基于51单片机的点阵式LED电子显示屏

1、基于51单片机的点阵式LED电子显示屏Lattice LED electronic display screen based on 51 single chip microcomputer 内容摘要随着高科技技术的发展和LED数码管的诞生，巨大型屏幕且画面清晰的LED电子广告屏幕在日常生活中常常出现。与传统的单色霓虹灯相比较，它拥有更好可编辑更新性，也满足良好的经济市场条件。为了便于单芯片微型计算机控制LED显示系统，本次设计主要应用STC89C51RC单芯片控制了网格对数字、文字的显示。使用16*16点阵式LED图像显示屏，此次设计要求LED显示器各点的亮度一样，可显示的文字和数字就足够了，

2、并显示的文字和数字足够稳定，设计每个文字的显示完整和滚动显示。所选的STC89C51RC单芯片具有低成本的特性，可简化整个系统的维护和检查。此外，该系统只需占用一个处理器上的少量I/O端口和内存即可扩展系统的功能。关键词：STC89C51RC；LED点阵显示；串行通信AbstractWith the development of high technology and the birth of LED digital tube, LED electronic advertising screen with large screen and clear picture often appears

3、 in daily life. Compared with the traditional monochromatic neon lights, it has better editable updating and meets good economic and market conditions. In order to facilitate the single chip microcomputer to control the LED display system, this design mainly uses the STC89C51RC single chip to contro

4、l the grid display of numbers and characters. Using a 16*16 dot matrix LED image display screen, this design requires that the brightness of each point of the LED display is the same, the text and numbers that can be displayed are enough, and the text and numbers are stable enough to design a comple

5、te and scrolling display of each text. The selected STC89C51RC single chip has the characteristic of low cost, which can simplify the maintenance and inspection of the whole system. In addition, the system can expand the function of the system by occupying only a small amount of I/O port and memory

6、on one processor.Keywords: STC89C51RC, LED dot matrix display, serial communication目 录第1章 绪论11.1 单片机概述11.1.1 单片机的特点11.1.2 单片机的起源及发展过程与趋势11.1.3 单片机的应用21.2 LED电子显示屏概述21.2.1 LED的简介21.2.2 LED电子显示屏21.3 论文结构与内容3第2章 总体方案设计42.1 功能42.2 方案设计42.2.1 选择显示单元42.2.2 动态扫描显示方式42.2.3 单片机型号的择优考虑4第3章 系统硬件设计53.1 硬件整体设计概述

7、及功能分析53.2 控制单元设计53.2.1 STC89C51RC简介63.2.2 控制系统设计73.3 74HC595简介73.4 原理图与PCB图93.5 实物图与焊接图10第4章 软件设计124.1 主要程序设计124.1.1 主程序124.1.2 点阵显示驱动程序134.2 延时函数14第5章 作品测试155.1 程序编写155.2仿真调试175.3仿真结果185.4 硬件调试195.5 整机的调试205.6 设计期盼20结 论21致 谢22参考文献23广东东软学院本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 单片机概述Single Chip Micyoco，中文单片微型计算机，简称单片机

8、。近年来，单片机的技术得到快速发展，可以在集成电路芯片上进行ROM、RAM、I/O接口电路、计数器的编程开发等。单片机满足的功能和形式在控制领域的应用需求，并发挥在过程控制，智能化仪器仪表，机械和电力一体化，家电产品领域的一项重要的控制功能。因此，单个处理器也被称为微控制器或嵌入式微控制器。自从单片机出现以来，它被得到了越来越多的应用，其性能也在不断提高。特别是51单片机系列在智能家具系统和智能安全预警控制系统上得到快速发展，其总体潜力正在得到越来越多的挖掘开发。使用CMOS技术生产的单片芯片由于能耗低，温度范围广，可以满足特定的要求。1.1.1 单片机的特点（1）高集成度和强大的功能单片微型

