16×16点阵毕业论文

北华航天工业学院北华航天工业学院 毕业设计毕业设计 论文论文 任务书任务书 理工类理工类 学生姓名 专 业 电子信息工程 班 级 学 号 指导教师 褚越强 职 称 助教 完成时间 2013 年 6 月 20 日 毕业设计 论文 题目 16X16 点阵 LED 显示屏 纵向课题 理论研究 教师科研 课 题横向课题 应用研究 教师自拟课题 应用设计 题目来源 学生自拟课题 题目类型 其 他 注 请直 接在所属 项目括号 内打 总体设计要求及技术要点 基本设计要求 基本设计要求 使用 Altium Designer 设计 PCB 板 并且能将 4 块 8X8 点阵拼接到一起 并且板子可以多块 拼接 较高设计要求 较高设计要求 使用单片机控制所设计的显示屏分别显示 北华航天工业学院 几个字 工作环境及技术条件 PCB 设计软件使用 Altium Designer 单片机程序设计使用 Keil C51 编程语言使用 C 语言 工作内容及最终成果 用 Altium Designer 设计 PCB 板 能够由 4 块 8X8 点阵拼接成一块 16X16 点阵列 并且每块 16X16 点阵列可以实现拼接 最后通过单片机编程来驱动显示屏显示所需的 汉字 以此来验证设计的正确性 时间进度安排 第七学期第六周 根据学生选择情况 完成双向选择 下达毕业设计任务书 第七学期六 十五周 教师指导学生查阅文献 撰写开题报告 准备外文译文 文献综述 第七学期第十六周 论证学生的开题报告 确定能否开始毕业设计 第八学期一 十五周 学生进行毕业设计 完成毕业设计所有文档 答辩委员会验收 第八学期第十六周 毕业设计答辩 评定成绩 评选优秀毕业设计 论文 汇总上报 第八学期第十七周 系 教研室进行毕业设计总结 汇总上报教务处 第八学期第十八周 毕业设计资料整理归档 指导教师签字 年 月 日 教研室主任意见 教研室主任签字 年 月 日 北华航天工业学院 本科生毕业设计 论文 原创性及知识产权声明 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 16 16 点阵 LED 显示屏 是本人在指导教师的指导下 独立进行研究工作取得的成果 除文中已经注明引用的内 容外 本设计 论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果 对本 设计 论文 的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 因本毕 业设计 论文 引起的法律结果完全由本人承担 本毕业设计 论文 成果归北华航天工业学院所有 本人遵循北华航天工业学院有 关毕业设计 论文 的相关规定 提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 本人同 意北华航天工业学院有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以营利为目的 的前提下 可以公布非涉密毕业设计 论文 的部分或全部内容 特此声明 毕业设计 论文 作者 指导教师 褚越强 年 月 日 年 月 日 北华航天工业学院毕业论文 I 摘 要 电子显示屏的应用范围越来越广泛 它作为一个重要的宣传平台 已经受到全社会 的普遍认可 本课题以单片机为控制核心 阐述了 16 16 点阵 LED 显示屏的设计原理与 思路 详细叙述了系统硬件的具体实现过程 通过 8 8 LED 电子显示屏及相关的外围电 路 设计制作了一个 16 16 点阵 LED 电子显示屏 要求单个 16 16 系统模块可以单独显 示一个汉字 两个 16 16 模块级联可以显示两个不同汉字 经实践证明 该系统显示误差小 性能稳定 结构合理 扩展能力强 关键词关键词 8 8 点阵 LED 显示屏 单片机 PCB 北华航天工业学院毕业论文 II Abstract Electronic display more extensive range of applications it serves as an important advocacy platform has been widely recognized by the whole society The topics to microcontroller core elaborated 16 16 dot matrix LED display design principles and ideas a detailed description of the system hardware specific implementation process through the 8 8 LED electronic display and related peripheral circuits design a 16 16 dot matrix LED display requiring a single 16 16 system modules can be displayed one character two 16 16 module cascade can display two different characters The practice proved that the system displays error is small stable performance reasonable structure expansion