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文檔簡介
1、 學 士 學 位 論 文LED點陣顯示屏控制系統的設計 姓 名:李雪霞學 號:200905120316指導教師:李愛云 田中俊院系(部所):光電工程學院專 業:電子信息工程完成日期:2013年05月25日 學 士學 位 論 文LED點陣顯示屏控制系統的設計姓 名:李雪霞學 號:200905120316指導教師:李愛云 田中俊院系(部所):光電工程學院專 業:電子信息工程完成日期:2013年05月25日摘 要 LED點陣顯示屏是利用發光二極管點陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏。它具有發光效率高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩定等優點,所以受到廣泛重視而得到迅速發展,LED發
2、展前景極為廣闊,目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發光密度、更高的發光均勻性,可靠性、全色化方向發展。LED點陣顯示屏可以顯示數字或符號,通常用來顯示時間、速度、系統狀態等。文章給出了一種基于MCS-51單片機的16*16點陣LED顯示屏的設計方案,包括系統具體的硬件設計方案,軟件流程圖和部分匯編語言程序等方面。在負載范圍內,只需通過簡單的級聯就可以對顯示屏進行擴展,是一種成本低廉的圖文顯示方案。本文主要以AT89C51單片機為核心,采用串行傳輸、動態掃描技術、制作一款擁有PC機通訊功能的,模塊化LED多功能顯示屏。關鍵詞: MCS-51;LED;16*16點陣AbstractLED d
3、ot matrix display is to use light-emitting diode dot matrix modules, or the composition of the planar pixel display screen. It has a high luminous efficience, long service life and flexible configuration, color-rich as well as indoor and outdoor environment, adaptable and so on.LED dot matrix displa
4、y can display numbers or symbols, usually used to display time, speed, system status. Given in this paper which is based on MCS-51 microcontroller 16*16 dot matrix LED display design. Including the system specific hardware design, software flow chart and some assembly language procedures. In the loa
5、d range, just by a simple cascade can be extended to the screen is low-cost graphic display program. This design mainly AT89C51 microcontroller as the core, using serial transmission,dynamic scanning technology to produce a PC machine has a communication function, modular, multi-function LED display
6、.Key words: MCS-51; LED; 16*16 dot matrix目錄第1章 緒論11.1 課題背景及LED的研究現狀及意義11.2 LED簡介11.3 論文主要內容2第2章 總體設計32.1 LED點陣顯示屏控制系統設計的原理3第3章 系統硬件選擇及介紹53.1 AT89C51單片機的結構53.1.1 AT89C51管腳說明63.2 LED點陣顯示屏73.3 行驅動器和列驅動器83.3.1 行驅動芯片74HC154介紹83.3.2 列驅動芯片74HC595介紹9第4章 軟件的程序實現114.1 流程圖114.2 程序代碼124.3程序實現及硬件調試12第5章 總結及展望13參