9、计算机集成了所有的单芯片微型计算机的功能组件，并且利用在内部布线结构，大大减少了芯片之间的连接，这样的做法使得单片微型计算机的可靠性和抗干扰能力得到了提高。额外地因为它具有体积较小的特点，很容易采取屏蔽措施，避免强磁场的干扰，能在环境较为恶劣的情况下仍能正常运行。（2）强大的防干扰因为微型计算机把单芯片的各种功能部件集成在一个芯片上，尤其是存储部件被放置在芯片的内部，其布线简短，同时数据也是在芯片内部传入传出。即使是在情况恶劣下，也并不是太容易受到其他外界打扰，具有一定的防干扰能力，其系统运行更可靠。（3）指令丰富微控制器通常具有多种指令，如传输指令、逻辑运算指令、传输指令等，个别的微控制器除

10、了有以上指令外，还有乘法运算指令和除法运算指令，甚至于还有位运算指令。因可运算指令众多，单片机被广泛应用于在逻辑控制、开关值控制和顺序控制。1.1.2 单片机的起源及发展过程与趋势在1974年12月，美国飞兆半导体公司以惊人的速度研究出第8位F8。从最初的1位和4位级别到低端和中等范围的8位级别（1976-1978年），在此阶段，8位计算机没有I/O接口，并且寻址范围通常为4K，例如Intel公司的3870 MCS-48系列的MCU；然后到高端8位机器级别（1978-1982年），这款单片机一般都具有串行I/O接口。在进行多级中断程序处理时，芯片RAM和ROM的16位定时器/计数器的容量为相对

11、增大，可寻址范围将达到64KB。个别的芯片甚至还带有A/D转换接口，代表作包括MCS-51等等。16位单芯片和超级8位单芯片的处在的现阶段期间，主要功能是不断改进8位高端机器，并改善其结构以满足不同用户的需求。1.1.3 单片机的应用单片机被得到普遍的应用，它的出现打破了人们之前的古老传统设计理念。很多功能的实现已经转为先进行模拟电路，由脉冲的数字电路和所述逻辑元件进行模拟预设，不需要额外的硬件设备，就可以直接在软件中完成实现。一个功能强大、可靠性高、体积小、功耗低、便于搭载等优点的低成本开发平台。单片机可以说已经融入到我们所有人的日常生活当中了，我们的高科技开发更是离不开单片机了。（1）单片

12、机在工业控制应用可以配置各种控制和数据采集系统。例如，管道芯片，家居的智能控制，安全报警系统。（2）消费电子应用当前消费类电子产品基本上，如电饭煲、洗衣机、冰箱、空调、液晶电视、音频和视频设备。（3）计算机网络及其应用的通信在设置有通信接口，可以容易地与计算机进行数据通信的一般现代的单片计算机，它提供与所述计算机网络的通信设备之间的应用的优良材料的条件。简简单单的一个移动电话，就可实现电话单芯片计算机的智能控制。小规模的程序控制，自动电话通信系统的结构，无线通信的列车，交换主干移动通信，例如无线对讲机。（4）在医疗设备领域的应用单芯片微计算机、医疗通气机、各类分析仪器、监视器、超声波诊断装置等

13、等设备已被广泛用于医疗临床使用。1.2 LED电子显示屏概述1.2.1 LED的简介1923年，Lossenow对半导体SiC中的PN结的整流现象发现研究出了发光二极管。此后，喷射形发光现象、机制和化合物半导体，如间隙半导体发光材料，如GaAs和PN结形成技术已经被彻底研究清楚。在上世纪80年代尤为显著，高信息化社会的快速发展，光通信和光信息处理的快速发展导致了LED应用的研究和它的实用性得到快速发展。近年来，由于逐渐成熟和半导体制造和处理技术的改进，发光二极管越来越多地占据固态显示器。LED之所以得到广泛重视和迅速发展，与其自身的优势密不可分。这些优点概括为：高亮度、低工作电压、低功耗、小型

