课程设计报告LED点阵广告牌的设计

桂

林

航

天

工

业

学

院

本文介绍了一款以单片机AT89C52

为控制器的

LED

点阵显示屏系统的设计。该系统可实现中英文字符以及特殊字符的显示和动态特效显示，通过控制按钮，可以实现不同效果间切换，达到实际应用中广告牌的要求。并且可以通过级连的方式来扩大显示屏幕的尺寸以达到增加显示内容的目的。系统采用

PC

机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储的显示代码，AT89C52

单片机接收并处理

PC

机的控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一个

分辨率的

LED

点阵显示屏的扫描显示。选用两片

74HC138

译码器作为

I

/O

LED

点阵显示屏的控制列脚相连，16×16

的点阵显示由

4

块

8×8

C

断

0

输入口接控制按钮实现不同效果间的转换。所选用的AT89C52

单片机具有价格低廉程序写入方便的特点使得整个系统方便维护和检修。除此之外，该系统只占用了单片机少量的I

/O

LED

示屏由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED

像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色

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

LED

开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、大型化、寿命

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。在街上随处可见

LED

广告牌，从最初的静态显示，到后来的左移滚动、右移滚动、上移、下移、闪烁、卷动等各种花样显示，由起初的一种控制，向多种控制发展，现越来越趋于多样化，美观化。本设计为一款能够显示不同字符的LED

点阵广告牌，能够显示中文、英文及特殊符号，并通过控制按钮能够实现不同显示效果间的切换，有左移、上移和闪烁。论文包括系统总体方案设计，硬件系统设计，系统软件设计，系统调试及结论。在系统总体方案设计中给出了系统设计硬件框图及软件功能结构框图。在硬件系统设计中给出了硬件原理图，各部分电路图，元件原理图等。在系统软件设计中，有系统主程序及功能模块流程图等。系统调试包括软件C语言程序。

以PC机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动

4

块

8×8LED

点阵模块构成的16×16

的

LED

点阵显示屏。方案框图见图

2-1。

本文软件的编写用

Keil

软件以及

C

语言编写，编译完成后，生成后缀名为.hex

的可执行文件，用单片机硬件仿真开发工具进行电路原理实验及综合系统仿真，进行各种运行和调试。最后再下载到单片机中执行。

16×16

PC

机编写好程序后下载到单片机中，单片机执行相应的指令处理显示代码将显示内容通过I/O

口输出并且译码电路完成扩展并输出，最后达到LED

显示屏的显示电流、电压要求进而使显示屏显示内容。根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。通过查阅资料和对比最终的硬件原理图见图3-1。

该系统所要实现的功能和要求有以下几点：1) LED

显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准，并且显示要清晰。2) 能够进行不同效果显示间的切换。3) 两个译码器不能同时工作。单片机要能够处理控制LED

显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路，执行频率要能达到扫描显示的最低要求。控制单元是整个显示系统的核心，该系统中采用

52

系列单片机为核心器件，用来和上位机通信处理上位机发送的控制指令和显示内容。并且直接输出数据通过译码电路控制LED

显示屏的显示内容和显示状态。AT89C52

基本介绍AT89C52

是美国

ATMEL

8KB

的可系统编程的

Flash

只读程序存储器,器件采用

ATMEL

公司的高密度、非易失

AT89C52

单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT989C52

具有以下特点：与MCS-51

可程序设计

Flash

内存；1000

次擦写周期；全静态工作模式：0Hz－24MHz；三级加

个可编程

I/O

个

16

个中断源；全双工串行

UART

通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模唤醒系统。AT89C52

的

PDIP

封装引脚图见图

3-2。控制系统设计

控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小

的最小系统包括了复位电路，选定一定数量的I/O

口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。根据功能选择一定的单片机接口添加外围的器件，具体电路见图3-3。

