基于单片机的LED汉字显示屏设计与仿真.docx
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基于单片机的LED汉字显示屏设计与仿真
基于单片机的LED汉字显示屏设计与仿真
摘要:
本课题以单片机为控制核心,通过8*8LED电子显示屏及相关的外围电路,设计制作了一个通过无线信号控制16*16点阵LED显示屏显示。
本文介绍了基于AT89S52单片机点阵显示屏的设计方案,阐述了16*16点阵LED显示屏的设计原理与思路,详细叙述了系统硬件、软件设计的具体实现过程。
论文重点阐述了显示模块及相关驱动模块等的模块化设计思路与制作方法。
硬件包括时钟电路、复位电路、点阵显示电路,无线收发电路。
软件部分同样也采用模块化的设计思想,包括中断模块、显示模块,并采用简单流通性强的C语言编程实现。
系统能实现无线遥控控制LED显示屏通过遥控接收模块发送、接收信号,单片机控制,实现无线遥控,四个遥控按键实现汉字内容切换,滚动,静态显示,闪烁等功能。
关键词:
AT89S52;单片机;LED显示屏;无线控制
LEDDisplayChineseCharactersDesignandSimulationBasedonSingleChipMicrocomputer
Abstract:
Thistopicwiththesinglechipprocessorasthecore,throughthe8*8LEDelectronicdisplayandrelatedperipheralcircuit,thedesignmadeathroughwirelesssignalcontrol16*16latticeLEDscreendisplay.ThispaperintroducesthedesignschemebasedonAT89S52singlechipmicrocomputerdotmatrixdisplayscreen,inthispaper,thedesignofthe16*16latticeLEDdisplayprincipleandwayofthinking,isdescribedindetailtherealizationmethodofthesystemhardwareandsoftwaredesign.Thesisexpoundsthedisplaymoduleandtherelevantdrivermoduleofmodularizationdesignideaandmethod.Hardwareincludingclockingcircuitandresetcircuit,dotmatrixdisplaycircuit,wirelesstransceivercircuit.Softwarepartaswellastheideaofmodulardesign,includinginterruptmodule,displaymodule,andUSESthesimplestrongliquidityofClanguageprogramming.SystemcanrealizethewirelessremotecontrolLEDscreenbyremotecontrolreceivingmoduleinsendingandreceivingsignals,single-chipmicrocomputercontrol,wirelessremotecontrol,fourremotecontroltoswitchthekeycontentsforChinesecharacters,rolling,staticdisplay,flicker,etc.
Keywords:
AT89S52devices;Singlechipmicrocomputer;LEDdisplay;Wirelesscontrol
引言
随着显示器件与技术的进一步发展,屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用,LED显示屏是信息显示的重要传媒之一。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的显示屏幕。
伴随着计算机技术的发展,使得LED数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。
而且它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适应能力强等特点,所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色,并且在今后相当长的一段时期内还有相当大的发展空间。
所以被广泛应用于金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传。
该设计课题主要研究如何用无线收发模块控制LED汉字显示屏以及如何用小的点阵模块连接成大的点阵模块。
显示模块及相关驱动模块等的模块化设计思路软件设计同样也采用模块化设计的具体实现过程。
该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的本显示原理和设计方法,对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。
并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践,使我们对所学过的理论知识有了新的认识。
并且通过该设计课题掌握了51单片机软硬件开发工具的使用方法,为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。
目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。
但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此,此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。
第一章绪论
LED显示屏的发展
1990年到1995年,主要是单色和16级双色图文屏。
用于显示文字和简单图片,主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所,作为公共信息显示工具。
1995年到1999年,出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。
视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。
LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。
从1999年开始,红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国,同时国内企业进行了深入的研发工作,使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用,大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所,从而将国内的大屏幕带入全彩时代。
近几年来我国LED显示屏取得了较快和较大的发展,早期时曾因LED材料器件的限制,LED显示屏的应用领域没有广泛展开,另一方面,显示屏控制技术基本上是通信控制方式,客观上影响了显示效果。
