基于单片机控制的LED点阵显示屏设计.doc

基于单片机控制的LED 点阵显示屏设计第1章 绪论LED 点阵电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统，随着计算机及相关的微电子光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择，在短短的十年中迅速成长为平板显示的主流产品。由于LED 电子显示方式图文并茂等特点，因此被广泛地应用于军事、车站、宾馆、机场、邮局、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。第2章系统总体方案设计本文设计的 LED 点阵显示系统主要实现的功能是中文汉字的逐个左移显示，实时的时间显示和温度测量。系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分在设计上采用了单片机最小化设计原理，系统处理器选用的是ATMEL 公司的8 位高性能单片机AT89C51，显示器选用的是88LED 点阵，可以实现简单的汉字和符号的显示。另本系统还配备了先进的总线型数字温度传感器DS18B20,它只要一个端口就可以完成数据的读出和命令的写入，并且不需要对温度进行标定，具有操作简单、工作可靠的特点。采用由Proteus 软件完成仿真。软件部分的基本设计思路是主程序加功能子程序，再加判断程序组成。其中主程序作为整个软件流程的指挥协调程序有序运行，功能程序采用了模块化的设计思想，将系统的所有功能分开封装为模块，作为子程序调用。这样不仅代码简单，条理清楚，而且易于读写和修改。采用Keil uVision3完成软件的编译和调试，使得代码执行效率高，可移植性好.第3章 系统设计方法3.1整体设计思路除单片机AT89S52tn外，显示屏控制器的硬件电路部分由两个部分组成：外部数据存储器的扩展、串行通信接口。控制器的组成框图如图1所示，采用AT89S52作为中央控制器，完成与PC机的通信，实现对显示屏显示数据的控制。数据存储器使用一片FLASH存储器W29EE011。W29EE011容量较大，可以用于存储汉字的点阵库控制器与计算机的连接根据通信距离的远近选用RS-232标准总线接口通过 AT89C51 CPU 控制系统的其他几个模块，从而实现系统功能。控制系统中DS1302芯片采集实时时钟信息，DS18B20 芯片采集实时温度信息，LED 点阵显示屏显示文字字符。中央控制器读取时钟信息，并能通过按键调整当前时间。系统的模块图可以用图1 的方框图做个简单的说明。32数据存储器的扩展W29EE011有17条地址线(A0A16)，最高一位(A16)由P17作为地址送出，低八位(A0A7)由舶口作为地址送出，通过74LS373锁存器进行锁存。A8A15由P2口作为地址送出W29EE011与单片机的接口电路如图2电路原理图所示33串行通信系统上位机下位机是通过串行通信接口联系本系统为了实现单片机与PC机的串行通信功能，将单片机的串行接口的电平转换成RS-232C电平标准【2】其中计算机的RS232口输出的电压为12V考虑到单片机与PC机的通信距离不远，而且单片机部分只负责接收命令和数据，因此选择计算机与单片机直接相连的最简单接法，计算机TXD端发出的信号传送到通信电路后转化为电流信号，当有信号送进来时就会有电流流经光耦合器中的红外发光二极管，二极管发出光信号投射到光敏三极管，再转换成电信号输到单片机的RXD端，实现了以光为媒介的电一光一电信号转换传输，并在电气上是完全隔离的，避免了输出端对输入端可能产生的反馈和干扰其原理如图2所示34点阵显示屏点阵显示屏由12个88点阵LED显示模块、行信号选择译码器74LSl38、数据移位寄存器74HC595、行驱动器TIPl27组成。12片8x8点阵LED显示模块组成一个4816的LED点阵，用于同时显示3个16x16点阵汉字【3】、字符或数字。单元显示屏可以接收来自PC机传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息不经任何变化地显示出来。一个程序周期里74LSl38共扫描两行，通过一个TIPl27来驱动，即一次有两行的信号被选中；然后经过74HC595的移位传送，将要显示的数据都送到显示缓冲区单元里，打开行选通信号，点阵屏即可正常显示信息3.5系统设计的总体功能本次设计的 LED 点阵显示系统其显示和动态效果的实现主要依靠硬件扫描驱动，主要实现的功能是显示时间, 使汉字从左到右逐个滚动显示,实时测量温度，并能够通过按键来实现时间,日期的设置等功能。第4章 系统硬件设计整个软件设计分为两大功能块：显示部分和通信部分。显示部分采用动态扫描的方式4，实现对显示屏要显示的汉字、字符等数据信息进行传输控制以及显示等功能与PC机的实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收数据信息，实现与计算机的实时数据信息传输。