capability Key words 8 8 dot matrix LED display SCM PCB 北华航天工业学院毕业论文 III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及国内外研究概况 1 1 2 研究目的和意义 2 1 3 论文研究内容与结构安排 2 第 2 章 系统方案论证与选择 3 2 1 单片机最小系统 3 2 1 1 AT89C51 芯片简介 3 2 1 2 单片机系统外围电路 6 2 2 硬件系统 7 第 3 章 系统硬件电路设计与实现 8 3 1 点阵模块 8 3 1 1 点阵的介绍 8 3 1 2 LED 汉字显示方式 9 3 2 驱动模块 10 3 1 1 串并转换器 74HC595 芯片简介 10 3 1 3 列驱动电路 14 3 3 PCB 板 14 3 3 1 原理图库 15 3 3 3 封装库 16 3 4 PCB 板成品 17 第 4 章 系统软件设计 18 第 5 章 系统调试及结果分析 19 5 1 系统硬件调试 19 5 2 结论 21 第 6 章 结束语 22 致 谢 23 参考文献 24 附 录 25 北华航天工业学院毕业论文 IV 附录 1 25 附录 2 26 附录 3 27 北华航天工业学院毕业论文 1 16 16 点阵 LED 显示屏 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及国内外研究概况 随着显示器件与技术的进一步发展 屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用 LED 显示屏是信息显示的重要传媒之一 LED 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单 元组成的显示屏幕 伴随着计算机技术的发展 使得 LED 数码管能够在减少驱动器的情 况下能够直接被驱动 而且它具有可靠性高 使用寿命长 性能价格比高 使用成本低 环境适应能力强等特点 所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色 并且在今后相当 长的一段时期内还有相当大的发展空间 所以被广泛应用于金融市场 医院 体育场馆 机场 码头 车站 高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传 LED 显示屏是八十年 代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体 显示屏由几万到几十万个半导体发光 二极管像素点均匀排列组成 利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点 目前应 用最广的是红色 绿色 黄色 而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用阶段 LED 显示屏可以显示变化的数字 文字 图形和图像 不仅可以用于室内环境还可以用于室 外环境 具有投影仪 电视墙 液晶显示屏无法比拟的优点 近几年来我国 LED 显示的相关技术也取得了较快和较大的发展 早期时曾因 LED 材料器件的限制 LED 显示屏的应用领域没有广泛展开 另一方面 显示屏控制技术基 本上是通信控制方式 客观上影响了显示效果 所以导致早期的 LED 显示屏在国内很少 产品以红 绿双基色为主 控制方式为通信控制 灰度等级为单点四级调灰 产品的成 本比较高 后来 LED 显示屏迅速发展 进入九十年代 全球信息产业高速增长 信息技 术各个领域不断突破 LED 显示屏在 LED 材料和控制技术方面也不断出现新的成果 蓝色 LED 镜片研制成功 全彩色 LED 显示屏进入市场 电子计算机及微电子领域的技术 发展 在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术 显示屏的动态显示效果大大提高 这个阶段 LED 显示屏在我国发展迅速 LED 显示屏产业成为新兴的高科技产业 今天 LED 显示屏应用领域更为广阔 目前正朝着更高亮度 更高耐气候性 更高的发光密度 更高的发光均匀性 可靠性 全色化方向发展 在短短的十来年中 LED 点阵显示屏就 以亮度高 工作电压低 功耗小 小型化 寿命长 耐冲击和性能稳定的优点迅速成长 为平板显示的主流产品 在信息显示领域得到了广泛的应用 LED 的发展前景极为广阔 目前正朝着更高亮度 更高耐气候性 更高的发光密度 更高的发光均匀性 可靠性 全色化方向发展 LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域 主要包括 1 证券 北华航天工业学院毕业论文 2 交易 金融信息显示 2 机场航班动态信息显示 3 港口 车站旅客引导信息显示 4 体育场馆信息显示 5 道路交通信息显示 6 调度指挥中心信息显示 7 邮 政 电信 商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示 8 广告媒体新产品等 1 2 研究目的和意义 本课题深刻阐述了 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法 通过研究能够提升对我 国 LED 显示屏这个行业的了解和认识 目前我国的信息行业发展迅速 作为主要平面显 示媒介的 LED 显示屏的作用也越练越广泛 