所以导致早期的LED显示屏在国内很少,产品以红、绿双基色为主,控制方式为通信控制,灰度等级为单点四级调灰,产品的成本比较高。
后来LED显示屏迅速发展,进入九十年代,全球信息产业高速增长,信息技术各个领域不断突破,LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED镜片研制成功,全彩色LED显示屏进入市场;电子计算机及微电子领域的技术发展,在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术,显示屏的动态显示效果大大提高。
这个阶段,LED显示屏在我国发展迅速,LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
今天,LED显示屏应用领域更为广阔,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。
LED显示屏的应用状况
LED显示屏分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。
LED数码显示屏的显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;视频显示屏采用微型计算机进行控制,图文、图像并茂,以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息,还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域,是一种应用广泛的显示设备。
传统的应用主要包括以下一些领域,随着LED显示屏技术的发展和人们对LED显示屏技术的逐渐认识和接受,出现了更多的应用领域:
(1)证券交易、金融信息显示。
这一领域的LED显示屏占到了前几年国内LED显示屏需求量的50%以上,目前仍为LED显示屏的主要需求行业。
上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。
(2)机场航班动态信息显示。
民航机场建设对信息显示的要求非常明确,LED显示屏是航班信息显示系统的首选产品,首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机场都选用了国产的LED显示屏产品。
(3)港口、车站旅客引导信息显示。
以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统。
(4)体育场馆信息显示。
LED显示屏已取代了传统的灯泡及CRT显示屏,四十三届世乒赛主场地天津体育中心首次采用了国产彩色视频LED显示屏,受到普遍好评,上海体育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了LED显示屏作为信息显示的主要手段。
(5)道路交通信息显示。
智能交通系统(ITS)的兴起,在城市交通、高速公路等领域,LED显示屏作为可变情报板、限速标志等,替代国外同类产品,得到普遍采用。
(6)调度指挥中心信息显示。
电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等,也在逐步采用高密度的LED显示屏。
(7)邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。
(8)广告媒体新产品。
除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外,国内一些城市出现了集群LED显示屏广告系统;列车LED显示屏广告发布系统也已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广。
论文研究内容与结构安排
本文首先介绍本设计的相关概念以及目前发展的状况,然后是设计的方案选择与论证,接下来,具体介绍了硬件电路组成模块与系统软件的设计。
最后介绍了系统的调试。
本文研究的内容包括单片机控制模块:
采用AT89S52其它相关的外围电路构成。
时钟信号电路:
采用普通晶体时钟源,其中晶体用12MHZ的石英晶振。
复位电路:
采用上电复位;显示模块:
显示稳定的图文等信息;驱动模块:
采用74HC138、74HC595作为点阵LED显示屏的行列驱动器,对点阵行列进行驱动。
根据上述的研究内容,论文的结构安排中第二章主要阐述系统方案的选择与论证,根据系统要实现的主要功能,把整个系统分为电源模块、时钟信号电路、复位电路、驱动模块、单片机控制模块、显示模块等,并分别对各模块方案进行了选择与论证。
第三章主要阐述系统硬件电路设计与实现,主要介绍了个硬件电路的设计,并对各单元电路进行说明,主要是对各单元电路的主要元件的结构概念、引脚功能以及特点进行说明。
第四章主要阐述的是系统软件设计,主要是对主程序的结构图和程序的流程图进行说明。
第五章阐述的是系统调试及结果分析,主要是对硬件和软件进行测试并把遇到的问题和解决方法进行说明。
第二章方案论证与选择
总体方案论证
从理论上说,不论显示图形还是文字,只要控制这些组成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。
这个数字很大,因为仅仅是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大的数字。
因此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点亮一定的时间,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点亮相同的时间,然后熄灭。
第十六行之后又重新点亮第一行,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,而不会影响本行的显示。
课题拟以AT89S52单片机为控制核心设计一个简单的数字时钟系统,用单片机、点阵显示屏等设计一个16*16点阵LED电子显示屏的设计。
系统可以分为电源模块、时钟信号电路、复位电路、驱动模块、无线收发模块、单片机控制模块、显示模块等。
其系统结构框图如下图。
图系统结构框图
各模块方案选择与论证
主控芯片的选择
方案一:
采用FPGA作为系统的主控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大集,成度高,体积小,稳定性好,IO口资源丰富,易于进行功能扩展,处理速度快,但是适用于大规模实时性要求较高的系统,价格高,编程实现难度大。
本系统只需要完LED点阵控制,逻辑功能简单,对控制器的数据处理能力要求不高,所以不选择此方案。
方案二:
采用嵌入式系统作为主控制器。
嵌入式系统工作频率较高,速度较快,控制能力很强,也有较强的数据处理能力。
但同样价格较高,编程实现难度大。
方案三:
采用AT89S52单片机作为主控制器。
AT89S52是一款低功耗,高性能的8位单片机,片内含有8KB的Flash片内程序存储器,256Bytes的RAM,32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级,2层中断嵌套中断等。
价格便宜,使用方便。
编程实现难度低,适合用来实现系统的控制功能,所以使用本方案。
