16X16LED信息屏设计.docx
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16X16LED信息屏设计
摘要
近年来,LED显示屏技术快速发展,电子显示器的亮度、质量日趋完美,价格也进一步降低,市场发展日益成熟,需求量日增。
LED显示屏广泛应用于车站信息显示、体育场馆、城市及公共广场、交通、企业形象宣传、商业广告及其它应用中。
由于火车站火车信息变化大,观看距离远、环境人群密集,只有LED显示屏才能满足这种特殊要求,确保乘客获得清晰、鲜明的火车信息,为乘客带来更多方便。
而且LED具有显示稳定、功耗低、寿命长等特点。
是火车信息显示的必备选择。
本设计主要以AT89C51单片机为核心,采用串行传输、动态扫描技术,来制作的一款拥有多功能的模块化16*16LED点阵的火车信息显示屏。
关键字:
LED、单片机、显示屏、驱动单元
目录
摘要I
目录II
第1章设计任务及原理1
1.1设计目标1
1.2设计原理及原理图1
第2章系统硬件选择3
2.1AT89C51单片机介绍3
2.1.1单片机系统常用术语3
2.1.2AT89C51的结构框图3
2.1.3AT89C51的引脚说明4
2.216*16LED介绍6
2.2.116×16LED点阵的内部结构及工作原理7
2.2.2用8×8LED点阵构成16×16LED点阵8
2.374HC154介绍9
2.3.174HC154引脚9
2.3.274HC154地址/全能输入对应输出表10
2.4电路原理图10
第3章软件设计12
3.1软件设计说明12
3.2设计思路及流程图12
3.2.1主程序流程图12
3.2.2显示程序流程图13
第4章仿真及调试14
4.1仿真14
4.2调试14
总结15
参考文献16
附录A元器件清单17
附件B源程序18
附录C电路原理图22
附件D仿真结果23
附件E电路PCB图26
第1章设计任务及原理
1.1设计目标
结合所学相关知识,我做的是一块16*16的LED信息显示屏,通过这个点阵可以显示相关火车信息。
利用的是单片机原理,通过写入程序控制单片机循环显示‘万州火车站.信息学院’的字样。
1.2设计原理及原理图
如图1.1所示,本产品拟采用以AT89C51单片机[1]为核心芯片的电路来实现,主要由AT89C51芯片、电源电路、行驱动器、列驱动器、16*16LED点阵5部分组成。
图1.1显示屏电路框图
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的位置相对应的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的端口,如果我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。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而采用另外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)的同名列共用一套驱动器。
具体就16*16的点阵来说,把所有同1行的发光管的阳极连在一起,把所有同1列的发光管的阴极连在一起(共阳极的接法),先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第1行使其燃亮一定时间,然后熄灭;再送出第二行的数据并锁存,然后选通第2行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;以此类推,第16行之后,又重新燃亮第1行,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,就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时,每一行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个驱动器。
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列方式或串行方式。
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,串行传输的方案是可取的。
第2章系统硬件选择
由图1.1可知此次设计的硬件选择如下:
AT89C51芯片、16*16LED、74HC154显示驱动等一些单片机外围应用电路组成。
下面将介绍各种外围电路。
2.1AT89C51单片机介绍
AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory,FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS.51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,能够进行1000次写/擦循环,数据保留时间为10年。
他是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
因此,在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。
2.1.1单片机系统常用术语
(1)总线
单片机应用系统般以单片机为核心,其他器件与单片机相连,各个器件之间的工作必须相互协调。
