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东北石油大学课程设计任务书

课程 单片机课程设计
题目 16*16LED点阵广告屏
专业 姓名 学号
一、任务
二、设计要求
三、参考资料
[1] 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录[M].北京：高等教育出版社，1957.一五-一八.
[2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].山东:石油大学出版社,2003.
[3] 苏成富.彩灯控制器[J].北京:电机电器技术,2000，（01）.
[4] 祝富林.音乐彩灯电路CS9482[J].北京:电子世界,1995，（12）.
[5] 彭介华.电子技术课程设计指导[J].北京:高等教育出版社,1997.

完成期限 2012.3.19至2012.3.30
指导教师
专业负责人

2012年 3月 17 日
目录

第1章 绪论
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。并广泛的应用于公交汽车，码头，商店，学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。LED显示屏经历了从单色，双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程，自20世纪八十年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。
1.1 LED点阵显示屏概述
LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。
目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏——可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。
1.2 LED显示屏控制技术状况
显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。
1.2.1 串行传输与并行传输技术
LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。
1.2.2 动态扫描与静态锁存技术
LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光一极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光一极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。
1.2.3 自动检测及远程控制技术
LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。
1.3 本设计任务
现在市场上各类基于LED的显示屏较多，但大部分产品为单一模式的LED显示屏，其在显示内容的更换及显示屏的重组等方面都存在不便之处。但随着信息化社会的迅速发展，LED显示屏正在向显示内容丰富、信息更改方便等方面发展。因此制作一款多功能的LED广告显示屏是非常有意义地。
本研究即以AT89C51单片机为核心， 采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。

第2章 总体方案论证与设计
本系统采用单片机AT89C51为LED显示屏的控制核心，系统主要包括LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块等。下面对各模块的设计逐一进行论证比较。
2.1 LED驱动模块
方案一：采用静态锁存方式，将每一个LED发光管的一端接至单片机的一个I/O口，另一端通过电阻接电源。这种方法可以直接驱动LED，原理简单，驱动能力强，LED的亮度也可以通过限流电阻调节，非常方便，但此种方法太浪费单片机的I/O口，只适合于较小的系统。
方案二：采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共2端)，LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。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。
比较以上两种方案，系统设计中采用方案二。
2.2 数据存储模块
方案一：采用静态RAM存储显示屏的显示内容，静态数据存储器具有存储容量大，传输速度快等优点。但其存储的数据掉电后会消失，因此不适合用于存储长时间不变的数据。
方案二：采用ROM芯片存储LED显示屏要显示的信息，采用ROM芯片可以长时间的存储信息，而且掉电数据不丢失，此种方式适合于存储不变的数据。
方案三：采用串行EEPROM（如24C256等）存储LED显示屏要显示的信息。串行EEPROM技术是一种非易失性存储技术，它几乎具有所有类型存储器的优点：不挥发性、可更新性、高密度、低功耗和高性价比，非常适合应用于各类工业测控系统。它克服了常用的2816、2817、2864等并行EEPROM器件价格高、体积大、可靠性低（这些器件如不采取措施，在上电、下电时常会丢失数据）等不足，在速度要求不是很高的情况下，该器件是最理想的选择。
比较以上三种方案，方案三有明显的优点，因此选者方案三。
2.3 总体硬件组成框图

图2-1 总体硬件组成框图
系统框图如图2-1所示，系统主要由三大模块组成即LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块。

第3章 系统硬件设计
为使该模块化LED显示屏控制系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块等三大模块。
3.1 LED驱动模块的硬件设计
LED驱动模块是LED显示屏设计的关键部分，驱动电路设计的好坏直接关系到LED显示屏的亮度、稳定度等重要指标。本次设计中LED的驱动是采用三极管和74LS一五4实现的。

3.1.1 74 LS一五4芯片介绍
74LS一五4是一个4—16译码器，其真值表如图3-1所示。

图3-1 74LS一五4的真值表

3.1.2 驱动电路的设计
此系统中驱动电路是由74LS一五4和三极管组成的，原理图如图3-1-2所示。

图3-2 LED驱动电路原理图

如图3-2 LED的行扫描端接到单片机89C51的P0口，列扫描端接置三极管的发射极。列扫描端（B1—B8）用于LED的数据扫描，通过74LS一五4的译码和三极管的驱动，使LED发光。（A1—A8）通过P0口为LED的显示给出相应的数据。
3.2数据存储电路设计
数据存储电路由串行EEPROM 24C256组成。24C256是美国CATALYST 公司出品的一个1-256K位的支持I2C总线数据传送协议的串行CMOS E2PROM，可用电擦除，可编程自定时写周期（包括自动擦除时间不超过10ms 典型时间为5ms）的串行E2PROM。 该芯片有两种写入方式，一种是字节写入方式，还有另一种页写入方式。允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节的编程写入。24C256的引脚排列及引脚功能描述如图3-3和表3-1

图3-3 24C256的引脚排列图

表3-1引脚功能描述
指令
代码
指令
代码
Read ROM(读ROM)
[33H]
Write Scratchpad(写暂存存储器)
[4EH]
Match ROM(匹配ROM)
[55H]
Read Scratchpad(读暂存存储器)
[BEH]
Skip ROM(跳过ROM）
[CCH]
Copy Scratchpad(复制暂存存储器)
[48H]
Search ROM(搜索ROM)
[F0H]
Convert Temperature(温度变换)
[44H]