时钟信号电路
直接采用普通晶体时钟源提供脉冲信号,晶振频率为12MHZ。
此种方案能够减少芯片的使用,节约成本。
复位电路
方案一:
采用上电复位,电路第一次通电时对系统进行一次复位,而后系统执行。
虽然这个方案简单去不符合本设计需求,故不采用本设计方案。
方案二:
采用按钮复位,通过按电路中的开关按钮使系统内部复位,按一次开关按钮系统复位一次,这样可以防止程序跑飞,同时也便于程序的调试,本方案与实际应用相符合,所以采取本方案。
显示模块
方案一:
采用16*16点阵LED显示屏,16*16点阵屏的功能与4块8*8点阵屏构成16*16点阵屏功能相同,但不便于模块化的使用,且单块16*16点阵屏和4块8*8点阵屏价格相等。
故本设计不采用这种方案。
方案二:
采用4块8*8点阵LED显示屏相连接构成一块16*16点阵LED显示屏,但4块点阵屏连接起来面积较大,便于模块,外观上较美观。
所以采用本方案。
驱动模块
方案一:
采用静态锁存方式,将每一个LED发光管的一端接至单片机的一个I/O口,另一端通过电阻接电源。
这种方法可以直接驱动LED,原理简单,驱动能力强,LED的亮度也可以通过限流电阻调节,非常方便,但此种方法太浪费单片机的I/O口,只适合于较小的系统。
方案二:
采用动态扫描方式,通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共阳),LED发光管的另一脚接通用I/O口,控制其亮灭。
该方法能驱动较多的LED,控制方式较灵活,而且节省单片机的资源。
故采用本设计方案。
列驱动电路由集成电路74HC595构成,它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行各列数据的同时,传送下一行的列数据,达到重叠处理的目的。
行驱动电路主要是要实现译码功能,下面有2种方案供其选择:
方案一:
采用芯片74LS154,74LS154芯片本身具有4/16线译码功能,其功能与2块74LS138级联实现4/16译码一样,但是不利于点阵屏模块化的使用。
所以不采用本方案。
方案二:
采用2块74HC138级联来实现4/16线译码功能,74HC138芯片本身具有3/8线译码功能,利用2块74HC138级联可以很容易实现点阵屏的模块使用。
所以采用本方案。
无线模块
方案一:
此部分是控制LED点阵显示屏的关键,类似于键盘电路,共有4个按键,分别与单片机的P2口相连,当四个按键之一按下,输出高电平有效。
采用集成PT2262和PT2272的无线发射接收模块,该集成模块可以直接使用,非常方便,地址码可以由用户设置,可以方便的实现遥控功能,所以采用本方案。
第三章系统硬件电路设计与实现
硬件电路设计总方案
本电路是由AT89S52单片机为控制核心,低功耗;时钟源电路有很多种,比如阻容低速时钟源、普通晶体时钟源、带缓冲放大的晶体时钟源等等,考虑到电路稳定及材料选购等方面,决定采用普通晶体时钟源,其中晶体用12MHZ的石英晶振;复位电路结合实际应用功能的实现,采用手动复位;显示部分由16*16点阵LED显示屏显示;行驱动电路采用两块74HC138联级,列驱动电路采用74HC595。
无线模块采用PT2262/2272M4。
各单元电路说明
单片机主控制模块的设计
1.AT89S52单片机介绍
AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8A位单片机,片内含有8K字节的可反复擦写的只读程序存储器和128的随机存取数据存储器,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,功能强大,可灵活应用于各种控制领域。
图为AT89S52外部封装。
图AT89S52封装
AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0、P1、P2、P3。
51单片机共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),每一条I/O线都能独立地作输出或输入。
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。
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。
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,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,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。
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AT89S52的一些特殊功能口,如下所示:
● RXD(串行输入口)
● TXD(串行输出口)
● /INT0(外部中断0)
● /INT1(外部中断1)
● T0(记时器0外部输入)
● T1(记时器1外部输入)
● /WR(外部数据存储器写选通)
● /RD(外部数据存储器读选通)
AT89S52振荡器特性为:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
此外,AT89S52设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,停止芯片其它功能直至硬件复位,直到下一个硬件复位为止。
2.单片机复位电路
单片机刚上电时需要复位一次才能可靠工作,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
本设计通过电容接VCC,是利用电容充电来提供》2个周期的高电平时间让单片机复位,如此单片机可以正常工作。
这之后又不要求单片机复位,所以通过2K左右的电阻下拉接地保证RESET脚维持在低电平状态(即不复位状态)。
如图所示。
图单片机复位电路
3.时钟电路
时钟电路产生AT89S52工作时所必需的控制信号,在时钟信号的控制下,严格按时序执行指令。
执行指令时,CPU首先到程序存储器中取出需要执行的指令操作码,然后译码,并由时序电路产生一系列控制信号完成指令所规定的操作。
AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容,构成一个稳定的自激振荡器,C1和C2的典型值通常选择为22pF。
电容大小会影响振荡器频率高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
本次设计由于元件限制选用了20pf,晶振频率范围通常是~12MHz。
晶体频率越高,单片机运行速度就越快。
该系统采用了内部时钟方式如图所示。
图单片机晶振电路
点阵LED显示模块的设计
1.LED点阵屏介绍
组合型LED点阵显示器自八十年代开始出现,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。
具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
LED点阵有4*4、4*8、5*7、5*8、8*8等多种。
点阵显示
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