基于单片机的点阵LED汉字显示系统设计

郑州华信学院课程设计任务书题 目: 基于单片机的2424点阵LED汉字显示系统设计专 业: 姓 名: 学 号: 班 级: 完 成 期 限： 年 月 日 指导教师签名： 课程负责人签名： 年 月 日 主要内容：利用单片机控制2424点阵LED汉字显示屏，能够实现汉字、数字、字母的多样化显示。基本要求：1. 实现LED点阵屏核心功能即汉字、数字、字母的多样化显示；2. 利用proteus软件完成设计电路和仿真，要求显示“郑州华信学院”字样，并且能够调整显示字样；3. 掌握SPI串口进行数据传输的应用，并学会使用外部芯片辅助项目设计；4 .通过此次设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑、校验，锻炼实践能力和理论联系实际的能力。主要参考资料：1 阳进 基于单片机的LED显示屏的汉字显示 中国科技信息2 韩润萍 陈小萍.点阵LED显示屏控制系统 微计算机信息3 刘曙光 LED电子显示屏真彩显示的几种关键技术 北京:国外电子测量技术4 李径达 基于锁存方式LED显示屏的软件设计 沈阳:计算机应用研究5 李全利，单片机原理及接口技术M，高等教育出版社6 王文杰，单片机应用技术M，冶金工业出版社7 朱清慧，PROTEUS教程电子线路设计、制版与仿真M，清华大学出版社 单片机课程设计郑州华信学院课程设计说明书课题： 24*24点阵汉字显示设计 姓 名: 院 系: 专业班级: 学 号: 指导老师: 成 绩： 时间： 年 月 日至 年 月 日- 26 -目录1 引言- 1 -1.1研究背景- 1 -1.2 LED显示屏简介- 1 -1.3 功能要求- 2 -2设计方案- 2 -2.1 核心元件的选用- 2 -2.2 整体设计思路- 2 -3 总体设计及核心元件的简介- 2 -3.1 总体设计结构图- 2 -3.2 硬件分析及设计- 3 -3.2.1时钟电路- 3 -3.2.2复位电路- 3 -3.2.3行数据传输电路- 4 -3.2.4列控制电路- 5 -3.2.5点阵组合电路- 6 -3.2.6单片机和按键连接电路- 7 -3.3 取模软件的应用- 7 -3.4 软件设计分析- 9 -3.4.1 软件设计流程图- 9 -3.4.2 系统源程序- 10 -4 仿真与调试- 18 -4.1 建立Keil uVision2工程、文件- 18 -4.2 绘制总体电路图- 19 -5 心得体会- 21 -6 参考文献- 22 -附录一 部分元件介绍- 22 -1 AT89C51芯片- 23 -2 8*8点阵LED元件介绍- 23 -附录二 整体电路- 25 -24*24点阵汉字显示设计（郑州华信学院）1 引言1.1研究背景随着电子技术特别是随大规模集成电路的产生而出现的微型计算机技术的飞速发展人类生活发生了根本性的改变。如果说微型计算机的出现使现代科学研究得到了质的飞跃那么可以毫不夸张地说单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。目前单片机以其体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、高可靠性、高性能价格比、开发较为容易在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用并已走人家庭从洗衣机、微波炉到音响、汽车到处都可见到单片机的踪影。因此单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。本课题研究的内容就是以单片机为主要控制元件驱动LED点阵显示所想要现实的汉字。1.2 LED显示屏简介LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。多个 LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，即形成LED点阵图文显示屏。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，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。它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。1.3 功能要求1）设计一个能显示24*24点阵图文LED显示屏。2）要求采用动态扫描方式保证在目测条件LED显示屏可亮度均匀地显示图形和文字并且稳定、清晰、无串扰，以自右向左拉幕形式滚动显示。2设计方案2.1 核心元件的选用在设计电路中要考虑硬件的选型，硬件的选型应根据设计要求和应用场合的限制选用。在此，选用行列控制器件是很关键的，如果选用的器件达不到要求可能就会出现驱动能力不足造成亮度不够，传送数据出错等一系列问题，本LED显示系统主要由AT89C51作为主控单元，列控制选用74HC138芯片，行数据传输选用串入并出器件，74164和74595功能相仿，都是8位串行输入转并行输出移位寄存器。74164的驱动电流（25mA）比74595的驱动电流（35mA）要小，14脚封装，体积也小一些，而且74595的驱动电流主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变，数码管没有闪烁感。