16x16LED点阵屏设计

1、2009级电子信息工程单片机原理课程设计报告书设计题目LED点阵屏的设计制作姓 名学 号学院工程技术学院专 业电子信息工程班 级指导教师2012年5月3日一、题目和要求1、设计题目单片机控制LED数码点阵显示屏的设计2、设计要求1、通过对AT89S5S2单片机的编程，实现单片机控制LED数码点阵屏模块从右到左滚动显示“内江师范学院”；2、写出详细设计报告；3、给出全部电路和源程序；指导教师签名：2012年 月 日二、指导教师评语指导教师签名：2012年 月 日二、成绩验收盖章2012年 月 日一、弓I 言.1.1设计意义1.2、系统功能要求 1.二、方案设计21总体设计2.图 12.2、设计论

2、证2.三、硬件设计5.1、单片机系统及其管脚 5.2、16x16点阵的级联实现63、点阵驱动部分 8.4、电源部分1.0四、 软件设计111、 显示驱动程序112、系统主程序1.2五、系统调试131、调试主要分为硬件调试和软件调试 132、程序仿真1.3六、总结14七、参考文献15八、附录A;原理图16九、附录B;源程序16十、附录B;作品实物图、PCB、清单如下：19一、引言1、设计意义LED就是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形 式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向

3、电压，少数载流子难以注入，故不发光。发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管。在LED的 p - n 结附近,n型材料中多数载流子是电子,p型材料中多数载流子是空穴。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文 字、图形、录像信号等各种信息的显示屏幕。图文显示屏可与计算机同步显示汉 字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂， 以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息。LED显示屏显示画面色彩鲜 艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医 院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。它的

4、优点：亮度咼、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱 动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。2、系统功能要求设计一个能显示16X16点阵图文LED显示屏，要求能显示文字，并且显示出“ xxxxxX” 字样。二、方案设计1总体设计图12、设计论证LED点阵显示模块进行的方法有两种：（1） 水平方向（X方向）扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）： 此时用一个P 口输出列码决定哪一列能亮（相当于位码），用另一个P 口输出行 码（列数据），决定该列上哪个LED亮（相当于段码）。能亮的列从左到右扫描 完16列（相当于位码循环移动16次）即显示出一个完整的图像。（2） 竖直方向（丫方向）扫描，即

5、逐行扫描方式（简称行扫描方式）：此 时用一个P 口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个P 口输出列码（行数 据，行数据为将列数据的点阵旋转90度的数据）决定该行上哪些LED灯亮（相 当于段码）。能亮的行从上向下扫描完16行（相当于位码循环移位16次）即显 示一帧完整的图像。每一个字由16行16列的点阵形成显示，即每个字均由256个点阵来表示， 我们可以把每一个点理解为一个像素。一般我们使用的16X 16的点阵宋体字库， 即所谓的16X 16，是每一个汉字在纵横各16点的区域内显示的。汉字库从该位 置起的32字节信息记录了该字的字模信息。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像

6、素范围内的任何图形。图文显示一般有静态和动态显示两种方案，静态方案虽然设计简单，但其 使用的管脚太多，如本设计中16x 16的点阵共有256个发光二极管，显然单片 机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16x 16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16x 16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本 将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现 多行（比如16行）的同名列共用一套驱

7、动器。具体就16x 16的点阵来说，把所 有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共 阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其 燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，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， 就能够看到显示屏上稳定的图形了。采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个 驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中， 按8位一个字节的形式顺序排 放。显示时要把一行中

8、各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串 行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的 硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。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。但是，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以传输到位之后， 这 一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数 据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时

9、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。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理 的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。 经过上述分析，就可以归纳出列驱 动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能； 对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入 并行锁存器进行显示时，串并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。三、硬件设计1单片机系统及其管脚常用的时钟电路设计有两种方式，一

10、种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。本次设计采用内部时钟方式，将XTAL1与XTAL2之间跨接一个12MHZ石英晶 振和微调电容，从而构成一个稳定的自激震荡器。电容值取 30pF左右，其大小 将影响震荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。为减少线间的寄生电 容，晶振和电容应尽能安装得与单片机靠近，保证晶振稳定可靠的工作。另一部分是复位部分。上电自动复位电路是最简单的复位电路， 只需要一个 10K左右电阻、一个10uF左右的电容及一个按键。需要按键手动复位。1、AT89S52的最小系统其中，C1，C2都是30 pF的片状电容，C3为10卩F 的电解电容。R1为10K的电阻。2、 X1为1

