基于单片机led点阵屏毕业设计.docx
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基于单片机led点阵屏毕业设计.docx
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电子系统项目设计总结报告
题 目:
基于LED点阵显示屏的广告墙设计
学 院:
物理与电子工程学院
专 业:
电子信息工程
组员姓名:
孟昭阳马金龙任柄坤董君瑀 班 级:
2011级电子二班
指导教师:
梁西银 宋海声
目录
第一章 摘要 1
第二章 系统方案论证 2
2.1需要实现的功能 2
2.2LED显示特点 2
2.3设计方案论证 3
2.3.1显示模式方案 3
2.3.2数据传输方案 4
第三章 关键电路设计 5
3.1电源设计 5
3.2单片机系统及外围电路 6
3.2.1单片机的选择 6
3.2.2AT89C51芯片介绍 6
3.2.3单片机系统外围电路 9
3.3列驱动电路 10
3.4行驱动电路 12
3.4.1行驱动芯片74HC154介绍 12
3.4.2行驱动电路 14
3.5LED显示屏电路 16
第四章 软件流程 18
4.1系统主程序 18
4.2显示驱动程序 19
第五章 系统测试及结果分析 21
5.1软件调试 21
5.2硬件调试 25
5.3性能分析 25
第六章 理论分析计算 26
第七章 系统功能及使用方法 27
结束语 28
附录一 实物照片、电路图、PCB图、元器件清单 29
附录二 系统程序源代码 33
附录三 用户使用手册 39
参考文献 40
第一章 摘要
本设计是一16×16点阵LED电子显示屏的设计。
整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心,介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。
通过该芯片控制一个行驱动器
74HC154和两个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。
该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像,全屏能显示1个汉字,采用16*16点阵LED显示模块来组成16×16点阵显示模式。
显示采用动态显示,使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。
文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计,以及使用说明等。
单片机控制系统程序采用C语言进行编辑,通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平,就可以有效的控制各显示点的亮灭。
所显示字符的点阵数据可以自行编写(即直接点阵画图),也可从标准字库中提取。
LED显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉等特点在车站、证券所、运动场馆、交通干道及各种室内/外显示场合的信息发布,公益宣传,环境参数实时,重大活动倒计时等等得到广泛的应用。
经实践证明,该系统显示误差小,性能稳定,结构合理,扩展能力强。
关键词:
AT89C51单片机;LED;点阵显示;动态显示;汇编语言。
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第二章 系统方案论证
2.1需要实现的功能
设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏,要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
2.2LED显示特点
LED发光灯可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等多种类型。
按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等。
这种单个的发光灯适宜用做指示灯,如电源指示、电路状态指示灯,进而对能够转变成电信号的各种物理量进行指示。
也可以用多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示,如大型剧场会堂的出入口及洗手间的显示。
和很多应用术语一样,LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义,一般把显示图形和/或文字的LED显示屏称为图文屏。
这里所说的图形,是指由单一亮度线条组成的任意图形,以便于不同亮度(灰度)点阵组成的图像相区别。
图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断(发光或熄灭),而不控制LED的发光强弱。
LED图文显示屏的外观可以做成条形,叫做条形图文显示屏(简称条屏),也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。
其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏,在显示与控制的原理上并无区别。
从理论上说,不论显示图形还是文字,都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。
通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形,再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。
对于只控制通断的图文显示屏来说,每个LED发光器件占据数据中的1位(1bit),在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1,否则填0。
当然,根据控制电路的安排,相反的定义同样是可行的。
这样依照所需显示的图形文字,按显示屏的各行各列逐点填写显示数据,就可以构成一个显示数据文件。
显示图形的数据文件,其格式相对自由,只要能够满足显示控制的要求即可。
文字的点阵格式比较规范,可以采用现行计算机通用的字库字模。
组成一个字的点阵,其大小也可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格。
汉字的点阵结构相应的显示数据是用16进制格式以字节为单位表示的。
用点阵方式构成图形或文字,是非常灵活的,可以根据需要任意组合和变化,只要设计好合适的数据文件,就可以得到满意的显示效果。
因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息,是非常有效的。
点阵显示方式适应信息变化的优点,是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。
点阵显示器在整个显示单元的所有位置上都布置了LED器件,而像数码管一类的显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件,其它位置是空白的。