通信部分的上位机软件采用Visual Basic编程，使用VB在标准串口通信方面提供的具有强大功能的通信控件MSCOMM，该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置，直接利用PC机的RS232RS-485串口发送数据为实现单片机与PC机的可靠通信，须保证双方具有相同的数据格式和波特率【2)，本设计采用RS-232通信，一帧lO位的数据格式，9600bits的波特率上下位机之间的通信协议为：前两帧数据为字数的字节数，接下来每通信128个字节的数据就延时20ms的时间，保证数据都能写进片外数据存储器，直到数据都传送完为止4.1.1主程序设计主程序主要完成IO 121和一些变量的初始化，定时器To定时初始值的设置，串行通信工作方式和波特率的设置，滚动显示、取数据模块，数据移位传送模块、行扫描模块的调用主程序流程图见图3所示4.1.2滚动显示模块滚动显示主要是实现显示信息的换屏，一屏显示三个字，两秒后换一屏，直到所有信息都显示完毕后，接着从头开始显示换屏主要是根据PC机传送来的字节数，通过改变指针来实现的滚动显示流程图见图4所示4.1.3取数据模块由于数据都是存储在片外数据存储器里，所以要先从片外取数存放到显示缓冲区里，然后再移位传送并扫描显示数据存放的顺序是从上到下，即先从左到右存放点阵屏上面的六个显示缓冲区单元STAl0STAl5，接着存放下面六个显示缓冲区单元STA20STA25取数据流程图见图5所示4.1.4数据移位传送模块点阵屏的列驱动器74HC595为串入并出的移位寄存器，故显示单元的数据需从低位到高位一位一位传送进74HC595里，然后才能驱动点阵屏4.1.5行扫描模块16x16的点阵屏若逐行扫描，时间可能会超出人眼反应时间，故行扫描采用一个程序周期扫描两行，即第一行和第八行同时扫描的方案，这样可减少时间，保证了点阵屏的正常扫描显示4.1.6串行通信模块串行通信程序主要是实现与PC机的通信，当通信接收中断标志位RI被硬件置1时，中断开始，有数据从PC机传送到单片机，单片机软件清RI并接收数据，将数据暂存到片内高128字节的RAM里，当存满后，再将数据写进片外数据存储器W29EE011里。延时一段时间后，继续接收从PC机发送过来的数据，重复之前的工作，直到所有数据接收完毕为止。中断跳出串行中断程序流程图见图6所示。4.1.7AT89C51 芯片AT89C51 芯片内部有ROM，且片内ROM 全部采用Flash,ROM，它能于3 伏的电压工作，与MCS-51 系列单片机完全兼容。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容，可适用于众多的控制领域。4.1.8 DS1302 时钟芯片DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。4.1.9数据移位寄存器具有积寄存数据功能的逻辑电路称为寄存器，它是一种典型的时序逻辑电路，常常用来进行读出、写入操作数或中间结果。寄存器由触发器组成，一个触发器只能存放一位二进制数，因此如果要存放 N 位二进制数，就得使用 N 个触发器相连。如果前一级触发器的输出与后一级的输入相连，并且各个触发器都受同一个时钟脉冲的控制，那么寄存器中的二进制信息就能够进行移动，这就是移位寄存器。4.1.10 LED 点阵LED 二极管 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于 1960 年。LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的 缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧 7 树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯片的作用，该电路的显示采用逐行扫描方式。工作时，由单片机取出第一行需要显示的内容经延时一段时间后再进行下一行点阵数据的显示。需要注意的是每次只能选通一行数据，即需要通过不断的 逐行扫描来实现汉字或字符的显示。4.1.11温度传感器 DS18B20LED 点阵显示系统采用的温度传感器是美国 DALLAS 公司生产的总线型数字温度传感器 DS18B20。它具有耐磨碰，体积小，使用方便，封装形式多样, 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。温度测量范围为-55 +125，可编程为 9 位12 位 A/D 转换精度, 被测温度串行输出. CPU 只需一根端口线就能与 DS18B208 通信，适用于大多数温度测量和控制场合。4.2LED 点阵显示系统模块LED 显示屏控制时采用动态扫描实现显示。实现汉字从左到右移动，就是将后一列的字节移到前一列。采用扫描方式时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器若要显示一帧画面，先送出第一行的数据，然后选通并点亮第一行，延时;此后送出第二行的数据，同样选通、点亮并延时;依次将所有行扫描完，即给出了一帧的画面。第五章 系统软件设计系统的开发软件采用 Keil uVision3，开发语言 C 语言，系统软件编程的基本思想是将系统的每个功能封装为模块，同时分配好每个模块的入口地址以便主程序调用。