数据存储器的设计原理图如图3-4所示：

图3-4 数据存储电路设计原理图

该存储电路仅由芯片24C256组成，SCL为串行时钟引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。SDA为串行数据/地址，这是一个双向传输端，用于传送地址和所有数据的发送或接收。当LED显示屏控制系统工作时，单片机89C51通过读SDA和SCL脚读取24C256中的内容，并将其显示于LED显示屏上。也可以通过上位机（PC机）将编辑好的数据内容下载到24C256芯片内。
3.3 PC机通信模块的设计
该部分电路由芯片MAX232组成。其电路原理图如图3-5所示：

图3-5 通信原理图
如图3-5所示，单片机的串口通过MAX232将TTL电平转换成EAI适合的电平，实现了单片机和PC机之间的通信。

第4章 系统的软件设计
软件是该LED显示屏控制系统的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。
4.1 主程序设计
本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现LED显示屏上字样的移位、显示、数据的读取等功能。其主程序流程如图4-1所示。
系统初始化
否
是
判断是否处于通信状态？
移位显示
读取显示内容
图4-1 主程序流程图
读取24C256的标志位
等待
判断是否有中断标志？
是
否
开机

4.2 驱动显示子程序设计
驱动显示程序主要是通过用指向字模的指针 p 每次从外部数据存储器按顺序提取出字模中的两个字模信息，通过字模处理程序将其转换成2进制信息，既两个字模信息最后成为16个0，1形式的信息，再通过给74HC595各个功能端口跳变及上升跳变使这些1，0信息控制一排16个灯的亮和灭（1代表高电平，0代表低电平），每次进行完，指针p再指向下两个指针，进行相同的操作，以后依次类推，同时4-16译码器一直都在从1到16进行扫描，从而实现了点阵的行驱动和列驱动的统一，将字模信息显示在LED点阵上，当指针指到字模信息最后一位时，重新指回字模首位，延时一段时间后重复上述工作，实现了汉字的往复循环显示。
开始
Y
N
初始化驱动器件
字模处理程序
调整指向字模的指针
给驱动器件跳变完驱动
p是否指到结束位
指针指回字模数组首位
延时

图4-2 驱动显示程序流程图

第5章 系统调试与测试结果分析
5.1 使用的仪器仪表
数字万用表　　　　　　　　DT9203
单片机仿真器　　　　　　　WAVE6000
烧写器 GF2100
双踪稳压稳流电源　　　　　DH17一八E-5
5.2 系统调试
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：LED驱动模块的调试，数据存储模块的调试，PC机通信模块的调试等，最后将各模块组合后进行整体测试。

5.2.1硬件调试
对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。
5.2.2软件调试
软件调试采用单片机仿真器WAVE6000L及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。
5.2.3硬件软件联调
将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。
5.3 测试结果
此次系统设计结果较好，LED显示屏能很好的显示信息。LED显示屏由八块8*8的LED小模块组成，整个显示屏可以显示两个16*16的汉字，汉字从右到左移动显示，显示亮度也正好。

结 论
针对传统汉字显示系统显示方式单一，字模更换难度大的问题，设计了本系统，系统是以AT89C52单片机为核心，采用并行ISP下载，串行数据传输、动态扫描技术，利用人眼视觉暂留现象实现汉字移动显示并可与PC机进行通信的16*64LED汉字显示屏。
系统总体电路由通信电路，驱动电路和外部存储电路构成。通信电路由MAX232进行电平转换实现单片机与上位机的通信，完成将字模向外部字模数组的传递过程。74LS一五4和74HC595共同作用完成对显示屏的驱动，实现字模信息于LED点阵上小灯亮灭的转变过程。74LS373和EEPROM2864完成外部数据存储功能。
通过软硬件的仿真调试，实现了本次设计的基本功能：汉字的左移显示，并可与上位机进行通信，实现显示汉字的更新。但在实际应用中，功能不仅仅于此，通过对程序的稍做修改，可以实现汉字的静态显示，左移，右移的显示，以及根据要求来控制移动速度和每次移动的距离，并且都可以和上位机进行通信实现汉字的更新。

参考文献
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[一五] 金炯泰,金奎焕. 如何使用KEIL8051C编译器[M ]. 北京航空航天大学出版社.2002.

附录1 程序
#include <reg52.h>
typedef unsigned char byte;
typedef unsigned int word;
sbit datah595=P3^2;
sbit clk595=P3^3;
sbit hc一五4=P3^5;
sbit str595=P3^4;
word data datah;
word counth,r=32*4;
byte biao=0;

byte xdata displaydata[2000]= //——定义外部数组——//
{

附录2 仿真效果图

东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
单片机课程设计
题目名称
16*16LED点阵广告屏
学生姓名

学号

指导教
师姓名

职称

序号
评价项目
指 标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20

2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45

3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5

4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30

总分

评语：

指导教师： 年 月 日

2.28.202517:3817:38:5725.2.285时38分5时38分57秒2月. 28, 2528 二月 20255:38:57 下午17:38:57
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