LED显示屏实训报告(论文形式)

1、浙江广厦建设职业技术学院LED汉字显示牌目录1.1 摘要11.2 引言.11.3 特点.11.4 AT89C51芯片介绍. 21.4.1 主要特性.31.4.2 振荡器特性.41.4.3 管脚说明.5 1.4.4 芯片擦除.61.5 软件组成及设计.71.5.1 8*8点阵LED显示屏程序91.6 硬件组成及设计.101.6.1 硬件设计图.151.7 总结.171.8 参考文献.17 1.1 摘要介绍一种实用的LED点阵式显示牌的设计，利用MCS-51单片机对LED汉字显示牌进行控制，并且讲述了LED点阵式汉字显示牌的设计原理、电路制作方法，有利于通过实践，掌握单片机的一般设计应用及电路板的

2、制作方法。系统具有设计简单、成本低廉、可靠性高的特点。1.2 引言 LED点阵是一种简单的汉字显示器件，具有廉价、易于控制实现、寿命长等特点，广泛应用于各种公共场合，如车站、机场公告、公共汽车显示牌等。对于LED的控制，可以采用数字电路实现，其缺点是显示的字符不容易更改，如果采用单片机控制，就可以在硬件电路不更改的情况下，通过修改单片机存储器中的字符单元内容来修正显示字符，更具有广泛性。LED显示牌发展较快，其无论在成本和生产的社会效益等方面都有起独特的优势。1.3 特点全面了解LED显示屏特点，是为了选择高性价比LED显示屏,与其它大屏幕终端显示器相比,LED显示屏主要有以下特点。 a、亮度

3、高：户外LED显示屏的亮度大于8000mcd/m2，是目前唯一能够在户外全天候使用的大型显示终端；户内LED显示屏的亮度大于2000md/m2。 b、寿命长：LED寿命长达100,000小时（十年）以上，该参数一般都指设计寿命，亮度暗了也算； C、视角大：室内视角可大于160度，户外视角可大于120度。视角的大小取决于LED发光二极管的形状。 d、屏幕面积可大可小，小至不到一平米，大则可达几百、上千平米； e、易与计算机接口，支持软件丰富。 f、常见大型显示终端对比 屏幕类型优点缺点电视墙全彩色、面积大画面有分隔感 亮度低不能在户外用、色差大、造价高PDP全彩色、画面细腻面积不大、亮度低、寿命

4、短投影机全彩色、画面细腻亮度低不能在户外用、画面受光不均1.4 AT89C51芯片介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.4.1 主要特性：·与MCS-5

5、1 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RAM·32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·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路 1.4.2 管脚说明：    VCC：供电电压。    GND：接地。    P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可

6、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口缓冲器能接收输出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

7、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个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“

8、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。当振荡器复位器件时，要保

9、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

10、由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。1

11、.4.3 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。1.4.4 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，

12、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。    这里，初学者要澄清单片机实际使用方面的一个产品概念，MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，

13、一直到现在， MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、已经停产的89C51等），各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。    有些文献甚至也将8051泛指MCS-51系列单片机，8051是早期的最典型的代表作，由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。    其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而以。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的

14、，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89C51的性能相对于8051已经算是非常优越的了。    不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。8

15、9S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而以。 89S51相对于89C51增加的新功能包括：- 新增加很多功能，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比89C51更低！- ISP在线编程功能，这个功能的

16、优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。- 工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率只有24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。- 具有双工UART串行通道。- 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。- 双数据指示器。- 电源关闭标识。- 全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。- 兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教

17、程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。  1.5 软件组成及设计本文设计的LED点阵属于动态显示，显示方式的设计由单片机内的程序控制，单片机内的程序在传输汉字点阵字模或字符ACSII码时，先传送显示方式控制字，单片机根据接受到的显示方式控制字，确定显示方式。显示过程由单片机中断程序控制，每次定时亮一行。在动态显示方式下，显示每隔一定时间循环左移一列，动态显示方式的是由行和列上的移动而形成的，因此在软件设计上，只要按照一定时间间隔改变显示缓冲区的内容，是显示缓冲区所有数据左移一