相关的从业人员也会越来越紧缺 但同时应 该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距 因此 此课题对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义 1 2 1 3 论文研究内容与结构安排 本课题研究的内容如下 单片机控制模块 采用 89C51 或其他系列单片机作为控制核心 其它相关的外围 电路构成本系统的模块 显示模块 显示稳定的文字信息 可以级联显示 驱动模块 采用 74HC595 作为点阵 LED 显示屏的行列驱动器 对点阵行列进行 驱动 根据上述的研究内容 论文的结构安排如下 第二章主要阐述系统方案的选择与论证 根据系统要实现的主要功能 把整个系统 分为单片机最小系统 硬件系统 软件系统 同时分别对各个模块进行功能阐述与验证 第三章主要阐述系统硬件电路设计与实现 主要阐述了硬件电路的设计 并对各单 元电路中主要元件的结构概念 引脚功能等以及其特点进行介绍和说明 第四章主要阐述的是系统软件设计 主要是对主程序的结构图和时间的流程图说明 第五章阐述的是系统调试及结果分析 主要是对硬件和软件测试中遇到的问题和解 决方法详细阐述 并对设计过程中的主要注意事项进行说明 第六章是结束语 主要阐述在设计过程中的一些心得体会 北华航天工业学院毕业论文 3 第 2 章 系统方案论证与选择 2 1 单片机最小系统 2 1 1 AT89C51 芯片简介 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的 8 位 Flash ROM 单片机 其最突出的优点是片 内 ROM 为 Flash ROM 可擦写 1000 次以上 应用并不复杂的通用 ROM 写入器就能方 便的擦写 读取也很方便 价格低廉 具有在片程序 ROM 二级保密系统 因此可灵活 应用于各种控制领域 AT89C51 包含以下一些功能部件 1 一个 8 位 CPU 2 一个片内振荡器和时钟电路 3 4KB Flash ROM 4 128B 内 RAM 5 可寻址 64KB 的外 ROM 和外 RAM 控制电路 6 两个 16 位定时 计数器 7 21 个特殊功能寄存器 8 4 个 8 位并行 I O 口 9 一个可编程全双工串行口 10 5 个中断源 可设置成 2 个优先级 AT89C51 单片机一般采用双列直插 DIP 封装 共 40 个引脚 图 3 3 为其引脚排列 图 40 个引脚大致可分为 4 类 电源 时钟 控制各 I O 引脚 一 电源 Vcc 芯片电源 接 5V GND 接地端 二 时钟 XTAL1 XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端 北华航天工业学院毕业论文 4 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST VPD 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL 2 18 XTAL 1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 AT89C51 图 2 1 AT89C51 引脚图 三 控制线 控制线共有 4 根 其中 3 根是复用线 所谓复用线是指具有两种功能 正常使用时 是一种功能 在某种条件下是另一种功能 1 ALE 地址锁存允许 片内 EPROM 编程脉冲 PROG 1 ALE 功能 用来锁存 P0 口送出的低八位地址 AT89C51 在并行扩展外存储器时 P0 口用于分时传送低 8 位地址和数据信号 且 均为二进制数 当 ALE 信号有效时 P0 口传送的是低 8 位地址信号 ALE 信号无效时 P0 口传送的是低 8 位地址信号 在 ALE 信号的下降沿 锁定 P0 口传送的内容 即低 8 位地址信号 需要指出的是 当 CPU 不执行访问外 RAM 指令 ALE 以时钟振荡频率 1 6 的固定 频率输出 因此 ALE 信号也可作为外部芯片 CLK 时钟或其他需要 但是 当 CPU 执行 MOVX 指令时 ALE 将跳过一个 ALE 脉冲 2 功能 片内 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚输入编程脉 PROG 冲 2 外 ROM 读选通信号 PSEN 89C51 读外 ROM 时 每个机器周期内两次有效输出 可作为外 ROM PSENPSEN 芯片输出允许的选通信号 在读内 ROM 或读外 RAM 时 无效 OEPSEN 3 RST VPD 复位 备用电源 1 正常工作时 RST 端为复位信号输入端 只要在该引脚上连续保持两个机器 周期以上高电平 AT89C51 芯片即实现复位操作 复位后一切从头开始 CPU 从 0000H 北华航天工业学院毕业论文 5 开始执行指令 2 VPD 功能 在 VCC 掉电情况下 该引脚可接上备用电源 由 VPD 向片内 RAM 供电 以保持片内 RAM 中的数据不丢失 4 VPP 内外 ROM 选择 片内 EPROM 编程电源 EA 1 功能 正常工作时 为内外 ROM 选择端 AT89C51 单片机 ROM 寻址 EAEA 范围为 64KB 其中 4KB 在片内 60KB 在片外 当保持高电平时 先访问内 EA ROM 但当 PC 值超过 4KB 时 将自动转向执行外 ROM 中的程序 当保持低电平 EA 