matrix screen, by 74 single chip microcomputer serial input eight parallel output ls595 to control the row and column of the matrix, by using the fast dynamic refresh to display the contents of the we need, has reached the purpose of dynamic display. Keywords: dot matrix single-chip dynamic scan目 录摘 要2目 录3第1章 绪 论41.1 课题的研究背景41.1.1 LED电子显示屏概述41.1.2 LED电子显示屏的分类41.1.3 设计任务51.2 MCS-51系统单片机简介6第2章 总体设计72.1 系统概述72.1.1 显示单元的选择72.1.2 滚屏方式选择72.1.3 关于屏幕的可扩展性72.1.4 单片机控制器的考虑82.1.5 关于点阵数据的存储方式8第3章 硬件电路设计93.1 整体设计框图93.2 主控电路93.2.1 STC89C52 单片机简介93.3 LED点阵显示电路183.3.1 74LS595的总体特点和工作原理183.4整体电路19第4章 软件实现204.1 概述204.2系统程序方案设计204.2.1主程序设计214.2.3延时函数224.2.4行选列选控制22参考文献24附录1： 电路原理图25附录2： LED点阵显示源程序26元件清单40第1章 绪 论1.1 课题的研究背景 本文主要围绕点阵的特点开展的点阵设计，设计中的难度诸多如限流电阻的计算，扫描时间的控制等，下面我们就介绍下点阵的概况。1.1.1 LED电子显示屏概述LED电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百-几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体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显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、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条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、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。 1.1.2 LED电子显示屏的分类按颜色分类单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。 双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。 按显示器件分类LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。 LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 按使用场合分类室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 按发光点直径分类室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm 室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。1.1.3 设计任务本设计的任务就是完成一个16*16的点阵设计，并能滚动显示“你好！我是陆敏杰”内容。任务要求：（1）显示汉字左移、右移、上移、下移、逐个显示（2）能实现显示汉字无闪烁（3）能实屏幕亮度较高1.2 MCS-51系统单片机简介 MCS-51系类单片机就有：1.可靠性高：因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运行时系统稳定可靠。2.便于扩展：片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多工扩展用的（总线，并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的就算计机应用系统。3.控制功能强：具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O的逻辑操作指令，位处理指令。4.实用性好：体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。单片机的发展历史简介：（1） 第1阶段（1971年1978年），以MCS-48系列为代表，称4位单片机。在片内：CPU有4位或8位;ROM有1KB或2KB;RAM有64B或128B;只有并行接口，无串行接口；只有1个8位的定时/计时器;中断源只有2个。在片外：寻址范围只有4KB;芯片引脚有40个。（2） 第2阶段（1978年1983年）以MCS-51系列为代表，称8位单片机。在片内：CPU有8位;ROM有4KB或8KB;RAM有128B或256B;有串/并行接口;有2个或者3个16位的定时/计时器;中断源有5至7个。在片外：寻址范围有64KB;芯片引脚有40个。（3） 第3阶段(1983年以后),以MCS-96系列为代表，称16位单片机。在片内：CPU有16位;ROM有8KB;RAM有232B;有串/并行接口;有4个16位的定时/计时器;中断源有8个;增加了D/A和A/D转换电路。在片外：寻址范围有64KB;芯片引脚有48个或者68个。以上是对MCS-51系列以其优良的性价比，在我国得到了广泛的应用。第2章 总体设计2.1 系统概述一个完备的系统要考虑到多种问题的实现，点阵的设计也是如此，下面我详细说明我的设计过程。2.1.1 显示单元的选择显示一个简体汉字，至少需要1616点阵来描述。为了在较远距离处获得清晰的视觉效果，本设计采用4个88点阵，像素直径5mm的红色LED模块拼接成1616点阵的LED阵列。这样每个1616汉字能够获得1212cm的显示尺寸，因此在50米处仍能清晰阅读。本设计要求整个屏幕能显示“好好学习”一系列汉字，则需要用使用16*16红色点阵滚动显示。2.1.2 滚屏方式选择字符的位置在屏幕上实现移动，即术语“滚屏”。可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。因此本设计采用软件算法实现左滚、右滚、上滚、下滚屏显示的常见滚屏方式。用软件来完成滚屏算法，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。2.1.3 关于屏幕的可扩展性除了基本要求外，本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。在传统的并行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，且每个显示单元的电路结构不同,PCB结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。不仅板间连接简单，更是降低了PCB布局及布线的难度。每个显示单元的PCB都是完全一样的，便于量产。2.1.4 单片机控制器的考虑因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM7和高速8位单片机。ARM的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM内部的资源浪费严重，且成本较高。因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC89C52单片机。