18、列，即可实现动态显示效果，由于显示缓冲区所有的数据左移一列需要一定时间，不可能在两次定时中断间隔内实现这一处理过程，为此需要设计两个显示缓冲区，一个用于保存当前显示的数据，另一个用于对当前的数据进行左移一列，到达左移时间间隔后，切换当前显示缓冲区左移一列的缓冲区，然后对另一缓冲区左移一列的处理,在左移之前,把当前的显示缓冲区的内容复制到要进行左移的缓冲区,保证两个缓冲区内容的一致性.为了保证动态移位显示正常,最重要的问题是如何分配刷新显示牌的定时中断时间和缓冲区移位处理时间,保证两者时间不冲突,本文采用的方法是使显示缓冲区的移位处理多次定时中断程序执行之间的时间间隔内完成.即:移位处理时间=移

19、位间隔时间-移位间隔时间内执行定时中断程序累计所需时间.这样就保证了定时中断程序有足够的时间刷新显示牌的显示,而只要在两次定时中断程序执行间隔内留出少许时间给显示缓冲区的移位处理.程序功能框图的设计采用模块化，包含部分扫描程序设计。核心的地方是显示程序算法的实现。单片机通过串行口接受程序（包括显示内容、显示方式、和显示状态），经单片机处理分析，根据显示方式依次从数据存储器中取出数据用于显示，显示采用逐行扫描的方式，多种显示方式（左移、上移等）的实现取决于存储器读取数据的顺序和移动速度。程序设计中要注意波特率的设置，中断使用，扫描时间和频率的计算调试。 1.5.1 8*8点阵LED显示

20、牌程序ORG 00HJMP STARTORG 0080HSTART:MOV DPTR, #TAB MOV 10H, #00H ；取码指针初值 LP3:MOV P1,#00H ；清屏 MOV R4,#20LP4:MOV R6,#20 ；字停留时间 LP: MOV R3,#8 ；一个字8个码 MOV R1,#0feH ；列扫描处值 MOV R0,10H ；存入取码指针LP1:MOV A,R1 ；载入列扫描值 MOV P2,A ；输出至P2，开始列扫描 rl a ；左移至下一列 MOV R1,A ；存入列扫描值 MOV A,R0 ；载入取码指针 MOVC A,A+DPTR ；至TAB取码 MOV P

21、1,A ；送P1口，显示字 CALL DELAY ；呼叫延时 MOV A,R0 ；载入取码指针 ADD A,#01H ；取码指针加1 MOV R0,A ；存回取码指针 DJNZ R3,LP1 ；是否显示完一个字 DJNZ R6,LP DJNZ R4,LP4 ；是否达到停留时间 MOV 10h,r0 ；下一个字的取码指针附值 CJNE R0,#32,LP3 ；是否显示完4个字 JMP START ；重新开始DELAY:MOV R5,#248 DJNZ R5,$ ；0.5ms延时 RETTAB:DB 0FFH,4DH,97H,00H,0FFH,9DH,9DH,00H DB 0A6H,59H,9FE

22、H,9F3H,0FEH,0EDH,5AH,7BH DB 0AFH,0FEH,0BEH,0FFH,31H,0FEH,36H,06H DB 0FBH,0EH,0FBH,0FBH,0EH,8BH,72H,85H DB 0FEH,0BDH,0FBH,0BDH,0BEH,0FFH,3AH,3DH END1.6 硬件的组成及设计 LED点阵式显示牌由单片机控制部分和显示驱动部分组成.(1) 电路核心器件74HC595 74HC595内部结构框图 74HC595是一个八位的串行输入三态并行输出的移位寄存器，能直接驱动LED发光管，传输频率高达100MHZ，而且可以级联，非常适合LED显示牌上的高速传输。 显

23、示牌一般都由能显示四个字的模块组合而成，通过增加显示模块来增加显示面积或字数。采用74HC595可通过串行级联方式传输数据，使系统扩展很容易实现。而且可以简化算出74HC595的片数及显示模块数。通过74HC595实现逐行数据显示，当扫描频率足够高时（大于每秒24幅图像），可以看到稳定的图像和汉字。 列输入驱动有八个8位串行输入，串行或并行输出三态移位寄存器74HC595实现。该芯片具有串行输入、并行输出两个独立的时钟信号。输入数据在串行移位时钟SRCLK上升沿由串行输入段SER输入到芯片内部串行移位寄存器中，同时SQH端串行输出；在锁存时钟信号RCLK上升沿到来时，芯片将内部移位寄存器8位数