时 则只访问外 ROM 不管芯片内有否内 ROM 2 VPP 功能 片内有 EPROM 的芯片 在 EPROM 编程期间 此引脚用于施加编 程电源 四 I O 引脚 AT89C51 有 P0 P1 P2 P3 4 个 8 位并行 I O 端口 共 32 个引脚 P0 口是一组 8 位漏级开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用 时 每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 时 又可作高阻抗 输入端用 在访问外部程序和数据存储器时 它是分时多路转换的地址 低 8 位 数据 总线 在访问期间激活了内部的上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 端口接收指令字节 而 在验证程序时 则输出指令字节 验证时 要求外接上拉电阻 P1 口是带内部上拉电阻的双向 I O 口 向 P1 口写入 1 时 P1 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部信号拉低的 P1 口会因为内部上拉而输出一个电 流 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P2 口是带内部上拉电阻的双向 I O 口 向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉而输出电流 在访 问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 当使用 8 位寻址方式 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口发送 P2 特殊功能寄存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程和程序校验时 P2 也接收高位地址和一些控制信号 P3 口是带内部上拉电阻的双向 I O 口 向 P3 口写入 1 时 P3 口被内部上拉为高电平 可用作输入口 当作为输入脚时被外部拉低的 P3 口会因为内部上拉而输出电流 P3 口 除了作为一般的 I O 口线外 更重要的是它的第二功能 3 4 如表 2 1 所示 北华航天工业学院毕业论文 6 GND C4 33pF C5 33pF VCC Y1 12MH z R2 8 2 k GND VCCP1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST VPD 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U1 AT89C51 C6 10u A B C D G1 GND TXD SCK RXD SI SCLR RCK 表 2 1 P3 各端口第二功能 2 1 2 单片机系统外围电路 单片机系统外围电路形式如图 3 4 所示 单片机振荡器反相放大器的输入端 XTAL1 和输出端 XTAL2 之间接上 12MHz 或更高频率的晶振 以获得较高的刷 新频率 使显示更稳定 电容 C4 C5 是晶振的负载电容 主要起频率微调和稳定的作 用 单片机的串行口工作在方式 0 下 作为同步移位寄存器使用 端口 RXD P3 0 作 为数据移位的输入 输出端 而由 TXD P3 1 端输出移位时钟脉冲 移位数据的发送和 接收均以 8 位为一帧 不设起始位和停止位 无论输入 输出 均低位在前高位在后 89C51 的通用 I O 口 P1 作为显示数据和二进制行号的公用输出口 两种数据的输出在时 间上是错开的 P1 口的低 4 位与行驱动器相连 送出二进制的行选信号 P1 5 P1 7 口 则用来发送控制信号 P0 和 P2 口空着 在有必要的时候可以扩展系统的 ROM 和 RAM 5 6 端口引脚第二功能 P3 0 RXD串行口输入端 P3 1 TXD串行口输出端 P3 2 0INT 外部中断 0 请求输入端 P3 3 1INT 外部中断 1 请求输入端 P3 4 T0定时 计数器 0 外部信号输入端 P3 5 T1定时 计数器 1 外部信号输入端 P3 6 WR外 RAM 写选通信号输出端 P3 7 RD外 RAM 读选通信号输出端 北华航天工业学院毕业论文 7 图 2 2 单片机系统外围电路 2 2 硬件系统 由于 LED 显示屏的特性及作用 大多数的 LED 显示屏都是放在户外的 所以对硬 件的质量要求非常的高 也为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方 法 硬件的设计采用模块化设计 既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容 图 2 3 系统硬件组成框图 如图 2 4 所示 根据本课题的功能特点可确定系统硬件由显示屏部分 控制部分 驱动电路三部分组成 单片机发出正确信号 通过驱动电路将信号传送给点阵屏 是点 阵屏显示汉字图样 7 AT89S51 16 16 点阵点阵 LED 驱动电路驱动电路 晶振电路晶振电路 电源电路电源电路 复位电路复位电路 驱动电路驱动电路 北华航天工业学院毕业论文 8 第 3 章 系统硬件电路设计与实现 3 1 点阵模块 3 1 1 点阵的介绍 LED 显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的 