14、化、驱动简单、寿命长、抗冲击性好、性能稳定。LED具有广阔的发展前景。目前，它正朝着提高亮度、光度一致性、可靠性的方向发展。1.2.2 LED电子显示屏传统的LED数码管只能是显示从0到9的阿拉伯数字显示，并不能显示中文汉字和其他更复杂的符号图画。但是如果把较多的发光二极管平均的布置在一行一行的格式上，其显示模式可以是非常灵活的，可以极大地提高的显示能力。然而，如果一个大屏幕显示器与离散的发光二极管形成的，使用成千上万的LED将是必需的。布线和焊接工作也将是非常复杂的，并且其显示的效果质量较差。近年来，随着LED点阵式显示电子屏幕的出现，上述问题就可以轻松解决。LED点阵显示又称为LED矩阵式

15、板或LED阵列。像素元素（也称为像素）的显示按行和列的顺序排列。它的优点是参数一致性好，可靠性高，装配简单，易于连接。它可以形成不同尺寸的大屏幕显示。因此，它被广泛应用于大型LED智能显示器、智能电表和计算机控制机电设备中，并以先进的智能显示技术取代了传统的数字显示技术。LED显示屏具有多个特点，例如：发光亮度高、发生故障概率低、使用寿命较长、显示内容和方式可以多种多样等优异特点。LED在显示媒体中已经被广泛的应用与生活，是全新一代的显示媒介。在过去的10年里，主要产品的快速增长被广泛应用于信息显示领域。在现代信息社会中，显示产品和显示技术已经迅速发展成为一种信息和视觉交流的媒介，LED显示屏

16、是有了很大的进步，这是平板显示器的主要产品之一。毫无疑问的是，LED是21世纪的平板显示器的主流产品。1.3 论文结构与内容第一章绪论由两部分组成，分别是单片机概述和LED电子显示屏概述，以介绍选择本次课题的研究背景；第二章总体方案设计以介绍功能、方案设计，详细讲述选择显示单元、显示方式和单片机型号的择优考虑；第三章硬件设计主要讲述硬件的整体和功能、控制单元设计、74HC595简介以及原理图PCB图设计、焊接完好的实物图；第四章软件设计主要介绍设计的主要程序设计，包括主程序和点阵显示驱动程序，还介绍了延时函数；第五章作品测试介绍软件、硬件的测试，结合两者进行整体调试，最后对设计的期望。第六章结

17、论。第2章 总体方案设计2.1 功能实现的功能：（1）逐字显示（2）向左向右显示滚动（3）可加速，可减速2.2 方案设计2.2.1 选择显示单元单独显示一个文字不得少于16*16点阵才可以完整被显示出来，为了能更清晰、在远距下看到显示内容效果，设计使用了4个8*8点阵像素直径5mm红色的LED点阵组成的16*16点阵的LED阵列，使得所有内容都能够得到更好的显示效果，可在约远50米处都可以清晰看到。而显示一行文字时，则额外需要16*16红色点阵滚动显示，例如本设计显示内容为“我们毕业了！”2.2.2 动态扫描显示方式理论上，不论是显示字符或图像，我们都在可以在发光二极管装置设上对应的每个点去构

18、成图案或字符。在8*8点阵的配置中，实际显示要大得多，需要成本非常高，因此常使用另一种动态扫描显示方式。动态扫描是指在一个时间上的一个线只需转动，使得扫描驱动电路可以实现相同的名称的多个行（例如8行）和共享一组驱动器。对于8*8网格，连接的LED的所有相同的行的阳极一起，并连接所有的LED的同一行的阴极（共同阳极连接），首先发出的发光和锁存器中的第一行的对应的数据，然后选择第一行点亮一定时间，然后熄灭，然后数据和锁存器的第二行被发送出去，然后在第二行被选择为光将为同一时间，然后熄灭；依次进行直至第八行后，第一行是重新点燃，然后重复。当此周期是足够快（每秒超过24倍），在屏幕上延时停留的图形可以

19、被人的视觉所暂时保留。2.2.3 单片机型号的择优考虑因设计需求要实现在显示屏上左右滚动，且传输方式为串行方式，所以优先考虑8位单片机。一般来说，最常用的8位单片机有两个系列分别是：51系列、AVR系列，这两种系列皆可满足实验的实现，但在综合这两款单片机的优缺点上，AVR系列的时钟频率最高只有16MHz，而恰好熟悉的51系列的STC89C51RC单片机是我们熟悉的一个型号，其时钟频率能达到80MHz，不会造成资源的浪费，且价格低，具有较强的兼容性，是实验的最佳选择。第3章 系统硬件设计3.1 硬件整体设计概述及功能分析显示系统的具体设计主要是主机、通信系统、单片机系统、解码电路和带有1616点