与164只有数据清零端相比，595还有输出端时能/禁止输出端，可以使输出为高阻态。我们这里选用74HC595芯片及9块儿8*8点阵显示模块组成24*24点阵显示屏。2.2 整体设计思路在硬件方面基于AT89C51单片机的基础上，采用动态扫描的方式对LED点阵进行扫描显示，运用三个列驱动器74HC595和三个行驱动器74HC138对点阵进行列驱动，通过加上拉电阻对点阵进行行驱动，在软件方面，通过定时中断让显示的文字更加稳定、更加清晰，不断扫描各行各列，通过人的视觉误差达到文字、图片的稳定显示。3 总体设计及核心元件的简介3.1 总体设计结构图 图1：总体设计结构图3.2 硬件分析及设计3.2.1时钟电路AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可由内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率选择12MHz，C1，C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。时钟电路图如图2所示。 图2：时钟电路图3.2.2复位电路单片机有多种复位电路，本系统采用电平式开关复位与上电复位方式，电路如图3所示。当上电时，C1相当于短路，使单片机复位，按下复位键时单片机复位。在有时碰到干扰时会造成错误复位，但在大多数条件下，不会出现单片机错误复位，而可能会引起内部某些寄存器错误复位，如果在复位端加一个去耦电容，则会得到很好的效果。图3：复位电路3.2.3行数据传输电路根据如图4所示的74HC595管脚图对控制端的说明为：MR（10脚）指低电平时将移位寄存器数据清零；SH_CP（11脚）指上升沿时数据寄存器的数据移位；Q1，Q2，Q3，Q7指下降沿移位寄存器数据不变（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了，通常都选微妙级）；ST_CP（12脚）指上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了，通常都选微妙级），更新显示数据；/OE（13脚）指高电平时禁止输出（高阻态）。如果单片机的引脚不紧张，用一个引脚控制它，可以方便的产生闪烁和熄灭效果，这样比通过数据端移位控制要省时省力。然后用三片74HC595串联起来组成行数据传输端，如图5所示。通过数据端和时钟端把数据传送到移位寄存器。 图4：74HC595管脚图 图5：74HC595管脚分配连接3.2.4列控制电路列控器件74HC138是3-8译码器，它具有三个使能端，三个数据输入端，只有当使能端S1为高电平，而S2与S3之和为低电平时，才能正常工作，输出端低电平有效。此设计采用三片138和每个输出端串接一个470欧姆的电阻起一定的限流作用，然后与P1口相连接作为显示屏的列选择线。ABC为译码器数据输入端，E1、E2、E3为片使能端。当E1为高电平，E2和E3为低电平时第一片译码器使能可控制（COL0COL7）列，以此类推选择列。电路连接如图6所示。 图6：74HC138管脚分配连接图3.2.5点阵组合电路此点阵是按共阴式组合，控制列选端低电平有效。ROW0ROW23为行数据端，COL0COL16为列控制端，然后在仿真软件下合并起来就组成了24*24点阵。管脚分配方式如图8所示。图8：点阵管脚分配连接体3.2.6单片机和按键连接电路如图9所示，是单片机的I/O口连接电路，P1口作为连接74LS138的片选使能和译码数据端，P0作为连接74HC595的时钟端、数据端、清零端、使能端的分配。按键用P2口的，P2.0、P2.1、P2.2分别控制点阵屏停止/移动，开/关显示，速度的加/减功能。图9：单片机和按键连接电路图3.3 取模软件的应用1 打开取模软件应用程序，点击工具栏上添加文字图标，进入如图所示的窗口，输入要显示的文字或图片点击确认出现如下图所示效果。2 点击工具栏上“设置”，弹出如下窗口，在这里根据点阵的大小对字模字体进行设置。3 点击工具栏上导出字体图标弹出如下窗口。根据需要对导出代码语言、取点模式和字节顺序进行设计。点击保存即可。3.4 软件设计分析3.4.1 软件设计流程图图10：主程序及帧扫描子程序流程图3.4.2 系统源程序*标题：基于单片机的2424点阵LED汉字显示*硬件：51系列单片机，74HC138，74HC595，8*8点阵屏，按键*74HC595管脚定义*SH_CP BIT P0.0 ；移位寄存器时钟输入ST_CP BIT P0.1 ；存储寄存器时钟输入DDS BIT P0.2 ；串行数据输入MR BIT P0.3 ；主复位(低电平)OE BIT P0.4 ；使能 *74HC138管脚定义*E1 BIT P1.3 ；18列控制使能E2 BIT P1.4 ；916列控制使能E3 BIT P1.5 ；1724列控制使能 *按键设置*KEY1 BIT P2.0 ；控制移动和停止KEY2 BIT P2.1 ；控制显示的开和关KEY3 BIT P2.2 ；移动速度加/减ORG 0000HAJMP MAIN ORG 0030HMAIN： MOV 55H，#06MOV SP，#64HMAIN3： MOV DPTR，#TABCLR MR ；主复位(低电平) CLR ST_CP ；存储寄存器时钟输入NOPSETB ST_CPSETB MRCLR OEMOV R4，#216 ；显示9字，每字左移24列，共216列 MAIN1： CLR E1CLR E2CLR