要构成大屏幕的 LED 显示屏 就需要多个发光二极管 构成 LED 屏幕的方法有两种 一是由单个的发光二极管逐点连 接起来 二是选用一些由单个发光二极管构成的 LED 点阵子模块构成大的 LED 点阵模 块 目前市场上普遍采用的点阵模块有 8 8 16 16 几种 这两种屏幕构成方法各有有 缺点 单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一 个二极管即可 检修的成本较低 缺点在于连接线路复杂 而点阵模块构成的方法却正 好与之相反 模块构成省约了大量的连线 不过当一个 LED 出现问题时同在一个模块的 所有 LED 都必须被更换 这就加大了维修的成本 两种方法相比较 决定采取模块构成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏 为了避免 模块的缺点 选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险 所以构建一个 16 16 的 LED 点阵屏选用四块 8 8 点阵模块 LED 显示屏是将发光二极管按行按列布置的 驱动时也就按行按列驱动 在扫描驱 动方式下可以按行扫描按列控制 当然也可以按列扫描按行控制 LED 显示屏现多采用 多块 8 8 点阵显示单元拼接而成 4 个模块组成 16 16 点阵 以满足汉字显示的要求 8 8 LED 点阵是最基本的点阵显示模块 理解了 8 8 LED 点阵的工作原理就可以基本掌 握 LED 点阵显示技术 8 8 点阵 LED 实物如下图所示 其等效电路结构如图 3 1 所示 图 3 1 1 9mm 8 8 点阵实物图 北华航天工业学院毕业论文 9 图 3 2 1 9mm 8 8 点阵等效电路结构图 从图 3 2 可以看出 8 8 点阵共需要 64 个发光二极管组成 且每个发光二极管是放 置在行线和列线的交叉点上 要实现显示图形或字体 只需考虑其显示方式 通过编程 控制各显示点对应 LED 阳极和阴极端的电平 就可以有效的控制各显示点的亮灭 当采 用按行扫描按列控制的驱动方式时 LED 显示屏 8 行的同名列共用一套列驱动器 行驱 动器一行的行线连接到电源的一端 列驱动器一列的列线连接到电源的另一端 应用时 还应在各条行线或列线上接上限流电阻 扫描中控制电路将行线的 1 到 8 轮流接通高电 位 使连接到各该行的全部 LED 器件接通正电源 但具体那一个 LED 导通 还要看它 的负电源是否接通 这就是列控制的任务了 当对应的某一列置 0 电平 则相应的二极 管就亮 反之则不亮 例如 如果想使屏幕左上角 LED 点亮 左下角 LED 熄灭的话 在扫描到第一行时 第一列的电位就应该为低 而扫描到第八行时第一列的电位就应该 为高 这样行线上只管一行一行的轮流导通 列线上进行通断控制 实现了行扫描列控 制的驱动方式 3 1 2 LED 汉字显示方式 LED 驱动显示采用动态扫描方法 动态扫描方式是逐行轮流点亮 这样扫描驱动电 路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器 以 16 16 点阵为例 把所有同一行的发 光管的阳极连在一起 把所有同一列的发光管的阴极连在一起 共阳的接法 先送出对 北华航天工业学院毕业论文 10 应第 1 行发光管亮灭的数据并锁存 然后选通第 1 行使其燃亮一定的时间 然后熄灭 再送出第 2 行的数据并锁存 然后选通第 2 行使其燃亮相同的时间 然后熄灭 第 16 行之后 又重新燃亮第 1 行 反复轮回 当这样轮回的速度足够快 每秒 24 次以上 由于人眼的视觉暂留现象 就能看到显示屏上稳定的图形 该方法能驱动较多的 LED 控制方式较灵活 而且节省单片机的资源 显示数据传输采用串行传输的方法 控制电路可以只用一根信号线 将列数据一位 一位传往列驱动器 在硬件方面无疑是十分经济的 但串行传输过程较长 数据按顺序 一位一位地输出给列驱动器 只有当一行的各列数据都已传输到位之后 这一行的各列 才能并行地进行显示 对于串行传输方式来说 列数据准备时间可能相当长 在行扫描 周期确定的情况下 留给行显示的时间就太少了 以致影响到 LED 的亮度 采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾 可以采用重叠处理的方法 即在显示本行各列数据的同时 传送下一行的列数据 为了达到重叠处理的目的 列数 据的显示就需要有锁存功能 对于列数据准备来说 它应能实现串入并出的移位功能 这样 本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时 串行移位寄存器就可以准备下 一行的列数据 而不会影响本行的显示 8 3 2 驱动模块 本课题的设计是点阵的行列都用 74HC595 来驱动显示 51 系列单片机端口低电平时 吸入 电流可达 20 具有一定的驱动能力 而为高电平时 输出电流仅数十微安甚至更小 电流实际上是由脚的上拉电流形成的 基本上没有驱动能力 所以单片机不能直接驱 动 LED 显示屏显示 在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位为目的的驱动电路 3 1 1 串并转换器 74HC595 芯片简介 概述 74HC595 是一款漏极开路输出的 CMOS 以为寄存器 输出端口为可控的三态输出端 亦能串行输出控制下一级级联芯片 特点 高速移位时钟频率 