20、显示器的攻击电路。下面描述了一个特定的过程。高级PC和控制指令，以及通过通信系统发送到显示单片机的代码内容。单片机代码经过处理并显示为一个命令，通过I/O端口和解码控制电路显示显示内容的代码是一个连续的输出到串行并行转换和平行输出。最后，通过显示驱动电路的电压和电流处理，可以获得用于LED显示的显示电流。根据硬件的功能结构图选择合适的设备。该设备不仅需要实现所需要的功能，但也与整个系统兼容。查询资料和最终硬件原理后，如图3-1。图3-1 硬件整体设计该系统具有以下功能和要求：1）LED屏幕的表面必须能完整地显示不少于一个汉字字符，且显示必须足够的清晰易见。2）驱动电路必须提供可以在LED显示要

21、求范围内必要的Voltage和Electricity。3）译码和解码电路必须满足单片机和驱动电路对高低频率输入和输出的识别要求。4）单片机应能接收计算机指令和显示内容，并能控制LED屏幕，端口的运行能力应当足以启动解码电路。应用程序也必须满足扫描频率的最低要求。5）MCU是可以从ISP下载程序和得到供电电源，所以不需要再建额外电源。6）通过串行端口实现单片计算机和主计算机之间的通信。因此端口的通信速度和数据传输的可靠性如果无法满足显示要求的话，信息会无法正常进行传输影响运行结果。3.2 控制单元设计控制单元是整个显示系统的核心。该系统以51单片机为基本设备，与上位机发送的过程控制指令和显示内容

22、进行通信。数据直接输出，控制解码电路中LED图像的显示内容和状态。首先考虑选择单片机51系列中的合适型号作为控制单元的主控芯片。根据设计的要求，芯片必须具备易编程能力，能在软件设计里烧录程序进行编译。另外，选择的单片机的执行速度要尽可能地快，这样能提高LED显示器的扫描速度。因此，STC89C51RC被选择作为控制单元的主控制芯片。3.2.1 STC89C51RC简介STC89C51RC是一种低电压、高性能cmos8位和4KB微处理器的可擦除可编程只读存储器，通常称为微控制器存储器。由于八个CPU多功能和16GB的闪存都合并到单个芯片上，这是一个微型电脑有效集成控制系统，并提供了许多灵活、低成

23、本的解决方案。因此，STC89C51RC芯片经常用于智能电子设计和生产。其结构图如图3-2。STC89C51RC图3-2 STC89C51RC结构图引脚说明：VCC：电源电压。GND：接地。端口P0：端口p0是一个8位开放的双向I/O端口。P0可用于存储外部程序数据。它可以定义为第8位数据/地址。在flash编程中，端口P0被用作原始代码输入端口。当lash被检查时，P0会发出源代码。目前，P0应该是外部最高的。端口P1：端口P1是一个8位双向I/O端口，提供更高的抗拉强度。端口的P1缓冲器可以接收4ttl栅极电流。向孔内拉，向孔内拉引脚，输入文字1。当P1端口降低到外部时，输出电流较低。端口

24、P2：端口P2是一个双向I/O端口，能接收4ttl负载。端口P3：端口P3可以当做是I/O接口，亦可以作用于其它方面，属于多功能端口。P3能够接收和产生具有8个I/O双向端口的4ttl栅极电流。当“1”写在P3端口时，它们被拉入端口并用作输入。作为输入，这可以用低外推和P3端口产生输出电流(ILL)来解释。ALE/PROG：当访问外部存储器期间，用于允许地址锁存信号的地址授权。它可以用作外部输出或同步的脉冲。但是，在存储外部内存时都会跳过ALE脉冲。当ALE输出为零时，SFR8EH被定义为零。在这情况下ALE仅仅执行MOVX和MOVC指令。Psen：选择信号到外部程序内存。对于每个机器周期，p