11、2MHZ勺晶振，连接到单片机的18, 19引脚，为单片机提供内部时 钟信号，内部反相放大器自激振荡产生时钟信号。时钟发生器对振荡脉冲2 分频，即石英频率f=12MHz则单片机时钟信号为6MHz3、9号角接上电复位电路。当给单片机加电，高电平脉冲通过10卩F的电解 电容，到达9号引脚（RST，实现主复位。如果正常工作中产生意想不到的 情况发生，可以用按键开关控制发送一个高电平实现主复位。C119XTAL130PI 一18XTAL2C59RSTVCCSW-PB1R33 10kY12MHZPSENALEEA31rVCC2930_30PC2H10uU1 AT89S52P0.0/AD0P0.1/AD1P

12、0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7SPP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A1 0P2.3/A1 1P2.4/A1 2P2.5/A1 3P2.6/A1 4P2.7/A1 5P1.0/T2P1.1/T2EXP3.0/RXDP3.1/TXDP1.2P1.3P1.4567P1.5P1.68P1.7P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617(T2 CT2 ex(SS (MOS I) I MIS

13、O) (SCK户1 .O 户r. 1P1.2P1.3R1 .-4R1.5R1.6(PtXD CTXDJ l：l NT： (TO CT1 IWR) (HOR1.7 nsTP3.OPS. 1F*3.R3-. 3 R3PS, & P3.GR3. ZXTAL2 XT AL 1GND匚匚匚I vcc I PO.O i PO.1I ROl2I RO. 3 ! PO.4! PO.5 ;PO.SI PO.7(ACX) (AO1 ) (A 02) (/D3) CAD-4) CADS) (AD (AD7)J EAlhVPP ale P SEM J P2/Z 2 P2 G P2 & P2,4 R2l3 尸王2 尸王

14、1 P2.O(AIS)(A 1 3) (A 12) (A1 1 ) (A1O) (A(AS图3单片机系统及管脚图2、16x16点阵的级联实现01110010图4级联图级联方法：如图四个点阵。1、把00, 01相同的行线相连接。2、把10，11相同的行线相连接。3、把00, 10相同的列线相连接。4、把01, 11相同的列线相连接。5、最后，00, 01的列就作为16x16点阵的列控线。00, 10的行就作为16x16 点阵的行控线。SZ 020788SZD10788COL. I 23 4567 CDI, 1235678由于我们本次选用的是行点亮 SZ410788K型号的点阵，如上图右所示。首先

15、，用万用表测出四个8x8点阵的行控线，列控线。通过实际测量实际行 列线如上图所示，故四片点阵的实际连接方式如下图所示：D5|d4 4 D3 3 D2 |6 D8 D7 D6 6D16 珥6D9D1 D03 D124 D113 DJoS162S157S109 S95 S1 S1 S1487654321DS3LED8X8HGFEDCBA5D5D6 D8 D7 D6 64 4 D3 3D1S14 S2严8浮1212口49875421S12 S41S10 S9DS4LED8X8hgfedcba耳5 |D146 D03 D124 D11 DJo6D9图6点阵连接图3、点阵驱动部分点阵显示用是动的态扫描来

16、实现的。在采用扫描方式显示时，由于每行要带 动十六个二极管，每行电流较大。若每个二极管安5mA计算，十六个二极管就得 80mA电流，超出单片机管脚的承受范围，因此每行都加有一个驱动器，本设计 的行驱动用的是十六个npn型三极管。三极管的集射极通过限流240欧姆电阻接 5V电压，发射极接点阵的行线，而其基级本应接单片机，但该接线方式占用为 了 16个单片机管脚，为了节省单片机管脚，用了两片74HC595Y移位寄存器,这样就只需要4个管脚了。各行的同名列共用一个列驱动，数据通常存储在单片机 的存储器中，按8位一个字节的形式存放。由于列线过多，故多采用串行传输。 由于每次要传输16位，而且数据要逐位

