【正文】 并開(kāi)始形成平板顯 示產(chǎn)品即 LED 顯示屏。以前采用 硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機(jī)通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。正因?yàn)閱纹瑱C(jī)有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域之廣，幾乎到了無(wú)孔不入的地步。所顯示字符 的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)可以自行編寫(xiě)（即直接點(diǎn)陣畫(huà)圖），也可從標(biāo)準(zhǔn)字庫(kù)中提取 。文中詳細(xì)介紹 了 LED 點(diǎn)陣顯示的硬件設(shè)計(jì)思路、硬件電路各個(gè)部分的功能及原理、相應(yīng)軟件的程序設(shè)計(jì)，以及使用說(shuō)明等。 大連海事大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 二○一四年六月┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊ 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 通信工程一班 姓 名： 劉維佳 指導(dǎo)教師： 金國(guó)華 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 I 摘 要 本 文介紹了 1616 點(diǎn)陣 LED 電子顯示屏的設(shè)計(jì) 。 整機(jī)以美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的 40 腳單片機(jī) AT89C51 為核心 ， 介紹了以它為控制系統(tǒng)的 LED 點(diǎn)陣電子顯示屏的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。 經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試， 該設(shè)計(jì)基本滿足要求。在我國(guó)，單片機(jī)已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制、自動(dòng)檢測(cè)、智能儀表、智能化家用電器、航空航天系統(tǒng)和和國(guó)防軍事、尖端武器等各個(gè)方面。這種以軟件結(jié)合硬件或取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)稱(chēng)為微控制技術(shù)。 LED 電子顯示屏是利用發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。 LED 顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏的發(fā)展過(guò)程 。 選題意義 該設(shè)計(jì)課題使我們能夠掌握 LED 顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計(jì)方法，對(duì) LED顯示屏這個(gè)行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識(shí)。但同時(shí)應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到我國(guó)的 LED 技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還有一定的差距。 第一階段（ 19761978）：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控索階段。 第二階段（ 19781982）單片機(jī)的完善階段。 MCS51 設(shè)置了經(jīng)典的 8 位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括 8位數(shù)據(jù)總線、 16 位地址總線、控制總線及具有很多機(jī)通信功能的串行通信接口。 第三階段（ 19821990）： 8 位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的 8 位 /16 位 /32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價(jià)的專(zhuān)用型單片機(jī)。 另一方面，在中小型只能產(chǎn)品中，單片機(jī)則朝小型，超低功耗，多品種等發(fā)展方向。允許使用的電壓范圍越來(lái)越寬，一般在 3～ 6V 范圍內(nèi)工作。 大容量化 以往單片機(jī)內(nèi)的 ROM 為 1KB～ 4KB， RAM 為 64～ 128B。 高性能化 主要是指進(jìn)一步改進(jìn) CPU 的性能， 加快指令運(yùn)算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。由于這類(lèi)單片機(jī)有極高的指令速度，就可以用軟件模擬其 I/O功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。 單片機(jī)的應(yīng)用 在說(shuō)單片機(jī)應(yīng)用之前，首 先 來(lái)談?wù)勎覀兪褂玫碾娔X（ PC 機(jī)），我們使用的電腦屬于通用計(jì)算機(jī)，真是感嘆計(jì)算機(jī)發(fā)展神速！現(xiàn)在個(gè)人電腦的性能比以前已經(jīng)基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 4 得到了極大的提高，普通 PC 機(jī)的運(yùn)行速度就已經(jīng)達(dá)到了 3GB 以上，擁有海量的硬盤(pán)空間， 80GB、 160GB 甚至 500G 都很常見(jiàn)，內(nèi)存普通的都有 8G、 16G 甚至有32G 內(nèi)存，使用 19大屏幕液晶顯示器 正是這些電腦的高性能，為我們海量數(shù)值計(jì)算、信息處理、多媒體和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、辦公、家用等的實(shí)現(xiàn)成為可能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至 1998 年底，年度銷(xiāo)售總額在 1000 萬(wàn)元以上的企業(yè)有20 多家，其銷(xiāo)售總額達(dá) 6 億元左右，占行業(yè)市場(chǎng)總額的 85%以上。 