因此,
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点阵显示器在相同面积情况下,价格要贵些。
但是,数码管可显示的信息有限,只有
0~9或单个的英文字符,由于组合形成的字符不多,所以其显示数据和控制电路都比较简单。
点阵显示器则不然,它要对点阵上全部LED进行控制,并能生成所有可能显示的图形文字,其显示数据和控制电路自然要复杂得多。
因此,根据不同的场合,不同的显示特点和格式可以分别采用数码管器件或点阵显示方式,有的情况可以采用两者搭配的混合屏显示方式。
图文显示屏的颜色,有单色、双色、和多色几种。
最常用的是单色图文屏。
单色屏多使用红色、橘红色或橙色LED点阵单元。
双色图文屏和多色图文屏,在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。
换句话说,对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。
显示的时候,各颜色的显示点阵是分开控制的。
事先设计好各种颜色的显示数据,显示时分别送到各自的显示点阵,即可实现预期效果。
每一种颜色的控制方法和单色的完全相同,因此掌握了单色图文显示屏的原理,双色屏和多色屏就不难理解了。
2.3设计方案论证
2.3.1显示模式方案
为了吸引观众增强显示效果,可以有多种显示模式,最简单的显示模式是静态显示。
这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式。
与静态显示模式相对应,就有各种动态显示模式,它们所显示的图文都是能够动的。
按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。
产生不同显示模式的方法,并不意味着一定要重新编写显示数据,可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。
例如,按顺序调整行号,可以使显示图文产生上下平移;而顺序调整列显示数据的位置,就可以达到左右平移的目的;同时调整行列顺序,就能得到对角线平移的效果。
其它模式的数据刷新,也可找到相应的算法。
不过当算法太复杂,太浪费时间的话,也可以考虑预先生成刷新数据,存储备用。
刷新的时间控制,要考虑运动图形文字的显示效果。
刷新太慢,动感不显著;刷新太快了,中间过程看不清。
一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。
同时控制LED显示屏的各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
16×16的点阵共有256个发光二极管,显然单片机没有这么多端口,如果我们采用锁存器来扩展端口,按8位的锁存器来计算,16×16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16×16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。
而且静态显示功耗大,显示一个16×16的字的功耗为:
16×16×10×5=12800mW=12.8W!
普通电池根本无法驱动,要是组成大显示屏那功耗将更惊人。
因此虽然静态显示效果好,但是在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而采用另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)的同名列共用一套列驱动器,每行有一个行驱动器,具体就16×16的点阵来说,把所有同一行的发光管的阳极连在一起,把所有同一列的发光管的阴极连在一起(共阳的接法),由行译码器给出的行选通信号,从第一行开始,按顺序依次对各行进行扫描(把该行与电源的一端接通)。
另一方面,根据各列锁存的数据,确定相应的列
驱动器是否将该列与电源的另一端接通。
接通的列,就在该行该列燃亮相应的LED;未接通的列所对应的LED熄灭。
当一行的扫描持续时间结束后,该行燃亮的LED也就熄灭;下一行又以同样的方法进行显示。
全部各行都扫过一遍之后(一个扫描周期),又从第一行开始下一个周期的扫描。
只要一个扫描轮回的速度足够快(每秒24次以上),由于人眼的视觉暂留现象,就不容易感觉出闪烁现象,就能看到显示屏上稳定的图形了。
而且动态扫描方式功耗低,硬件成本低,每个LED都不是连续工作,因而还有利于延长LED的使用寿命。
2.3.2数据传输方案
采用扫描方式进行显示时,显示数据通常存储在单片机的存储器中,按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去,这就存在一个显示数据传输方式的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。
显然,采用并行方式时,从控制电路到列驱动器的线路数量大,相应的硬件数目多。
当列数很多时,并行传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法,控制电路可以只用一根信号线,将列数据一位一位传往列驱动器,在硬件方面无疑是十分经济的。
但是,串行传输过程较长,数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换。
首先,单片机从存储器中读出的8位并行数据要通过并串变换,按顺序一位一位地输出给列驱动器。
与此同时,列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列,并从前一列接收新数据,一直到全部列数据都传输完为止。
只有当一行的各列数据都已传输到位之后,这一行的各列才能并行地进行显示。
这样,对于一行的显示过程就可以分解列数据准备(传输)和列数据显示两个部分。
对于串行传输方式来说,列数据准备时间可能相当长,在行扫描周期确定的情况下,留给行显示的时间就太少了,以至影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题,可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时,准备下一行的列数据。
为了达到重叠处理的目的,列数据的显示就需要具有锁存功能。
列驱动器
经过上述分析,可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说,它应能实现串入并出的移位功能;对于列数据显示来说,应具有并行锁存的功能。
这样,本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时,串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据,而不会影响本行的显示。
图2-1为显示屏电路实现的结构框图。
电源
LED显示点阵
单片机
行驱动器
图2-1 显示屏电路
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