7、考文獻14附錄16附錄I 常用芯片引腳16附錄II LED點陣顯示屏控制系統程序清單19致謝23 第1章 緒論1.1 課題背景及LED的研究現狀及意義 LED 顯示屏是一種新型的信息顯示媒體,它是八十年代后期在全球迅速發展起來的,由幾萬到幾十萬個半導體發光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前LED燈中紅色、綠色、黃色應用最為廣泛,而藍色和純綠色LED的開發已經達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的文字、圖形圖像、數字;既可以用于室內環境,又可以用于室外環境,具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優點1。 (1)我國LED產業發展現狀 經歷了多年的發
8、展,我國LED產業初步形成從外延片生產、芯片制備到器件封裝、集成應用等比較完整的產業鏈,已從購買芯片、外延片生產應用產品,逐步發展到自主生產外延片和芯片的階段,并且已具備一定技術和產業基礎。我國上游產業的現狀,一是參與單位多,二是與國際先進水平比較,一般芯片的亮度、發光效率、抗靜電能力、抗漏電能力以及品質控制水平與國際廠家仍有差距,三是能滿足市場需要且規模化生產的企業少,封裝所芯片尤其高檔芯片主要靠進口。(2)選題意義該設計課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設計方法,對LED顯示屏這個行業有了較深刻的了解和認識。并且通過該設計課題掌握了51單片機的軟硬件開發工具的使用方法,為以后從
9、事相關行業的工作積累了實際工作經驗。并且對大學期間所學的一些理論進行了實踐,使我們對所學的理論知識有了新的認識。1.2 LED簡介 LED,即發光二極管,它是利用固體半導體芯片作為發光材料,當兩端加上正向電壓,半導體中的載流子發生復合引起光子發射而發光3,是一種半導體固體發光器件。 顯示屏的構成形式有很多種,其中最典型的有兩種。一種稱為單顯示型,是把所需展示的廣告信息燒寫固化到EPROM芯片內,能進行固定內容的多幅漢字顯示;另一種稱可編程序型4,在機內設置了字庫、程序庫,具有程序編制能力,能進行內容可變的多幅漢字顯示。目前,我國的LED點陣顯示屏大部分是單顯示型,其顯示花樣較單一,顯示內容相對
10、較少。可編程序型LED顯示屏,雖然也存在著更換顯示內容不便的缺點,但增加了顯示屏系統的編程能力,顯示內容和顯示花樣有所增加。而利用PC機通訊技術控制LED顯示屏,則具有顯示內容豐富,信息更換靈活等優點。本設計是基于單片機講述了16*16LED漢字點陣顯示的基本原理、硬件組成與設計、程序編譯與下載等基本環節和相關技術。1.3 論文主要內容根據論文設計題目的特點,對論文的內容和結構將做如下安排:(1)初步方案的論證和選擇搜集題目的相關資料,選定以單片機為核心控制器件,外加譯碼電路和驅動電路的設計方案。(2)方案實現以設計方案為指導思想選擇合適的器件來實現這一思想,選擇器件時要從理論和實際兩方面來選
11、擇和論證。(3)軟件編寫根據硬件特點和設計要求,軟件選用單片機編程。(4)結論設計完成后對設計中所遇到的問題、經驗教訓、以及自己的想法進行總結。第2章 總體設計2.1 LED點陣顯示屏控制系統設計的原理 如2-1所示,本產品擬采用以AT89C51單片機為核心芯片的電路實現,主要由圖16*16LED點陣、電源、AT89C51芯片、行驅動器、列驅動器5部分組成。 列驅動器單片機 電源行驅動器LED顯示點陣行驅動器 圖 2 1顯示屏電路框圖控制與組成圖形或文字的各個點所在的位置相對應的LED器件發光,從而得到我們想要的顯示結果,這種顯示方法就是所謂的靜態驅動顯示。16*16的點陣共有256個發光二極