E3MOV R5，55H ；反复显示 可改变移动速度MAIN2： JB KEY2，S_STOPJNB KEY2，$ ；等待按键释放CPL 0EH ；显示开/关控制标志位S_STOP： JB 0EH，MAIN1JB KEY1，JIANJNB KEY1，$CPL 0FH ；移动控制的标志位JIAN： JB KEY3，Q_OUTJNB KEY3，$DEC 55HMOV R5，55HCJNE R5，#0，Q_OUT MOV 55H，#06Q_OUT： MOV R2，#0 ；取码指针MOV R1，#0 ；列控制码PANT： MOV 54H，#03MOV 53H，#08GG： MOV 50H，#08FF： MOV A，R1ANL A，#07H ；屏蔽R1高5位MOV P1，AINC R1ACALL GCMOV A，53H ；控制74LS138片选ORL P1，A ；74LS138使能ACALL MSDJNZ 50H，FF ；8列未扫描完返回MOV A，53H RL A MOV 53H，ADJNZ 54H，GG ；24列未扫描完返回DJNZ R5，MAIN2 ；反复6次未完，继续显示JB 0FH，M_STOPINC DPTRINC DPTR INC DPTR ；改变TAB地址实现文字移动现象DJNZ R4，MAIN1AJMP MAIN3M_STOP： AJMP MAIN1GC： SETB MRSETB OE ；管脚呈现高阻态MOV 51H，#03 ；传送三位字节AAA： MOV A，R2MOVC A，A+DPTR ；取当前列第一个字节MOV R3，#8 ；位传送到74HC595AA： RLC AMOV DDS，C CLR SH_CPNOPSETB SH_CPDJNZ R3，AA ；八位未传送完 继续CLR ST_CPNOPSETB ST_CPINC R2 ；取码指针加1DJNZ 51H，AAACLR OERETMS： MOV R6，#5 ；ms延时子程序 DELAY： MOV R7，#150DJNZ R7，$DJNZ R6，DELAYRETTAB：DB 00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00HDB 00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00HDB 00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H ；空DB 00H，00H，02H，00H，0CH，04H，07H，04H，08H，23H，04H，30H，3AH，04H，40H，06H，0EH，80H，03H，0F7H，00H，0EH，05H，00HDB 32H，04H，80H，22H，04H，40H，06H，04H，20H，06H，04H，10H，04H，0CH，08H，00H，14H，06H，00H，00H，02H，00H，00H，02HDB 04H，00H，02H，04H，00H，00H，07H，0FFH，0FFH，04H，20H，00H，04H，0D1H，00H，05H，0CH，0C0H，06H，02H，60H，04H，01H，0E0H ；郑DB 00H，00H，00H，00H，02H，00H，00H，1CH，02H，00H，70H，04H，00H，00H，08H，30H，00H，70H，3FH，0FFH，80H，30H，00H，00HDB 00H，02H，00H，00H，0E6H，00H，00H，7CH，00H，18H，00H，00H，1FH，0FFH，0F8H，1CH，00H，00H，30H，00H，00H，00H，00H，00HDB 00H，00H，40H，01H，4FH，0C0H，01H，0F0H，00H，00H，80H，00H，00H，00H，00H，0C0H，00H，01H，0FFH，0FFH，0FFH，0E0H，00H，00H ；州DB 00H，00H，00H，01H，00H，00H，01H，06H，00H，01H，07H，00H，01H，06H，00H，02H，02H，00H，04H，02H，00H ，4FH，0E2H，00HDB 70H，02H，00H，60H，02H，00H，00H，62H，00H，00H，7FH，0FFH，01H，32H，00H，01H，02H，00H，62H，02H，00H，7FH，0E2H，00HDB 08H，22H，00H，10H，26H，00H，60H，26H，00H，61H，66H，00H，40H，0E2H，00H，00H，20H，00H，00H，00H，00H，00H，00H，00H ；华DB 01H，00H，00H，01H，00H，00H，02H，00H，00H，04H，00H，00H，0FH，0FFH，0FFH，18H，00H，00H，60H，00H，00H，0C0H，00H，00HDB 58H，00H，00H，10H，47H，0FFH，12H，42H，06H，12H，42H，02H，12H，42H，02H，92H，42H，02H，0D2H，42H，02H，0F2H，42H，02HDB12H，42H，02H，12H，42H，02H，12H，42H，02H，12H，42H，06H，12H，42H，02H，30H，0C7H，0FFH，30H，44H，00H，00H，00H，00H ；信DB 