51單片機電子顯示屏畢業(yè)設(shè)計.pdf

XXXX 學院畢業(yè)設(shè)計學院畢業(yè)設(shè)計 電子顯示屏的設(shè)計電子顯示屏的設(shè)計 基于基于 51 單片機單片機 姓名：XXX 學號：XXX 班級：07 電氣 1 班 指導(dǎo)老師：XX XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 摘要： LED 點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的 LED 發(fā)光二極管封裝而成. LED 點陣顯示屏可以顯示數(shù)字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。文章給 出了一種基于 MCS-51 單片機的 1616 點陣 LED 顯示屏的設(shè)計方案。 包括系統(tǒng)具體的硬 件設(shè)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(nèi), 只需通過簡單的 級聯(lián)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。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：MCS-51LED單片機點陣屏 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 目目錄錄 一、背景介紹. 1.1LED 及 LED 顯示屏. 二、MCS-51 系列單片機及特點 三、設(shè)計要求. 四、方案實現(xiàn). 4.1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 4.1.1 單片機系統(tǒng)及外圍電路 4.1.3 行驅(qū)動器 4.2.系統(tǒng)程序的設(shè)計 4.2.1 顯示驅(qū)動程序 4.2.2 系統(tǒng)主程序 五、畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)與心得. 參考文獻. XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 引言引言 LED 顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于車站、 碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理 和其它公共場所。 在實際應(yīng)用中的顯示屏由于成本和可靠性的因素常采用一種稱為動態(tài) 掃描的顯示方法。本文設(shè)計的是一個室內(nèi)用 1616 的點陣 LED 圖文顯示屏，圖形或文 字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 點陣點陣 LEDLED 電子顯示屏的設(shè)計電子顯示屏的設(shè)計 一、背景介紹一、背景介紹 1.1LED 及 LED 顯示屏 LED 就是 Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從 而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利 用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。發(fā)光二極管是由 p 型和 n 型半導(dǎo)體組成的二極管。 在 LED 的 p - n 結(jié)附近,n 型材料中多數(shù)載流子是電子,p 型 材料中多數(shù)載流子是空穴。p -n 結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘,當加正向偏壓時,在 外電場作用下,p 區(qū)的空穴和 n 區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U散運動,構(gòu)成少數(shù)載流子的注入,從 而在 p - n 結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合,同時釋放出相對應(yīng)的能量 h(h 為 普朗克常數(shù),為光子頻率)而發(fā)光。該能量相當于半導(dǎo)體材料的帶隙能量 Eg(Ev) ,其與 發(fā)光波長(nm) 的關(guān)系為= 1239. 6PEg。 LED 顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、 圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。 LED 顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由 LED 矩陣塊組成。圖文顯示屏可與 計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進行控制，圖文、 圖像并茂，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動 畫、錄像、電視、VCD 節(jié)目以及現(xiàn)場實況。LED 顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強， 靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券 市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。 它的優(yōu)點：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、 耐沖擊、性能穩(wěn)定。 二、二、MCS-51MCS-51 系列單片機及特點系列單片機及特點 圖 2.1 單片機引腳： 可靠性高： 因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機。系統(tǒng)軟件(如：程 序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個芯片 內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 便于擴展： 片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的 輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。 控制功能強： 具有豐富的控制指令：如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 實用性好： 體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。 與 MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 、8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器、 1000 次擦寫周 期、 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 、 32 個可編程 I/O 口線 、三個 16 位定時器/計數(shù)器 八 個中斷源 、全雙工 UART 串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、 看門狗定時器 、雙數(shù)據(jù)指針 、掉電標識符。 其正常工作時 Vcc 為 5V 的電源，Vss 為接地端，IO 總線分別為 P0、P1、P2、P3 口，32 根 IO 引線，每根都可以獨立使用。 