5.1 主程序流程图程序主要由初始化主程序组成。其中主程序如图 3 所示。系统的详细软件设计过程参考下面几节内容。5.2 主程序工作工程系统开始工作后，CPU 发出初始化 LED 命令，接着 CPU 发出初始化 DS1302 的命令，然后从 DS1302 中读取时间信息并显示读取到的数据，接着系统会判定启动按钮 S2 有没有按下，若是，则系统会更新显示的数据，由其它按键来调整；若无，系统会一直显示当前的时间，但延时一段时间后显示屏会动态显示时间和温度，然后再进入当前时间模式。5.3 LED 点阵显示程序流程图个 16*16 共阳极 LED 点阵是由 4 个 8*8 点阵构成，显示程序流程图如图 4 所示。点阵显示的工作过程： 汉字在显示屏上按从左到右的顺序一个个出现。首先将 LED 显示屏对应的显示缓冲区全部清零，即 LED 显示空白，然后每隔一个软定时器设定的动态显示时间，显示缓冲区依次加入一个汉字点阵数据并进行行扫描，这样就可以达到动态的效果。5.4 LED 点阵显示程序流程图图 5 所示 DS1302 的实时时间流程，其工作原理可参考第三章第一节。根据此流程框图，不难采集实时时间。这里将通过 DS1302 工作的整个流程图和部分程序的说明来详细介绍DS1302 模块的软件设计在本系统中是如何实现的。5.5 DS18B20 实时温度显示模块本文设计的 LED 点阵显示系统温度测量要求可达到 0.1，另外温度显示采用 88LED点阵显示屏显示。本文在设计温度传感器部分由于只挂接了一个 DS18B20，故直接与单片机的 P0.7 端口通信，同时在编程时发送相应命令跳过 ROM 匹配，直接读取温度值。第六章 结论点阵LED显示屏系统采用上位机下位机的结构搭建，上位机为PC机，通过串行通信接口与下位机显示系统进行通信，能够实现所要显示的字符串的修改、显示方式的设定、时间的设置等功能；下位机系统由单片机控制LED点阵显示屏的显示。汉字显示采用16x16点阵模式，并能够实现屏幕显示内容的实时更改：并具有显示当前的时间与日期的功能。所设计的系统具各显示稳定、功耗低、寿命长、显示内容易改、显示方式丰富等优点。另外成本较低，电路与控制方案简洁明了，容易实现，具有应用推广价值本文设计的 LED 点阵显示系统实现了包括时间、温度等众多功能，可以作为信息显示装置。硬件方面具有实用性强、可靠性及抗干扰能力强等特点，并且易于安装，使用方便，造价低廉，很适在公共场所用来进行信息显示。整个显示系统设计完成后达到了预期的效果，系统字符显示稳定、清晰、无闪烁。但由于本人专业知识有限，在整个设计过程中或多或少还存在很多缺陷，在将来的优化中还有待完善。 参考文献 (References) 1郇玉龙.单片机试验教学仿真系统的设计与开发J.山东师范大学,2007,20(6):45-47 2陈涛.单片机应用及 C51 程序设计M.北京:机械工业出版社,2008,1 3李志安.LED 显示屏控制系统及驱动程序的研究与设计D.吉林大学,2005 4林志奇,郎建军,李会杰,佟大鹏.基于 Proteus 的单片机可视化软硬件仿真M.北京航空航天大学出版社,2006 5何立民.单片机高级教程M.北京:北京航空航天大学出版社,2001 6汪清明.LED 点阵显示牌的设计与动态显示控制J.微计算机信息,2001,12(6):12-16 7王宏民.LED 点阵显示屏驱动方案J.黑龙江电子技术,1999,04(19):20-25 8付浩.AT89C51 单片机高速串行输出口设计J.单片机与嵌入式系统应用,2001,6(12):5-12 9成同福,王锦川.LED 点阵式城市客车电子显示路牌的功能与使用D.城市车辆,2003 10贾东耀,汪仁煌.LED 显示屏动态显示和远程监控的实现D.国外电子元器件,2002 11徐治义,尹玉富.用单片机控制实现日历时间的 LED 点阵小屏幕显示J.电子世界,2001,10(7):12-18 12姚林发.LED 显示屏微型计算机接口电路J.自然科学版,1998,15(4):13-19 13Yao Jia, Zeng Zhi-gang, etc. LED intelligent instrument design matrix display module D.Electrical Measurement and Instrumentation, 2002 14Li-ying. 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CPU 只需一根端口线就能与DS18B208 通信，适用于大多数温度测量和控制场合。3.2 LED 点阵显示系统模块LED 显示屏控制时采用动态扫描实现显示。实现汉字从左到右移动，就是将后一列的字节移到前一列。采用扫描方式时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器若要显示一帧画面，先送出第一行的数据，然后选通并点亮第一行，延时;此后送出第二行的数据，同样选通、点亮并延时;依次将所有行扫描完，即给出了一帧的画面。4 系统软件设计系统的开发软件采用Kei