12、管,而單片機沒有這么多的端口,因此在實際應用中的顯示屏是采用另一種稱為動態掃描的顯示方法,幾乎都不采用這種設計。逐行輪流點亮就是所謂的動態掃描,這樣的掃描驅動電路可以實現多行同名列共用一套驅動器6。動態掃描有兩種接法,共陰極接法和共陽極接法。采用動態掃描方式進行顯示時,每一行有一個行驅動器,各行的同名列共用一個驅動器8。從控制電路到列驅動器的數據傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然,采用并行方式時,從控制電路到列驅動器的線數量大,相應的硬件數目多。當列數很多時,并行傳輸的方案是不可取的。第3章 系統硬件選擇及介紹 由圖2-1可知此次設計的硬件選擇如下:AT89C51芯片、LED、74LS154
13、、電阻、LED的驅動三極管等一些單片機外圍應用電路組成。下面將介紹各種外圍電路。3.1 AT89C51單片機的結構 AT89C51俗稱單片機,是一種帶4KB閃爍可編程序可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器9。該器件采用的是ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造的10,與工業標準的MCS-51指令集合輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU合閃爍存儲器組合在芯片中,AT89C51是一種高效微控制器。它為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且廉價的方案。因此,在智能化電子設計與制作過程中AT89C51芯片是經常被用到的。AT89C-51的特性與組成及外部總線:I.特性 與MCS-
14、51兼容 數據保留時間:10年壽命: 1000次寫/擦循環 三級程序存儲器鎖定 全靜態工作:0Hz-24HzII.組成 一個8位CPU 4K字節可編程閃爍存儲器 12*8位內部RAM 兩個16位定時器/計數器 32條可編程的I/O線(4個8位并行I/O端口) 具有5個中斷源、兩個優先級嵌套中斷結構 可尋址64KB外部數據存儲器和64KB外部程序存儲器空間的控制電路 一個片內振蕩器及時鐘電路 一個可編程全雙工串行接口III.外部總線(1) 地址總線 寬度為16位,高8位由P2口輸出,P0口輸出低8位。P0是地址/數據共用的端口。(2) 數據總線 寬度為8位,由P0口提供。(3) 控制總線 由4條
15、控制總線和P3口的第二功能狀態組成。3.1.1 AT89C51管腳說明(1)主電源引腳VSS和VCC。 VCC: 正常工作時接+5V電源。 VSS: 接地。(2)輸入/輸出(I/O)端口引腳 P0口:P0口可以作為輸入/輸出口,但在實際應用中,通常作為地址/數據總線口,即低8位地址與數據線分時使用P0口。低8位地址由ALE信號的負跳變使它鎖存到外部地址鎖存器中,而高8位地址由P2口輸出。 P1口:P1口作為輸入輸出端口,但必須先寫1。 P2口:P2口作為輸入口或輸出口使用,外接I/O設備時,又作為擴展系統的地址總線,輸出高8位地址,與P0口一起組成16位地址總線。 P3口:P0口為雙功能口,作
16、為第一功能使用時,其功能同P1口。當作第二功能使用時,如下列所示: 管口引腳 備選功能 P3.0 RXD (串行輸入口) P3.1 TXD (串行輸出口) P3.2 INT0 (外部中斷0輸入線) P3.3 INT1(外部中斷1輸入線) P3.4 T0(定時器0外部輸入) P3.5 T1(定時器1外部輸入) P3.6 WR(外部數據存儲器寫選通信號輸出) P3.7 /RD (外部數據存儲器讀選通信號輸出) P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。(3)控制信號引腳RST、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。 RST: 復位輸入 當振蕩器復位器件時,要保持RST引腳上出現兩個機器周
17、期的高電平。ALE/PROG: 允許地址鎖存輸出/編程脈沖輸入 正常工作時為ALE功能,提供把低字節地址鎖存到外部鎖存器的信號。ALE引腳以不變的頻率周期性的發出正脈沖信號。因此,它還可對外輸出時鐘信號,或用于定時目的。但要注意,沒當訪問外部數據存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動8個TTL電路。PSEN: 片外程序存儲器讀選通信號輸出 從外部程序存儲器取指期間,PSEN每個機器周期內兩次有效。 EA/VPP: 片內、片外程序存儲器選擇輸出/編程電壓輸入 當EA為高電平時,地址小于4KB時,訪問內部程序存儲器,當地址大于4KB時,訪問外部程序存儲器;當EA為低電平時,訪問外部程序存
