【正文】 2021 年基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目 不超過 20個(gè)漢字 專業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)：電 技 072 班 作者： 指導(dǎo)教師： 職稱： 答 辯日期 ： 20210618 摘 要 本設(shè)計(jì)是一 1616 點(diǎn)陣 LED 電子顯示屏的設(shè)計(jì)。顯示采用動(dòng)態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。 經(jīng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)顯示誤差小，性能穩(wěn)定 ，擴(kuò)展能力強(qiáng)。她以絢麗的彩色、靈活的顯示和多變的圖案風(fēng)糜國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，深受廣大用戶的歡迎。正因?yàn)槿绱?，在我?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、家用電器等各個(gè)方面。隨著市場(chǎng)的急速需求，在現(xiàn)有的市場(chǎng)上已 經(jīng)出現(xiàn)許多有關(guān)點(diǎn)陣顯示器有關(guān)的產(chǎn)品，如廣告活動(dòng)字幕機(jī)，股票顯示板，活動(dòng)廣告欄等。無論是基于單片機(jī)技術(shù)還是基于邏輯電路其最基本的原理是相同 的，即： LED 構(gòu)成的電子顯示屏容入單片機(jī)技術(shù)，使其在上面顯示人們所需要的信息。當(dāng)然，根據(jù)控制電路的安排，相反的定義同樣時(shí)可行的。組成一個(gè)字的點(diǎn)陣，其大小也可以有 16 1 242 32 3 48 48 等不同規(guī)格。本系統(tǒng)最復(fù)雜的就是軟 件試階段，這個(gè)階段的工作量最大，往往是解決了一個(gè)問題卻又產(chǎn)生了一個(gè)新的問題，這就需要我們有足夠的耐心與力，還要有扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中 ， 注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來 ， 從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。在 LED 的 p n 結(jié)附近 ,n 型材料中多數(shù)載流子是電子 ,p 型材料中多數(shù)載流子是空穴。 LED 顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由 LED 矩陣塊組成。 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 2 AVR 系列單片機(jī)的簡(jiǎn)介 AVR 系列單片機(jī)及其特點(diǎn) ① 可靠性高：因?yàn)樾酒前垂I(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC機(jī)。 ③控制功能強(qiáng)：具有豐富的控制指令：如：條件分支轉(zhuǎn)移指令， I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。 1997 年，由 Atmel 公司 挪威 設(shè)計(jì)中心的 A先生和 V 先生，利用 Atmel 公司的 Flash 新技術(shù)，共同研發(fā)出 RISC精簡(jiǎn)指令集高速 8 位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱 AVR。故 AVR 單片機(jī)在軟 /硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 的單片機(jī)。 單片機(jī)的發(fā)展歷史簡(jiǎn)介 單片機(jī)誕生于 20世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC三大階段。 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢(shì)，將 MCS51 從單片微型計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展到微控制器。因此，對(duì)單片機(jī)的理解可以從單片微型計(jì)算機(jī)、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。因此在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另外一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法。 采用掃描方式 進(jìn)行顯示時(shí)，每一行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。這樣，對(duì)于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。圖 21 為顯示屏電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。 T1AC1V+ 2AC3V4D6C41 0 0 u /1 6 VC61 0 0 u /1 6 vV C CV in1GND3+ 5 V 2U27 8 0 5C51 0 4C71 0 4 圖 24 單片機(jī)電源原理圖 注 : 該電源電路主要模塊為 IC7805,它能輸出穩(wěn)定的 5V電源 ,圖中整流橋是將市電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?,電容起到慮波作用由 7805 的 OUT 引腳輸出5V電壓。實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)這個(gè)原理自行擴(kuò)充顯示的字?jǐn)?shù)。 圖 26 8 8單色點(diǎn)陣內(nèi)部圖 圖 27 8 8雙色點(diǎn)陣內(nèi)部圖 LED 顯示方式 漢字顯示屏用于顯示漢字 、 字符及 圖像 信息，在公共汽車 、 銀行 、醫(yī)院及戶外廣告等地方都有廣泛的應(yīng)用。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 28 四塊 8 8 的 LED 點(diǎn)陣組成 16 16 的 LED 點(diǎn)陣 LED 驅(qū)動(dòng)顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方法，動(dòng)態(tài)掃描方式是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行的同名列共用一套列驅(qū)動(dòng)器。 