24、据并行输出。正常工作时，应将复位端SRCLK与使能端RCLK分别接高电平、低电平。单片机输出信号直接与串入并出移位寄存器74HC595的锁存器输出端相连接。 （2）ULN2803极限值（若无其他规定，amb）参数名称 符号 数值 单位输入电压 Vin30输入电流 Iin25 mA功耗 Pd1 W工作环境温度 Topr20to+85 储存温度 Tstg-55to+150 电特性（若无其他规定，amb）参数名称符号 测试条件最小典型最大单位输出漏电流 IcexVce=50V,Tamb=2550 uA输出漏电流IcexVce=50V,Tamb=70100 uA饱和压降Vce(sat)Ic=100mA

25、,Is=250uA0.91.1 V饱和压降Vce(sat)Ic=200mA,Is=350uA1.11.3 V饱和压降Vce(sat)Ic=350mA,Is=500uA1.31.35 V输入电容 Cin1525 PF上升时间 tplh 0.5Ein to 0.5Eout0.251 Us下降时间 tphl 0.5Ein to 0.5Eout0.251 Us钳位二极管漏电流 IrVr=50V,Tamb=2550 uA钳位二极管漏电流 IrVr=50V,Tamb=25100 uA钳位二极管正向压降 Vf If=350mA1.72 V UNL2803由八个硅NPN达林顿晶体管阵列组成，在5V的工作电压下

26、它能与TTL和CMOS的电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据；高耐压，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。UNL2803作驱动器，输出行选择信号，低电平有效，接一行发光二极管的公共阴极。由于程序控制分时输出不同的行列信号，使8行发光二极管轮流亮灯，实现动态显示。 UNL2803电器具有以下特点： 电流增益高（大于1000）； 带负载能力强（输出电流大于500mA）；温度范围广（-485）；工作电压高（大于50V），UNL2803主要用于如下领域：伺服电机；步进电机；电磁阀；可控照明灯， UNL2803型高压

27、大电流达林顿晶体管阵列电路 输出脉冲占空比、输出的路数与输出电流的曲线关系：随着输入脉冲的占空比以及输出路数的增加，允许的输出电流随之降低，也就是说电路的输出路数的增加将导致电路的驱动能力下降；随着输出电流的增加，输出电压随之降低，而随着输出电流的增加，输出电压也随之增加。 （3）单片机89C51 89C51的I/O口P0、P1和P3，在FPEROM编程时，P0口还可以接受代码字节，并在程序校验时输出代码字节，但在程序校验时需要外接上拉负载电阻。在FPEROM编码和程序校验期间，P1口接受低地址字节，P2口接受高地址和一些控制信号，P3口也接受一些FPEROM编程和校验用的控制信号。此时，AL

28、E/PROG引脚是编程脉冲输入端。89C51代码阵列存储器是逐个字节被编程的。在对片内FPEROM进行再编程前，应对整个存储阵列进行电擦除。 写操作周期是自定时的，一经初始化就自动按时间完成。在对89C51编程前，应根据FPEROM编程模式表产生地址、数据和控制信号。 模式 RSTPSENEA/VPPP2.6P2.7P3.6P3.7写入代码数据HLH/12V（1）LHHH读出代码数据HLHLLHH写入VPP选择代码（2）HL12VLHLH写加密位LB1HLH/12VHHHH写加密位LB2HLH/12VHHLL写加密位LB3HLH/12VHLHL芯片擦除HLH/12VHLLL读信号字节HLHLL

29、LL89C51可提供数据查询功能，以指示一个周期的结束。在一个写周期中间，如果试图 读最后一个写入的字节，则会使引脚P2.7上已写入的数据变为补码。当写周期完成后，在所有输出端的真值数据是有效的；接着开始下一个周期。数据查询可在一个写周期开始后的任何时间开始。 （1） 双向总线驱动器74LS245 74LS245是双向总线驱动器，这个芯片可以在89C51和74LS595的时序之间引入一个延时。74LS245所造成的延时典型值为15ms，最小值也为8ms。用74LS245来驱动74LS595来控制列的显示。89C51的P10P17口接74LS245的A1A8口，而B端（ B1B8）的输出通过74

