机电一体化毕业设计（论文）基于单片机的LED点阵显示设计

1、永城职业学院毕 业 设 计设计题目：基于单片机的led点阵显示专 业：机电一体化班 级：学 号：学生姓名：指导教师： 2011年 09 月20 日第21页 共21页摘要单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时抗干扰能力加强,系统也更加稳定，使得它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。此外单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。单片机的设计

2、目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制 的需要。本文的主要内容是掌握各种单片机的结构、接口、片上外设的特点，并用stc12c5410ad单片机的片上资源设计出适当的最小系统；并利用自行制作的单片机最小系统，完成一个简单应用（量程自动转换的电压表）的设计与软件及硬件设计制作，让读者掌握数字单片机最小系统的设计及单片机系统的应用方法。关键字：单片机 仿真器 led点阵显示屏目录第一章 系统概述11.1单片机的发展11.2 mcs-51系列单片机介绍2第二章 单片机的配置及简介42.1单片机介绍42.2 mcs-51系列单片机的引脚功能52.3单片机系统设计6第三章 系统硬件设计与分析9第四章 硬

3、件及仿真104.1硬件设计104.1.1主控制单片机104.1.2 led显示模块104.2计算机仿真114.2.1 电路图114.3总体设计电路图124.3.1外部电路连接图124.4流程图164.5程序源17总结与体会19参考文献20第一章 系统概述1.1单片机的发展单片机也被称为微控制器（microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单

4、片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了i/o设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如cpu，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动

5、滚筒洗衣机、排烟罩、vcd等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用pc）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的cd4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大pcb板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之

6、别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ led显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；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。led之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：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。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。1.2 mcs-51系列单片机介绍单片机的全称是单片微型计算机（single chip microcomputer）。为

7、了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（cpu）、数据存储器（ram）、程序存储器（rom、eprom、e2prom或flash）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（microcontroller）。mcs51系列单片机是美国intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（rom）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用

8、程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4kb的eprom。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。mcs51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如atmel、philips、adi等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本书应用电路中采用了atmel公司的at89s51芯片，它与mcs51单片机指令集兼容，同时它的内部包含用作程序存储器的

9、4kb的基于flash技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点led点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。本文将介绍一种采用单片机at89s51进行控制的8*8led点阵。该点阵可实现显示汉字的功能。第二章 单片机的配置及简介

10、2.1单片机介绍所谓单片机，就是将cpu,ram,rom,定时/计数器和多种i/o接口电路都集成在一块集成芯片上的微型计算机。mcs-51系列单片机是美国intel公司在1980年推出的8位单片 微型计算机 ，包含51和52两个子系列。51子系列的典型产品有8031，8051和8751三种机型 52子系列包括8032，8052二种主要机型。 51子系列的配置如下：（1）8位cpu；（2）振荡频率1.212mhz；（3）128个字节的片内数据存储器（片内ram）；（4）21个专用寄存器；（5）4kb的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行i/o口p0，p1，p2，p3；（7）一个全双工串行

11、i/o口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级； 本系统选用atmel89s51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。at89s51是一种低工耗、高性能的片内含有4kb快闪可编程/擦除只读存储器的八位cmos微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。2.2 mcs-51系列单片机的引脚功能 主电源引脚 vss、vcc vss：接地，vcc：接+5v电源外接晶振引脚 xtal1、xtal2 xtal1：片内反向放大器输入端，xtal2：片内反向放大器输出端输入/输出引脚 p0、p1、

12、p2、p3p0.0p0.7：p0口的8个引脚，p0口是8位漏极开路型双向i/0端口，在接有片外存储器或i/0扩展接口时，p0.0p0.7分时复用，作低8位地址总线与双向8位数据总线p1.0p1.7：p1口的8个引脚，p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，对于52子系列，p1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端2，1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端t2ex。p2.0p2.7：p2口的8个引脚，p2口也是一个带内部上拉电阻的双向i/o口，在访问片外存储器或扩展i/o接口时，还用于提供高8位地址。p3.0p3.7：p3口的8个引脚，p3口也是一个带上拉电阻的i/o口，除可以作双

13、向的输入输出口外，还具有第2功能。见表2-2引脚第二功能p3.0p3.1p3.2p3.3p3.4p3.5p3.6p3.7rxd（串行口输入）txd（串行口输出）int0（外部中断0输入）int1（外部中断1输入）t0（定时器0的外部中断）t1（定时器1的外部中断）wr（片外数据存储器写控制信号）rd（片外数据存储器读控制信号） 表2-2 p3口第二功能表控制线ale/prog：双功能引脚。由于p0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将p0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存p0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储

