电子技术综合设计--16X16LED汉字点阵系统设计(8051单片机)

1、 电子技术综合设计总结报告姓 名： 专业 与班级： 设计题目：16*16 LED汉字点阵系统设计 起始时间： 2013 2014 学年第（1）学期 第14 周第 19 周指导教师： 成 绩： 日 期： 一、系统的基本理论概述n 1.1前言当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为现代信息显示的重要媒体，在金融证券、体育、机场、交通、商业、广告宣传、邮电电信、指挥调度、国防军事等许多领域中得到了广泛应用。因此点阵式显示器件的研制、生产也的到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。由于LED电子显示屏具有所显内容信息量大,外形美观大方,操作使用方便灵活.适用于火车,汽车站,

2、码头,金融证券市场,文化中心,信息中心体育设施等公共场所。该项目广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术、单片机技术、数据通讯技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动等技术。n 1.2课题设计内容该电路系统是采用AT89C51单片机为控制器，控制点阵LED显示器进行显示，左移显示“百年矿大盛世华章”的内容。 n 1.3设计目的1使学生更深入地理解和掌握该课程中的有关基本概念，程序设计思想和方法。2培养学生勇于探索、严谨推理、实事求是、有错必改，用实践来检验理论，全方位考虑问题等科学技术人员应具有的素质。3提高学生对工作认真负责、一丝不苟，对同学团结友爱，协作攻关的基本素质。4培养学生从

3、资料文献、科学实验中获得知识的能力。5. 对学生掌握知识的深度、运用理论去处理问题的能力、实验能力、课程设计能力、书面及口头表达能力进行考核。n 1.4方案比较与选择：对于扫描LED点阵的方法有以下三种：（1）点扫描； （2） 行扫描；（3）列扫描。对于8*8的LED点阵而言：若使用第一种方式，其扫描频率必须大于1664=1024Hz，周期小于1ms即可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于168=128Hz，周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。所以，为了确保此次试验的可观性更好，即每个显示的LED灯足够

4、亮，我放弃选择第一种点扫描，而是采用第三种方法即列扫面方法。n 1.5 电路设计本电路采用以8051单片机为核心芯片的电路来实现，主要由8051芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路(74HC154)、1616 LED点阵5部分组成，如图所示。二、 系统总体方案及硬件设计n 2.1 硬件电路各元件介绍： 2.1.1核心芯片AT89C51单片机的说明（1）主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低

5、功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 图1：AT89C51 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内

6、部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻

7、的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器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。 RST：复位输入。当

8、振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由

9、外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振

10、荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（4）芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM

11、的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.1.2 LED8*8显示屏(4个组成16*16点阵)LED显示模块：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 环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED 的抗震性能好。 当其处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2.1.3 4线16 线译码器 74LS154 功能简介: 54/74154 为 4 线16 线译码器，

12、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。74LS154管脚图：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)2.1.4复位和时钟电路： 复位电路：复位电路如下图7所示。我们采用上电+按钮复位的方式。当开关打开时，RST通过电阻接地，当有开关闭合时由于电容的作用使电源VCC通过电阻施加在单片机复位端RST上，实现单片机复位。电容为20uF,电阻为分别为20

13、0欧和1k欧。图7：复位电路图8：时钟电路时钟电路：时钟电路如下图8所示。我们采用外接时钟源，由两个电容串联之后并联一晶振组成，接入单片机的XTAL1和XTAL2端。晶振振荡频率为12MHZ，两电容约为20pF,注意电容接地处。n 22汉字的点阵显示原理 汉字扫描显示的基本过程是这样的：通电后由于电阻R1，电容C1的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C2，C3，X1以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机89C51按照设定的程序在P0和P2接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行选线(高电平驱动)，同时在P1.1，P1.2，P1.3，P1.4接口输出列选扫

14、描信号(低电平驱动)，从而选中相应的象素LCD发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。汉字的点阵显示原理及字库代码获取方法：每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个象素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256象素范围内的任何图形。如查用8位的AT89C51单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分，如图所示。为了弄清楚汉字的点阵组成规律，首先通过列扫描方法获取汉字的代码。汉字可拆分为上部和下部，上部由816点阵组成，下部也由816点阵组成。本例通过