90 年代 初即具備了成熟的 16 級(jí)灰度 256 色視頻控制技術(shù)及無(wú)線遙控等國(guó)際先進(jìn)水平技術(shù)，近年在全彩色 LED 顯示屏、 256 級(jí)灰度視頻控制技術(shù)、集群無(wú)經(jīng)線控制、多級(jí)群控技術(shù)等方面均有國(guó)內(nèi)先進(jìn)、達(dá)到國(guó)際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)； LED 顯示屏控制專(zhuān)用大規(guī)模集成電路也已由國(guó)內(nèi)企業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。高亮度、全彩化藍(lán)色及純綠色 LED 產(chǎn)品自出現(xiàn)以來(lái)，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件。全彩色 LED 顯示屏的廣泛應(yīng)用會(huì)是 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 顯示屏能顯示 2 組特定數(shù)字或英文字母組成的句子，通過(guò)按鍵切換顯示內(nèi)容。 顯示模式方案論證 為了吸引觀眾增強(qiáng)顯示效果，可以有多種顯示模式，最簡(jiǎn)單的顯示模式是靜態(tài)顯示。產(chǎn)生不同顯示模式的方法，并不意味著一定要重新編寫(xiě)顯示數(shù)據(jù)，可以通過(guò)一定的算法從原來(lái)的顯示數(shù)據(jù)直接生成。刷新的時(shí)間控制，要考慮運(yùn)動(dòng)圖形文字的顯示效果。 1616 的點(diǎn)陣共有 256 個(gè)發(fā)光二極管， 顯然單片機(jī)沒(méi)有這么多端口， 如果我們采用鎖存器來(lái)擴(kuò)展端口，按 8 位的鎖存器來(lái)計(jì)算， 1616 的點(diǎn)陣需要 256/8=32 個(gè)鎖存器。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，就能看到 顯示屏上穩(wěn)定的圖形了 。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù) 據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。但是，串行傳輸過(guò)程較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動(dòng)器。 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來(lái)說(shuō)，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并出的移位功能；對(duì)于列數(shù) 據(jù)顯示來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有并行鎖存的功能。在整個(gè)電路當(dāng)中此控制電路部分相當(dāng)于一個(gè)上位機(jī)，它負(fù)責(zé)控制整個(gè)電路以及相應(yīng)的程序的運(yùn)行、與 PC 機(jī)的串行通訊、以及給屏體電路部分發(fā)送命令。由行譯碼器給出的行選通信號(hào)，從第一行開(kāi)始，按順序依次對(duì)各行進(jìn)行掃描 (把該行與電源的一端接通 )。單片機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖 所示。P1 口低 4 位與行驅(qū)動(dòng)器相連，送出行選信號(hào)； ～ 口則用來(lái)發(fā)送控制信號(hào)。電路如圖 ： 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 10 單片機(jī)引腳介紹 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口， 每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào) 。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 所示： 表 P3 口特殊功能 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。列如 Y7=1， I7=0 時(shí)，對(duì)應(yīng)于右下角的 LED發(fā)光。行與行之間延時(shí) 1~2ms。其中片 1 與片 2 的行并聯(lián)在一起組成 ROW0~ROW7,片 3 與片 4 的行并聯(lián)在一起組成 ROW8~ROW15；片 1 與片 3 的列并聯(lián)在一起組成 COLO~COL7，片 2 與片 4 的列并聯(lián)在一起組成COL8~COL15。 圖 LED 顯示屏焊接電路實(shí)物圖 （正面） 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 14 圖 LED 顯示屏焊接電路實(shí)物圖（反面） 圖 4 片 8X8LED 點(diǎn)陣組成的 16X16LED 點(diǎn)陣圖 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 15 文字 顯示及移動(dòng)顯示介紹 從結(jié)構(gòu)上可知，它的每一列共用一根列線，每一行共用一根行線。 LED點(diǎn)陣顯示屏采用 16 16 共 256 個(gè)象素的點(diǎn)陣，通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)光二極管的方法測(cè)試判斷出該點(diǎn)陣的引腳分布。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在 256 像素范圍內(nèi)的任何圖形用 8 位的 AT89C51 單片機(jī)控制， 由于單片機(jī)的總線為 8 位，一個(gè)字需要拆分為 2 個(gè)部分。即二進(jìn)制 00000100，轉(zhuǎn)換為 16進(jìn)制為 04h.。 軟件打開(kāi)后設(shè)置好你需要的取點(diǎn)模式和字節(jié)排列順序，然后輸入漢字，點(diǎn)“導(dǎo)出代碼”，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的漢字代碼即可自動(dòng)生成，把我們所需要的豎排數(shù)據(jù)復(fù)制到我們的程序中即可。 