AT89C5151的8×8點陣LED數(shù)碼字符顯示器的設(shè)計 精品.doc

第一章 引言LED是光二極管LIGHT EMINTTING DIODE的英文縮寫，是一種直接能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體。LED點陣是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件，在日常生活中隨處可見，其發(fā)光類型屬于冷光源，效率及發(fā)熱量是普通發(fā)光器件難以比擬的。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)、可靠耐用、應(yīng)用靈活、安全、響應(yīng)時間短、綠色環(huán)保、控制靈活等特點。隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，人們對LED顯示器的認(rèn)識不斷加深，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。本設(shè)計是基于AT89C5151的88點陣LED數(shù)碼字符顯示器的設(shè)計，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。本文講述了基于AT89C51單片機88 LED數(shù)碼字符顯示器的基本原理、硬件組成與設(shè)計，Proteus軟件仿真，程序設(shè)計等基本環(huán)節(jié)與相關(guān)技術(shù)。LED電子顯示屏具有所顯內(nèi)容信息量大，外形美觀大方，操作使用方便靈活。適用于火車，汽車站，碼頭，金融證券市場，文化中心，信息中心體育設(shè)施等公共場所。該項目廣泛涉及了計算機及電子技術(shù)中的電源技術(shù)，單片機技術(shù)，數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，顯示技術(shù)，存儲技術(shù)，系統(tǒng)軟件技術(shù)，接口及驅(qū)動等技術(shù)。本設(shè)計是88點陣LED數(shù)碼字符顯示器的設(shè)計。整機以美國ATMEL公司生產(chǎn)的40腳單片機AT89C51為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的LED點陣電子顯示屏的動態(tài)設(shè)計和開發(fā)過程。通過該芯片控制一個驅(qū)動器來驅(qū)動顯示屏顯示，該電子屏可以各種文字或單色圖像，采用動態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。第二章 方案選擇及總體設(shè)計2.1 方案確定2.1.1 功能要求 1、采用MCS-51單片機作為微處理器。 2、設(shè)計一個88點陣LED數(shù)碼字符顯示器。 3、在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足、穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。 4、動態(tài)顯示“8”“0”“5”“1”幾個字符。2.1.2 方案確定 采用AT89C51單片機作為微處理器，將共陽極二極管用共陰型接法連接成88點陣LED數(shù)碼字符陣列，通過程序控制，采用動態(tài)顯示，建立字符庫“元”“旦”“快”“樂”。2.2 器件選擇微處理器采用AT89C51系列單片機，AT89C51單片機是這幾年在我國非常流行的單片機，是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）高性能單片機，可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次，具有低功耗、高性能的特點，并且可與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容，對于本設(shè)計需要實現(xiàn)的功能，完全可勝任。第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 整體模塊設(shè)計本設(shè)計行、列驅(qū)動電路，顯示器電路，運用單片機的智能化，系統(tǒng)的將每個功能電路模塊連接在一起，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。圖3.1硬件系統(tǒng)框圖此次需要實現(xiàn)的功能是利用一個AT89C51，一個88LED點陣，動態(tài)顯示“元旦快樂”4個字，采用PC上位機驅(qū)動顯示電路。3.2 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計AT89C51單片機最小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路、晶振電路兩部分組成。3.2.1 晶振電路設(shè)計AT89C51單片機芯片內(nèi)部設(shè)有一個由反向放大器構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時鐘可有內(nèi)部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就會產(chǎn)生自激振蕩。系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振頻率fosc采用12MHZ，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小起頻率微調(diào)的作用。晶振電路圖如圖所示。圖3.2.1 晶振電路圖 3.2.2 復(fù)位電路設(shè)計AT89C51單片機在啟動運行時或者出現(xiàn)死機時需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機有多種復(fù)位方式，常用的復(fù)位操作有上電復(fù)位和手動復(fù)位方式。