15、列扫描方法首先显示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00P07口，方向为P00到P07，显示汉字“大”时，P05点亮，由上往下排列，为：P0.0灭，P0.1灭，P0.2灭P0.3灭，P0.4灭，P0.5亮，P0.6灭，P0.7灭。即二进制00000100，转换为十六进制为04h。上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，即从P27向P20方向扫描，从图3可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，十六进制则为00h。依照这个方法转向第二列、第三列，直至第十六列的扫描，一共扫描32个8位，可以得出汉字“大”的扫描代码为：0x04,0x00,0

16、x04,0x02,0x04,0x02,0x04,0x04, 0x04,0x08,0x04,0x30,0x05,0xC0,0xFE,0x00,0x05,0x80,0x04,0x60,0x04,0x10,0x04,0x08,0x04,0x04,0x0C,0x06,0x04,0x04,0x00,0x00,由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出他的扫描代码从而显示在屏幕上。上述方法虽然能够让我们弄清楚汉字点阵代码的获取过程，但是依靠人工方法获取汉字代码是一件非常繁琐的事情。经过上网搜索。我发现一些软件可以简单实现此功能。通过软件获得的“百年矿大 盛世华章”的字模如下百,

17、0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,0x47,0xFF, 0x44,0x42,0x4C,0x42,0x54,0x42,0x64,0x42, 0x44,0x42,0x44,0x42,0x44,0x42,0x4F,0xFF, 0x44,0x00,0xC0,0x00,0x40,0x00,0x00,0x00,矿, 0x20,0x40,0x20,0x80,0x27,0xFC,0x39,0x08, 0x21,0x09,0x63,0xFA,0x21,0x04,0x1F,0xF8, 0x10,0x00,0x90,0x00,0x70,0x00,0x10,0x00, 0x10,0x00,0

18、x30,0x00,0x10,0x00,0x00,0x00,大, 0x04,0x00,0x04,0x02,0x04,0x02,0x04,0x04, 0x04,0x08,0x04,0x30,0x05,0xC0,0xFE,0x00, 0x05,0x80,0x04,0x60,0x04,0x10,0x04,0x08, 0x04,0x04,0x0C,0x06,0x04,0x04,0x00,0x00,盛, 0x00,0x22,0x00,0xC2,0x3F,0x02,0x24,0x1E, 0x24,0x92,0x24,0x52,0x27,0x9E,0x20,0x12, 0xFC,0x5E,0x23,0x52,

19、0xA0,0x92,0x63,0x5E, 0x2C,0x22,0x20,0x26,0x00,0xE2,0x00,0x00,世, 0x04,0x00,0x04,0x00,0x04,0x00,0x7F,0xFE, 0x04,0x02,0x04,0x02,0x04,0x02,0xFF,0xF2, 0x04,0x22,0x04,0x22,0x04,0x22,0xFF,0xF2, 0x04,0x06,0x0C,0x02,0x04,0x00,0x00,0x00,华, 0x00,0x20,0x02,0x20,0x04,0x20,0x08,0x20, 0x3F,0xA0,0xC0,0x20,0x02,0x20

20、,0x04,0xFF, 0x08,0x20,0xFF,0x20,0x10,0xA0,0x20,0xA0, 0x60,0xA0,0x03,0xA0,0x00,0x20,0x00,0x00,章, 0x08,0x08,0x08,0x08,0x48,0x08,0x4B,0xE8, 0x6A,0xA8,0x5A,0xA8,0x4A,0xA8,0xCA,0xBF, 0x4A,0xA8,0x5A,0xA8,0x6A,0xA8,0x4F,0xE8, 0x4A,0x08,0x18,0x18,0x08,0x08,0x00,0x00,n 2.3软件应用1.keilC51Keil C51是美国Keil Softwar

21、e公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。本次实验我们采用keilC51编写C程序，然后编译运行并生成用来烧写进单片机的HEX文件。HEX文件可导入Proteus仿真中的单片机调试，同时也用来烧录进电路板中的单片机。2. ProtuesProtues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及