17、输给驱动器，只有当一行中各列数据都 已传输到位后，这一行的各列才能进行并行显示，耗时较长。为了满足以上要求，驱动选择74HC595移位寄存器。74HC595是硅结构的CMOS 器件，。74HC595是有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

18、线。其特点：8位串行输 入/8位串行或并行输出 存储状态寄存器，三种状态；输出寄存器可以直接清 除100MHz的移位频率。各行的同名列共用一个列驱动，数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式存放。由于每次要传输 16位，而且数据要逐位输给驱动器， 只有当一列中各列数据都已传输到位后，这一列的各列才能进行并行显示。为了 满足以上要求，驱动选择74LHC154译码器。74LHC154通过四位输入输出十六个 低电平进行列选通。两片74HC595级联并行输出通过9013控制行数据：1 、两片的11号引脚：相连接单片机的P2.3 口，作为移位时钟脉冲。2 、第一片的14号脚接单片机的P2.0

19、 口，提供串行数据。3、两片的12号引脚相连接P2.2 口，作为存储寄存器的时钟脉冲。4、10号脚：接单片机P2.1 05、13号脚：都同时接地。&第一片的9号引脚级联到第二片的14号引脚7、K1K16:接到16个9013的基极控制点阵的行点亮图7数据传送模块K8K6K5K4K2S8I.7K4.7KTVCC图8 74HC595通过NPN控制行驱动R64.7KR44.7KR34.7KR24.7KR14.7KK3IK1R18R17240 x 16901 3x1674HC154信号控制列选通：1、 A B、C、D作为地址数据输入线，接 P1.3、P1.2、P1.1、P1.0端口。2、18、19号引脚

20、接P0.3。3、Y0Y15即第1号引脚到第11号引脚和第13号引脚到第17号脚接点阵的列 线。4、D1D16加载到点阵的列进行列选通5、为了方便PCB布线在此D1到D16的顺序进行了调整U5 74HC1542322212018Y0*Y1*Y2AY3BY4*CY5DY6Y7Y8*E1Y9E2Y10Y11Y12Y13Y14Y15$D13 2D11 3D10 4D3 5D2 6D8 7D7 8D1 9D5 1D6 1D4 1D16 1D151D91D14 1D12对4个输入信号进行 译码。得到16个输出状 态0E1,E2为数据允许 输出端，E1,E2低电平 有效。A,B,C,D为译码 信号输出端，丫

21、0丫16 为译码输出端，低电平 有效图9 74HC154驱动列选通4、电源部分电源部分采用了 7805进行稳压输出5V供电电源，具体电路如下图U4780 5VCCC614 C3Vin .VoutC7C4J1ICON2470 u).33u0.1u470 ufR344.7KD1H-LED图10电源四、软件设计1显示驱动程序本软件要求实现如下要求：汉字要稳定、明亮并且文字要以一定速度滚动显示。显示屏软件模块：初始化程序、主程序、多字滚动、显示程序、扫描程序。显示程序的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设 计的要求显示。软件设计中，显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示

22、驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据， 并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成 LED显示屏的扫描显示工作。 显示驱动器程序由延时程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号， 从显示缓存区内读取下一行的显示数据， 并通过串口发送给移位寄存器。为消除 在切换行显示数据的时候产生拖尾现象， 驱动程序先要关闭显示屏，等显示数据 打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。图六为显示驱动 程序（显示屏扫描函数）流程图扫描多次切换显示数据并左移发送新行号，打开显示.循环显示图

23、11程序流图2、系统主程序本设计的系统软件能使系统LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和 文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出 等显示方式。单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传 输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地 再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元， 用于显 示更多的显示内容。如果想改变些事内容，先用字模产生字代码，将用这段代码 覆盖原来的代码，即可显示你想要的内容。五、系统调试1调试主要分为硬件调试和软件调试（1）、硬件调试：在焊接电路板的时候，应该从最基本的

24、最小系统开始，分模块，逐个进行焊 接测试。在对各个硬件模块进行测试时，要保证软件正确的情况下去测试硬件， 要不然发生错误时，不知道到底是哪一方出错了。当然，在设计的过程中也存在 着失误和不足，在调试中进行修改了。焊接完成后，检验点阵、及线路的好坏： 烧进检验程序，点阵将自第一排向下（上）点亮。检验无异常，下载主程序。（2）、软件调试：软件为老师所提供提供，其原理在上一模块以作说明，在这里再作说明，软件经调试无误，直接将其下再到单片机中，看是否达到所要的效果。 软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，由于以前所学是 单片机C语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用 C语言编写。刚