如果单片机与每个器件都单独连线,线的数量将多得惊人,因此在单片机系统中往往来用共享总线。
所有器件能协调工作;二是要考虑总线的驱动能力。
(2)指令、地址、数据
单片机系统设计中指令、地址和数据的本质都是数字,即由一串“0”和“1”组成的序列,但它们有其各自的内涵。
(3)复位
所有单片机在启动运行时都需要复位。
复位使得单片机处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
一般情况下,单片机都具有一个复位引脚,当它保持约定的电平达到一定时间后,单片机完成复位。
(4)堆栈
单片机常采用堆栈来保护现场和传递数据,实现子程序调用和中断服务。
堆栈是单片机的—种重要数据存储单元,它存取数据的方式是先进后出、后进先出。
2.1.2AT89C51的结构框图
AT89C51是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。
如图2.1所示。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。
图2.1AT89C51内部结构图
2.1.3AT89C51的引脚说明
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图一所示,与8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口(即P0、P2口),使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。
AT89C51芯片的20个引脚功能为:
(引脚图见图2.2所示)
(1)VCC:
电源电压。
(2)GND:
接地。
(3)P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
图2.2AT89C51引脚图
(4)P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
(5)P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用图2.1AT89C51引脚图内部上拉优势,当对外部八位地址数据的存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
(6)P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,P口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通
RST:
复位输入
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H.FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
从上述引脚说明可看出,AT89C2051没有提供外部扩展存储器与I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备,也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。
2.216*16LED介绍
16*16LED的每个圆点是由一个发光二极管[2]LED(LightEmittingDiode)组成,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电能转化为光能。
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附着在一个支架上,是负极,另一端连接电源的正极,整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P.N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
而光的波长决定光的颜色,是由形成P.N结材料决定的。
2.2.116×16LED点阵的内部结构及工作原理
每一个字由16行16列的点阵[3]组成显示。
即国家标准汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。
我们可以把每一个点理解为一个像素,而把每一个字的字形理解为一幅图像。
事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字,也可以显示在256像素范围内的任何图形。
这里我们以“高”字说明,如图2.3所示。
图2.316*16LED汉字显示
用8位的AT89C51单片机控制,由于单片机的总线为8位,一个字需要拆分为2个部分。
一般把它拆分为上部和下部,上部由8×16点阵组成,下部也由8×16点阵组成。
在本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分,即第0列的p00—p07口。
方向为p00到p07,显示汉字“高”时,p02点亮,由上往下排列,为p0.0灭,p0.1灭,p0.2灭,p0.3灭,p0.4灭,p0.5亮,p0.6灭,p0.7灭。
即二进制00000100,转换为16进制为04h。
上半部第一列完成后,继续扫描下半部的第一列,为了接线的方便,我们仍设计成由上往下扫描,即从p27向p20方向扫描,从上图可以看到,这一列全部为不亮,即为00000000,16进制则为00h。