Fmax 25MHz 标准串行 SPI 接口 CMOS 串行输出 可用于多个设备的级联 北华航天工业学院毕业论文 11 低功耗 Ta 25 度时 Icc 4uA MAX 管脚图 图 3 3 74HC595 管脚图 管脚说明 表 3 1 74HC595 管脚说明 管脚编号管脚名说明 1 2 3 4 5 6 7 15 QA QH三态输出管脚 8GND电源地 9SQH串行数据输出管脚 10SCLR移位寄存器清零端 11SCK数据输入时钟线 12RCK输出存储器锁存时钟线 13OE输出使能 14SI数据线 北华航天工业学院毕业论文 12 16VCC电源端 74HC595 的真值表 表 3 2 74HC595 真值表 输入管脚 SISCKSCLRRCKOE 输出管脚 HQA QH 输出高阻 LQA QH 输出有效值 L 移位寄存器清零 L上沿H 移位寄存器存储 L H上沿H 移位器存期存储 H 下沿H 移位寄存器状态保持 上沿 输出存储器锁存移位寄存器中的状态值 下沿 输出存储器状态保持 北华航天工业学院毕业论文 13 图 3 4 74HC595 时序图 如图所示 74HC595 是硅结构的 CMOS 器件 兼容低电压 TTL 电路 遵守 JEDEC 标准 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一个存储器 三态输出功能 移位寄存器和存 储器是分别的时钟 数据在 SCHcp 的上升沿输入 在 STcp 的上升沿进入的存储寄存器 中去 如果两个时钟连在一起 则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲 移位寄存 器有一个串行移位输入 Ds 和一个串行输出 Q7 和一个异步的低电平复位 存储 寄存器有一个并行 8 位的 具备三态的总线输出 当使能 OE 时 为低电平 存储寄存 器的数据输出到总线 3 1 23 1 2 行驱动电路行驱动电路 本课题中 两个 74HC595 的级联作为 16 16 点阵屏的行驱动电路 即第一个点阵的 9 管脚 串行数据输出管脚的输出作为第二个点阵的 14 管脚 数据线的输入 这样既可 将两个 74HC595 级联起来 上面两个点阵作为第一行 下面两个点阵作为第二行 第一 行与第二行均用级联的两个 74HC595 来驱动即可 北华航天工业学院毕业论文 14 图 3 5 点阵行驱动电路 3 1 3 列驱动电路 图 3 6 点阵列驱动电路 左面两个点阵作为第一列 右面两个点阵作为第二列 第一列与第二列均用级联的 两个 74HC595 来驱动 两个 74HC595 的级联作为 16 16 点阵屏的列驱动电路 即第一 个点阵的 9 管脚 串行数据输出管脚的输出作为第二个点阵的 14 管脚 数据线的输入 这样既可将两个 74HC595 级联起来 3 3 PCB 板 根据已有的论述 使用 Altium Designer 画出本课题使用的 PCB 板 结果如下图所示 北华航天工业学院毕业论文 15 图 3 7 Altium Designer 环境下的 PCB 板 3 3 1 原理图库 使用 Altium Designer 软件绘制此原理图时 在常用的原理图库中没有 74HC595 和 点阵 因此需要自己绘制原理图器件 如下图所示 图 3 8 Altium Designer 环境下 SCH Library 74HC595 LED1588A 北华航天工业学院毕业论文 16 图 3 9 元器件图 使用 Altium Designer 绘制原理图库时 本课题原理图库中有两个器件 左边的一个 是 74HC595 右边的是点阵 LED1588A 3 3 3 封装库 将没有封装的器件绘制封装 图 3 10 Altium Designer 环境下的 PCB Library 北华航天工业学院毕业论文 17 图 3 11 元器件封装图 使用 Altium Designer 绘制封装库时 本课题的封装库中有两个器件的封装 左边的 一个是 74HC595 的封装 右边的一个是 LED1588A 的封装 3 4 PCB 板成品 图 3 14 打样的 PCB 成品 北华航天工业学院毕业论文 18 第 4 章 系统软件设计 硬件系统完成以后 要设计软件系统 要设计一个相应的程序来测试硬件是否设计 合理 是否符合本课题的要求 因此将主程序的流程图示于图 4 1 中 图 4 1 主程序流程图 程序开始时首先必须对单片机进行初始化 其中初始化的内容包括 中断优先级的 设定 中断初始化 串行通信时通信方式的选择和波特率的设定 各 I O 口功能的设定 等 初始化完成后程序进入待机状态等待中断的发生 该程序中主要用到了两个外部中 断源和串行中断 外部中断源由按键的电平变化触发 外部中断主要功能是选择 LED 点 阵显示屏的控制方式是由按键控制还是上位机控制和显示状态是静态显示还是动态显示 串行中断包括发送中断和接收中断都是由软件触发 中断产生后由预先初始化时设定跳 转执行中断子程序 中断程序设定了 LED 点阵显示屏所要显示的内容和显示的方式 最 后执行的是各种显示程序 按照设定的方式和内容显示出所需要的内容 10 12 系统初始化 从显示数组读取数 据到显示寄存器 读取显示控制命 令选择显示方式 调用相应显示程序 RI 1 起始位 接收显示数据及控制命令 将显示数据移入显示数组将控制 命令赋值给控制字符 N N Y Y 开始 中断开始 中 断 返 回 北华航天工业学院毕业论文 19 第 5 章 系统调试及结果分析 一个点阵模块经过总体设计 