14、器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ale脉冲会跳空1个。对片内含有eprom的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲prog的输入端。 psen： 片外程序存储器读选通信号输出端，在cpu从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过p0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。ea/vpp： 双功能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即ea/vpp=1时，访问片内程序存储器。 对片内含有eprom的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v的编程

15、电压。rst/vpo： 双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。 在vcc掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v），可向片内ram供电，以保存片内ram中的信息。2.3单片机系统设计按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统和典型应用系统等。（1）最小应用系统：能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对于片内有rom/eprom/flash ram的单片机，构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路、复位电路和电源即可，如图1 图2所

16、示。xtal1 p2.72.0xtal2 89s51 rst ale p0.70.0地址锁存epromxtal1 p0 p1xtal2 p2 p3rst 89s51 图1时钟电路 图2复位电路由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点是：有可供用户使用的大量i/o口线，p0、p1、p2、p3都可用作用户i/o口用。由于没有外部存储器扩展，应接高电平。内部存储器容量有限（只有4kb地址空间）。应用系统开发具有特殊性。由于这类应用系统应用程序量不大，外电路简单，因而采用模拟开发手段较好。对于片内无rom/eprom/flash ram的单片机，其最小系统除了外部配置时

17、钟电路、复位电路和电源外，还应在片外扩展eprom、eeprom作为程序存储器用，如图3（b）所示，应接地。（2）最小功耗应用系统最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功率消耗最小。这是单片机应用系统中的一个引人入目的构成方式。在单片机芯片结构设计时，一般为构成最小功耗应用系统提供了必要条件，例如，各种系列的单片机都有cmos工艺类型，而且在这类单片机中都设置了低功耗运行的wait和stop方式。设计最小功耗应用系统时，必须使系统内的所有器件、外设都有最小的功耗，而且能充分运用wait和stop方式运行。最小功耗应用系统常用在一些袖珍式智能仪表、野外工作仪表以及在无源网络、接口中的单片机

18、工作子站。单片机的特点1）小巧灵活，成本低，易于产品化。它能方便的组合成各种智能化的控制设备及各种智能仪器与仪表。2）面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的价格性能比。3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠性工作，这是其它机种无法比拟的。 4）可以很方便的实现多机和分布控制。使整个控制系统的效率和可靠性大幅度提高。单片机具有体积小、功耗低，价格便宜等优点，近年来还还开发了一些以单片机母片为核（如80c51），在 片中嵌入更多功能的专用型单片机（或者叫专用微控制器），因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛第三章 系统硬件设计与分析一个单片机应

19、用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如rom、ram、i/o、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、a/d、d/a转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则： 1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会

20、产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用cpu时间。4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用cmos芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。6、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。第四章 硬件及仿真4.1硬件设计方案一中系统电路图可知系统整体由两大部分构

21、成： 以单片机at89s51为核心的模块；由1块8*8的led点阵显示屏组成的显示模块；以下是各单元电路的具体设计： 4.1.1主控制单片机 本次设计使用的是at89s51的最小系统电路，包括：电源、时钟脉冲、复位电路和程序存储器设定电路，只是接受少量的数字和字符，不用外接存储扩展。时钟脉冲：at89s51单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了24mhz，它内部已经具备了振荡电路，只要在at89s51的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡晶体的2个管脚即可，同时晶体的2个管脚也要用30pf的电容耦合到地。复位电路：89s51的复位引脚（reset）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器

22、周期，即可产生复位的动作。以12mhz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为0.5s，两个机器周期为1s，因此，在第9脚上连接一个2s的高电平脉冲，即可产生复位动作。最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可可靠复位的电路，电阻一般选择10k，电容一般选择10f。程序存储器设定电路：31脚接vcc，默认采用内部程序存储器。4.1.2 led显示模块 本次设计中8*8的led电子显示屏的制作。相对而言是比较简单的。4.2计算机仿真4.2.1 电路图图3电路图(1) 打开keil uvision3，新建keil项目，选择at89s51单片机作为cpu，新建c语言源文件，编写程序，并将其导入到“source g

23、roup”中。在“option for target”对话窗口中，选中“output”选项卡中的“create hex”选项和“debug”选项卡中的“use：proteus vsm simulator”选项。编译源程序，改正程序中的错误。(2) 在proteus isis中，选中at89s51并单击鼠标左键，打开“edit compoment”对话窗口，设置单片机晶振频率为12mhz，在此窗口中的“program file”栏中，选择先前用keil生成的.hex文件。在proteus isis的菜单栏中选择“file”-“save design”选项，保存设计。在proteus isis的菜