顯示數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無疑 是十分經(jīng)濟(jì)的。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。 LED 點(diǎn)陣顯示模塊進(jìn)行的方法有兩種： （ 1）水平方向（ X 方向）掃描，即逐列掃描的方式（簡(jiǎn)稱列掃描方式）：此時(shí)用一個(gè) P 口輸出列碼決定哪一列能亮（相當(dāng)于位碼），用另一個(gè) P 口輸出行碼（列數(shù)據(jù)），決定該行上那哪個(gè) LED 亮（相當(dāng)于段碼）。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用的是第一種的掃描方法，即 水平方向（ X 方向）掃描 。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。方向?yàn)?P00 到 P07，顯示漢字“ 西 ”的時(shí)候， P00 到 P04 都是滅的 ， P05 亮，即二進(jìn)制 00100000，轉(zhuǎn)換為 16 進(jìn)制為 40H， 如圖 29 所示。 圖 210 漢字字模生成軟件 點(diǎn)陣的移動(dòng) 以下以 16 16 點(diǎn)陣為例 介紹點(diǎn)陣的移動(dòng)。將原來字符點(diǎn)陣數(shù)組的 16 個(gè)數(shù)據(jù)重復(fù)一遍延長(zhǎng)，點(diǎn)陣數(shù)組的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 32 個(gè)。掃描完前 16 個(gè)數(shù)據(jù)之后，第 2 次掃描從點(diǎn)陣數(shù)組中取第 2~14 個(gè)數(shù)據(jù)（第 17 個(gè)數(shù)據(jù)與地 1 個(gè)數(shù)據(jù)同），送行碼輸出口，對(duì)應(yīng)于這 16 個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)用列碼輸出口輸出列碼，仍分別控制掃地 1~16 列。 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 14 以上完成一個(gè)圖形移動(dòng)的方法，也可以看成是移動(dòng) 16 個(gè)不同的字形。 圖 212 字形法左右移動(dòng)示意圖 假設(shè) 如果原本某個(gè)漢字的字型（第一個(gè)字型），其編碼為 ： 00H,10H,20H,30H,40H,50H,60H,70H, 80H,90H,0A0H,0B0H,0C0H,0D0H,0E0H,0F0H； 第二個(gè)字型的編碼為： 10H,20H,30H,40H,50H,60H,70H,80H, 90H,0A0H,0B0H,0C0H,0D0H0E0H,0F0H, 00H。這個(gè)調(diào)整動(dòng)作時(shí)先將 16 個(gè)編碼根據(jù)序填 入存儲(chǔ)器，例如第 1 行編碼存入 20H,第二行編碼存入 21H， 要進(jìn)行左移調(diào)整時(shí)，則先將 20H地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 36H 地址，再將 21H地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 20H 地址，將 22H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 21H 地址，將 23H地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 22H 地址，將 24H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 23H 地址，將25H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 24H 地址，將 26H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 25H 地址，將 27H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 26H 地址，將 28H 地址的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到 27H 地址 。 原字符點(diǎn)陣數(shù)組中的 16 個(gè)數(shù)據(jù)不延長(zhǎng)，但下一幀取的 16 個(gè)數(shù)據(jù)，是把上一幀的 16 個(gè)數(shù)據(jù)的位置（先后順序）“循環(huán)左移”一次，即原來第 2 個(gè)移到第 1 個(gè)，原來第 3 個(gè)移到第 2 個(gè)當(dāng)數(shù)組中的額數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)較多時(shí)，片內(nèi) RAM 將不夠大， 必須將數(shù)組定義在片外 RAM 中。掃描完成這 16 個(gè)數(shù)據(jù)之后，第 2 次掃描的第 16 個(gè)數(shù)據(jù)，應(yīng)將原來第 1 次掃描的 16 列碼每一個(gè)都循環(huán)右移一位（如果是顯示右移則應(yīng)循環(huán)左移），再進(jìn) 行掃描。若是列向組字，希望顯示向上移動(dòng)一個(gè)字符，第 1 次掃描從行碼的點(diǎn)陣數(shù)組中取第 1~16 個(gè)數(shù)據(jù)，送行碼輸出口，對(duì)應(yīng)于這 16 個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)用列碼輸出口輸出列碼，分別控制掃描第 1~16 列。 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)字符掃描完成后，就進(jìn)行這樣的調(diào)整動(dòng)作，以產(chǎn)生第二個(gè)字型的編碼。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 213 字形法上下移動(dòng)示意圖 (2)行掃描方式上下移動(dòng) 行向組字顯示字符豎直方向的移動(dòng) 方法 1：延長(zhǎng)數(shù)組法。也有：用數(shù)組數(shù)據(jù)循環(huán)左移子程序；不用子程序，而是用變量判斷控制實(shí)現(xiàn)數(shù)組數(shù)據(jù)的循環(huán)左移。針對(duì)輸出態(tài)的不同，分為：高態(tài)掃描 高態(tài)顯示，高態(tài)掃描 低態(tài)顯示，低態(tài)掃描 高態(tài)顯示和低態(tài)掃描 低態(tài)顯示四種方式。 