完成了硬件和软件设计开发 元器件安装后 在系统 的程序存储器中写入编制好的应用程序 系统即可运行 但编制好的程序或焊接好的线 路有时不能按预计的那样正常工作 有时会出现一些硬件 软件上的错误 这就需要通 过调试来发现错误并加以改正 调试可分为硬件调试和软件调试 硬件制作和软件编写过后 得出实物 实物完成后必须对其进行调试 检查设计功 能是否实现 软件硬件完成后开始进行调试 5 1 系统硬件调试 单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的 许多硬件故障在软件调试时才 能发现 但通常要先排除系统中明显的硬件故障 调试工作可以分为四步 一 目测检查 根据硬件逻辑设计图 仔细检查样机线路是否连接正确 并核对元器件的型号 规 格和安装是否符合要求 必要时可用万用表检测线路通断情况 二 电源调试 样机的第一次通电测试很重要 若样机中存在电源故障 则加电后将造成器件损坏 调试的方法有两种 一种是断开样机稳压电源的输出端检查空载时电源工作情况 另一 种是拔下样机上的主要集成芯片 检查电源的负载能力 用假负载 确保电源无故障并 性能符合设计要求 三 通电检查 在确保电源良好前提下 接通电源 最好在电源与其余电路之间串接一个电流表 若接通后电流很大 必须立即切断电源 电源大得超出正常范围 说明电路中有短路或 故障 通电检查的主要目的是看系统是否存在短路或由元器件损坏 装配错误引起的电 流异常 四 检查相应芯片的逻辑关系 加电后检查各芯片插座上相关引脚的电位 仔细测量相应的输入输出电平是否正常 单片机系统大都是数字逻辑电路 使用电平检查法可首先查出逻辑设计是否正确 选用 器件和连接关系是否符合要求等 13 15 下面结合以上原则说说本课题的调试过程 本课题是 16 16 点阵 LED 显示屏 硬件 的焊接和调试时本课题的重中之重 当然软件的调试也是必不可少的 软件也硬件都调 试成功后系统才可以正常运行 取已经打样的 PCB 焊接第一一个模块 但是焊接好以后加载单片机并且通电以后不 显示字 屏幕或者全亮 或者全全灭 有时屏幕不停的闪烁 完全没有规律 用万用表 北华航天工业学院毕业论文 20 测试 74HC595 的每一个管脚都正常 单个点阵的每个点也都亮 并无损毁 经过一步一 步的排查 原因是共阴共阳点阵弄错了 换取正确的点阵 再次重新焊接 至此正常显 示一个 蓝 字 实物照片如图 5 1 所示 图 5 1 一个模块的显示 接着进行第二个点阵的焊接 焊接好第二个点阵模块后加载单片机并且通电以后能 显示 蓝 字 但是 蓝 字显示的有问题 其中有一行下移 还有两个点右移 实物 如图 5 2 所示 图 5 2 不能正确显示的模块 这并不是正确的 蓝 字 经过仔细检查 点阵的共阴共阳是正确的 整个电路板 又重新焊接了 用万用表经过测试 74HC595 的每个管脚都正常 相邻管脚没有短路现象 同一个管脚也没有虚焊现象 显示依然不正常 经查阅资料得知 74HC595 芯片是 CMOS 的芯片 特别容易受外界的影响 用手指一划就会使点阵屏闪烁不停 在 74HC595 的 VCC 与 GND 之间加了一个 100uP 的电解电容 如图 5 3 所示 北华航天工业学院毕业论文 21 图 5 3 经过电容滤波的模块 显示结果是下移的那行可以正常显示 但是右移的那两个点依然不可以正常显示 经过断电复位又上电后发现 74HC595 有发热现象 芯片已经被烧毁 再次取新打样的 PCB 板 重新焊接了一个模块 由于注意到了前面的问题 这次焊接特别小心 为了减 小外界对 74HC595 的影响 在每个管脚正常使用的情况下尽量使焊接点大而饱满 经过 这次调试 第二个模块也可以正常显示 蓝 字了 5 2 结论 根据实践证明 这个方案设计的 16 16 点阵 LED 图文显示屏 结构合理 成本较低 且较容易扩展成更大的显示屏 显示屏各点亮度均匀 充足 显示文字稳定 清晰无串 扰 单个模块可以显示单独的汉字 两个模块的级联可以显示两个不同的汉字 13 14 显 示结果如图 5 4 所示 北华航天工业学院毕业论文 22 图 5 4 两个模块的级联显示 第 6 章 结束语 以上仅对 LED 显示屏的结构和驱动 显示电路原理作一详细介绍和分析 LED 点 阵的应用很广 对于不同的应用环境和应用要求 可以有各种各样的应用方式 在这里 就不做详尽叙述 由于自己知识水平的局限和时间的仓促 设计中或还存在着一些不足 我真诚的接受老师们的批评和指正 经过了几周的努力学习和工作 圆满的完成了本课题 从课题选择 方案论证到具 体设计 每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战 我不断地给自己提出新的问题 然 后去论证 推翻 不懂就请教老师或同学 再接着提出新的问题 在这个往复的过程中 我这篇稚嫩的设计日趋完善 每一次改进我都收获良多 虽然我的设计作品不是很成熟 而且借鉴了前人的很多资料 但我仍然心里有一种莫大的幸福感 因为我实实在在地走 过了一个完整的设计所应该走的每一个过程 并且享受了每一个过程 更重要的是这个 设计中我加入了自己鲜活的思想 在做这次毕业设计过程中使我学到了很多 加深了对数子电路的理解 验证了所学 理论知识 提高了基本的解决实际问题的能力 并增加了对电子设计方面的兴趣 更重 要的是我体会到不论做什么事都要真真正正用心去做 才会使自己更好的成长 没有学 习就不可能有实践的能力 实践才是最终的目的 没有实践就不会有自己的突破和创新 