本設(shè)計采用最簡單的上電復(fù)位方式，電路如圖3所示。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的，復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位信號（高電平有效）由RST引腳送入到內(nèi)部的復(fù)位電路，對AT89C51單片機進行復(fù)位，復(fù)位信號要持續(xù)兩個機器周期（24個時鐘周期）以上，才能使AT89C51單片機可靠復(fù)位。當(dāng)上電時，C1相當(dāng)于短路，有時碰到干擾時會造成錯誤復(fù)位，可在復(fù)位端加個去耦電容，可以取得很好的效果。 AT89C51單片機復(fù)位電路如下圖所示： 圖3 上電復(fù)位電路圖 圖4 按鍵電平復(fù)位電路圖復(fù)位電路工作原理： 上電瞬間RST引腳的電位與VCC等電位，RST引腳為高電平，隨著電容C5充電電流的減少，RST引腳的電位不斷下降，可以保持RST引腳在為高電平的時間內(nèi)完成復(fù)位操作。當(dāng)單片機已在運行當(dāng)中時，按下復(fù)位鍵S5后再松開，也能使RST引腳為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)AT89C51單片機復(fù)位。3.3 驅(qū)動電路設(shè)計正向點亮一顆LED，至少也要1020mA，若電流不夠大，則LED不夠大。而不管是AT89C51的I/O口，還是TTL、CMOS的輸出端，其高態(tài)輸出電流都不是很高，不過12mA而已。因此很難直接高態(tài)驅(qū)動LED，這時候就需要額外的驅(qū)動電路，通常有共陽型與共陰型LED陣列驅(qū)動電路，本設(shè)計才用共陰型高態(tài)掃描信號驅(qū)動電路。共陰型LED陣列驅(qū)動電路采用高態(tài)掃描，也就是任何時間只有一個高態(tài)信號，其它則為低態(tài)。一行掃描完成后，再把高態(tài)信號轉(zhuǎn)化到近鄰的其他行，掃描信號接用一個反向驅(qū)動器，AT89C51本身內(nèi)置一個反向驅(qū)動器，本設(shè)計將AT89C51作為點矩陣顯示控制系統(tǒng)的控制核心，通過點矩陣實時顯示并移動字符。單片機的串口與行驅(qū)動器相連，用來發(fā)送顯示數(shù)據(jù)信息。P0口與LED陣列的行引腳相連，送出數(shù)據(jù)、地址以及系統(tǒng)控制信號。輸出低態(tài)時，最大可吸取0.5A，即500mA，若每個LED取30mA，7個LED同時點亮，需要210mA，完全滿足LED點亮的基本條件。圖3.3 驅(qū)動電路圖所要顯示的信號各個經(jīng)過一個限流電阻送入晶體管的基極，而每個NPN晶體管的的集極連接VCC、射極輸出經(jīng)一個100的限流電阻連接到LED陣列的列陣腳。對于高態(tài)的顯示信號，將可提供其所連接LED的驅(qū)動電流，而這個驅(qū)動電流經(jīng)過LED到輸出端，形成正向回路，即可點亮該LED。其中每個晶體管任何時間只需負(fù)責(zé)驅(qū)動一個LED，所以選擇30mA射極電流的晶體管。驅(qū)動電路如圖3.3所示。3.4 LED點陣顯示設(shè)計 本設(shè)計采用ATMEL公司的AT89C51作矩陣顯示控制系統(tǒng)控制核心，12MHZ晶振,88點陣共陽LED顯示器。其中，P0口作為字符數(shù)據(jù)輸出口,P2口為字符顯示掃描輸出口,第31腳(EA)接電源，P1.7開關(guān)S1，改變電阻（270*8）的大小可改變顯示字符的亮度，驅(qū)動用9012三極管。本設(shè)計LED矩陣顯示器電路選用88點陣模塊，系統(tǒng)由單片機控制。 LED顯示屏是將發(fā)光二極管按行按列布置的，在掃描驅(qū)動方式下可以按行掃描按列控制，也可以按列掃描按行控制。本文就是使用1塊88點陣，采用按列掃描按行控制控制方式，掃描順序自左向右，以滿足漢字顯示的要求。88點陣LED結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4 .1LED數(shù)碼顯示管88 點陣LED的工作原理。圖3.4.2為88點陣LED外觀及引腳圖，其等效電路如圖8所示，只要其對應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點亮，則Y0=1，X0=0即可。應(yīng)用時限流電阻可以放在X軸或Y軸。 圖3.4.2 88點陣LED外觀及引腳圖圖3.4.3 88點陣LED等效電路一個88點陣是由64個發(fā)光二極管按規(guī)律組成的，如圖3.4.3所示。圖中，行接低電平，列接高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光。第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計思想 主程序先進行設(shè)置中斷，并啟動，再進行鍵盤掃描載入“8051”字型，然后判斷一組字型是否掃描完，按不同情況進行循環(huán)調(diào)用子程序。進入子程序后，首先設(shè)置相應(yīng)的程序，反復(fù)調(diào)用顯示子程序，并在顯示過程中反復(fù)調(diào)用鍵盤掃描子程序進行延時，判斷是否退出相應(yīng)的方式顯示子程序。設(shè)計過程中，能很好得提高按鍵響應(yīng)速度。如圖4.1所示為軟件系統(tǒng)框圖。圖4.1軟件系統(tǒng)框圖字符編碼：88點陣可以看成是從上至下8個字節(jié)，每個字節(jié)8位，因為該點陣為共陰型點陣，因此若該燈亮，則該位為“1”；該燈不亮，則該位為“0”。所以“元旦快樂”的編碼為，從上至下：“元”： 0xe2 0xa4 0x24 0x24 0xff 0x00 0x7e 0x00；“旦”： 0xff 0x00 0x7e 0x42 0x7e 0x42 0x7e 0x00；“快”： 0x46 0x2a 0x12 0xfe 0x57 0x52 0x7e 0x12；“樂”： 0x10 0x18 0x92 0x54 0xfe 0x12 0x12 0x7e。