1、于基单片机的led点阵广告牌设计课程设计毕业设计 单片机原理与应用课程设计报告课程设计名称： LED点阵广告牌的设计 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 成 绩： 信 电 工 程 学 院 摘要LED的特色之处一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三提高空间利用率。而这些特色又恰好解决了上述的三种问题。LED点阵显示屏之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与LED显示屏本身所具有的优点分不开的。组合型led点阵显示器以发光二极体为图素,它用高亮度LED晶粒进行阵列组合后,再透过环氧树脂和塑模封装而成。具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐
2、蚀等特点。LED点阵显示系统中各模组的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便,但硬体接线复杂,在实际应用中一般採用动态显示方式,动态显示採用扫描的方式工作,由峰值较大的窄脉冲驱动,从上到下逐次不断地对显示幕的各行进行选通,同时又向各列送出表示图形或文字资讯的脉冲信号,反復迴圈以上操作,就可显示各种图形或文字资讯。LED点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。关键词 单片机 LED 点阵1绪论.11.1 LED点阵显示屏的设计背景及意义.11.2显示原理及控制方式分析.31.2.1 LED点阵模块
3、结构.3 1.2.2 LED 动态显示原理.41.2.3 LED常见的控制方式.41.3 设计目标及采取的方案.51.3.1 本设计的目标.51.3.2 本设计采取的方案.52系统硬件设计.52.1 AT89C51芯片的介绍.62.2 74LS154芯片的介绍.62.3 点阵式汉字LED显示屏设计.72.3.1 16*16点阵LED原理及应用.72.3.2 LED点阵的显示文字图形原理.83.字模生成.103.2 LED显示屏领域字模实现技术.103.3 字模存储技术简介.114 系统软件设.114.1 程序设计.115 调试与仿真.125.1 仿真效果.125.2 调试中出现的问题.12结论
4、.12参考文献.14附录.14附录1 16*16的点阵图文显示屏的硬件原理图.14附录2 完整程序.141 绪论1.1 LED点阵显示屏的设计背景及意义LED电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百-几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。 LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由
5、LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。LED点阵设计主要应用于LED点阵显示屏，它是利用发光二极管点阵模块组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光效率高、使用寿命长、节能、组态灵
6、活、色彩丰富、显示方式变化多样以及无电离辐射等优点，在国内外得到了极为广泛的应用。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。1.2显示原理及控制方式分析1.2.1 LED点阵模块结构八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有44、48、57、58、88、1616等等。根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色
7、不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号如5x7点阵显示器用于显示西文字母58点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。1.2.2 LED 动态显示原理L
8、ED点阵显示系统中各模块的显示方式： 有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，
9、因此在LED显示技术中被广泛使用。以88点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。图2.1中，红色水平线Y0、Y1Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，蓝色竖直线X0、X1X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。1.2.3 LED常见的控制方
10、式目前常见的是并行传输方式（见附录1.1），通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个1616点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所
11、下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。一以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。二以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处
12、理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。三以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。FPGA以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高，开发难度较大。1.3 设计目标及采取的方案1.3.1 本设计的目标本设计的理论基础是单片
13、机原理与应用，模电和数电。比如AT89C51芯片的一些工作原理是在MCS51的基础上通过改进完成的。74LS154的工作原理数电里也学习过。本设计完成了16*16LED点阵动态显示两个以上汉字，并可以利用按键控制其左右移动。通过本设计不仅可以复习之前学过的知识，而且可以通过查阅课外资料学到书本上没有的知识，还锻炼了我们的动手能力。通过这次课程设计把我们在学校学习的理论知识和实际应用有机地结合起来，把理论跟实践相结合，培养了我们的专研精神。 1.3.2 本设计采取的方案（1）根据实验指导书的要求确定系统应该具有的功能（2）按照系统功能将系统分模块组合起来（3）根据系统功能与结构编写实验程序，并通
14、过keil软件进行编译并找出程序中的错误，改正这些错误（4）确定所需的元器件，然后利用proteus软件画出系统电路图并进行仿真（5）仿真成功后根据仿真图制作实际硬件图（6）最终能在LED电路板上显示实验指导书上所要求的汉字显示形式。2 系统硬件设计本设计采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C52芯片、时钟电路、列扫描驱动电路(74LS154)、16*16 LED点阵5部分组成。2.1 AT89C52芯片的介绍因为在程序中，所使用的内部存储器的空间较大，对于51系列单片机，高128B被特殊功能寄存器占用，对于52系列单片机，高128B与特殊功能寄存器有相同的地址，而
15、物理上是分开的，故使用了AT891C52芯片。 AT89C52是一种带8kB闪烁可编程可擦除只读存储器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，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公司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1 000次写擦循环，数据保留时间为10年。它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AT89C
16、52芯片。 AT89C52是一个低功耗高性能的单片机，共有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器和1个全双工串行通信口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。2.2 74LS154芯片的介绍（1）54/74154 为 4 线16 线译码器，当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。 如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS
17、154还可作1线-16线数据分配器，见图2-1。图2-1 74LS154芯片（2）引脚功能介绍A、B、C、D 译码地址输入端(低电平有效)G1、G2 选通端(低电平有效) 015 输出端(低电平有效)（3）74LS154真值表，见表2-1表2-1 74LS154真值表Inputs输入Outputs输出G1G2DCBA0123456789101112131415LLLLLLLHHHHHHHHHHHHHHHLLLLLHHLHHHHHHHHHHHHHHLLLLHLHHLHHHHHHHHHHHHHLLLLHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLLHLLHHHHLHHHHHHHHHHHLLLHLHHHH
18、HHLHHHHHHHHHHLLLHHLHHHHHHLHHHHHHHHHLLLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHLLHLLLHHHHHHHHLHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLHHHHHHLLHLHLHHHHHHHHHHLHHHHHLLHLHHHHHHHHHHHHHLHHHHLLHHLLHHHHHHHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHHHHHHHHHLHHLLHHHLHHHHHHHHHHHHHHLHLLHHHHHHHHHHHHHHHHHHHLLHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHHLXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHHHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHH表
19、中L表示低电平；表中H表示高电平。(4)与单片机引脚的连接地址输入端A、B、C、D分别接单片机的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3口来控制选择第几列显示。选通端G1接P1.4口，G2接地。（5）与点阵引脚的连接 74LS154芯片的1-8脚对应接上面两个点阵引脚的列线，9-17脚（12脚接地）对应接下面两个点阵引脚的列线。点阵引脚图见下图2-1。2.3 点阵式汉字LED显示屏设计2.3.1 16*16点阵LED原理及应用设计LED点阵显示屏时必须掌握点阵工作原理才能进行更深层设计。16*16LED点阵实质上就是4块8*8点阵LED级联而成的，因此特给出 8*8 点阵LED的工作原理。图2-1为8*8点阵LED的等效电路图，只要其对应