然后单片机转向上半部第二列,仍为p01点亮,为00000100,即16进制04h.这一列完成后继续进行下半部分的扫描,p20点亮,为二进制00000010,即16进制02h.依照这个方法,继续进行下面的扫描,一共扫描32个8位,可以得出汉字“高”的扫描代码为:
0xA0,0x00,0x60,0xFF,0x20,0x82,0x30,0x84,
0x2E,0xBC,0x2E,0xB4,0xAA,0xA4,0x6B,0xE4,
0x2A,0xA4,0x2B,0xE4,0x2E,0xBC,0x24,0x92,
0x28,0x89,0x30,0xFE,0x20,0x02,0x40,0x01,
由这个原理可以看出,无论显示何种字体或图像,都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。
不过现在有很多现成的汉字字模生成软件,就不必自己去画表格算代码了。
2.2.2用8×8LED点阵构成16×16LED点阵
Proteus中只有5×7和8×8等LED点阵,并没有16×16LED点阵[4],而在实际应用中,要良好地显示一个汉字,则至少需要16×16点阵。
下面我们就首先介绍使用8×8点阵构建16×16点阵的方法,并构建一块16×16LED点阵,用于本例的显示任务。
首先,从Proteus7.1的元件库中找到“MATRIX.8X8.RED”元器件,并将四块该元器件放入Proteus文档区编辑窗口中。
此时需要注意,如果该元器件保持初始的位置(没有转动方向),我们要首先将其右转90°,使其水平放置,那么此时它的左面8个引脚是其行线,右边8个引脚是其列线(当然,如果你是将右转,则右边8个引脚是行线)。
然后我们将四个元器件对应的行线和列线分别进行连接,使每一条行线引脚接一行16个LED,列线也相同。
并注意要将行线和列线引出一定长度的引脚,以便下面我们使用。
如图2.4LED引脚连接图所示。
图2.4LED引脚连接图
连接好的16×16点阵后我们要将其进一步组合。
组合实际上很简单,首先选中右侧的两块8×8点阵,然后拖动并使其与左侧的两块相并拢,可以看到有部分
图2.516×16LDE合成图
连线已经自动隐藏了,至于线上的交点,我们不要去动。
然后,我们再来最后一步,选中右侧的两块点阵,并拖动使其与左侧的两块并拢,最后的效果如图2.516×16LED合成所示。
一块16×16的LED点阵做成了。
然后,我们将其保存,以便以后使用。
2.374HC154介绍
74HC154是一款高速CMOS器件[5],74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列。
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入,并提供16个互斥的低有效输出。
74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通,以消除输出端上的通常译码“假信号”,也可用于译码器扩展。
该使能门电路包含两个“逻辑与”输入,必须置为低以便使能输出端。
任选一个使能输入端作为数据输入,74HC154可充当一个1-16的多路分配器。
当其余的使能输入端置低时,地址输出将会跟随应用的状态。
2.3.174HC154引脚
(1)引脚如图2.6所示
图2.674HC154引脚图
(2)引脚说明
1-1113-17:
输出端(outputs(activeLOW))
12:
Gnd电源地 (ground(0V))
18-19:
使能输入端、低电平有效(enableinputs(activeLOW))
20-23:
地址输入端(addressinputs)
24:
VCC电源正(positivesupplyvoltage)
2.3.274HC154地址/全能输入对应输出表
(1)功能真值表如下表2.1所示
H=高电平(HIGHvoltagelevel)
L=低电平(LOWvoltagelevel)
X=任意电平(don’tcare)
只要控制端G1、G2任意一个为高电平,A、B、C、D任意电平输入都无效。
G1、G2必须都为低电平才能操作芯片。
表2.1功能真值表
2.4电路原理图
点阵式LED循环汉字显示屏[6]硬件电路设计原理框图如图2.7所示。
电路包括单片机、电源电路、驱动电路和LED点阵电路等。
本设计的核心是利用单片机读取显示字型码,通过驱动电路对16×16LED点阵进行动态列扫描,以实现汉字的循环显示。
本设计选用的单片机为ATMEL公司的AT89C51,显示屏采用16×16LED点阵。
电源电路通过Vcc为单片机和其他电路提供稳定的+5V工作电压。
电路是单片机的驱动电路,复位电路可在需要时,手动使单片机程序计数器复位清零。
通过阳极驱动电路向16×16点阵送字型码,本设计采用74HC154。
通过阴极驱动电路对16×16点阵进行列扫描。
利用Proteus软件[7]设计点阵式LED循环汉字显示屏硬件电路原理图如图所示。
在Proteus软件中,单片机模型本身包含了工作电源和可改变的工作频率,因此在仿真时无需设计电源电路和时钟电路。
需要说明的是在Proteus软件目前版本中还没有16×16点阵模块,本设计中采用Proteus软件中现有的8×8点阵模块组合成一个16×16点阵模块。
从图中可以看出,一个16×16共阴极LED点阵是由4个8×8的点阵构成,4个8×8点阵可由单片机P0口和P2口输出段码值,片选位由74HC154控制。