22、外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持

23、IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。n 2.4硬件应用元器件的准备：AT89S521 1个74LS154 1个电阻R9 100欧姆 1个电阻R10 1k欧姆 1个12M 晶振 1个电解电容 20uF 1个电容 20pF2个4.7k欧姆排电阻 1个LED8*8点阵 4个按键开关1个导线，焊丝，排线若干元器件焊接焊接准备 焊接开始前必须清理工作台面，准备好焊料、焊剂和镊子等必备的工具。更重要的是要准备好电烙铁。“准备好电烙铁”不仅是要选好一只功率合适的电烙铁，而且是说要调整好电烙铁的工作温度。不可让温度过高，否则烙铁头就会被烧死。所谓烧死，是指烙铁头前端工作面上的镀锡层在过高的温度下被氧化掉

24、，表面形成一层黑色的氧化铜壳层。此时的烙铁头既不传热也不再吃锡，如果勉强压在焊锡上，过了很长时间后焊锡才会突然熔化，滚向一边，决不与烙铁头亲和。烙铁头一旦烧死就必须锉掉表层重新上锡，这对于长寿烙铁头来说就是致命的损失了。必须注意调节电烙铁的工作温度，使其大约维持在300C左右。实际操作的准则是：在不至于烧死烙铁头的前提下尽量调高一些。一定要让烙铁头尖端的工作部位永远保持银白色的吃锡的状态。 焊接过程 元器件引出脚的上锡 即将元器件引出脚及焊片、焊盘等被焊物分别地预先用烙铁搪上一层焊锡。这样可以基本保证不出现虚焊。在焊接操作中，一定要养成将元器件预先上锡的良好习惯。对于那些表面氧化、有污渍的引脚

25、和有绝缘漆的线头，上锡前还必须进行表面的清洁处理，手工焊接时一般采用刮削的办法处理。刮削时必须注意做到全面、均匀。尤其是处理那些小直径线头时，不能在刮削的起始部位留下伤痕。较粗的引出脚可以压在粗糙的工作台板的边缘上边转边刮，细线头则应该夹在刀片和手指之间进行。 焊接的操作手法 手工焊接有两种基本手法：一种是用实芯焊锡条时的手法，一种是使用松香焊锡丝作焊料时的手法。学会了怎么样用烙铁来运载、调节焊料，体会到怎样使焊剂在焊接过程中发挥它的作用，才能真正做好焊接。 焊接的质量检验 检验焊接质量有多种方法，比较先进的方法是用仪器进行。而在通常条件下，则采用观察外观和用烙铁重焊的方法来检验。 a）外观观

26、察检验法 一个焊点的焊接质量最主要的是要看它是否为虚焊，其次才是外观。 个良好的焊点其表面应该光洁、明亮，不得有拉尖、起皱、鼓气泡、夹渣、出现麻点等现象；其焊料到被焊金属的过渡处应呈现圆滑流畅的浸润状凹曲面。 用观察法检查焊点质量时最好使用一只35倍的放大镜，在放大镜下可以很清楚地观察到焊点表面焊锡与被焊物相接处的细节，而这里正是判断焊点质量的关键所在，焊料在冷却前是否曾经浸润金属表面，在放大镜下就会一目了然。 b)带松香重焊检验法 检验一个焊点虚实真假最可靠的方法就是重新焊一下：用满带松香焊剂、缺少焊锡的烙铁重新熔融焊点，从旁边或下方撤走烙铁，若有虚焊，其焊锡一定都会被强大的表面张力收走，使

27、虚焊处暴露无余。 带松香重焊是最可靠的检验方法，同时多用此法还可以积累经验，提高用观察法检查焊点 的准确性。 c)其他焊接缺陷 除了虚焊以外还有些焊接缺陷也要注意避免，(k)为引线的绝缘层剥得过长，使导线有与其他焊点相碰的危险；(j)为多股线头没有焊妥，有个别线芯逃逸在外；(l)为焊接时温度太高、时间太长，使基板材料炭化、鼓泡，焊盘已经与板基剥离，元器件失去固定，与焊盘联接的电路将被撕断。 锡焊元器件的无损拆卸 在电子产品的研制、生产和维修中有很多时候需要将已经焊好的元器件无损伤的拆下来，其方法有逐点脱焊法、堆锡脱焊法、吸锡法和吹锡法。但种种拆焊法都必须遵循两条原则：一是拆下来的元器件必须安然