圖 取模軟件的應(yīng)用設(shè)置、生成、效果圖 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 17 LED 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)說(shuō)明 列驅(qū)動(dòng)電路 （ 1） 74HC595 芯片簡(jiǎn)介 集成電路 74HC595， 它具有一個(gè) 8 位串行輸入 /輸出或者并行輸出的移位寄存器和一個(gè) 8 位輸出 鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器的和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù) 據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。引腳 SRCLK 是移位寄存器的 移位時(shí)鐘脈沖，在其上升沿發(fā)生移位，并將 SER 的下一個(gè)數(shù)據(jù)打入最低位。 SRCLR 信號(hào)是移位寄存器的清零輸入端，當(dāng)其為低時(shí)移位寄 存器的輸出全部為 0，由于 SRCLK 和 RCLK 兩個(gè)信號(hào)是互相獨(dú)立的，所以能夠做到輸入串行移位與輸 出鎖存互不干擾。該圖由兩片 74HC595 組成 16 列的驅(qū)動(dòng)，基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 19 由 16 個(gè)行 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 16 行。移位過(guò)程結(jié)束之后， 控制器輸出 RCLK 打入信號(hào)， 16 列顯示數(shù)據(jù)一起打入相應(yīng)的輸出鎖存器。 74HC154 為變量譯碼器，也稱(chēng)二進(jìn)制譯碼器，它是 一種四線 — 十六線譯碼器 , 譯碼的輸入端有 4 個(gè)， 輸出 端有 16 個(gè)，并有兩個(gè)選通端（使能端），它的管腳 形式如圖 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 20 所示， 當(dāng)選通端 E E2 均為低電平時(shí)， 譯碼器處于工作狀態(tài)，可將地址輸入端（ A0～ A3）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 74HC154 譯碼器的真值表如表 所示。行驅(qū)動(dòng)電路原理如圖 所示。行信號(hào) A、 B、 C、 D 的順序變化范圍從 0000、 000 00 至 l111，來(lái)一個(gè)選通信號(hào)， 行信號(hào)順序就變化一次，其頻率由掃描電路決定。 然后顯示驅(qū)動(dòng)程序查詢(xún)當(dāng)前燃亮的行號(hào)，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給移位寄存器。 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 23 進(jìn) 入 中 斷送 新 行 顯 示 數(shù) 據(jù)定 時(shí) 器 賦 初 值讀 取 行 號(hào) 并 加 1切 換 顯 示 數(shù) 據(jù)消 隱退 出 中 斷發(fā) 送 新 行 號(hào) ， 打 開(kāi) 顯 示 圖 顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖 主程序 編程語(yǔ)言 現(xiàn)在主要運(yùn)用的單片機(jī)編程語(yǔ)言為匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。 C 語(yǔ)言是一種源于編寫(xiě) UNIX 操作系統(tǒng)的語(yǔ)言，它是一種結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言，可產(chǎn)生壓縮代碼。這種方式可使程序結(jié)構(gòu)化；將可變的選擇與特殊操作組合在一起的能力 ，改善了程序的可讀性；編程及程序調(diào)試時(shí)間顯著縮短，從而提高效率； 提供的庫(kù)包含許多標(biāo)準(zhǔn)子程序，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力；已編好程序可容易的植入新程序，因?yàn)樗哂蟹奖愕哪K化編程技術(shù)。因此在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，編譯器必不可少。 上位機(jī)控制傳輸軟件 其中系統(tǒng)采用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍的 PC 機(jī)作為上位機(jī)，這樣對(duì)該顯示系統(tǒng)的硬件要求便降低了，增加了系統(tǒng)的通用性。存儲(chǔ)顯示是將顯示內(nèi)容處理過(guò)后存儲(chǔ)在上位機(jī)中通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)斤@示屏顯示。 基于單片機(jī)的點(diǎn)陣電子顯示屏的設(shè)計(jì) 25 第 四 章 調(diào)試及性能分析 單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)總體設(shè)計(jì)，完成了硬件和軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。 調(diào)試可分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。 按下列步驟進(jìn)行調(diào)試： （ 1） 目標(biāo)程序糾錯(cuò) 該階段工作通常在目標(biāo)程序編輯時(shí)就完成。在這階段若發(fā) 生故障，可以考慮各子程序在運(yùn)行時(shí)是否破壞現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)據(jù)緩沖單元是否發(fā)生沖突，標(biāo)志位的建立和 清除在設(shè)計(jì)上是否失誤，堆棧是否溢出，輸入輸出狀態(tài)是否正常等。調(diào)試工作可以分為四步： （ 1） 目測(cè)檢查 根據(jù)硬件邏輯設(shè)計(jì)圖，仔細(xì)檢查樣機(jī)線路是否連接正確，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是 否符合要求，必要時(shí)可用萬(wàn)用表檢測(cè)線路通斷情況。 （ 3） 通電檢查 在確保電源良好前提下，接通電源。通電檢查的主要 目的是看系統(tǒng)是否存在短路或由元器件損壞、裝配錯(cuò)誤引起的電流異常。 表 顯示屏刷新率（幀率）與 T0 初值關(guān)系表（ 24MHz） 刷新率 /Hz 25 50 75 85 100 120 T0 初值 OxEC78 OxF63C OxF830 OxF97E O