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。 作為輸出口， 每位能驅(qū)動 8 個 TTL 邏 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在 flash 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷 0) P3.3 INT1(外中斷 1) P3.4 TO(定時/計數(shù)器 0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器 1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 三、設(shè)計要求三、設(shè)計要求 設(shè)計一個室內(nèi)用 1616 的點陣 LED 圖文顯示屏，要求在目測條件下 LED 顯示屏各 點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)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。 四、方案實現(xiàn)四、方案實現(xiàn) 從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所 在的位置相對應(yīng)的 LED 器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時控制各個 發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。 1616 的點陣共有 256 個發(fā)光二極管， 顯然 單片機沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴展端口，按 8 位的鎖存器來計算，16 16 的點陣需要 256/8=32 個鎖存器。 這個數(shù)字很龐大， 因為我們僅僅是 1616 的點陣， 在實際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數(shù) 字。因此在實際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描 的顯示方法。 動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行 （比如 16 行）的同名列共用一套驅(qū)動器。具體就 1616 的點陣來說，把所有同 1 行的 發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同 1 列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽極的接法） ，先 送出對應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 1 行使其燃亮一定時間，然后熄 滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 2 行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以 此類推，第 16 行之后，又重新燃亮第 1 行，反復(fù)輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 秒 24 次以上） ，由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。 采用掃描方式進行顯示時， 每一行有一個行驅(qū)動器， 各行的同名列共用一個驅(qū)動器。 顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按 8 位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把 一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。 從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式 時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當列數(shù)很多時，并列傳 輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹?采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū) 動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位 地輸出給列驅(qū)動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行 地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯 示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的 情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到 LED 的亮度。 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方 法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù) 據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應(yīng)具有的功 能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應(yīng)能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應(yīng) 具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移 位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。圖 1 為顯示屏電路實現(xiàn) 的結(jié)構(gòu)框圖。 圖圖 1 1，顯示屏電路框圖，顯示屏電路框圖 4.1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件電路大致上可以分成單片機系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路三部分。 4.1.1 單片機系統(tǒng)及外圍電路 單片機采用 MSC-51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高 的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機的串口與列驅(qū)動器相連，用來顯示數(shù)據(jù)。P1 口低 4 位與行驅(qū)動器相連，送出行選信號；P1.5P1.7 口則用來發(fā)送控制信號。P0 口和 P2 口空著，在有必要的時候可以擴展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。1616 的點陣顯示屏的硬件原理 圖如圖： 單 片 機 列驅(qū)動器 LED 顯示點陣 電源 行 驅(qū) 動 器 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 圖 4.1.1：單片機系統(tǒng)電路 4.1.24.1.2 列驅(qū)動電路列驅(qū)動電路 圖 4.1.2：列驅(qū)動電路 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 列驅(qū)動電路有集成電路 74HC595 構(gòu)成。