25、sen的效率是外部程序内存的两倍。EA/VPP：当/EA在此期间保持低水平的外部程序内存时，无论是否有内部程序内存。在加密模式1中，/EA在复位中锁定当/EA保持较高时，使用内部程序内存。该引脚还可以用于在编程时使用12V应用程序的编程电源（VPP）。Xtal1、Xtal2：振荡电路反相输入端和输出端。3.2.2 控制系统设计控制电路的设计中，采用了单芯片微计算机系统，它是最小的系统操作。作为最小操作系统，STC89C51RC具有外部时钟电路和复位电路。选择一定数量的IO端口作为控制端口，用于控制各种外部设备和数据的输出。根据不同的功能，选择专门的MCU端口添加外设。示出的具体电路于图3-3。

26、sSTC89C51RC图3-3 STC89C51RC结构图3.3 74HC595简介74HC595有一个作用就是将串行信号转换成并行信号，因此它常常在数码管以及点阵屏作驱动芯片来使用。利用74HC595的3个IO可以控制8个数码管的引脚，大大节省了单片机的IO口资源，具有一定的驱动能力。所以74HC595芯片对其它驱动数码管进行了极大的优化，得到了广泛的应用。其封装引脚图如图3-4所示：图3-4 74HC595引脚图表1 74HC595引脚说明引脚编号引脚名引脚定义功能1、2、3、4、5、6、7、15QA-QH八位并行输出端8GND电源地端9SQH串行数据输出引脚10SCLR移位寄存器清零端1

27、1SCK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16VCC电源线74HC595在5V供电时，晶振频率可达30MHz，所有的并联输出端口能承受20mA的灌电流和拉电流。此功能可确保LED易于驱动，而无需额外的电流扩展电路。74HC595的输入端能允许500纳秒的上升（下降）时间，而且它仍然可以检测到严重畸形的时钟脉冲。可以容纳较大的传输线对地电容，从而提高了设计的抗干扰能力。由于LED显示屏在工作时电流是不断变化的，并不是一个固定数值，这样就会造成系统的电压产生波动。这种电压波动不只具有高频，也有低频，导致显示时呈现闪烁不稳定现象。电压的波动会对周围的无线电环境

28、造成电磁污染，严重时会使系统时钟紊乱，逻辑错误。为了避免这种情况，需要在74HC595电源端和GND旁边并联两个电容器进行滤波和去耦，以稳定系统电压，滤除电源中的高频脉冲分量。3.4 原理图与PCB图使用Altium Designer软件制作电路原理图，并生成PCB图，如图3-5和图3-6。图3-5 原理图图3-6 PCB图3.5 实物图与焊接图图3-7 实物图（正面）图3-8 焊接图（背面）第4章 软件设计4.1 主要程序设计系统程序主要是主程序和点阵显示驱动程序。4.1.1 主程序主程序是为了控制显示部分的初始状态，使人的视觉看到LED显示屏发出的亮度相同，内容可以是文字和符号，显示的内容

29、必须清晰，文字显示移动可以左右移入移出。本设计的显示内容为“我们毕业了！”程序的首先对各个变量以及74HC595进行初始化，当所有的初始化过程完成后，开始对显示进行处理。/主函数void main()uchar i=1,j=0;uchar X=0;/595c初始化Init595();/循环演示然后对汉字的移动和显示的处理while(1)for(j=0;j10;j+)/循环显示10次/送入16个位数据for(i=1;i17;i+)WriteS(0xff,0xff);/消影Wei_154(i);WriteS(HanZii*2-2+2*X,HanZii*2-1+2*X);/显示内容Wei_154(i

30、);delay(7);/显示G2=0;/关闭X+;if(X=17*16)X=0;4.1.2 点阵显示驱动程序主要是对74HC595进行处理，实现动态进行。/74HC595初始化void Init595()SI=1;SCK=0;RCK=0;/写一个字节void Write_byte595(uchar temp)uchar i,data_=temp;G2=1;for(i=0;i=1;RCK=0;/显示数据RCK=1;RCK=0;void WriteS(uchar data1,uchar data2)Write_byte595(data2);Write_byte595(data1);4.2 延时函数