4.2 主程序流程圖主程序首先設(shè)置并啟動T0中斷，然后調(diào)用初始化程序，為后面程序要用到的數(shù)據(jù)調(diào)入，并清零一些用到的數(shù)據(jù)單元，然后載入“元旦快樂”字型，進行掃描。圖10為主程序流程圖，詳細(xì)主程序清單及子程序設(shè)計見附錄C。圖4.2 主程序流程圖第五章 系統(tǒng)仿真及性能分析5.1 軟件系統(tǒng)仿真本設(shè)計是以Keil C與Proteus.ISIS相結(jié)合方式來實現(xiàn)本LED點矩陣顯示器的仿真實現(xiàn)過程。電路的核心是單片機AT89C51。單片機的P0口八個引腳通過總線連接到LED矩陣顯示器的段選碼和位選碼（a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8）的引腳上，來作為控制信號的來源。如圖所示。圖 5.1.1 動態(tài)程序調(diào)試圖 5.1.2 延時程序調(diào)試5.2 硬件仿真結(jié)果分析此次系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果較好，LED顯示屏能很好的顯示信息。LED顯示屏由4塊88的LED小模塊組成，整個顯示屏可以顯示88的“8051”字型。這個方案設(shè)計的88的點陣LED圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較易擴展；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。 圖5.2.1 顯示漢字“元” 圖5.2.2 顯示漢字“旦” 圖5.2.3 顯示漢字“快” 圖5.2.4 顯示漢字“樂” 第六章 總結(jié)致謝本次課程設(shè)計到現(xiàn)在有一個多星期，回顧這些天我感到學(xué)到了很多東西，在寫這個心得的時候，我想就這些天的收獲，說一說自己內(nèi)心的想法。本設(shè)計是一個8x8的點陣LED數(shù)碼顯示器，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?dāng)_。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，主要做了下面幾點工作： 一、通過查閱大量的相關(guān)資料，詳細(xì)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，清楚地了解了LED顯示屏與其它顯示屏相比較有那些優(yōu)點，明確了研究目標(biāo)。并且通過對單片機資料的查閱和應(yīng)用，更進一步增加了對單片機知識的理解和運用能力。并證實了自己的思路：“查資料思考總結(jié)運用找出差錯，再查資料和向別人詢問再次運用”的正確性。二，本文設(shè)計的LED顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)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?dāng)_。三，本文列出了系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計方案,硬件結(jié)構(gòu)電路圖，軟件流程圖和具體匯編語言程序設(shè)計與調(diào)試等方面。四，在這次課程設(shè)計的過程中學(xué)會了 PROTEUS 的基本使用，感到PROTEUS對電子專業(yè)的同學(xué)來說是一個很有用的軟件。在運用PROTEUS時可以運用一些快捷的標(biāo)號，總線的方法畫圖，這樣既能使電路圖清晰，簡單，更能大大提高畫圖速度五，通過這次課程設(shè)計，重新復(fù)習(xí)并進一步增強了動手的能力，學(xué)以致用，把只是運用到實際生活中才是根本目的。六，存在問題：沒有考慮仿真軟件是一個理想的仿真環(huán)境，而實際連接的電路板會由于譬如連接不當(dāng)，相鄰器件間的干擾等等的問題導(dǎo)致在仿真軟件中能良好運行的程序，出現(xiàn)顯示問題，經(jīng)過排查和合理的器件擺放焊接，問題解決?？傮w來說這次的科研實踐很成功，達(dá)到了預(yù)想的目的：學(xué)到了知識，提高了能力，完成了任務(wù)。有點缺憾是時間有限，不能進一步深入和擴散學(xué)習(xí)和研究。希望有時間可以對程序和電路圖作更進一步的改進，譬如實現(xiàn)點陣的上下移動，對角線移動，多色顯示等。附 錄附錄A 硬件結(jié)構(gòu)圖附錄B 主程序清單#include unsigned char code taba=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/行選unsigned char code tabb=0xe2,0xa4,0x24,0x24,0xff,0x00,0x7e,0x00;/選列元unsigned char code tabc=0xff,0x00,0x7e,0x42,0x7e,0x42,0x7e,0x00;/旦unsigned char code tabd=0x46,0x2a,0x12,0xfe,0x57,0x52,0x7e,0x12;/快unsigned char code tabe=0x10,0x18,0x92,0x54,0xfe,0x12,0x12,0x7e;/樂unsigned char i,j;void delay(void)/延時5ms unsigned char i,j; for(i=10;i0;i-) for(j=248;j0;j-);void delay1(void)/延時10ms unsigned char i,j,k; for(k=10;k0;k-) for(i=20;i0;i-) for(j=248;j0;j-);void main(void) while(1) for(j=0; j10; j+) /from 上 to 下 3 time for(i=0;i8;i+) P0=tabai; P3=tabbi; /P1=0xff; delay(); /for(j=0; j2; j+) /from 下 to 上 3 time