25、刚开始， 编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。但是，在实际写如S51中，LED显示屏出现各种各样的乱码，通过再次认真仔细分析多次修改程序后， 程序能够正常运行2、程序仿真图12仿真图VIJEPrr_tp 43-I5TITa iilLr 4JT六、总结本文设计的6x 16的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下LED显示屏各 点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示的图形和文字较稳定、清晰。图形 或文字向上滚动显示。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠， 成本低等特点。在此次设计中，我们得到以下体会：1、在这次点阵设计的过程让我进一步熟悉 KEIL和Protel99s

26、e及Proteus 的使用。2、本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、 充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字以 移入移出方式显示。3、在后的设计中，既要想到电路器件的联合使用，又要灵活变通，举一反 三。在焊接方面，我们了解到焊接某些器件时，要先消去电烙铁上的静电，防止 静电对芯片特别是放大器件造成伤害， 焊接二极管、三极管等芯片时要快，防止 持续咼温损坏芯片。七、参考文献1 唐颖.单片机原理与应用及C5程序设计。北京大学出版社2008.82 刘欣片机的LED显示屏的汉字显示J.中国科技信息，2005，( 12)： 112.3 Mar

27、k Nelson著.潇湘工作室译.串行通信开发指南M.中国水利水电出版社，2002.4 王宜怀.单片机原理及其嵌入式应用教程M.北京希望电子出版社，2002. 韩润萍,陈小萍点阵LED显示屏控制系统J.微计算机信息，2003,19( 10): 50-51.八、附录A;原理图O2K26K0OKau 0013 护 D2 330610808UL40D2 u5! 6561ooaodel82 35 67u-/卜OOY uc II04Y cLm ，上, )口 3Y-口& ic HD2 ,OUY03di45un4/ ICXAX2-TlMVAr1DAYAUHbcadcq-5ngjun4/ 2UBA6Q-2 N

28、J2XMTI4 GD9%-0RU6B22A3nv432nYD37.LZU.CLZ./I.CLIK7rmxatLK6,tK5O-K44SAd?IK3?K1 dlMXArZI-S9CX/C2-5Mauy708/.L +-0Z3-T03-B4/CQ-亠一25G3&AM 1uCL1 d_l-彳丫$oqcamcq-_ZJ003 .y3_!otyC4U1E90016151H4131H21HVAE-nl2noulHA_l2LnAA一”1C九、附录B;源程序#in clude#i nclude#defi ne uchar un sig ned char#define unit unsigned intsbit

29、 ds=P2A0;sbit mr=P2A1；sbit st_cp=P2A2;sbit sh_cp=P2A3;sbit hc154e=P0A3;uchar data table=0x0e,0x02,0x0c,0x05,0x01,0x09,0x06,0x0a, 0x0b,0x04,0x08,0x0f,0x00,0x07,0x03,0x0d,;uchar code test= 0x00,0x00,0x62,0x18,0x42,0x48,0x42,0x48,0x3e,0x48,0x02,0x4c,0x02,0x4a,0x1e,0x48,0x22,0x48,0x42,0x18,0x06,0x0c, 0x

30、09,0xb4,0x10,0x44,0x08,0x04,0x7f,0xfc,0x00,0x00,院0x00,0x00,0x08,0x60,0x08,0xa0,0x08,0x26,0x08,0x28,0x0b,0x30,0x0d,0x20,0x7d,0x2c,0x89,0x22,0x49,0x20,0x09,0x20,0x09,0x2c,0x08,0x22,0x08,0x60,0x08,0x80,0x00,0x00,学0x00,0x00,0x70,0x08,0x40,0x08,0x40,0x08,0x43,0xc8,0x44,0x5e,0x42,0x48,0x40,0x48,0x3f,0xc8,0x00,0x08,0x02,0x1e, 0x04,0x48,0x79,0x28,0x10,0x88,0x10,0x08,0x00,0x00,/范0x00,0x00,0x00