基于单片机的16×16点阵LED电子显示屏的设计报告.doc
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基于单片机的16×16点阵LED电子显示屏的设计报告.doc
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单片机原理及应用
课程设计报告书
题目:
16×16点阵LED电子显示屏的设计
姓名:
蔡臣
学号:
083521041
专业:
电气工程及其自动化
指导老师:
徐武雄
设计时间:
2011年5月
目录
1.引言...............................................1
1.1设计意义......................................1
1.2系统功能要求..................................1
2.方案设计..........................................1
3.硬件设计..........................................3
4.软件设计.........................................10
5.系统调试.........................................13
6.设计总结.........................................14
7.附录A源程序.....................................15
8.附录B作品实物图片...............................35
9.参考文献.........................................36
16×16点阵LED电子显示屏的设计单片机原理及应用课程设计
16×16点阵LED电子显示屏的设计
1.引言
LED点阵显示屏是一种简单的汉字显示器,具有价廉、易于控制、使用寿命长等特点,可广泛应用于各种公共场合,如车站、码头、银行、学校、火车、公共汽车显示等。
本文详细介绍了一种低廉的16x64阵LED显示屏的设计过程。
1.1.设计意义
1、实现LED点阵屏核心功能即汉字及字母的多样化显示。
2、通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识和掌握,对单片机课程的应用进一步的了解。
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、锻炼通过自学与自己探索的方式解决问题的能力。
5、通过此次课程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。
1.2.系统功能要求
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.方案设计
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的多,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。
具体就16×16的点阵来说,我们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),先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第一行使其燃亮一定的时间,然后熄灭;再送出第二行的数据并锁存,然后选通第二行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;……第十六行之后又重新燃亮第一行,这样反复轮回。
当这样轮回的速度足够快(每秒24次以上),由于人眼的视觉暂留现象,我们就能看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时,每行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个列驱动器。
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,数据按顺序一位一位地输出给列驱动器,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成列数据准备(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,传送下一行的列数据。
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。
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影响本行的显示。
3硬件系统设计
本系统采用AT89C52单片机作控制器,整个电路主要由单片机控制及其接口电路、驱动显示电路、电源电路等部分组成。
为了简化显示屏电路,降低成本,本系统在单片机部分不加字库存储器。
而在PC机上编辑汉字和字符显示信息,并将其转换为相应的点阵显示数据,然后通过串口(采用RS-232通信标准)送给单片机存储并进行显示处理。
图1所示为其硬件系统原理图。
3.1单片机控制电路
本系统由AT89C52构成单片机最小应用系统.同时配有11.0592MHz晶振和按键复位电路等。
系统外扩的一片Flash存储器29F040为数据存储器,可用来存储由PC机串口送来的点阵信息(通过软件将图像或文字转换成与LED显示屏的像素相对应的点阵信息)。
