采用AT89S52单片机的16点阵电子显示屏的设计与实现.doc

1、摘要 以AT89S52单片机为核心的LED屏幕显示屏，由晶体管驱动模块、LED大屏幕显示等功能模块组成。主要介绍了LED汉字显示屏的硬件电路设计、C语言程序设计与调试、Proteus软件仿真和实物制作等方面的内容。本系统不仅成功的实现了要求的基本功能,发挥部分也得到完全的实现,而且有一定的创新功能。关键字 AT89C52 1616点阵 74HC595 74HC154 PROTEUS仿真一、引言：本文讲述了基于AT89C52单片机1616 LED汉字点阵滚动显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编写与调试、Proteus软件仿真等基本环节和相关技术。基于题目基本要求，本系统对大屏幕显示进行了重点设

2、计。此外，扩展单片机外围接口、滚动屏幕显示、驱动电路设计等功能。本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。二、点阵电子显示屏的设计方案1、点阵电子显示屏的设计要求1.1 基本要求：设计并制作LED电子显示屏和控制器。1.1.1了解1616LED点阵器件的结构与接口电路。1.1.2 了解LED大屏幕静态和动态的显示原理与方式。1.1.3掌握字形码的设计与调用。1.1.4 用1616LED大屏幕上显示移动的字符图形。1.1.5实现信息的滚屏定时循环显示；2、点阵电子显示屏系统设计方案目前设计电子显示屏系统的方案有很多，有应用

3、CPLD实现电子显示屏系统控制器的设计，有应用PLC实现对电子显示屏控制系统的设计。有应用单片机实现对电子显示屏控制系统的设计的方法。由于AT89S52单片机输出口P1,P3口能满足系统的设计要求。用单片机设计不但设计简单，而且成本低，用其设计的显示屏也能满足要求，所以本文采用单片机设计显示屏。方案：采用AT89C52单片机作为控制器，显示字符或汉字采用LED数码管， LED显示采用动态扫描，以节省端口数。如果按以上系统构架设计，且数据都直接用P口并行输出，单片机端口刚好满足要求。为了更加精简单片IO口的使用，这里用串行来输出行控制信号； 该系统具有电路简单，设计方便，耗电较少，可靠性高等特点

4、。整个电路组成框图如图1所示。本系统行列驱动采用芯片驱动 晶振电路复位电路P1口AT89C52P20-7电源列驱动器74HC595LED16x16显示点阵行驱动74器 图1三、主要工作原理本产品采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C52芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路、4块88 LED点阵5部分组成，AT89C52是一种带4 kB闪烁可编程可擦除只读存储器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8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

5、技术制造，工业标准的MCS一51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，能够进行1 000次写擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌人式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C52芯片。时钟电路由AT89C52的18，19脚的时钟端(XTAI 1及XTAL2)以及12 MHz晶振X 、电容C1、C2组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R ，R2，电容C ，开关K 组成，分别接至AT89C52的RST复位输人端。LED点阵显示屏采用4块8x8共256个象素的

6、点阵，可通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布。我们把行控制通过串行连接在两块74HC595芯片上再通过这两块芯片分别接在点阵的行线上，这样就节省了很多的IO口，且也达到了效果；然后将列控制通过P1口接在4-16译码器74HC154上，再与点阵的列线相连；然后把上面分析到的扫描代码送入点阵，就可以得到显示的汉字了。我们一般是将LED点阵的16条行列线通过驱动电路接在PO口8条行线通过限流电阻接在P2口，且PO口必需设置上拉电阻，一般采用1k排电阻作为上拉电阻。但这样就很占用IO口，容易出错且也不经济，在这里我们通过串行连接大大的减少了I0口的占用率，且所使用的芯片都带驱动功能

7、，这样也省了使用大量的三极管来驱动点阵；汉字扫描显示的基本过程是这样的：通电后由于电阻R ，电容cl的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C、C3 、X 以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机89C52按照设定的程序在P1和P3接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行列线(高低平驱动)，从而选中相应的象素LED发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。再改变取表地址实现汉字的滚动显示如图2为点阵电子显示屏系统总电路原理图。图2整套系统由五部分组成：控制系统模块、驱动电路，字符显示电路，外围电路等四、系统硬件电路的设计:主控制系统主控制器采用AT89

8、C52 ，是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 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、非易失性存储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器 既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位 AT89C52 单片机可为我们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。单片机的P1口及P3口分别用于使显示点阵正常点亮的扫描码和显示码型。主控制器采用AT89C52最小系统包括晶体振荡电路、复位开

9、关和电源部分。图3为AT89S52单片机的最小系统。 图3晶振电路设计在AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体震荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激震荡器，这就是单片机的数字电路。数字电路产生的震荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的数字脉冲信号。一般地，电容C1和C2取30pF左右，可使系统更稳定，避免杂波干扰而导致死机,系统数字电路如图4。晶体的震荡频率范围是1.212MHz。晶体震荡频率高，则系统的数字频率也高，单片机运行速度也就快。MCS-51在通常情况下，使用震