希望这次的经历能让我在以后的工作和生活中不断成长与进步 北华航天工业学院毕业论文 23 致 谢 在论文即将完成之际 我的心情不是抵达终点的欣喜 虽然这里面有我的辛勤付出 但是 由于经验的匮乏 难免有许多考虑不周全的地方 在课题设计的整个过程 以及 毕业论文的写作 修改和定稿过程中 得到了老师和同学们的热心帮助 这次能够圆满完成毕业设计我首先要感谢我的指导老师褚越强老师 感谢他在毕业 设计期间对我的指导 勉励和督导 同时我要感谢大学四年里教过我课程的老师们 感 谢他们对我知识增长所付出的辛勤劳动 感谢北华航天工业学院四年来对我的辛苦培育 为我提供了良好的学习环境 让我在大学这四年里学到很多的东西 让我争取到学习的 机会 感谢领导 老师们四年来对我无微不至的关怀和指导 还要感谢班里同学和所有 朋友们 感谢你们在我遇到困难的时候给我的支持和鼓励 最后 感谢各位老师在百忙 之中抽出时间来评阅我的论文 谢谢你们 北华航天工业学院毕业论文 24 参考文献 1 关积珍 LED 显示屏发展状况及趋势 J 世界电子元器件 2000 02 2 张凯 LED 介绍完全手册 M 北京 航空航天大学出版社 2000 3 吴金戊 沈庆阳 郭庭吉 8051 单片机实践与应用 M 北京 清华大学出版社 2004 4 李朝青 单片机原理及接口技术 第 3 版 M 北京 北京航空航天大学出版社 2005 5 张毅刚 MCS 51 单片机原理及应用 M 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 2004 06 6 李光飞 楼然苗 胡佳文 谢象佐 单片机课程设计实例指导 M 北京 北京航 空大学出版社 2004 7 张洪润 刘秀英 张亚凡 单片机应用设计 200 例 上册 下册 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2006 08 8 诸昌铃 LED 显示屏系统原理及工程技术 M 成都 电子科技大学出版社 2000 9 周志敏 周纪海 纪爱华 LED 驱动电路设计实例 M 北京 电子工业出版社 2008 10 谭浩强 C 语言程序设计 第三版 北京 清华大学出版社 11 童长飞 C8051F 系列单片机开发与 C 语言编程 M 北京 北京航空航天大学出版 社 2005 02 12 陆应华 电子系统设计教程 M 北京 国防工业出版社 2005 02 13 M D Lutovac and D M Rabrenovic Exact determination of the natural modes of some cauer filters by means of standard analytical proceduer IEE Proc Circuits Devices Syst 1996 134 138 14 D M Rabrenovic and M D Lutovac Elliptic filters with minimal Q factors Electronics Letters 1994 206 207 15 C Quint ns M J Moure and M D Vald s A new attenuation circuit for voltage signal conditioning in electronic measurement instrumentation J Measurement Volume 39 Issue 5 June 2006 Pages 393 406 北华航天工业学院毕业论文 25 附附 录录 附录 1 Altium Designer 环境下的原理图 北华航天工业学院毕业论文 26 附录 2 Altium Designer 环境下的 PCB 板 北华航天工业学院毕业论文 27 附录 3 主函数的源程序 include Main h 用 PCtoLCD2002 完美版取字符 阳码 逐行 顺向 uint8 code HanZi1 32 0 xF7 0 xDF 0 xF7 0 xDF 0 x00 0 x01 0 xF7 0 xDF 0 xFB 0 x7F 0 xDB 0 x7F 0 xDB 0 x03 0 x DB 0 x5F 0 xDA 0 xEF 0 xFF 0 xFF 0 xC0 0 x07 0 xDB 0 xB7 0 xDB 0 xB7 0 xDB 0 xB7 0 x00 0 x01 0 xFF 0 xFF 蓝 0 uint8 code HanZi2 32 0 xF7 0 xFF 0 xF7 0 xFF 0 xE0 0 x1F 0 xDF 0 xDF 0 xBF 0 xBF 0 x40 0 x07 0 xDE 0 xF7 0 xDE 0 xF7 0 xDE 0 xF7 0 xC0 0 x07 0 xDF 0 xFF 0 xDF 0 xFD 0 xDF 0 xFD 0 xDF 0 xFD 0 xE0 0 x01 0 xFF 0 xFF 色 0 uint8 code HanZi2 32 0 xEF 0 xFF 0 xEF 0 xFF 0 x07 0 xF8 0 xFB 0 xFB 0 xFD 0 xFD 0 x02 0 xE0 0 x7B 0 xEF 0 x 7B 0 xEF 0 x7B 0 xEF 0 x03 0 xE0 0 xFB 0 xFF 0 xFB 0 xBF 0 xFB 0 xBF 0 xFB 0 xBF 0 x07 0 x80 0 x FF 0 xFF 色 0 北华航天工业学院毕业论文 28 函数名称