18、儲器。(4)時鐘電路引腳XTAL1、XTAL2。 XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。3.2 LED點陣顯示屏 顯示部分包括顯示屏,至少可以顯示一個漢字,以及驅動該顯示屏的驅動電路。由于單片機的I/O口有限,不能直接用I/O口來驅動LED顯示屏,所以需對單片機I/O口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。構成LED屏幕的方法有兩種,一是由單個的發光二極管逐點連接起來;二是選用一些由單個發光二極管構成的LED點陣子模塊構成的大的LED點陣模塊11。這兩種屏幕構成方法各有優缺點,單個發光二極管構成顯示屏優點在于當單個的發光二極管出現問題時只需更
19、換一個二極管即可,兼修的成本較低,缺點在于連接電路復雜;而點陣模塊成的方法卻正好與之相反,模塊構成節省了大量的連線,不過當一個LED出現問題時同在一個模塊的所以LED都必須更換,這就加大了維修的成本12。目前市場上普遍采用的點陣模塊有8*8、16*16幾種。 兩種方法相比較,決定采用模塊構成的方法來制作一個LDE點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點,選擇點陣數較小的模塊來減小這一問題的風險。所以構建一個16*16的LED點陣顯示屏。一個16*16的LED點陣顯示屏行和列各有16個引腳,不能單靠51單片機的端口驅動所以必須要對單片機的端口個數進行擴展13。經常采用的端口擴展方法是用串并轉換芯片進行譯碼
20、。3.3 行驅動器和列驅動器3.3.1 行驅動芯片74HC154介紹 74HC154為變量譯碼器,也稱二進制譯碼器,它是一種四線-十六線譯碼器,輸入端有4個,輸出端有24=16個,并有兩個選通端,它的管腳形式如圖3-1所示。當選通端E1、E2均為低電平時,譯碼器處于工作狀態,可將地址輸入端(A0-A3)的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。否則譯碼器被禁止,所以輸出端被封鎖在高電平。Y0-Y15為譯碼器輸出端,低電平有效,即在選通時,每輸入一個二進制代碼將使對應的一個輸出端為低電平,而其他輸出端均為高電平的無效信號。 圖3-1 74HC154管腳圖 圖 3-2 74HC595管腳圖 3.
21、3.2 列驅動芯片74HC595介紹 74HC595芯片的輸入測 有8個串行移位寄存器,每個移位寄存器的輸出都連接一個輸出鎖存器,如圖3-2所示。引腳SER是串行數據的輸入端。引腳SRCLK輸入移位寄存器的移位時鐘脈沖,在其上升沿發生移位,并將SER的下一個數據打入最低位。移位后的各位信號出現在各移位寄存器的輸出端,也就是輸出鎖存器的輸入端。RCLK是輸出鎖存器的打入信號,其上升沿將移位寄存器的輸出打入到輸出鎖存器。引腳OE是輸出三態門的開放信號,只有當其為低時鎖存器的輸出才開放,否則為高阻態。SRCLR信號是移位寄存器的清零輸入端,當其為低時移位寄存器的輸出全部為0。芯片的輸出端為QA-QH
22、,最高位QH可作為多片74HC595級連應用時,向上一級的級連輸出。但因QH受輸出鎖存器打入控制,所以還從輸出鎖存器前引出了QH,作為與移位寄存器完全同步的級連輸出。3.4 74ls154芯片4 線16 線譯碼器 74LS154/54LS154引腳圖,參數,及功能介紹74ls154功能簡介:74ls154 為 4 線16 線譯碼器,當選通端(G1、G2)均為低電平時,可將地址端(ABCD)的二進制編碼在一個對應的輸出端,以低電平譯出。 如果將G1和G2中的一個作為數據輸入端,由ABCD對輸出尋址,74LS154還可作1線-16線數據分配器。74LS154引腳圖及邏輯圖見附錄I原理:這種4 線1