30、LS595连接到显示模块上的数据输入端。这样，数据就可以在89C51内经过处理在传输到74LS245完成缓冲，在通过74LS595就可以在模块的列上进行显示了。 显示的驱动方式 国内LED显示牌的模组驱动方式有静态方式和扫描方式，恒流型和电压型之分，但是，无论采用何种驱动方式，数据传输一般都是采用串行移位寄存器实现。 该电路的特点是每一时刻只有一行发光管被点亮，列电路可以重复使用，从而节约了原器件成本。但是，点亮发光二极管的瞬态电流很大，通常是平均电流的数倍甚至几十倍。显示模组的静态驱动电路的特点是每一位数据寄存器对应一颗发光管，可以用较小的电流驱动发光管，这更有利于延长发光管的寿命，户外屏和

31、高档的 显示屏，例如全彩屏通常采用这种驱动方式。 无论是扫描驱动还是静态驱动，数据信号都是通过串行移位寄存器传递的，并且LED显示工作是电流呈脉冲状态，瞬间电流变化很大，容易对长距离传输的数据和控制信号造成干扰。当LED显示牌的面积较大，串行移位寄存器级联的数量较多时，情况更加严重。信号完整性设计存在缺陷的单元板多块级联后，除了信号容易受到干扰外，控制信号的电平幅度和宽度也会变小，无法保证正常工作。 整个显示系统由编入程序的单片机89C51和LED点阵显示脚组成，89C51通过串行口传送显示内容，点阵显示牌接受单片机传送的数据，并控制LED点阵显示牌的显示。由于89C51只有4片内EEPROM

32、，无法存储大量汉字点阵字模，但足够存贮ASCII码字符的点阵数据。因此，采用已烧入程序的单片机传递汉字的点阵字模或字符的ASCII码的方式来控制显示牌的显示内容。有后文所附的原理图可得知元器件连接，本次实验主要用了ULN2803和74HC595对整个实验过程的元件进行驱动，由ULN2803对行，74HC595对列。其中用了两ULN2803的输入端接分别接89C51的P01P07、P20P27口，输出端分别接SD1588的N0N15脚，通过单片机里的程序对行进行显示；74HC595输入端与74LS245的输出端B1B8口相连接，89C51的P10P17口与74LS245的输入端A1A8相连接，这

33、样通过单片机89C51内的程序数据经过74HC245的驱动传输至移位寄存器74LS595，74LS595输出端口分别接八个1K的电阻（电阻起限流作用），然后再每个电阻后接入PNP9015的三极管进行驱动（即每个74LS595的输出端要接八个三极管），由集电极输出，最后接至模块的A1A8脚，对显示器的列进行控制。电源先经过一个1K电阻，再由NPN9015的发射级输入（PNP9015的作用是对电流进行放大）。1.6.1 硬件电路图1.7 总结 本文设计点阵LED显示牌控制系统以单片机为基础，在动态显示方式下，显示的内容多少不受限制。动态链接库函数可直接被编入的应用程序调用，具有一定通用性，移植方便

34、，汉字显示清晰稳定。利用此单片机可实现上下左右移动。 在整个实际操作过程中，在硬件和软件上都遇到了困难。在硬件上，由于板子上的元器件较多，板后的排线较为复杂，焊点容易出现虚焊，而且不容易查找，焊点之间的间隔也很小，所以很容易就短路；在软件方面也遇到了编程的问题，但是通过全组人员的共同努力，还是实现了应有的效果。 在这期间我深刻认识到理论知识和实践操作必须是相结合的，也是学习过程中相当重要的一个环节，只有这样才能提高自己的实践操作能力和团队协作能力，也让我了解到单片机的深层内容及实际生活中的应用，息息相关。 此次课程设计让我们在学习之余，把知识与实践相结合，为我们能更好的迈出校园踏入社会奠定了一

35、定的基础。1.8 参考文献l张毅等，“户外大屏幕显示技术的发展”，电子技术应用，1996年第4期仁2甘早斌，“LEO图文实时显示系统的设计”，计算机工程与应用，1999年第3期3缪思恩，“LED大屏幕显示电路设计”，电子技术应用，1996年第8期4jYamaguehi，“LargeSereenDisPlay，Past，Present，AndFuture”，SIDConfereneeReeordoftheInternationalDisPlay，ResearehConfereneeproeeedingsofthe199717th5Song，Hongyu，“DotInterlaeeTransmissionInVideoCommunieationOfLED”，DisPlayPanelShuJuCaiJiYuChuLi/JournalofDataAequisitionandProeessingv14nlMar19996S