该Flash存储器是一种非易失性存储器,它在供电电源关闭后仍能保持片内信息。
由于29F040的容量为512KB(该芯片内部由8个64Kbyte的读写块组成,可分块进行读、写和擦除等操作),而AT89C52只能管理64KB的数据空间,所以,需将29F040分成8页,每页64KB。
其页码可由单片机的P3.2~P3.4来选择。
另外,采用MAX232可完成RS232与TTL电平的转换,以便使PC机与单片机交换信息。
3.216x16点阵显示器的设计
(a)图2是一种8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图,其单点工作电压Uf为1.8V,正向电流IF为8~10mA。
当某一行线为高电平而某一列线为低时,其行列交叉的点就被点亮;而当其某一列线为高时,其行列交叉的点为暗;当某一行线为低电平时,无论列线如何,对应这一行的点全部为暗。
用四个8x8点阵显示可构成16x16点阵显示器,其连接方法如图3所示。
图中,将(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分别对应相连,同时将(A)和(C)的8行、(B)和(D)的8行分别对应相连。
即可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的16x16点阵显示器,可将这256个点称为一页,这样,显示字符时。
只要对一页中对应的亮灭进行控制即可。
(b)LED点阵显示器的扫描驱动
LED显示屏驱动电路的设计应与所用控制系统相配合。
驱动通常分为动态扫描型及静态锁存型驱动二大类。
本文以动态扫描型驱动电路的设计为例来进行分析。
动态扫描型驱动方式是指显示屏上的16行发光二极管共用一组列驱动寄存器,然后通过行驱动管的分时工作,来使每行LED的点亮时间占总时间的1/16。
只要每行的刷新速率大于50Hz,利用人眼的视觉暂留效应,人们就可以看到一幅完整的文字或画面。
AT89S52单片机有四个I/O口(P0、P1、P2、P3),每个I/O口有8位,如果都采用并行输出,显然不能满足要求,因此,本设计中的行扫描驱动采用并口输出,而场扫描驱动采用串口输出。
(1)行扫描驱动
由于16x64点阵显示器有16行,为充分利用单片机的接口,本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154,其输入是一个16进制码,解码输出为低态扫描信号,它们的管脚示意图如图4所示。
把74LS154的G1和G2引脚接地,然后以A、B、C、D四脚为输入端。
就会形成16种不同的输入状态,分别为0000~1111,然后使每种状态只控制一路输出,即会有16路输出。
如果一行64点全部点亮,则通过74LS154的电流将达640mA,而实际上,74LS154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮,因此,应在74LS154每一路输出端与16x64点阵显示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大,本文选用的是达林顿三极管TIP127。
这样,74LS154某一输出脚为低电平时,对应的三极管发射极为高电平,从而使点阵显示器的对应行也为高电平。
(b)场扫描驱动
本系统场扫描驱动电路的设计可用串入并出的通用集成电路74HC595来作为数据锁存。
74HC595是一个八位串行输入三态并行输出的移位寄存器,其管脚见图4所示,其中SI是串行数据的输入端,RCK是存储寄存器的输入时钟,SCK是移位寄存器的输入时钟,Q'H是串人数据的输出,G是对输人数据的输出使能控制,QA~QH为串入数据的并行输出。
从SI口输入的数据可在移位寄存器的SCK脚上升沿的作用下输入到74HC595中。
并在RCK脚的上升沿作用下将输入的数据锁存在74HC595中,这样,当G为低电平时,数据便可并行输出。
为了避免与PC机串口输入的数据相互干扰,也可使用模拟串口P1.4~P1.7来分别输出串行数据、移位时钟SCK、存储信号RCK和并行输出的使能信号G。
为了消除电源电压的波动及行扫描管压降(第一行点亮的点数不同,将引起管压降的变化,从而影响通过LED管的电流)的变化对LED显示屏亮度的影响,设计时可采用列恒流驱动电路,可选用三极管8550和外围元件构成列恒流驱动电路,并通过调整100kΩ可调电阻使三极管处于放大状态,同时将集电极电流调整为10mA,从而使点亮对应点阵时通过LED的电流不变。
(c)扫描显示工作过程
将8片74HC595进行级连,可共用一个移位时钟SCK及数据锁存信号RCK。
这样,当第一行需要显示的数据经过8x8=64个SCK时钟后便可将其全部移入74HC595中,此时还将产生一个数据锁存信号RCK将数据锁存在74HC595中,并在使能信号G的作用下,使串入数据并行输出,从而使与各输出位对应的场驱动管处于放大或截止状态;同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通,相当于第一行LED的正端都接高,显然,第一行LED管的亮灭就取决于74HC595中的锁存信号;此外,在第一行LED管点亮的同时,再在74HC595中移入第二行需要显示的数据,随后将其锁存,同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行,使第二行LED管点亮,以此类推,当第十六行扫描过后再回到第一行,这样,只要扫描速度足够高,就可形成一
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