单片机原理课程设计-16乘16点阵设计.doc

课程设计说明书 第 i 页 16*16 点阵设计 摘 要 单片机是为各类专用控制器而设计的通用或专用的微型计算机系统，高密 度集成了普通计算机微处理系统，一定容量的 ram 和 rom 以及输入/输出接 口，定时器等电路于一块芯片上构成的。它的优点是体积小、重量轻、抗干扰 能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。 在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形来 显示汉字，汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器，广告屏等。led 显示屏分为 图文显示屏和视频显示屏，均由 led 矩阵块组成。用点阵方式构成图形或文字， 是非常灵活的，可以根据需要任意组成和变化，只要设计好合适的数据文件， 就可以得到满意的显示效果，因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的 信息是非常有效的。本次课程设计实现 led 点阵屏核心功能即汉字的多样化显 示。加深对单片机课程的全面认识和掌握，对单片机课程的应用进一步的了解。 将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑，校验，锻炼实践能力和理论联系实 际的能力。 关键词：单片机，led 显示屏，点阵 课程设计说明书 第 ii 页 课程设计说明书 第 iii 页 目 录 1 课题描述1 2 芯片介绍1 2.1 51 系列单片机简介.2 2.2 74ls154 芯片介绍 6 2.3 74ls373 芯片介绍 7 3 硬件设计8 4 软件设计10 4.1 单片机延时子程序10 4.2 程序流程图.12 4.3 程序代码.12 5 调试或性能分析15 总 结16 致 谢17 参考文献18 课程设计说明书课程设计说明书 第 1 页 1 课题描述 单片微型计算机简称单片机，它是为各类专用控制器而设计的通用或专用 的微型计算机系统。自 20 世纪 70 年代问世以来，以极其高的性价比受到人们 的重视和关注，所以应用很广，发展很快。在现代工业控制和一些智能化仪器 仪表中，越来越多的场所需要用点阵图形来显示汉字，汉字显示屏也广泛应用 到汽车报站器，广告屏等。所以研究 led 显示有实用意义。现代 led 的发展 很快，很多研究领域已经非常深刻，实际情况是：很多相关的知识已经远远超 出我们在校学生的能力范围，所以在本设计中只是简单的研究一下用单片机驱 动的 led 显示移动的汉字。共有两个目的：一是制作一个简单实用的显示文字 的 led 点阵；二是通过制作 led 点阵增强对 led 点阵的了解和应用，以及复 习和巩固单片机知识。 本次设计的 16x16 点阵需要 32 个驱动，分别为 16 个列驱动及 16 个行驱动。 每个行与每个列可以选中一个发光管，共有 256 个发光管，采用动态驱动方式。 每次显示一行后再显示下一行。 2 芯片介绍 led 点阵总体框图如图 1 所示，点阵电路大体上可以分成微机本身的硬件、 显示驱动电路、控制信号电路三部分。控制电路部分包括一个 51cup 和一些外 围电路。在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个 电路以及相应的程序的运行、与 pc 机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送 命令。点阵显示屏体以及它的行和列的各个驱动电路。由于两部分的电路在制 板时可以放在一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通讯方式来 与屏体电路部分进行数据和命令的传送。 此显示电路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。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序 课程设计说明书课程设计说明书 第 2 页 依次对各行扫描（把该行与电源的一端接通） 。另一方面，根据各列锁存的数据， 确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列就在该行该列 点燃相应的 ledl 未接通的列所对应的 led 熄灭。可通过扫描输出口的控制实 现颜色的转换。 图 1 点阵的总体框图 2.1 51 系列单片机简介 单片机（microcontroller,又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部 件的微型机，这些部件包括中央处理器 cpu、数据存储器 ram、程序存储器 rom、定时器/计数器和多种 i/o 接口电路。 8051 单片机的基本结构见图 2。 图 2 8051 单片机的基本结构 8051 系列的内部结构可以划分为 cpu、存储器、并行口、串行口、定时器 /计数器、中断逻辑几部分。 （1）中央处理器 课程设计说明书课程设计说明书 第 3 页 8051 的中央处理器由运算器和控制器构成，其中包括若干特殊功能寄存器 （sfr） 。