、在该系统中，P0、P1、P2

各口主要用作LED

显示数据的控制输出。由于、端口的驱动能力有限所以在P0

口外接了

10K

的

9

的

8

个口和

P2

的

8

个口分别接

LED

点阵显示屏的

16

个引脚，用来控制行。、分别接两块

74HC138

的

A、B、C

端，向

74HC138

送入串行数据经过其转换后

LED

点阵显示屏的另外16

74HC138的使能控制端

E2、E3，当为低电平使允许输出，接另一片74HC138

的使能控制端

口是特殊功能口，在该系统中基本是采用其第二功能。将外部中断0

口外接控制按钮，实现不同特效显示间的切换。74HC138

是一款高速

CMOS

器件，74HC138

引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138

译码器可接受3

位二进制加权地址输入（A0,

A1和8

至

特有

3个使能输入端：两个低有效（E1

和

E1

和

E2置低且

E3

74HC138

仅需

4

片

74HC138

芯片和

1

个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个

1-32（5

线到

32

线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138

亦可充当一个

8

输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。

译码电路的功能是为了解决单片机I/O

具体电路见图

3-4。

LED

点阵显示屏的基本介绍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、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。本图中第三行接高电平，第二列接低电平，则对应位置的LED

灯点亮。设计的所用的LED点阵显示屏是由图中第三行接高电平，第二列接低电平，则对应位置的LED

灯点亮。成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED

像素点，其中用到的是红色。Proteus

中

8×8LED

点阵显示屏

MATRIX-8X8-RED，逆时钟旋转后，左边为行控制，接高电平，右边为列控制，接低电平，从上到下的列引脚控制的是从右往左对应的列，见图3-5。

LED

点阵显示屏的工作原理本设计采用动态显示方式。动态显示扫描方式是指逐位轮流点亮每位显示器，即每个显示模块的位选线被轮流选中，多个显示块公用一组段选，段选数据仅对位选线被选中的显块有效。对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。虽然每位的字符是在不同时刻出现的，而在同一时刻，只有一位显示，其他各位熄灭，但由于

LED

显示器的余晖和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到同时显示的效果。在这种方式下其显示驱动电路可重复利用，引线也大大减少，从而使硬件成本降低，且屏幕上的发光二极管轮流发光，使用时的耗电量大大降低。大屏幕的制造、维护要容易许多，可靠性也增加了。由四块

8×8LED

点阵显示屏扩展成16×16LED

点阵显示屏的具体连线见图

3-6。

图中上面两块显示平屏对应的控制行引脚相连，并接到P0

口；下面两块显示屏对应的控制行引脚相连，并接到P2

口；左边两块对应的控制列引脚相连，并接到译码器的输出端；右边两块对应的列引脚相连，并接到另一片译码器的输出端。程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：中

个像素对应一个字节，字

0x08(B0000_0001)。一幅16×16程序开始时首先必须对单片机进行初始化，其中初始化的内容包括：中

个像素对应一个字节，字

0x08(B0000_0001)。一幅16×16

的点阵画面显示时选通的第i

列对应的数 i

和

i+16

个元素。图中“信”

组元素为第系统软件采用

C

语言编写，按照模块化的设计思路设计。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现不同动态特效显示（左移、上移及闪烁）间的切换。主程序的工作流程见图4-2。

断初始化，外部中断触发方式的选择，移动速度初始化等。初始化完成后程0

LED

点阵显示屏的动态特效显示方式，是左移、上移还是闪烁。中断产生后由预先初始化时设定跳转执行中断子程序。中断程序设定了LED

点阵显示屏所要显示的内容和显示的方式，最后执行的是各种显示程序。按照设定的方式和内容显示出所需要的内容。点阵数据表达方式本设计用

HZDotReader

软件取字模。设置取点方式为纵向8

点下高位，字节排列为上到下、左到右。也就是以纵向8

个连续点构成一个字节,最上边的点为字节的最低位,即

BIT0,最下边的点为

汉字按每行

16

字节,共

2

行取字模,每个汉字共

32

字节,点阵四个角取字顺序为左上角→左下。角→右上角→右下角，见图4-2。

比

节的位顺序是上低下高，如从上到下8比

画面点阵数据按照

1

2

3……

31

32

存储。所以一幅画面的数据量为32

字节。

字的字模数据如下：0x80,0x00,0xC0,0x00,0x70,0x00,0xFC,0x7F,0xFF,0x7F,0x0F,0x00,0xAA,0x7E,0xA8,0x7E,0xA9,0x22,0xAF,0x22,0xAE,0x22,0xAA,0x22,0xA8,0x7E,0xA8,0x7E,0x08,0x00,0x08,0x00。 根据显示数据的存储原理通过改变实际 根据显示数据的存储原理通过改变实际LED