00H，00H，00H，00H，01H，80H，00H，00H，80H，23H，0C0H，80H，32H，20H，80H，3AH，20H，80H，06H，00H，80H，02H，0C0H，80HDB 02H，80H，80H，02H，80H，8CH，02H，80H，86H，06H，8EH，83H，3AH，87H，0FFH，32H，88H，80H ，22H，88H，80H ，02H，90H，80HDB 02H，0E0H，80H，02H，00H，80H，0AH，00H，80H，3AH，40H，80H，33H，0C2H，80H，21H，81H，80H，00H，01H，80H，00H，00H，80H ；学DB 18H，00H，00H，1FH，0FFH，0FFH，10H，00H，00H，10H，0E1H，80H，10H，88H，80H，13H，04H，40H，16H，02H，62H，18H，01H，0D2HDB 11H，10H，0F2H，0EH，08H，04H，0CH，08H，08H，08H，88H，10H，08H，88H，20H，88H，8FH，0C0H，88H，88H，00H，0E8H，88H，00HDB 38H，88H，00H，09H，8FH，0FCH，08H，88H，02H，08H，28H，02H，09H，18H，02H，0EH，18H，1AH，06H，00H，0EH，00H，00H，0EH ；院END4 仿真与调试4.1 建立Keil uVision2工程、文件（1） 打开Keil uVision2软件，新建工程和文件，键入待调试的程序，点击-Options for Traget 图标，出现如下窗口，点击Output在Creat HEX Fi 复选框内打“”，单击确定。2 对目标文件进行构建、编译，如有错误对其进行修改；若没有错误，则会生成HEX文件。4.2 绘制总体电路图1 打开ISIS 7 Professional软件，按表格一依次找到所需元件，按附录二的电路图连接，检查电路，若没有错误，则对软件ISIS 7 Professional和软件Keil uVision2建立联系。元件名称所属类所属子类AT89C51Microprocessor ICs8051 FamilyCAPCapacitorsGenericCAP-ELECCapacitorsGenericCRYSTALMiscellaneousRESResistorsGeneric74LS245TTL 74LS SeriesTansceiversMATRIX-8*8-REDOptoelectronicsDot Matrix DisplaysRESPACKResistorsResistors Packs2 单击ISIS 7 Professional窗口工具栏上Source下“Define code”弹出如下窗口，在其左下部的“Disable automatic build rules”复选框内打“”，单击确定。3 同样单击source下Add/Remove source Files，弹出如下窗口，添加所需的目标文件的.HEX文件。4 运行调试，检测效果。5 心得体会1 在实训过程中，在线路接好，加入程序后，运行后只显示高低电平不显示汉字，究其原因才发现原来是没有按MATRIX元件内部结构来连接。改变其接图方式，能成功显示汉字。2 显示汉字后，出现反字，变换MATRIX内部元件的方向，能成功地显示所要显示汉字。3 经过调试，改变程序中的延时子程序，可以有效地改变汉字显示的频率。4 在这次点阵设计的过程让我进一步熟悉KEIL及Proteus的使用。5 本次设计结果仍有缺陷，有一行总是全亮，干扰显示。6 通过实训，进一步加深了对书中内容的理解。对AT89C51等元件的引脚和功能有了进一步的掌握。实训中，锻炼了我分析问题、解元件决问题的能力。6 参考文献1 阳进 基于单片机的LED显示屏的汉字显示 中国科技信息2 韩润萍 陈小萍.点阵LED显示屏控制系统 微计算机信息3 刘曙光 LED电子显示屏真彩显示的几种关键技术 北京:国外电子测量技术4 李径达 基于锁存方式LED显示屏的软件设计 沈阳:计算机应用研究5 李全利，单片机原理及接口技术M，高等教育出版社6 王文杰，单片机应用技术M，冶金工业出版社7 朱清慧，PROTEUS教程电子线路设计、制版与仿真M，清华大学出版社附录一 部分元件介绍1 AT89C51芯片 AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器RAM。器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51引脚如图11所示。 图11：AT89C51管脚图2 8*8点阵LED元件介绍如图12所示为单基色8*8的点阵屏内部结构图。从结构上可知，它的每一列共用一根列线，每一行共用一根行线。当相应的行接高电平，列接低电平时，对应的发光二级管被点亮。通常情况下，一块8*8像素的LED显示屏是不能用来显示一个汉字的，因此，本设计按照其原理结构扩展为24*24，显示一个汉字。在显示过程中，多采用扫描方式，利用人的视觉暂停效应，只要刷新速率不小于25帧/秒，就不会有闪烁的感觉。Proteus ISIS中的8*8点阵LED元件原理图如图13所示。由于该元件引脚没有任何标注，因此在使用之前必须进行引脚测试，以确定行线和列线的顺序及极性。图14给出了一种进行引脚测试的方法，根据测试结果便很容易确定该元件的电路接法 图12：内部结构图 图13：元件原理图 图14：引脚测试图附录二 整体电路