基于STC89C52单片机8X8LED点阵数字时钟.docx
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基于STC89C52单片机8X8LED点阵数字时钟.docx
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基于STC89C52单片机8X8LED点阵数字时钟
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LED点阵数字时钟
岭南师范学院数计学院作者:
杨子轩
(此论文乃我的毕业论文设计,供大家参考学习)
专业班级:
学生姓名:
学生学号:
指导教师:
设计时间:
2018年5月1日-6月25日
摘要:
随着自动化和物联网行业的不断发展,数字信息时代已经到来。
在这个以时间为主要提醒的代名词的时候,再加上在这个以数字为主流方向的时刻,数字时钟在生活和工作中显得尤为重要,需求也是不断的增强,对人们生活质量的提高也是尤为重要。
本设计系统就是以点阵进行显示数字时钟的一个微系统设计,本设计三大部分:
分别包括信息处理部分、信息采集部分和信息显示部分。
其中,信息处理部分是以单片机为核心,外加一些辅助电路组成最小系统;信息采集部分是以主要时钟芯片DS1302为核心的时间采集模块;信息显示部分是采用以多个点阵模块进行组成,模块内部采用行驱动器74HC154和列驱动器74HC595来进行驱动显示模块,进行接收单片机传递过来的显示信息。
经过软件的编写进行单片机读取时间信息并处理和显示控制信息的发送与传输,使得本设计系统完成所需要求,本系统通过软硬件相结合,两者协同工作进而完成所需达到的功能。
关键词:
单片机;LED;点阵显示;DS1302
Abstract:
WiththecontinuousdevelopmentofautomationandtheInternetofThings,theeraofdigitalinformationhascome.Atthistime,whichissynonymouswithtimeasthemainreminder,andatthistimewhennumbersarethemaindirection,digitalclocksareparticularlyimportantinlifeandwork,andthedemandisconstantlyincreasing.Itisalsoparticularlyimportantforpeopletoimprovetheirqualityoflife.
ThisdesignsystemisaMicrosystemdesignthatdisplaysdigitalclockswithadotmatrix.Thedesignincludesthreeparts:
informationprocessingpart,informationgatheringpartandinformationdisplaypart.Amongthem,theinformationprocessingpartisthecoreofthesinglechip,plussomeauxiliarycircuitstoformthesmallestsystem;TheinformationcollectionpartisatimecollectionmodulewiththemainclockchipDS1302asthecore;Theinformationdisplaypartiscomposedofamulti-blocklatticeLEDdisplaymodule,andtheexterioradoptsalinedrive74HC154andacolumndrive74HC595todrivethedisplayinformationtransmittedbythesingle-chipmicrocomputer.Thedisplaysectionincludesavarietyofdisplaymodes,diversifiedtimedisplays,andcanbewidelyusedatstations,securityhouses,sportsvenues,trafficarteries,andthereleaseoftimeinformationforvariousindoorandoutdoordisplayoccasions.Throughsoftwareprogramming,thesinglechipmachinereadstimeinformationandprocessesanddisplaysthetransmissionandtransmissionofcontrolinformation,sothatthedesignsystemcompletestherequiredrequirements.Thesystemiscombinedwithhardwareandsoftware,andthetwoworktogethertocompletetherequiredfunctions.