掃描信號(hào)經(jīng)限流電阻接到 PNP 晶體管的基極，晶體管的集電極接地，射極則連至 LED 點(diǎn)陣的列引腳，若要同時(shí)點(diǎn)亮該列的 16 個(gè) LED，則晶體管的電流必須大于200 毫安才行。 西安理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 214 共陰型低態(tài)掃描 低態(tài)顯示信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路 若要并接多個(gè) LED 陣列，如連接使用 4 個(gè) 8 8LED 陣列，連接成16 16LED 陣列，則一個(gè)掃描信號(hào)同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) LED 陣列。另外 OC 腳為輸出控制引腳，當(dāng) OC 腳為高態(tài)時(shí)，輸出呈現(xiàn)高阻抗； OC 為低態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)由鎖存器輸出。在弄清 延時(shí)程序指令的用法 之前，要清楚的了解 延時(shí)程序的基本概念 ,機(jī)器周期和指令周期的區(qū)別和聯(lián)系、相關(guān)指令的用法等 。 （ 2） 指令周期是指單片機(jī)執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一般利用單片機(jī)的機(jī)器 周期來計(jì)量指令周期。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 時(shí)鐘周期：也稱為振蕩周期，一個(gè)時(shí)鐘周期＝晶振的倒數(shù)。 （ 1） 數(shù)據(jù)傳送指令 MOV 數(shù)據(jù)傳送指令功能是將數(shù)據(jù)從一個(gè)地方復(fù)制、拷貝到另一個(gè)地方。例如： DJNZ R7，$ ； R7 內(nèi)容減 1 不為 0，則再次執(zhí)行本指令；為 0 則往下執(zhí)行，當(dāng) R7 的值改為 10 時(shí)，則執(zhí)行完該條程序所需的時(shí)間為 2*10=20 μs。 ② 1 F1: DJNZ R5, F1。 所以 精確延時(shí)時(shí)間為 ： 1+（ 1 200） +（ 2 250 200） +（ 2 200）+2 =（ 2*250+3） *200+3 =100603μs ≈100ms= 點(diǎn)陣 顯示的流程圖及分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目的軟件工作應(yīng)完成 串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出 、 1616 點(diǎn)陣顯示圖形漢字 、 電源供電 及 ISP 程序下載等 功能。它是目前最好的仿真單片 機(jī)及外圍器件的工具。在編譯方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等多種 編譯器 。 Proteus 的工作過程 運(yùn)行 proteus 的 ISIS 程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬 信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 對(duì)于軟件的 分步調(diào)試，應(yīng)先執(zhí)行 debug 菜單下的 start/restart debugging 菜單項(xiàng)命令，此時(shí)可以選擇 stepover、 step into 和 step out命令執(zhí)行程序 (可以用快捷鍵 F F11 和 ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進(jìn)入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。 （ 2）仿真處理器及其外圍電路 ： 可以仿真 51系列、 AVR、 PIC、 ARM、等常用主流單片機(jī)。本設(shè)計(jì)利用 ICC AVR， 在新建項(xiàng)目時(shí)選擇 Atmega16 單片機(jī)作為 CPU，將源程序?qū)耄?“Options For Target”對(duì)話窗口中，選中 “Output”選項(xiàng)中的 “Create HEX File”，編譯鏈接后就可以生成 .HEX 文件。利用 Proteus 實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)陣式 LED 滾動(dòng)漢字顯示屏的仿真 ,說明程序和電路圖都沒有問題。 軟件調(diào)試：軟件部分是先參考書上的例子，然后自己根據(jù)硬件電路寫程序，由于以前所學(xué)是 單片機(jī)匯編語(yǔ)言 ，所以這個(gè)系統(tǒng)在編寫程序過程中基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 28 都采用 匯編語(yǔ)言 編寫。 本設(shè)計(jì)的 是 一個(gè)室內(nèi)用 16x16 的點(diǎn)陣 LED 圖文顯示屏，能夠在目測(cè)條件下 LED 顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。 并且通過對(duì)單片機(jī)資料的查閱和應(yīng)用，更進(jìn)一步增加了對(duì)單片機(jī)知識(shí)的理解和運(yùn)用能力。 三， 本 文 列 出了系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計(jì)方案 ， 硬件結(jié)構(gòu)電路圖，軟件流程圖和具體匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)與調(diào)試等方面 ，用 PROTUES 軟件進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真 。 五，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，重新復(fù)習(xí)并進(jìn)一步 增強(qiáng)了動(dòng)手的能力，學(xué)以致用，把只是運(yùn)用到 實(shí)際生活中才是根本目的。希望有時(shí)間可以對(duì)程序和電路圖作更進(jìn)一步的改進(jìn)，譬如實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣的上下移動(dòng)， 左右顯示 等。 基于 AVR 單片機(jī)的點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 32 參考文獻(xiàn) [1] 石磊，張國(guó)強(qiáng) .Altium De