列与数据逻辑列的方法来实动态显示程序分为左移显示、上移显示、闪烁显示三种显示方式。当主程序中判断为左移显示方式时，先左移显示初始化，之后进入左移循环控制，判断左移的字符个数，显示一幕，再判断是否有中断，如无则调用左移显示子程序，否则进入中断，初始化各值。若判断为上移显示方式或闪烁显示方式时，单片机的执行步骤同上。主程序中，左移子程序流程图及上移子程序流程图见图4-3。

现程序的左右移动。显示数据与列的对应关系为：第i

列对应的数据为数组中

i

和第

2×i

个数据。所以送入后一列的数据则相当于画面左移移位，同理送入前一列数据相当于右移一位。如此循环则产生一幅稳定运动的画面。显示数组中，第1

至

16

个元素的第

0

至第

7

位

LED

显示屏中的第1

至第8

17

至

32

个元素的第

0

至第

7

位

LED

显示屏中的第

9

至第

16

行。所以将元素数据进行逻辑位移便能产生上下移动的效果。实现闪烁效果的原理为：第一个字扫描完后，就扫描第二个子，而一个字有

32

个字节，因此每隔

32

个字节送入

P0

和

P2

口，即当第一个字节和第二个字节分别送入

P0

和

P2

口时，进行16

列扫描后，此时送入P0

和

P2

口的分别是第

33

和第

34

个字节。闪烁子程序流程图见图4-4。

本设计用口外部中断0

作为控制按钮，控制不同特效显示间的切换。选用电平触发方式，端输入低电平时，为有效的中断请求信号，置位

IE。CPU

在每一个机器周期采样引脚的输入电平。当采样到低电平时置“1”IE

IE

。采用电平触发方式时，外部中断源信号必须保持低电平有效，知道该中断被CPU

响应，同时在该中断服务程序执行完之前，外部中断源信号必须清除；否则将产生另一次中断请求。按钮按下时

CPU

采样到低电平，执行中断程序，初始化移动速度及各变量，flag

值加一，改变显示方式。

软件调试软件调试主要是软件编译和将各功能块程序分别写入以验证其功能的可

Keil

软件编写

C

确定程序无误后，对所有程序进行编译，编译成功生产后缀名为.hex

的可执行文件。在

Proteus

仿真软件中画出电路原理图，单击单片机元件，将其可执行文件设置为之前生成的后缀名为.hex

可执行文件,最后单击仿真工具栏中的运行按钮，整个系统就开始仿真运行，这时可对各功能进行测试。可将Proteus

和

Keil

进行联调，其步骤如下：1) 搜索到

Proteus

安装目录下文件，将其复制到Keil

安装目录的\C51\BIN

目录中。2) 编辑Keil

DEBUG”）。3) 在KeilProject中Options

for

Target1菜单，在弹出的对话框中选中Debug

标签页，进行数据配置。生成可执行文件。4) 在

Proteus

中打开设计好的电路原理图，单击单片机元器件，将其可执行文件设置为要调试的Keil

工程所生成的课执行文件。对调试中出现的问题进行了分析，得出以下原因和修改办法。LED

显示屏显示不正确，经过检查及查阅资料发现实际LED

显示屏的引脚测引脚，重新写下排列，重新焊连线。经过调试和修改，系统实现了题目所要求的中英文字符以及特殊字符的显示，能够通过控制按钮实现不同动态效果间的切换。接手题目之后从互联网上对LED