Keywords:
MCU,LED,Latticedisplay,DS1302
摘要………………………………………………I
Abstract………………………………………………II
第1章概述………………………………………………1
1.1课题研究的背景、目的和意义………………………………………………1
1.2课题研究的主要内容………………………………………………1
1.3本文的组织结构………………………………………………2
第2章系统方案设计及选择………………………………………………3
2.1系统总体方案设计………………………………………………3
2.2单片机方案选择………………………………………………3
2.3时间采集模块方案选择………………………………………………4
2.4显示模式方案………………………………………………5
2.5数据传输方案………………………………………………6
第3章系统硬件及电路设计………………………………………………7
3.1最小系统硬件介绍………………………………………………7
3.2电源模块硬件介绍………………………………………………9
3.3LED显示屏电路………………………………………………9
第4章LED显示屏的系统软件部分设计………………………………………………11
4.1系统主程序………………………………………………11
4.2显示驱动程序………………………………………………11
第5章系统调试………………………………………………13
5.1硬件调试………………………………………………13
5.2软件调试………………………………………………13
结论………………………………………………15
参考文献………………………………………………16
致谢………………………………………………17
附录………………………………………………18
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、
第1章概述
1.1课题研究的背景、目的和意义
随着中国物联网产业的持续快速发展,智能化程度越来越高,进而它带给人们很多方面的便利。
近几年以来,随着现代通信技术和计算机事业的迅速发展,以及电子技术和微电子技术自动化,智能化程度的不断的提高,时间显示的智能化技术也在不断进步,在数字时钟的信息处理方面有了更进一步的发展和应用。
正是由于无线通讯技术的进步和不断普及,时间处理技术已无处不在,而且应用成本已经降到很低,所以现在可以逐渐普及数字时钟显示的应用领域上。
当前的数字时钟显示系统的现状是刚刚起步,主要在于针对时间信息的采集方面,但随着对这种市场需求和认识的加深,市场一定会进入到一个发展的高速期。
以前大多时间显示都是电子表等等,不适用于大型建筑,显示的涉及空间范围的能见度也比较低,而且其使用成本,因而具有很大的局限性。
所以更加智能的时间显示系统成为新的需要,其中就是以点阵型数字时钟的显示技术为核心技术。
针对目前的现状,设计了一款基于单片机和LED点阵的数字时钟显示系统,本设计是以AT89C52单片机为核心,并与时间信息采集技术为核心进行控制点阵显示模块进行大型的时间显示,显示时间准确,可见范围广。
1.2课题研究的主要内容
本系统设计包括:
信息采集部分和信息处理部分以及信息显示部分。
信息采集部分包含:
单片机最小系统,时间信息采集电路;信息处理部分包含:
单片机最小系统,信息采集部分包括:
LED点阵显示电路。
为了实现达到人们所需要的要求,进行软件编程实现功能和硬件搭建LED点阵数字时钟系统。
该款点阵主子时钟系统主要有以下几个功能:
信息采集部分进行采集时间信息;信息处理部分进行时间信息的获取,实现时间信息的运算和规划;信息显示部分进行将信息处理部分的时间信息进行通过控制驱动器进行LED点阵显示出来。
为了实现以上这些功能,需要进行研究的问题:
(1)以STC89C52单片机为主控核心,外加时间采集电路,震荡电路和复位电路为周围设计电路。
(2)研究信息采集部分的DS1302的时间信息的读取所需的时序命令;
(3)研究信息显示部分的74HC595驱动核心芯片的应用问题;
(4)研究LED点阵实时显示时间信息问题;
1.3本文的组织结构
为了详细的介绍本设计,进行以下章节介绍:
第1章概述介绍了本设计系统的来源背景和一些问题的国内外现状,以及解释了本设计系统的应用场所和本设计系统的优点,最后进行确定本设计系统所需要研究的一些功能和要求。