算术逻辑单元 alu 能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、 “或”、 “异或”等逻辑运算以及位操作运算。 alu 只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器 acc 或寄存器 tmp 中，运算结果可以送回 acc 或通用寄存器或存储单元中，累加器 acc 也 可以写成 a。b 寄存器在乘法指令中可以用来存放一个乘数，在除法指令中用 来存放除数，运算后 b 中为部分运算结果。alu 主要用于完成二进制数据的算 术和逻辑运算，并通过对运算结果的判断影响程序状态字寄存器 psw 中有关位 的状态。 程序状态字 psw 是个 8 位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其 中七位。psw 的格式如下所示，其各位的含义如表 1。 表 1 程序状态字 psw cy：进位标志。在进行加法或减法运算时，若运算结果的最高位有进位或 借位，cy=1，否则 cy=0，在执行位操作指令时，cy 作为位累加器。 ac：辅助进位标志。在进行加法或减法运算时，若低半字节向高半字节有 进位或借位， ac=1，否则 ac=0，ac 还作为 bcd 码运算调整时的判别位。 f0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。 rs1 和 rs0：工作寄存器组选择，如表 2 所示。 表 2 rs1 和 rs0 工作寄存器组选择 rs1rs0 工作寄存器组片内 ram 地址 00 第 0 组 00h07h 01 第 1 组08h0fh 10 第 2 组10h17h 11 第 3 组18h1fh ov：溢出标志。当两个带符号的单字节数进行运算，结果超出-128+127 的范围时，ov=1，表示有溢出，否则 ov=0 表示无溢出。 p：奇偶校验标志。每条指令指行完毕后，都按照累加器 a 中“1”的个数来 课程设计说明书课程设计说明书 第 4 页 决定 p 值，当“1”的个数为奇数时，p=1，否则 p=0。 psw 中的 d1 位为保留位，对于 8051 来说没有意义，对于 8052 来说为用 户标志，与 f0 相同。 控制器包括程序计数器 pc、指令寄存器、指令译码器、数据指针 dptr、 堆栈指针 sp、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协 调单片机各部分正常工作。 程序计数器 pc：当一条指令按 pc 所指向的地址从程序存储器中取出之后， pc 的值会自动增量，即指向下一条指令。 堆栈指针 sp：用来指示堆栈的起始地址。80c51 单片机的堆栈位于片内 ram 中，而且属于“上长型”堆栈，复位后 sp 被初始化为 07h，使得堆栈实际 上由 08h 单元开始。 指令译码器：当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码， cpu 根据译码器输出的电平信号使定时控制电路产生执行该指令所需要的各种 控制信号。 数据指针寄存器 drtr：它是一个 16 位寄存器，由高位字节 dph 和低位 字节 dpl 组成，用来存放 16 位数据存储器的地址，以便对片外 64kb 的数据 ram 区进行读写操作。片内 ram 有 256 个字节，其中 00h7fh 地址空间是 直接寻址区，该区域内从 00h1fh 地址为工作寄存器区，安排了 4 组工作寄 存器，每组都为 r0r7，在某一时刻，cpu 只能使用其中任意一组工作寄存 器，由程序状态字 psw 中 rs0 和 rs1 的状态决定。 （2）存储器组织 8051 单片机在物理上有三个存储空间：片内数据存储器 ram 、片外数据 存储器 ram 、程序存储器 rom 。 程序存储器 rom 地址空间为 64kb，片外数据存储器 ram 也有 64kb 的 寻址区，在地址上是与 rom 重迭的。8051 单片机通过不同信号来选通 rom 或 ram。当从外部 rom 中取指令时，采用选通信号 psen，而从外部 ram 中读写数据时则采用读 rd 和写 wr 信号或来选通，因此不会因地址重迭而发 生混乱。 片内 ram 的 20h2fh 地址单元为位寻址区，其中每个字节的每一位都 课程设计说明书课程设计说明书 第 5 页 规定了位地址。每个地址单元除了可进行字节操作之外，还可进行位操作。 片内 ram 的 80hffh 地址空间是特殊功能寄存器 sfr 区，对于 51 子 系列在该区域内安排了 21 个特殊功能寄存器，对于 52 子系列则在该区域内安 排了 26 个特殊功能寄器，同时扩展了 128 个字节的间接寻址片内 ram，地址 也为 80ffh，与 sfr 区地址重迭。 8051 的存储器组成结构如图 3 所示。 图 3 8051 的存储器组成结构 （3）管脚说明 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口（p0.0p0.7）：该端口为漏极开路的 8 位准双向口，它为外部低 8 位地址线和 8 位数据线复用端口驱动能力为 8 个 lsttl 负载。 p1 口（p1.0p1.7）：它是一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 i/o 口，p1 口的驱动能力为 4 个 lsttl 负载。 