这些字符串的字模可通过PCtoLCD2002提取字模软件实现。
16×16点阵的阴极驱动由P1口经74HC154译码后动态扫描16×16点阵的各列,本设计中需要一片74HC154译码器,循环扫描各列,显示一个完整的汉字需要扫描32次。
RP1为电阻排,含有8个电阻,作P0口各位的上拉电阻,以保证P0口能够输出高电平。
图2.716×16点阵LED汉字显示屏原理框图
第3章软件设计
3.1软件设计说明
根据任务要求通过编写程序在PROTEUS仿真软件中实现用一块16×16的点阵显示屏上循环显示火车信息。
该设计的软件编程采用AT89C51单片机用汇编语言完成,并把显示程序作为一个子程序,从而使主程序对其进行方便的调用。
3.2设计思路及流程图
AT89C51单片机是8位机,每次只能送出8位数据,因此要向16×16点阵送出16行阳极驱动,需要送两次,或先送上8行,或先送下8行。
3.2.1主程序流程图
N
Y
图3.1主程序流程图
ORG0000H
LJMPMAIN
MAIN:
MOVP0,#00H
MOVP1,#00H
MOVP2,#00H
MOVR6,#10
3.2.2显示程序流程图
图3.2显示程序流程图
MOVR5,#40
MOVDPTR,#J1
PUSHDPL
PUSHDPH
LCALLDISP
POPDPH
POPDPL
CLRC
MOVA,DPL
ADDA,#08H
MOVDPL,A
CLRA
ADDCA,DPH
MOVDPH,A
DJNZR5,LFT_1
DJNZR6,LFT_0
RETI
第4章仿真及调试
4.1仿真
本次设计在Proteus中仿真[8],单片机需要加载程序,加载程序为XX.HEX文件。
本设计利用Keil2,在新建Keil项目时选择AT89C51单片机作为CPU,将源程序导入,在“OptionsForTarget”对话窗口中,选中“Output”选项中的“CreateHEXFile”,编译链接后就可以生成.HEX文件。
在ProteusISIS中,选中AT89C51并单击鼠标左键,对AT89C51进行设置,设置单片机时钟频率为12MHz,按照正确的文件路径加载XX.HEX文件。
对单片机设置完毕后就可以开始仿真了。
仿真电路图如图4.1所示。
图4.1仿真电路图
4.2调试
仿真过程中如有硬件问题可在ProteusISIS中直接修改,如有软件问题可在Keil2中直接修改,通过Keil2与ProteusISIS的联合调试就可以得到满意的结果。
利用ProteusISIS实现了对点阵式LED滚动汉字显示屏的仿真,说明程序和电路图都没有问题。
调试结果详见附录D所示。
总结
本设计的是一个16x16的点阵LED汉字显示屏,能够在目测条件下LED显示屏循环显示各点亮度均匀、充足,可显示文字信息,清晰无串扰。
本系统具有硬件少,结构简单,容易实现,性能稳定可靠,成本低等特点。
在本次设计中通过查阅大量的相关资料,详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理,了解了LED的现状,清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些优点,明确了研究目标。
并且通过对单片机资料的查阅和应用,更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。
通过设计的硬件设计方案,硬件结构电路图,软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等设计的过程中我巩固了PROTEUS的使用,感到PROTEUS对应用电子专业的同学来说是一门很有用的课程。
也进一步增强了动手的能力,学以致用,把只是运用到实际生活中才是根本目的。
总体来说这次的毕业设计还可以,达到了预想的目的:
学到了知识,提高了能力,完成了任务。
有点缺憾是时间有限,不能进一步深入和扩散学习和研究。
希望有时间可以对程序和电路图作更进一步的改进,达到更好的效果。
参考文献
[1]杨欣·《51单片机从零开始》·清华大学出版社·2005
[2]王宏民·《LED点阵显示屏驱动方案》·黑龙江电子技术·1999
[3]胡汉才·《单片机原理与接口技术》·北京清华大学出版社·1995.6
[4]范立南·《单片机原理及应用教程》·北京大学出版社·2006
[5]耿长表·《单片机应用技术》·北京·化学工业出版社·2003
[6]董孝昌·《单片机原理与应用》·大连·东北财经大学出版社·2004
[7]陈爱弟·《protel99实用培训教程》·北京·人民邮电出版社·2000
[8]周润景·《基于PROTUES的电路及单片机设计与仿真》·北京航空航天大学出版社·2010
附录A元器件清单
元器件
元件库中名称
描述
封装
单片机
AT89C51
1
DIP40
晶振
CRYSTAL
1
XTAL1
电容
CAP
2x20pF
1x10uF
RAD0.2
电阻
RES
1x10K
AXIAL0.3
排阻
RESPACK.8
1
DIP16
4/16译码器
74HC154
1
DIP24
8×8LED点阵4个
MATRIX.8×8.GREEN
4
LED
附件B源程序
详细汇编程序源联系QQ1065381311
附录C电路原理图
附件D仿真结果
下面是循环显示:
“万州火车站.信息学院”
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