第2章系统的方案设计和选择,通过对本设计系统的功能需要确定实现方案,并分别叙述各模块方案的选择原因和选择方案备选的优缺点。
第3章系统硬件及电路设计,通过方案的确定进行选取正确的电路进行实现该模块的要求,画出对应的原理图,并介绍各功能模块电路的详细信息,以及所能实现的功能。
第4章系统的程序设计,硬件电路的搭建与软件相配合是必不可少的,本章介绍与之硬件相对应的软件程序流程图,详细介绍程序在硬件电路的运行顺序和实现的功能。
第5章系统调试,软硬件结合之后,进行各模块各部分的测试,测试包括软件测试和硬件测试,以保证本设计系统的完整性和功能实现的要求。
第2章系统方案设计及选择
2.1系统总体方案设计
系统整体结构框架分为:
信息采集模块和信息处理模块以及信息显示模块三大模块。
信息采集模块包含:
以DS1302时钟芯片为核心的时钟信息模块;信息处理部分包含:
核心芯片单片机以及外加的复位电路和晶振电路;信息显示模块包含:
以驱动芯片74HC595为核心的LED点阵模块组成的显示模块;系统整体结构框架如图2.1所示:
图2.1整体系统整体结构框架
如图2.1所示,信息采集模块的DS1302时钟芯片模块采集时间信息;该模块通过数据端口进行与单片机通信,通过一定的时序命令进行传递数据命令和控制命令,该时序为IIC协议;单片机通过对这时间采集模块返回的值进行逻辑处理,进行判断与处理转化为真实的时间信息。
再经过进行控制驱动芯片74HC595进行实时显示当前的数字时间信息,进行滚动或闪烁公布。
下面是进行各个模块的方案选择和论证。
2.2单片机方案选择
在核心主控方案的选择方面,正确合理的选取适合本设计系统的方案是本设计的重中之重,它涉及到成本和研究所需的时间精力。
正确的主控芯片在把成本上花费更少,在需要花费的时间精力上更是优化到最佳。
下面就是针对本设计系统的需求和一些其他因素相比较进行方案的选择。
方案一采用以嵌入式为核心的ARM系列的单片机,比较经典的一款芯片STM32单片机,该款单片机是ST公司生产制作的,在现实生活中有着广泛的应用。
对于这款单片机,由于其功能强大,程序运行速度也是很快的,一般能达到人们正常所需,再加上相对应的嵌入式系统就可以实现人机交互方便,处理速度快速便捷的系统;另一方面在芯片价格上来讲,符合人们的需要,与平时多用的51单片机价格相差不大,只是价格高了那么一两成;本芯片虽然功能齐全,运转速度较快,但是在编程方面对比51单片机而言,就麻烦一些,对于引脚的设定和要求更高一些。
对于本设计系统对于处理速度的要求和成本的考察,本方案也是在考虑范围之内的。
方案二采用msp430这款单片机作为本设计的主要控制系统。
本款单片机对比着51单片机而言,使用方面难易程度与51单片机相差不大;运行速度也是如此,但是对于开发设计本设计系统,需要的准备工作比较多,而且复杂。
根据本设计系统所需研究和时间精力来讲,本方案不适合本设计系统。
方案三采用STC89C52这款单片机作为本设计的主要控制系统。
本款单片机是属于前面所述的51单片机的一类,其功能相对而言稍显不足,内部存储不高;但是在功耗和成本方面比较低,开发相比较嵌入式芯片的ARM系列单片机更加的简单方便。
对于本设计系统,在要求程序运行速度方面是完全可以胜任的,再斟酌开放的难易程度方面,考虑研发周期和开发精力问题,该款单片机比较符合本设计系统的。
综上所述,本设计系统不再考虑以STM32为核心,而是选择开发更简单,成本更低廉的51系列单片机STC89C52单片机芯片。
2.3时间采集模块方案选择
方案一可以选择单片机内部计时,通过单片机内部设定时间,进行自动内部进行走动时间,这样一来,时钟信号就不再需要外部扩展电路,节省了资源和成本,时间相对来讲更加准确,但是容错率就低了很多,当系统断电之后,不能及时的更新的最新时间,只能再一次的进行烧写最新时间的程序才能确保时间的正确性。
故该种方案不完整。
方案二可以选择以DS1302为核心芯片的外部扩展时钟模块,通过单片机进行以IIC通信进行读取时间信号,时间信号只需要该信号内部走动,外部扩展了外部电源,当系统电源断电之后,芯片供电采用外部电源供电,确保时间的走动性,当系统电源重新连接的时候,供电却换到系统电源,单片机通过过协议读取到最新的时间,故该种方案合理并采用。
2.4显示模式方案
对于本设计系统而言,主要的目的就是显示部分,在很多场合都可以安装使用,对于可见范围大的概念也是让人耳目一新。
下面进行几种方案的选择和优缺点比较,进而确定适合本设计系统的显示模块的方案。