它具有一個 8 位串入并出的移位寄存器和一 個 8 位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實 現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，既達到重疊處理的目的。 74HC595 的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。它的輸入側(cè)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。引腳 SI 是串行數(shù)據(jù)的輸入端。引腳 SCK 是 移位寄存器的移位時鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將 SI 的下一個數(shù)據(jù)打入最低位。 移位后的各位信號出現(xiàn)在各移位寄存器的輸出端，也就是輸出鎖存器的輸入端。RCK 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輸出鎖存器。引腳 G 是輸出 三態(tài)門的開放信號，只有當其為低時鎖存器的輸出才開放，否則為高組態(tài)。SCLR 信號是 移位寄存器清零輸入端，當其為低時移位寄存器的輸出全部為零。由于 SCK 和 RCK 兩個 信號是互相獨立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存互不干擾。芯片的輸出端為 QAQH，最高位 QH 可作為多片 74HC595 級聯(lián)應(yīng)用時，向上一級的級聯(lián)輸出。但因為 QH 受輸出鎖存器的打入控制， 所以還從輸出鎖存器前引出 QH， 作為與移位寄存器完全同步 的級聯(lián)輸出。 QB116Vcc QC215QA QD314SI QE413G QF512RCK QG611SCK QH710SCLR GND89QH 圖圖 3.3.74HC59574HC595 外形及引腳外形及引腳 4.1.3 行驅(qū)動器 圖：4.1.3 行驅(qū)動電路 單片機 P1 口低 4 位輸出的行號經(jīng) 4/16 線譯碼器 74LS154 譯碼后生成 16 條行選通 信號線，再經(jīng)過驅(qū)動器驅(qū)動對應(yīng)的行線。一條行線上要帶動 16 列的 LED 進行顯示，按 每一 LED 器件 20MA 電流計算， 16 個 LED 同時發(fā)光時， 需要 320MA 電流， 選通三極管 8550 作為驅(qū)動管可滿足要求。 74HC595 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 4.2.系統(tǒng)程序的設(shè)計 顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號，使屏幕按設(shè) 計的要求顯示。根據(jù)軟件分層次設(shè)計的原理，可以把顯示屏的軟件系統(tǒng)分為兩層；第一 層是底層的顯示驅(qū)動程序，第二層是上層的系統(tǒng)應(yīng)用程序。顯示驅(qū)動程序負責向屏體送 顯示數(shù)據(jù)，并負責產(chǎn)生行掃描信號和其他控制信號，配合完成 LED 顯示屏的掃描顯示工 作。顯示驅(qū)動器程序由定時器 T0 中斷程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置（初 始化） 、顯示效果處理等工作，由主程序來實現(xiàn)。 從有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法（顯示效果處理）和有利于程序結(jié)構(gòu)化考慮，顯示屏程 序適宜采用 C 語言編寫。 4.2.14.2.1 顯示驅(qū)動程序顯示驅(qū)動程序 顯示驅(qū)動程序在進入中斷后首先要對定時器 T0 重新賦初值，以保證顯示屏刷新率 的穩(wěn)定，1/16 掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計算公式如下： 刷頻率（幀頻）=1/16T0 溢出率 =1/16f/12（65536-t） 其中 f 位晶振頻率，t 為定時器 T0 初值（工作在 16 位定時器模式） 。 然后顯示驅(qū)動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)， 并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動程 序先要關(guān)閉顯示屏， 即消隱， 等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存， 然后再輸出新的行號， 重新打開顯示。圖 4 為顯示驅(qū)動程序（顯示屏掃描函數(shù)）流程圖。 圖 4 顯示驅(qū)動程序流程圖 進入中斷 定時器賦初值 讀取行號并增加 1 送新行顯示數(shù)據(jù) 消 隱 切換顯示數(shù)據(jù) 發(fā)送新行號，打開顯示 退出中斷 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 4.2.2 系統(tǒng)主程序 本文設(shè)計的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯 示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)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。 系統(tǒng)主程序開始以后，首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，包括設(shè)置串口、定時器、中斷和 端口；然后以“卷簾出”效果顯示圖形，停留約 3s；接著向上滾動顯示“我愛單片機” 這 5 個漢字及一個圖形，然后以“卷簾入”效果隱去圖形。由于單片機沒有停機指令， 所以可以設(shè)置系統(tǒng)程序不斷的循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果。 單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來 的數(shù)據(jù)信息和命令信息， 并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一 級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。 圖 5 是系統(tǒng)主程序流程圖。 圖 5 系統(tǒng)主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 “卷簾出”顯示效果 “上滾屏”顯示效果 “左跑馬”顯示效果 “卷簾入”顯示效果 XXXX 學院單片機應(yīng)用論文 五、畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)與心得五、畢業(yè)設(shè)計的總結(jié)與心得 本文設(shè)計的一個室內(nèi)用 1616 的點陣 LED 圖文顯示屏，能夠在目測條件下 LED 顯 示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)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(tǒng)具有硬件少，結(jié)構(gòu)簡單，容易實 現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。 總結(jié)本文的研究工作，主要做了下面幾點較突出的工作： 一、通過查閱大量的相關(guān)資料，詳細了解了 LED 的發(fā)光原理和 LED 顯示屏的原理， 了解了 LED 的現(xiàn)狀，清楚