p2 口（p2.0p2.7）：它为一个内部带上拉电阻的 8 位准双向 i/o 口，p2 口的驱动能力也为 4 个 lsttl 负载。在访问外部程序存储器时，作为高 8 位地 址线。 p3 口（p3.0p3.7）：为内部带上拉电阻的 8 位准双向 i/o 口，p3 口除了 作为一般的 i/o 口使用之外，每个引脚都具有第二功能。 p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下所示： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） 课程设计说明书课程设计说明书 第 6 页 p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（计时器 0 外部输入） p3.5 t1（计时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 时钟电路引脚 xtal1 和 xtal2： xtal1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器 的输入，若使用外部 ttl 时钟时，该引脚必须接地。 xtal2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大 器的输出，若使用外部 ttl 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 地址锁存允许 ale： 系统扩展时，ale 用于控制地址锁存器锁存 p0 口输出的低 8 位地址，从 而实现数据与低位地址的复用。 外部程序存储器读选通信号 psen： psen 是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入端 ea /vpp： 当 ea 为高电平时，cpu 执行片内程序存储器指令，但当 pc 中的值超过 0fffh 时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当 ea 为低电平时，cpu 只 执行片外程序存储器指令。 复位信号 rst： 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成 复位操作。 2.2 74ls154 芯片介绍 1、74ls154 功能简介 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，74ls154 还 可作 1 线-16 线数据分配器。图 4 是芯片 74ls154 管脚。 课程设计说明书课程设计说明书 第 7 页 图 4 芯片 74ls154 管脚图 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、真值表 表 3 74ls154 真值表 2.3 74ls373 芯片介绍 373 为三态输出的八 d 透明锁存器，共有 54/74s373 和 54/74ls373 两种线 路结构型式。373 为三态输出的 8d 透明锁存器，373 的输出端 o0-o7 可直接与 总线相连。当三态允许控制端 oe 为低电平时，o0-o7 为正常逻辑状态，可用 来驱动负载和总线。当 oe 为高电平时，o0-o7 呈高阻态，即不驱动总线，也 课程设计说明书课程设计说明书 第 8 页 不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端 le 为高 电平时，o 随数据 d 而变。当 le 为低电平时，o 被锁存在已建立的数据电平 中。当 le 端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mv。其管脚图如图 5。 图 5 74ls373 管脚图 1、373 引出端符号 d0d7数据输入端 oe三态允许控制端（低电平有效） le锁存允许端 o0o7输出端 2、74ls373 真值表 表 4 373 真值表 3 硬件设计 复位信号 rst 高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可 以完成复位操作。 复位的实现通常用 2 种方式：开机上电复位和外部手动复位，本设计用的 是外部手动复位。电路图 6 如下： 课程设计说明书课程设计说明书 第 9 页 图 6 单片机复位图 图 7 单片机最小应用系统原理图 注：该最小系统由按键复位 reset 电路、晶体振荡电路以及 i/o 接口电路 组成。 at89c51 工作电压 vcc=5v，其 ea 引脚需接高电平，5v 电源电路如图 8 所示。 图 8 单片机电源原理图 注：该电源电路主要模块为 ic7805，它能输出稳定的 5v 电压，图中整流 桥是将市电转变为直流电，电容起到滤波作用，由 7805 的 out 引脚输出 5v 电压。 课程设计说明书课程设计说明书 第 10 页 最后，单片机硬件设计总电路图就并联多个 8*8 的 led 组成 16*16 的点阵， 则一个扫描信号同时要驱动两行的 led。如下图 9 所示。这时候就需要靠锁存 器（74ls373）将这两组显示信号锁住，此处的锁存器是以低态输出的。当 74ls373 得 g 脚为高态时，数据可以从输入端传输到锁存器中；g 脚为低态时， 数据被锁住，不会随输入端而变。