方案一是采用LCD1602液晶显示模块来进行显示部分的处理。
该款液晶显示模块对于显示功能而言,显示内容比较合理,包括字符,数字,文字,字母都可以进行取模确定;在显示所需功率上,该款液晶显示模块功耗相对而言比较中等;在一般的设计系统中所需显示模块都会采用本模块作为显示模块;但是本设计系统的要求显示模块的可见范围要大,对于该款液晶显示可见范围也就是直径三四米远,对于本设计的要求而言这个直径太小,所以本设计系统不采用本设计方案。
方案二是采用LCD12864液晶显示模块来进行显示部分的处理。
针对上述方案的液晶可见范围比较小,本方案选取了更大个头的液晶显示模块LCD12864,该方案的液晶显示功能更加齐全,包括字符,数字,字母,汉字以及更加厉害的图案都可以进行显示;但是缺点也是不少的,由于个头比较大,所以所需要的功耗也是增大,一般的电池供电的系统不能长期使用。
本方案的液晶显示的可见范围比上一个方案的可见范围增大了一倍有余,但是对于本设计系统所需要的几十几百米的可见范围来讲显得那么小,因此本设计系统也不采用本设计方案。
方案三是采用点阵进行显示,对比着前两种方案可见范围小的缺点,本方案采用多个点阵模块进行拼接,组成所需要的点阵模块,经过行驱动和列驱动进行对控制信号的转接,进而实现单片机对显示模块的控制,该方案体积和所占面积较大,再加上该方案采用的灯亮的原理,可见范围大大增加,使得该方案比较适合本设计系统,对于显示内容而言,只是显示时间的信息,完全足够使用,是本设计系统最好的选择;对于功耗而言,该模块整体所需功耗还要略小与前面所述的LCD1602和LCD12864等显示模块,故本设计系统采用该方案作为显示模块。
2.5数据传输方案
方案一是采用并行传输进行传输显示数据的方案。
当在采取扫描方式进行显示数据时,所需要显示的数据一般在单片机的内部进行存储起来,按照字节的形式排放,当需要显示的时候,数据传输进行并行传输,传输的数据速度快速,稳定性高,并且在与列驱动的通信中,速度是串行传输的八倍之多;但是并行传输所需要的数据线路为八条,同样也是串行传输的八倍之多,这就造成了线路复杂的问题,进而对应的硬件数目就多了很多,本设计系统所需要的列数比较多,故这种并行传输的线路较多的问题就更是致命的问题,所以该方案不可取。
方案二是采用串行传输进行传输显示数据的方案。
也就是说,控制电路只需要一条线路就可以把列数据的信息一位位的传递过去,虽然相比较并行传输慢了一些,但是线路相对比较简单,进而硬件电路就比较少,本设计的成本就打打减少,但是,串行传输的采取就会造成多次的串并转化,造成传输速度再一次的降低,这就使得显示时间和传输时间相冲突,进而影响到显示时间变短,宏观上表示就是亮度变弱,这就和本设计系统的要求相违背,所见范围变小。
所以本设计也不采用该种方案。
方案三就是采取串并联传输相结合的方式进行传输显示数据的方案。
该种方式就正好结合了各子的优点,巧妙地规避了各自的缺点,也就是说优势互补,故本设计系统采用串入并出的方式,两者协同工作,并且不会影响各行的显示,进而亮度不会减弱。
因此本设计系统采用方案三进行数据传输的方案。
图2-2为显示屏电路实现的结构框图。
列驱动器LED显示点阵
显示数字零
第一行
00000001
11111111
第二行
00000010
11100111
第三行
00000100
11011011
第四行
00001000
11011011
第五行
00010000
11011011
第六行
00100000
11011011
第七行
01000000
11100111
第八行
10000000
11111111
电源单片机ji行驱动器
显示数字一
第一行
00000001
11111111
第二行
00000010
11110111
第三行
00000100
11100111
第四行
00001000
11110111
第五行
00010000
11110111
第六行
00100000
11110111
第七行
01000000
11100011
第八行
10000000
11111111
图2-2显示屏电路框图
第3章系统硬件及电路设计
整体框架已经建立,下面进行各个模块的说明及电路设计的介绍。
下面介绍有:
单片机最小系统电路、报警电路、检测烟雾接口电路、检测一氧化碳接口电路、电源电路。
3.1最小系统硬件介绍
本
设计系统的核心部分:
最小系统如图3.1所示。
图3.1最小系统原理图
由上图所见,本设计系统的最小系统包括:
单片机芯片STC89C52,外面加上震荡电路也就是晶振电路,以及系统硬件复位功能的复位电路,各部分的电路和功能在下面会详细介绍。
3.1.1单片机STC89C述52概
本设计系统采用的是核心主控单片机是52系列的单片机,本款单片机同属于51单片机一类,但是51单片机的升级版,原先的51单片机的功能和资源,本款单片机都具备。
单片机作为计算机科学里面一个重要的分支,以其能够与计算机相互协同合作,既可以作为一个系统的核心,也可以作为一个系统的一部分外部传感器的中继器。
当一个系统不是很大的时候,例如本设计系统,对于处理速度和人机交互的要求不是很高,所需处理的数据也是很少的一部分,不同于电脑的处理速度,它仅仅只有电脑处理速度的百分之一甚至是千分之一。
但是麻雀虽小五脏俱全,电脑的一些功能和资源他也具备。
比如计算机内部的存储器,单片机也具备几到十几KB的字节存储,到那时计算机就是几万几十万倍的多于它。
当一个系统很大的时候,所需处理的速度要求就高了,这时就有另外一款单片机来充当核心主控处理器,上面进行操作系统的建构,方便人们进行人机交互,操作简单明了。
但是整体而言,计算机就相当于更高更智能的单片机,他们之间是可以相互沟通的,比如在一些数据监控的时候,就需要单片机的小系统进行数据的采集和预处理,然后传递给计算机的大系统中,进行实时监控和控制。
单片机的应用场所和领域也是非常广阔,尤其在工业控制方面的作用是不可替代的,由于单片机的系统稍小,但是针对性强,可以根据不同的环境进行设计不同的系统,这就给复杂多样的工业环境带来了无可比拟的福音。
工业的现代化进程也变得和单片机的发展越来越密切。
单片机的内部资源大部分相似,但是不同类型的不同系列都会各有不同。
在本设计系统中采用的是以51单片机的升级版52单片机的其中一款单片机:
STC89C52单片机。
STC89C52单片机内部具有的资源有ADC采集资源,多数的寄存器,外扩储存模块,内部有存储模块,IO端口配置模块,总共有三十二各IO端口,内部大多数端口配有上拉电路,可直接驱动外部电路进行实现电路功能,有定时器中断资源和外部中中断资源,还有具备一些特殊的寄存器资源,芯片上可以架构操作系统,进行多进程相互切换的程序运行。
3.1.2振荡电路介绍
如图3.1所示,振荡电路也就是晶振电路是由固定频率的晶振电路的核心来源,相当于是一个机器的心脏跳动的,促进身体机理的运转。
本电路就是这样的类似作用。
一般这个频率是和单片机相匹配的,该频率本设计系统采用的是12MHZ。
该晶振的引脚两端分别接两个固定容量的充电电容,一般是瓷片电容,用于振荡电路的晶振的充放电和滤波;瓷片电容的另一端相连接地,也就是与单片机的20号引脚相连。
3.1.3复位电路介绍
如图3.1所示,复位电路是通过硬件电路进行控制单片机的RESET引脚的高低电平来控制单片机内部运行程序的。
复位的方式有上电复位和手动复位两种。
复位电路由一个10uF的电解电容的负极端与单片机的RESET引脚相连,正极端接电源的正极,也相当于和单片机的40号引脚相连,在其两端有一个自弹的独立按键;当需要复位的时候,按下复位按键,电解电容短路,单片机的复位引脚接到了高电平,单片机被复位。
3.2电源模块硬件介绍
电源模块电路如图3.2所示:
图3.2电源模块电路图
本系统所需电源的供电问题,由于单片机需要5V电压供电,各路采集模块也都需要5V供电,尤为重要的是,时钟芯片DS1302模块需要的电源电压也为5V,并且该模块在初始化工程中需要的电流比较大,所以此阿勇USB接口进行将电源电压引过来,并加一个指示灯电路和一个开关。
如图3.2所示,5V供电口直接从5V电源接过来,一个
3.3LED显示屏电路
LED显示屏是内部原理是:
将一个个的发光二极管按照座位一样分成行和列的布置,行的一端集体相连,列的一段也集体相连,这就形成了矩阵型的排布。
当需要进行驱动显示的时候,也是需要行列结合进行驱动,只有当发光二极管的负极端接低电平,另一端接高电平,形成一个电压差,才能点亮该发光二极管,多个或亮或灭的发光二极管组合到一起的时候就可以显示出所需要的字节或者汉字以及数字等等。
本设计采用的是八行八列的一个整体模块,经过多个组合进行组成了十六行三十二列的点阵显示模块,用于显示数字时钟的时间,达到显示范围扩大,可见范围变大的要求。
其中8×8点阵LED结构如图3-3所示,其等效电路如图3-4所示:
图3-38
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