进行了详细的资料收集。北京奥运会开幕式盛典上利用

LED

制造出的变换无穷、美轮美奂、气势磅礴的各种图像，

LED

显示屏越来越受到广泛应用，它不仅价格低廉，且省电又清晰，有很大的发展前景。从设计之初就确定了参照街道上广告牌显示屏的实现方法和实际情况设计一款小屏幕的

LED

点阵显示屏。在查阅了大量的资料后确定了题目的设计方案。整个设计采用AT89C52

组成译码电路。经过一段时间的工作，终于完成了基于51

单片机的

LED

点阵广告牌的设计，项目所要求的功能全部达到。这次设计收获颇多，不仅是所作题目涉及到的软硬件知识，还有更为重要的实际经验和过程中所发现的问题。1) 设计之前应该进行大量的资料收集和分析，确定一个清晰的设计思路。2) 器件选择时要详细阅读器件使用手册，不但要考虑器件的功能实现还要考虑器件在整个系统中的兼容性。3) 硬件的系统的建立必须合理和稳定，实物建立之前最好进行仿真这样才能为软件提供一个可靠的试验平台。4) 软件的编写不但要实现功能还要不断的优化、简练、易读。5) 实物的引脚往往与仿真图中的引脚不同，应该注意。

LED

技术也会进一步发展，其应用将会更加广泛。可以设想利用LED

的高稳定性和低能耗，再与无线通信技术相结合在沙漠深处或者人迹罕至的雪山之颠树立一块依靠太阳能充电，通过无线传输方式更改显示内容的信息板为登山者提供指示和天气信息，为沙漠迷路的人指引方向。设计结束了，但学习还在继续。相信通过此次设计所得到的知识、心得、经验乃至感受都会让我在以后的日子里受益匪浅。这次能够圆满完成毕业设计首先要感谢吴慧峰老师，感谢他在课程设计期间的指导、勉励和督导。同时感谢教过我们专业课程的老师们，感谢他们对我们知识增长所付出的辛勤劳动。还要感谢一起做课程设计的同学，他们也给予了很大的帮助，尤其是一些细节问题。感谢实验室老师给我们提供实验环境和器材。

1：硬件原理图

2：C

/*本次显示程序的设计分三个阶断第一阶段：左移显示方式的设计第二阶段：上移显示方式的设计第三阶段：闪烁显示方式的设计 */#include

<>#define

uchar

unsigned

char#define

uint

unsigned

intuchar

table2[]={0xE0,0x0F,0x10,0x10,0x08,0x20,0x08,0x20,0x08,0x20,0x10,0x10,0xE0,0x0F,0x00,0x00,/*"O"*/0x08,0x20,0xF8,0x3F,0x88,0x20,0xC0,0x01,0x28,0x26,0x18,0x38,0x08,0x20,0x00,0x00};

/*"K"*/ */uchar

code

table1[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x20,0x00,0x24,0x80,0x24,0x80,0xA4,0xDF,0xFC,0x5F,0xFC,0x60,0xA4,0x30,0xBF,0x1E,0xBF,0x1E,0xA4,0x30,0xFC,0x60,0xFC,0x4F,0xA4,0xCF,0x24,0x80,0x24,0x80,0x20,0x00,

CEADA

*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x44,0x00,0x44,0x80,0x44,0xC0,0x44,0x60,0x44,0x38,0xDF,0x1F,0xDF,0x07,0x54,0x02,0x74,0x42,0x64,0xC2,0x5F,0xC2,0x5F,0x7E,0x44,0x3E,0x44,0x00,0x44,0x00,0x44,0x00,

CB7BC

*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x3B,0x0C,0x4E,0x04,0x5C,0x04,0x76,0x0C,0x62,0xF8,0x63,0xC0,0x58,0x00,0xCC,0x00,0x84,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,

/*& CAFA1

*/0x00,0x00,0xF2,0x01,0xF2,0x41,0x12,0xC1,0x1E,0xFF,0x1E,0x7F,0xC0,0x87,0xDE,0x87,0x5E,0x84,0xF2,0xFF,0xF2,0xFF,0x52,0x44,0x5E,0x54,0xDE,0xF7,0xC0,0xE7,0x00,0x40,/*强 CC7BF