另外 oc 脚为输出控制引脚，当 oc 脚为高 态时，输出呈现高阻抗；oc 脚为低态时，数据会由锁存器输出。 在这个电路中驱动的扫描信号总共有 16 条，如果直接由 8051 输出，将占 用 2 个 port 口，浪费资源不太理想，在此使用的是一个 4 对 16 位译码器 （74ls154） ，这个译码器是将输入的 16 进位码输出低态的扫描信号。输出的 低态扫描信号可直接接到 pnp 晶体管的基极，如果太大的话也可以先经过限流 电阻在接到 pnp 晶体管的基极，信号最后经过晶体管的放大后即可推动 16 个 led 点阵了。 图 9 总电路图 4 软件设计 4.1 单片机延时子程序 延时子程序在单片机编程中使用非常广泛，也很重要。程序设计是单片机 开发最重要的工作，而程序在执行过程中常常需要完成延时功能。在本设计中， 课程设计说明书课程设计说明书 第 11 页 行向的扫描要控制每行的扫描时间，还有所有的字移动有一定的时间间隔，而 在所有的字移动一遍结束的一瞬间到下一遍移动开始的一瞬间要有延时，这时 的延时可以和移动的时间相同以保持移动的连贯性，也可以不同作为每次开始 的停顿。 1、机器周期和指令周期 （1）机器周期是指单片机完成一个基本操作所花费的时间，一般要用微秒 来计量单片机的运行速度，51 单片机的一个机器周期包括 12 个时钟振荡周期， 也就是说 51 单片机采用 12mhz 晶振，那么执行一个机器周期就只需要 1 微秒； 如果采用的是 6mhz 的晶振，那么执行一个机器周期就只需要 2 微秒。 （2）指令周期是指单片机执行一条指令所需要的时间，一般利用单片机的 机器周期来计量指令周期。 在 51 单片机里有单周期指令（执行这条指令只需一个机器周期） ，双周期 指令（执行这条指令只需要两个机器周期） ，四周期指令（执行这条指令需要四 个机器周期） 。除了乘、除两条指令是四周期指令，其余均为单周期或双周期指 令。也就是说，如果 51 单片机采用的是 12mhz 晶振，那么它执行一条指令一 般只需 12 微秒的时间；如果采用的是 6mhz 晶振，那么它执行一条指令一般 只需 24 微秒的时间。 振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期的关系是： 振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。 时钟周期：振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，为振荡周期的 2 倍。 机器周期：完成一个基本操作所需的时间，通常为 12 个振荡周期。 指令周期：指 cpu 执行一条指令所需要的时间，一个指令周期通常含有 14 个机器周期。 2、延时指令 在单片机编程里面并没有真正的延时指令，从上面的概念中我们知道单片 机每执行一条指令都需要一定的时间，所以要达到延时的效果，只须让单片机 不断地执行没有具体实际意义的指令，从而达到了延时的效果。 （1）数据传送指令 mov 课程设计说明书课程设计说明书 第 12 页 数据传送指令功能是将数据从一个地方复制、拷贝到另一个地方。 如：mov r7，80h：将数据 80h 送到寄存器 r7，就单这条指令而言并没 有任何实际意义，而执行该指令则需要一个机器周期。 （2）空操作指令 nop 空操作指令功能只是让单片机执行没有意义的操作，消耗一个机器周期。 （3）循环转移指令 djnz 循环转移指令功能是将第一个数进行减 1 并判断是否为 0，不为 0 则转移 到指定地点；为 0 则往下执行。除了可以给定地址标号让其跳转外，还可以将 地址符号改成为，这样程序就跳回本指令执行。 4.2 程序流程图 图 10 程序流程图 4.3 程序代码 org 0000h clr f0 start: mov a,#00h 课程设计说明书课程设计说明书 第 13 页 mov p2，a mov r3，,200 d1: mov r5，#250 f1: djnz r5，f1 djnz r3，d1 move: mov 20h,#00 mov r4,00h ;74ls154 扫描指针初值为 00 m1: mov r1，#65 m2: mov r6，#16 mov r0,20h m3: mov a,r4 jb f0，organgn clr p0.2 setb p0.3 mov p1，a sjmp m4 organge:mov p3，a clr p0.3 m4: mov a,r0 mov dptr,#table movc a,a+dptr setb p1.0 clr p0.0 mov p2，a inc r0 mov a,r0 mov dptr,#table movc a,a+dptr setb p0.0 课程设计说明书课程设计说明书 第 14 页 clr p0.1 mov p2，a inc r0 mov r3，,50 djnz r3，$ mov a,#00h mov p2，a inc r4 djnz r6，m3 mov r4，#00 djnz r1，m2 mov a,20h add a,#02 mov 20h,a xrl a,#128 jnz m1 cpl f0 sjmp start table: db 001h,000h,001h,000h,03fh,0f8h,001h,000h,0ffh,0feh,000h,000h,01fh,0f0 h,010h,010h db 01