24、单栏中，打开“debug”下拉菜单，在菜单中选中“use remote debug monitor”选项，以支持与keil的联合调试。(3) 在keil的菜单栏中选择“debug”-“star/stop debug session”选项，或者直接单击工具栏的“debugstar/stop debug session”图标，进入程序调试环境。按“f5”键，顺序运行程序。4.3总体设计电路图4.3.1外部电路连接图图4 外部电路连接图点阵led显示器是将许多的led类似矩阵一样排列在一起组成的显示器件，当单片机输出的控制信号，使得点阵中的led有发光，有些不发光，即可显示出特定的信息，包括汉字，图

25、形符号等。有微机控制点阵的led大屏幕广告宣传牌随处可见。试验仪上深有一个阳极的8*8的点阵led显示器，；点阵结构如图所示。该点阵对外引出8条行线，八条列线。若使某一个led发光，只要将与其led连接的行线加高电平，列线加低电平;若是某一列led发光，只要将八根行线全加高电平，此列线加低电平；若使某一列led部分发光，只要将需要发光的行线加高电平，此列线加低电平图5 点阵led试验仪上的点阵led 及驱动电路如下一页图所示（与单片机之间有实验者自连）。单片机p2口（实验时可自定）输出的数据通过行驱动器（7407）加值至点阵的八条行线上，单片机p1口输出的数据通过列驱动器（uln2003a）反

26、向后加至点阵的八条列线上。若要使该点阵显示某一信息，只要通过p2口p1口输出特定的数据，控制点阵led逐环活逐列换发光即可。例如欲显示汉字“年 华”，采用逐列循环发光。首先由“年”点阵轮廓。确定点阵代码。根据 “年”的点阵代码，确定逐列循环发光的时序如下：p2口输出24h；p1口输出80h；第7列的2个led发光。p2口输出44h；p1口输出40h；第6列的2个led发光。p2口输出dch；p1口输出20h；第5列的5个led发光。p2口输出54h；p1口输出10h；第4列的3个led发光。p2口输出7fh；p1口输出08h；第3列的7个led发光。p2口输出54h；p1口输出04h；第2列的

27、3个led发光。p2口输出54h；p1口输出02h；第1列的3个led发光。p2口输出44h；p1口输出01h；第0列的2个led发光。步骤之间可插入1ms 左右的延时。重复进行，即可在led 上稳定地显示出“年”。p2口输出10h；p1口输出10h；第7列的1个led发光。p2口输出24h；p1口输出24h；第6列的2个led发光。p2口输出dch；p1口输出74h；第5列的4个led发光。p2口输出54h；p1口输出84h；第4列的2个led发光。p2口输出7fh；p1口输出0fh；第3列的4个led发光。p2口输出54h；p1口输出f4h；第2列的5个led发光。p2口输出54h；p1口

28、输出34h；第1列的3个led发光。p2口输出44h；p1口输出54h；第0列的3个led发光。步骤之间可插入1ms 左右的延时。重复进行，即可在led 上稳定地显示出“华”。这里p2 口先后输出的8 字节数据： 24h,44h,dch,54h,7fh,54h,54h,44h,为“年”的代码。10h,24h,74h,84h,0fh,f4h,34h,54h,为“华”的代码。4.4流程图开始清屏100ms置码指针初值每个字停留时间每个字8个码扫描指针置第一位取码指针存入r0扫描输出扫描下一个取代码输出到p2取下一个码扫描1ms8个码完成?每个字扫描时间到了?8个字48个码是否完成nyynn 图6

29、流程图4.5程序源org 0hstart0:mov r3,# 78hstart1:mov dptr,#data1 ;指向点阵代码首址mov r2,#80h;80h ;使第7 列（最左一列）阴极为低电平clr cdisp: mov a,#0movc a,a+dptr ;取一列点阵代码mov p2,a ;加至阳极mov p1,r2 ;使一列阴极为低电平call delay ;延时inc dptr ;指向下一列代码mov a,r2 ;r2 右移一位，为下一列阴极输出低电平作准备rrc amov r2,ajnc disp ;8 列未完,转djnz r3 ,start1ajmp start2data1:

30、 24h,44h,dch,54h,7fh,54h,54h,44h,为“年”的代码start2:mov r4,# 78hstart3:mov dptr,#data2 ;指向点阵代码首址mov r5,#80h ;80h使第7 列（最左一列）阴极为低电平clr cdisp1: mov a,#0movc a,a+dptr ;取一列点阵代码mov p2,a ;加至阳极mov p1,r5 ;使一列阴极为低电平call delay ;延时inc dptr ;指向下一列代码mov a,r5 ;r5 右移一位，为下一列阴极输出低电平作准备rrc amov r5,ajnc disp1 ;8 列未完,转djnz r4 ,start3ajmp start0data2: 10h,24h,74h,84h,0fh,f4h,34h,54h,为“华”的代码。delay: mov r1,#0 ;延时子程序dely0: djnz r1,dely0retend总结与体会通过这次设计使我了解到单片机的应用面