*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x18,0x00,0x04,0x00,0x02,0x03,0x02,0x04,0x02,0x08,0x04,0x08,0x18,0x08,0x18,0x08,0x04,0x08,0x02,0x08,0x02,0x04,0x02,0x03,0x04,0x00,0x18,0x00,0x00,0x00,

CDEB1

*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

uchar

code

table3[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0xFC,0x7F,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0xFC,0x7F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,/*"口",0*/0x00,0x00,0x00,0x00,0xF8,0x0F,0xF8,0x0F,0x48,0x04,0x48,0x04,0x48,0x04,0xFF,0x3F,0xFF,0x7F,0x48,0x44,0x48,0x44,0x48,0x44,0xF8,0x4F,0xF8,0x4F,0x00,0x70,0x00,0x70,/*"电",1*/0x00,0x20,0x00,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0xFE,0x3F,0xFE,0x3F,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x02,0x20,0x00,0x20,/*"工",2*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xE0,0x00,0x10,0x03,0x08,0x04,0x04,0x08,0x08,0x10,0x10,0x20,0x10,0x20,0x08,0x10,0x04,0x08,0x08,0x04,0x10,0x02,0x20,0x01,0xC0,0x00,/*"爱心符号",3*/0x40,0x00,0x70,0x02,0x30,0x02,0x12,0x02,0x5E,0x02,0x5C,0x02,0x54,0x42,0x51,0xC2,0x5F,0xFF,0xDE,0x7F,0xD4,0x02,0x58,0x02,0x5F,0x02,0x77,0x02,0x32,0x02,0x10,0x02,/*"学",4*/0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0x32,0x02,0x7A,0x06,0xCE,0x87,0x8E,0xC3,0x2C,0x71,0x24,0x3F,0x25,0x0F,0x27,0x01,0x26,0x7F,0x24,0xFF,0x24,0x81,0x2C,0x81,0x0C,0xF1,0x04,0xF1,/*"院",5*/0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00};

uchar

v,flag,temp;uchar

i,j,k,shuz,shub,temp1;uchar

a,b,c,d,e,f,numa,numb;uchar

ii,jj,kk;uchar

iii,jjj,kkk;uchar

a3,b3;uchar

num3,temp3;uchar

temp2; void

init(); /*主函数的初始化声名*/void

init1(); /*左移显示方式的初始化声名*/void

init2(); /*上移显示方式的初始化声名*/void

init3(); /*闪烁显示方式的初始化声名*/void

disp1(); /*左移显示子程序声名*/void

disp2(); /*上移显示子程序声名*/void

disp3(); /*闪烁显示子程序声名*/void

delay(uint

{uint

x,y;for(x=z;x>0;x--){for(y=110;y>0;y--);}}void

main(){init();while(1)

{if(flag%3==1) //判断是不是左移显示方式{init1();

//左移显示初始化while(flag%3==1) //左移循环控制{for(i=0;i<=a;i++)

//判断左移的字符个数for(j=0;j<=v;j++)

//向左移动的速度由变量v

控制for(k=i*2;k<(i*2+32);) //显示一幕if(flag%3==1) //判断有没有中断，flag

的值有没有变化disp1();

//若没有中断调用左移显示子程序else{i=a;j=v;k=(i*2+32);//若有中断了初始化左移的各变量}}}if(flag%3==2) //判断是不是上移显示方式{init2();

//上移显示初始化while(flag%3==2) //上移循环控制{for(ii=0;ii<=15;ii++) //上移缓冲{for(jj=0;jj<=v;jj++)

//向上移动的速度由变量v

控制{for(kk=0;kk<=15;kk++) //显示一幕if(flag%3==2) //判断有没有中断，flag

的值有没有变化disp2();

//若没有中断调用左移显示子程序else{ii=15;jj=v;kk=15;

//若有中断了初始化上移的各变量}delay(1);}}}}if