28、无恙，二是元器件拆走以后的印制电路板必须完好无损。n 2.5软件的调试和烧入软件系统的调试为了保证制作的成功机率，我们在制作电路板的初级阶段,我们利用Keil和Proteus的联调，将所生成的程序文件导入Proteus单片机，运行后，显示结果达到设计要求。硬件系统的调试电路系统接上电源之后，对各个电路用万用表进行全面检查，首先检查单片机的电源供电情况，测量第二十和十脚之间的电压，供电正常。再检查显示部分的电源供电情况，LED显示器两端的电压也是正常的。综合调试结果硬件调试显示结果不正常，无规律亮灯，不显示汉字。原因：由于焊接问题导致线路错误。三、实验小结本LED显示屏控制系统已能实现LED显示

29、的基本功能,并且体现出了相对于传统的基于8位/16位普通单片机的显示系统的优越性,如上设计所述,但由于本组成员水平和设计时间有限,离一个完全实用的,能够完全符合市场需求的LED显示系统还有一定的差距.因此,在以后的研制过程中,还需要在以下几个方面做大量的工作: (1)扮在系统抗干扰方面,不论是硬件部分还是软件部分,都还必须在工作现场根据实际情况进行大量的实验,调试工作,才能最终实现LED显示系统的可靠工作。(2)在增强图文屏显示效果上,可使用双色屏或多色屏,双色(或多色)屏所使用的LED点阵单元,在同一点阵位置上安装了两个(或多个)不同颜色的LED发光灯,对不同颜色的显示控制方面进行进一步的设

30、计,以满足显示更加丰富多彩的图形和文字。四、收获体会在这次课程设计的整个过程中，我们做了一次全面、较规范的设计练习，全面地温习了以前所学过的知识，用理论联系实际并结合单片机原理课程和解决实际问题，巩固、加深和扩展了有关单片机设计方面的知识。尤其重要的是让我们养成了科学的习惯，在设计过程中一定要注意掌握设计进度，按预定计划完成阶段性的目标，在底图设计阶段，注意设计计算与结构设计画图交替进行，采用正确的设计方法。在整个设计过程中注意对设计资料和计算数据的保存和积累，保持记录的完整性。在课程设计的实践中进行了设计基本技能的训练，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算

31、、数据处理等方面的能力。通过对通用89C51单片机机处理器铁电存储器芯片、常用元器件的设计，掌握了一般单片机设计的程序和方法，让我们对整个单片机程序的设计，C51语言有了一个比较深的理解。还有就是增强了自身的动手能力。在这次课程设计中，程序设计和单片机部件焊接，同时将元器件正确焊接到基板上，这些都是将以前书本上讲的或是没有讲的，通过一次课程设计具体的实施，使自己的动手能力和独立设计能力真正得到锻炼，对于以后我们的发展与学习来说，都可以看作一笔不小的财富，前面还有很多需要我们去尝试。同时不能忽略的是，这一次课程设计是以小组为单位的。在这次课程设计中，我和自己的小组成员学会了密切分工配合。而这样的

32、合作能力和团队精神在今后的学习工作中是很重要的。C程序代码及附加说明：#include /字形码*按列取模char code table= 0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,0x47,0xFF, /百 0x44,0x42,0x4C,0x42,0x54,0x42,0x64,0x42, 0x44,0x42,0x44,0x42,0x44,0x42,0x4F,0xFF, 0x44,0x00,0xC0,0x00,0x40,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x20,0x04,0x20,0x08,0x20,0x33,0xE0, /年 0xE2,0x20,0x22,0x20

33、,0x22,0x20,0x3F,0xFF, 0x22,0x20,0x22,0x20,0x22,0x20,0x26,0x20, 0x62,0x20,0x20,0x60,0x00,0x20,0x00,0x00, 0x20,0x40,0x20,0x80,0x27,0xFC,0x39,0x08, /矿 0x21,0x09,0x63,0xFA,0x21,0x04,0x1F,0xF8, 0x10,0x00,0x90,0x00,0x70,0x00,0x10,0x00, 0x10,0x00,0x30,0x00,0x10,0x00,0x00,0x00, 0x04,0x00,0x04,0x02,0x04,0x02,0x04,0x04, /大 0x04,0x08,0x04,0x30,0x05,0xC0,0xFE,0x00, 0x05,0x80,0x04,0x60,0x04