这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz（在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令），但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源，而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。于是最佳选择为STC89C52系列单片机，其最高时钟能到40MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为9元/片。大幅降低了产品成本。2.1.5 关于点阵数据的存储方式目前使用最广泛的技术是，通过上位机软件将待显示的字符串转换为对应的点阵字模数据，通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在E2PROM中。在条屏显示的过程中按规定的方式取出E2PROM中的字模数据进行处理。对于一个1616点阵的汉字字模数据，需要连续32字节的E2PROM空间来存储。照此计算，若有256个需要显示的字符，则至少需要32B256=8192字节（8KB）的E2PROM存储空间。通常的单片机内部没有集成这么大容量的E2PROM。因此这种方案，需要在单片机外部扩展大容量的E2PROM，增加硬件成本。上位机程序设计由于涉及到汉字取模，取模算法的难度较大。在多字下载的时候传输时间也较长。诸多弊端使本设计放弃了传统方案。因为本设计只需要很少的显示内容所以直接保存在STC89C52中是足够的，因此没有使用外部设备。第3章 硬件电路设计3.1 整体设计框图经过对此设计的分析，为了能够实现要求，利用单片机STC89C52作为本系统的主控模块。LED点阵显示屏作为显示模块，把单片机传来的数据显示出来，并且可以实现滚动显示。硬件整体设计框图如图1所示： STC89C52芯片7459516*16LED点阵按键电路 复位电路晶振电路下面对硬件电路进行说明：3.2 主控电路此方案通过主控电路控制完成LED点阵显示屏的字符滚动显示，主控制器使用STC公司生产的单片机STC89C52。3.2.1 STC89C52 单片机简介 STC89C52 是STC公司推出的一款超强抗干扰，加密性强，在线可编程，高速，低功耗CMOS 8位单片机。片内含 8k bytes 的可反复擦写Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51指令系统及8052产品引脚兼容， 片内置通用8位中央处理器 （CPU）和Flash存储单元， 功能强大的STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。1）STC89C52 外部结构及特性 其外形封装有两种方式：双列直插式40脚封装（DIP）和方形44脚封装 （PLCC），直插式40 脚封装（DIP）和外部总线结构如图2和图3所示： 图2 STC89C52引脚排列 图3外部总线STC89C52的 4 个 8 位I/O口的功能说明如下：（1）P0口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 （2）P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向 I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在 flash 编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 （3）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 （4）P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。P3 口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用，如下所示： l P3.0 RXD(串行输入口) l P3.1 TXD(串行输出口) l P3.2 INTO(外部中断0 输入口) l P3.3 INT1(外部中断 1 输入口) l P3.4 TO(定时器 0 外部输入) l P3.5 TI(定时器 1 外部输入)l P3.6 WR(外部数据存储器写选通信号) l P3.7(外部数据存储器读选通信号) 2）功耗特性（1）掉电模式：典型功耗 0;x-)for(y=7;y0;y-);4.2.4行选列选控制通过单片机IO口控制74595来分别控制列选和行选，在进行行扫描时，将行值从第一位到第16位逐行选通，同时将此时刻对应的列值送入。在下一个扫描时刻将此行关闭，下一行行选打开，列值送入对应的数值，以此类推直到所有的行都扫描完毕，行扫描从第一行开始。 同理，列扫描也从第一列扫描到最后一列，在列选通的时候将对应的行值送入。 总 结经过近两个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。在此LED点阵显示系统中，由于我采用了STC89C5单片机，并且采用串行移位寄存器74HC595作列线驱动，使本设计的硬件成本大幅下降，而又提高了显示单元的可扩展性。因为使用了高速单片机，使本系统的动态刷新率，移动速度等得到保障。本设计充分利用了单片机的E2PROM等片上资源，节约成本的同时使外围电路简洁美观，故障率降低。总体的性能指标均达到或超过了题目的要求。毕业设计是每个大学生必须面临的一项综合素质的考验，如果说在过去四年里，我们的学习是一个知识的积累过程，那么现在的毕业设计就是对过去所学知识的综合运用，是对理论进行深化和重新认识的时间活动。在这近两个月的毕业设计中，我们有艰辛的付出，当然更多的是丰收的喜悦。知识固然得到了巩固和提高，但我相信在实践中的切身体会将会使我在以后的工作和学习中终身受用。首先，学习能力得到了提高。在毕业设计中，自始至终独立完成硬件电路的设计、单片机软件编写等。在这些过程中，遇到许多困难，但通过书籍或网络查阅了很多相关文章和向导师请教后终于解决了。通过这次毕业设计，我不仅对理论有了更深一步的认识，增强了和外界技术的沟通，还培养了自学能力和分析解决问题的能力，更重要的是，培养了克服困难的勇气和信心。其次，培养了自己的市场观念。一个商品是否能够抢占市场，除了必须的功能和质量要求外，其价格是最大的竞争优势。如何在保证质量和完成同等功能的情况下，把产品的成本降到最低。是每个设计人员在作出方案时首要考虑的因素。再次，则是人际交流能力得到锻炼。人非生而知之者！人的学识总是不能面面俱到的，这就要求我们必须善于借鉴别人的成功经验或失败教训，使自己少走弯路。总之，毕业设计完成了，但又面临着工作。我相信我会把自己的热情和所学奉献到自己的工作中，不断努力，不断进取！参考文献1 谭浩强. C程序设计（第二版）M. 北京:清华大学出版社,1999.12.2 彭为.单片机典型系统设计实例精讲M.北京:电子工业出版社,2006.5.3 李良荣.现代电子设计技术-基于Multisim7M.北京:机械工业出版社,2005.4.4 姜承昊. 最新LED驱动电路设计、应用与制造新技术新工艺实用手册M.北京:中国科学技术文献出版社,2008.3.5 魏洪兴.嵌入式系统设计与实例开发实验教材IM.北京:清华大学出版社,2005.9.6 童诗白.模拟电子技术基础（第三版）M.北京:高等教育出版社,2001.1.7 阎石.数字电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,1998.11.8 中国集成电路大全编委会编.中国集成电路大全CMOS集成电路M. 北京:国防工业出版社,1985.附录1： 电路原理图附录2： LED点阵显示源程序/宏定义#define uchar unsigned char #define uint unsigned int/包含头文件#include #include #include uchar i,flag,X,j,k;/管脚定义/595sbit SI=P06;/数据脚sb