23、6 線譯碼器非常適合用于高性能存儲器的譯碼器。當兩個選通輸入G1 和G2 為低時, 它可將4 個二進制編碼的輸入譯成16 個互相獨立的輸出之一。實現解調功能的辦法是:用4 個輸入線寫出輸出線的地址,使得在一個選通輸入為低時數據通過另一個選通輸入。當任何一個選通輸入是高時,所有輸出都為高20。引腳功能介紹A、B、C、D 譯碼地址輸入端(低電平有效)G1、G2 選通端(低電平有效)015 輸出端(低電平有效)推薦工作條件74ls154電氣參數極限值電源電壓: 7V輸入電壓: 5.5V工作環境溫度54154:5512574154:070貯存溫度:65150 第4章 軟件的程序實現4.1 流程圖 編譯
24、、裝載、連續運行程序,點陣顯示模塊應循環顯示字樣!下面是單片機流程圖。寫入FLASH開中斷中斷返回查詢方式接收下一個字節是否結束接收字節是否接收到起始字節進行中斷關中斷開始打開中斷系統初始化串口初始化配置中斷調用顯示子程序 NYY(a) 主程序流程圖 (b)串行中斷流程圖圖4-1 流程圖 該系統的軟件編程采用MCS-51系列單片機匯編語言完成,并把顯示程序作為一個子程序,從而使主程序對其進行方便的調用。圖4-1所示是其流程圖。4.2 程序代碼 具體的程序編碼參考附錄II4.3程序實現及硬件調試該設計方案可以應用于學生實驗單片機LED顯示電路和多種儀器顯示系統中。只要將該顯示程序調入其主程序中,
25、即可完成顯示功能。經過多次使用證明:該方法可移植性好、實用性強。單片機應用系統的硬件調試和軟件調試時密不可分的,許多硬件故障在軟件調試時才能發現,但通常要先排除系統中明顯的硬件故障。而本設計中硬件部分的調試將在proteus仿真軟件中調試,其調試工作可以分為三步:1. 目測檢查根據硬件邏輯設計圖,仔細檢查樣機線路是否連接正確,并核對元器件的型號、規格和安裝是否符合要求。2. 通電檢查在確保電源良好的前提下,啟動漢字顯示屏查看結果。若接通后漢字顯示屏閃爍很強,則應該立即關閉設計。說明顯示存在問題,可能是電壓不足,也可能是CPU內存不夠,也可能是負載太大。則應全面考慮,逐一分析原因。3.檢查相應芯
26、片的邏輯關系加電后檢查各芯片相關引腳的電位,仔細測量相應的輸入輸出電平是否正常。單片機系統大都是數字邏輯電路,使用電平檢查法可首先查出邏輯設計是否正確,選用器件和連接關系是否符合要求等。第5章 總結及展望 雖然本設計只使用了一塊16*16LED點陣,電路簡單,但是已經包含了LED顯示屏的電路基本原理和基本程序,在設計的過程中應該使顯示圖形和文字穩定、清晰、無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統具有硬件少,結構簡單,容易實現,性能穩定可靠,成本低等特點。在此次設計中通過查閱大量的相關資料,詳細了解LED的發光原理和LED顯示屏的原理,并了解了LED的現狀,清楚的了解了LED顯示
27、屏與其他顯示屏相比較有哪些優點,明確了研究目標。通過這次課程設計,重新復習并進一步學習MCS-51;熟練掌握了WORD軟件的使用。進一步提高了自己在實際設計過程中研究問題、發現問題、解決問題的能力。但是從中也存在不足之處:對知識的積累還不夠,有些問題自己不能獨立解決,對實驗操作還要進一步熟練,只有這樣才能讓自己在不斷的學習中提高自己。美國紐約州立大學研究LED的專家,多年來一直關注和致力于中國的LED產業的發展,介紹說:2010年,全球LED市場將達到500億美元,中國是600億人民幣,可以看出,中國的LED事業正處于穩步增長的過程中。但和世界LED產業比較發達的地區相比,我們在產業規模,產能
28、和技術上都還處于一個比較下游的階段。我國自主研制的第一個發光二極管比世界上第一個發光二極管僅僅晚幾個月,目前我國半導體發光二極管產業的技術水平,與發達國家只差3年左右。發展半導體照明產業,能夠充分發揮我國的人力資源優勢,帶動相關產業,并增加出口,吸納就業。未來LED顯示屏會向著標準化、規范化、產品結構多樣化的方向發展20。參考文獻 1關積珍.LED顯示屏發展狀況及趨勢J.世界電子元器件,2000,4(02):27-30. 2關吉珍,陸家和.我國LED顯示屏技術和產業發展及展望J.現代顯示,2004,7(02):34-37.3 郭志友.LED顯示屏亮度和顏色的調整方法J.液晶與顯示,2003,1
