基于单片机扩展的LED点阵显示.doc
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1、 基于单片机的LED点阵显示屏课程设计说明书基于单片机扩展的LED点阵显示专业学生姓名班级学号指导教师完成日期目 录1 概述21.1 LED点阵显示概述21.2 LED显示屏控制技术情况21.21串行传输与并行传输技术21.3课题要求与内容21.31设计控制要求21.32设计要求22. 方案的设计与选择32. 1、LED驱动模块32.2、 数据存储模块33. 系统主要元器件介绍33.1AT89C51单片机的结构43.1.1管脚说明53.1.2振荡器特性53.2 LED点阵显示屏63.2.1动态扫描与静态锁存技术63.2.2 阵屏原理图及说明64硬件电路设计74.1 总体硬件组成框图74.2设计
2、方案确定与设计74.2.1、数据存储电路设计84.2.2 PC机通信模块的设计94.2.3系统硬件选择94.2.4硬件电路实现列驱动电路94.3硬件原理图105系统软件设计115.1系统软件总体设计115.2 下位机软件流程图及说明116 系统调试与测试结果分析136.1 使用的仪器仪表136.2 系统调试136.2.1硬件调试136.2.2软件调试136.2.3硬件软件联调137结束语14参考文献16附录17附录1程序清单18附录2 使用元件清单28附录3:多片I/O口应用和扩展系统设计图291 概述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
3、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
4、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
5、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。13课题要求与内容:131、设计控制要求(1) 由点阵显示汉字并轮回滚动,P0、P3口控制行扫描,P1口控制译码 运行后显示程序字库中的汉字。(2) 列驱动采用74LS154,列驱动采用分立元件实现。13. 2、设计要求(1)要求本次设计的控制装置采用单片机技术实现;(2)要能完全满足控制要求;(3)能随时修改汉字(编码过程需画图示意,用查表法来编程。)(4)掌握本次设计最小应用系统电气原理示意图。(电源、复位、晶振、1616点阵、74LS154)2、系
6、统方案设计与选择: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
7、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、
8、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。3、 系统元件的介绍:3.11 AT89C51单片机的结构AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器,俗称单片机。 图1 AT89C51引脚图3.12 管脚说明 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,
9、P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序
10、存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口
11、) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用
12、于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保
13、持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 3.13 振荡器特性 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2 LED点阵显示屏3.2.1 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
14、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。3.2.2阵屏原理图及说明:图2 阵屏原理图16*16点阵为单色共阳模块,单点的正向工作电压为(Vf)=1.8V,正向电流是(If)=810mA。静态点亮器件时(64点全部亮)的总电流是640mA,总电压是1.8V,总功率为1152mW。动态
15、时取决与扫描频率(1/8s或1/16s),单点瞬间电流可达80160mA。点阵内部结构及外形如上,16X16点阵共由64个发光二极管组成,且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一行置1电平,某一列置0电平,则相应的二极管就亮;如要将第一个点点亮,则9脚接高电平13脚接低电平,则第一个点就亮了;如果要将第一行点亮,则第9脚要接高电平,而(13、3、4、10、6、11、15、16)这些引脚接低电平,那么第一行就会点亮;如要将第一列点亮,则第13脚接低电平,而(9、14、8、12、1、7、2、5)接高电平,那么第一列就会点亮 。表1 LED点阵管脚分布1控制第五行显示接高9控制第一
16、行显示接高2控制第七行显示接高10控制第四列显示接低3控制第二列显示接低11控制第六列显示接低4控制第三列显示接低12控制第四行显示接高5控制第八行显示接高13控制第一列显示接低6控制第五列显示接低14控制第二行显示接高7控制第六行显示接高15控制第七列显示接低8控制第三行显示接高16控制第八列显示接低4、硬件电路设计4.1 总体硬件组成框图图3 总体硬件组成框图系统框图如图3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。4.2设计方案确定与设计4.2.1 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
17、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3-2-1和表3-2-1图4 C256的引脚排列图表2 功能描述数据存储器的设计原理图如图3-2-2所示:图5 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
18、,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。4.2.2 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3-3-1所示:图6 通信原理图如图3-3-1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。4.2.3、 系统硬件选择由图7可知此次设计的硬件选择如下:AT89C51芯片、LED、74LS138、LED的驱动三极
19、管、电阻等一些单片机外围应用电路组成。4.2.4硬件电路实现列驱动电路列驱动电路有集成电路74LS154构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行列数据的同时,传送下一行的列数据,既达到重叠处理的目的。它的输入侧有8个串行移位寄存器,每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲,在其上升沿发生移位,并将SI的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端,也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号,其上升沿将移位寄
20、存器的输出打入输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号,只有当其为低时锁存器的输出才开放,否则为高组态。SCLR信号是移位寄存器清零输入端,当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于SCK和RCK两个信号是互相独立的,所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为QAQH,最高位QH可作为多片74LS154级联应用时,向上一级的级联输出。但因为QH受输出锁存器的打入控制,所以还从输出锁存器前引出QH,作为与移位寄存器完全同步的级联输出。43 硬件原理图经分析本设计的电路原理图如下图8示:图7电路原理图5系统软件设计5.1系统软件总体设计图8 显示屏电路框图如图8所示,本产品拟采用以A
21、T89C51单片机为核心芯片的电路来实现,主要由AT89C51芯片、电源、行驱动器、列驱动器、1616 LED点阵5部分组成。5.2 下位机软件流程图及说明本系统中下位机(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9所示。开机 机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9 主程序流程图读取24C256的标志位等待判断是否有中断标志?是否从理论上说,不论显示图形还是文字,只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光,就可以得到我们想要的显示结果,这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示
22、方式。1616的点阵共有256个发光二极管,显然单片机没有这么多的端口,如果我采用锁存器来扩展端口,按8位的锁存器来计算,1616的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大,因为我们仅仅是1616的点阵,在实际应用中的显示屏往往要大得多,这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮,这样扫描驱动电路就可以实现多行(比如16行)的同名列共用一套驱动器。具体就1616的点阵来说,把所有同1行的发光管的阳极连在一起,把所有同1列的发光管的阴极连在一起(共阳极的接法),先送
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