31、因为人的视觉感知需要一定的反应时间，而单片机的速度很快，此时需要都程序进行额外的延时控制显示。延时函数如下：/等待函数void delay_1ms(uint q)uint i,j;for(i=0;iq;i+)for(j=0;j50;j+);第5章 作品测试5.1 程序编写Keil uVision4可以编写程序，测试程序，可以将汇编语言、C语言等高级语言进行编译，使得单片机能读写的语言。使用Keil uVision4软件进行程序编写，如图5-1。图5-1 程序编写界面（1）新建工程命名为led1616，并添加“AT89C51”单片机。因为Keil软件不支持STC，但可以选择AT代替，都是8051

32、内核，两者可以通用。如图5-2所示：图5-2 器件选择（2）新建Text文件并命名为“led1616.c”，在“Target”中加载“led1616.c”文件，单击“close”按钮。如图5-3所示：图5-3 加载文件（3）在“led1616.c”文件中写入相关程序。如图5-4所示：图5-4 编写程序（4）查看编译结果无错误生成“HEX”文件。图5-5 生成“HEX”文件5.2仿真调试（1）使用proteus(ISIS 7 Professional)进行电路模拟，出现如图5-6窗口：图5-6 仿真界面（2）从元件库中添加所需的元器件：如51单片机，4个8*8点阵模块，LCD1602显示屏，74

33、HC595，排阻等，如图5-7：图5-7 器件选择(3)对各个模块和元器件进行布局和连接，连接最终结果如图5-8：图5-8 器件连接（4）把已经成功编译的ASCII文本文件，即“HEX文件”加载到STC89C51RC单片机上。（5）点击“RUN”按钮运行仿真测试。5.3仿真结果经过认真的调整和修改，系统实现了题目所要求的中文字“我们毕业了”动态显示，如图5-8所示。图5-8 仿真结果关于设计所使用的Keil uVision4软件和Proteus模拟电路软件，两款软件皆是大学期间所学习了解的软件。通过这次设计，加深了我对软件的认识、使用。因为uVision4的编译和调试工具具有与ARM器件较好的

34、兼容性这一特点，充分利用这一特点实现更好的程序开发。Proteus更是能最大限度的节约成本，同时更方便检查出电路的问题所在，先使用软件进行仿真开发成功后再进行实物设计，能缩短直接开发设计的时间，并极度提升设计效率。两款软件结合使用，使我对单片机系统的从虚拟到实际设计更容易掌握。5.4 硬件调试硬件调试主要是使用测试器件对实物进行检查，排查硬件中可能存在的问题，操作步骤如下：在未通电状态下，对照电路图认真检查已组装好的电子电路。使用万用表对各个引脚的连接点进行检查，检查电路的通阻是否和预期设计一样，同时检查所有VCC与GND是否有短路现象。因为在设计中使用了较多的“走锡”焊接和飞线焊接方式如图5

35、-9，整体焊接比较错乱复杂。所以在检查时候，这一步需要使用万用表一一排查，消耗的时间也较长，发现存在很多虚焊的地方，此时要重新补锡焊接。图5-9 走锡焊接与飞线焊接确保电路板无短路现象后，进行通电测试，观察元件是否冒烟、异常发烫等问题，如有异常情况发生需立刻断掉电源，重新一一检查，需额外检查发生异常的器件是否受损，应当立即更换。5.5 整机的调试完成软件和硬件的各部分调试后，还需要完成整机调试，就是将烧录程序到单片机运行，给予电源提供。但是功能并没有成功实现，又一次进行硬件检测，仍然发现是焊接时不小心把51单片机的两个引脚之间有焊锡存在导致的，经小心去除多余焊锡后，可以正常启动显示预期内容。后来考虑在远距离黑暗情况下，人的视觉感知反应时间会发生迟缓，看到的文字会不清晰，对此修改了程序中的延时程序，调整控制1帧的画面显示时间，