29、6(5):34-36.4韓潤平.點陣LED顯示屏控制系統J.微計算機信息,2003 ,21(6):12-16. 5張寶祥.我國LED技術和發展展望J.傳感器世界,2005,21(12):33-35. 6趙曉安.MCS-51單片機原理及應用M.天津:天津大學出版社 ,2001,25-29. 7文哲雄.用單片機控制LED顯示屏M.佛山:佛山科技學院,1995,3-37. 8張齊等.單片機應用系統設計技術M.北京:電子工業出版社 ,2004 ,45-47. 9張培仁.基于C語言編程MCS-51單片機原理與語言M.北京:清華大學出版社,2003,16-19. 10樓然苗等.51系列單片機設計實例M.北
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32、成電路設計與電子設計自動化M.北京:清華大學出版社,2004,40-44.附錄附錄I 常用芯片引腳 (1)AT89C51管腳圖 (2)74LS154引腳圖 (3)74LS154的實際應用電路圖 附錄II LED點陣顯示屏控制系統程序清單 16*16點陣顯示程序清單如下: ORG 0000H LJMP XB13X01A: CLR A ;清列值 MOVE 0EH,A ;指向零列X023: MOV A,0EH ;取列值 CLR C SUBB A,#10H ;減16(十進制數) JC X0D2 ;未滿16列繼續掃描下一行 RET ;本次掃描完畢返回主程序X0D2: MOV 0F0H,#02H MOV
33、A,0EH MUL AB ;當前列值與2進行十進制調正 MOV 82H,A ;調正結果送數據指針DPTR MOV 83H,0F0H LCALL XB1F ;取與當前列對應的掃描代碼 MOV 20H,A LCALL XB4E ;掃描代碼送高八位鎖存器 MOV A,0EH ;取列值 MOV 0F0H,#02H;當前列值與2進行十進制調正 MUL AB ADD A,#01H ;調正結果加1送數據指針DPTR MOV R7,A CLA A ADDC A,0F0H MOV 82H,R7 MOV 83H,A LCALL XB1F ;取與當前列對應的掃描代碼 PUSH DPH PUSH DPL MOV DP
34、TR,#0FFE0H MOVX DPTR,A MOV A,#01H ;代碼掃描從第一行開始 MOV R6,#00H MOV R0,0EH ;取當前代碼掃描對應的列值 INC R0 ;列指針加1 SJMP X083X07E: CLR C ;當前代碼掃描對應行的查找 RLC A ;行高八位左移一位 XCH A,R6 RLC A ;行低八位帶進位左移一位 XCH A,R6X083: DJNZ R0,X07E ;不為當前代碼掃描對應行返上繼續調正 MOV DPTR,#0FFE2H ;當前行碼送高八位鎖存器 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FFE1H ;當前行碼送低八位鎖存器 MOV A,
35、R6 MOVX DPTR,A MOV R6,#80H ;當前行鎖定顯示250微秒 DJNZ R6,$ CLR A ;關閉顯示 MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A ;行高八位鎖存器清零 INC DPTR MOVX DPTR,A ;行低八位鎖存器清零 POP DPL POP DPH INC 0EH ;列指針加1 AJMP X023 ;繼續下1行X097: CLR A MOV DPTR,#0FFE1H MOVX DPTR,A INC DPTR MOVX DPTR,AX0A0: CLR A ;清掃描個數寄存器 MOV R5,A ;從第一行開始掃描X0A2: MOV A,R5 ;取當前掃描個數 CLR C確定要顯示的漢字個數;用戶可自定義漢字個數 SUBB A,#19H ;共掃描83個漢字 JNC X0A0 ;掃描個數滿83個返回第一個開始 MOV A,R5 _確定顯示為循環方式;用戶可自定義為移位循環方式 MOV DPTR,#STLS ;指向漢字表首址 MOV 0F0H,#20H ;設定以完整的一個漢字為最小循環單位 MUL AB ADD A,dpl MOV 0ah,A
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