10、荡频率为6MHz或12MHz。时钟电路一般有两种接法：内部时钟方式和外部时钟方式；不同计算机的时钟电路接法是不完全相同的；内部时钟方式：通过在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，再利胙芯片内部的振荡电路，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路；外部时钟方式：此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1，对于AT89C52单片机，因为内部时钟发生器的信号取自反相放大器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方式为外时钟信号接至XTAL1，XTAL2悬空，注意：外接晶振时，C1和C2值通常选择为2030PF；外接陶瓷谐振器时，C1和C2为3050PF；C1 、C2对频率有微

11、调作用，影响振荡的稳定性和起振速度。在这里我们选用的是内部时钟方式图4系统复位电路设计单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。AT89C51的系统重置是由RESET引脚控制的，如图5所示。当此引脚送入高电位超过24个震荡周期时（即2个机器周）。AT89S51即进入芯片内部重置状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET为低电位后，才检测EA为高电位或是低电位，若为高电位，则实行内部的程序代码，若为低电位，则实行外部的程序代码。复

12、位时，ALE和/PSEN呈输入状态，即ALE=/PSEN=1，片内RAM不受复位影响；但在系统刚上电（也称为“冷启动”）时，RAM的内容是随机的。复位后，P0P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈掼针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0，此时单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。因此，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。 图5串行通信80C52串行口原理图结构框图如图6所示。由图可知，它主要由接收与发送缓冲寄 存器SBUF、输入移们寄存器以及串行控制寄存器SCON等组成。波特率发生器可以利用定时器T1或T2控制发送和接收的速率。特殊 功能寄存器S

13、CON用于存放串行口的控制和状态信息；发送数据缓冲寄存器SBUF用于存准备发送出去的数据；接收数据缓冲寄存器SBUF用于接收由外部输入到输入移位寄存器中的数据。80C52串行口正是通过对上述专用寄存器的设置、检测与读取来管理串行通信的；在进行串行通信时，外界数据通过引脚RXD输入。输入数据首先逐位进入输入移位寄存器，由串行数据转换为并行数据，然后再送入接收寄存器。在接收寄存器中采用了双缓冲结构，以避免在接收到第2帧数据前，CPU未及时响应接收寄存器前一帧的中断请求，没把前一帧数据读走，而造成2帧数据重叠的错误。在发送时，串行数据通过引脚TXD输出。 由于CPU是主动的，因此不会产生写重叠问题，

14、一般不需要双缓冲器结构。要发送的数据通过发送控制器控制逻辑门电路逐位输出。图6显示部分电路设计显示部分是本次设计最核心的部分，对于LED8*8点阵显示有以下两种方案：方案一：静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0 和1 表示,若为0 ,则表示LED无电流,即暗状态;若为1 则表示二极管被点亮。若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有L ED 的状态保持到下一幅画。对于静态显示方式方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。方案二：动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。动态显示方式,可以避免静态显示的问题。但

15、设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限增加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素. 我们通过实验发现, 当扫描刷新频率(发光二极管的停闪频率) 为50Hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感。 鉴于上述原因, 我们采用方案二 88LED点阵的外观及引脚图如图7所示。本系统用单片机的P0口及P2口分别用于使显示点阵正常点亮的扫描码和显示码型。图7主要芯片介

16、绍行控制74HC59574HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有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线。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

17、存器可以直接清除 100MHz的移位频率输出能力 并行输出，总线驱动； 串行输出；标准中等规模集成电路 595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线。参考数据CPD决定动态的能耗，PDCPDVCCf1+(CLVCC2f0)F1输入频率，CL输出电容 f0输出频率（MHz） Vcc=电源电压引脚说明 图8符号 引脚 描述Q0Q7 15， 1， 7 并行数据输出GND 8 地Q7 9 串行数据输出MR 10 主复位（低电平）SHCP 11 移位寄存器时

18、钟输入STCP 12 存储寄存器时钟输入OE 13 输出有效（低电平）DS 14 串行数据输入VCC 16 电源功能表输入 输出 功能SHCP STCP OE MR DS Q7 Qn L L NC MR为低电平时仅仅影响移位寄存器 L L L L 空移位寄存器到输出寄存器 H L L Z 清空移位寄存器，并行输出为高阻状态 L H H Q6 NC 逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态 移入，例如，以前的状态6（内部Q6”）出现在串行输位。 L H NC Qn 移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出 L H Q6 Qn 移位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达保持寄

19、存器并出。注释H高电平状态L低电平状态上升沿下降沿Z高阻NC无变化无效当MR为高电平，OE为低电平时，数据在SHCP上升沿进入移位寄存器，在STCP上升沿输出到并行端口。列控制74HC154简介4线16线译码器,可以实现地址的扩展。4-Line to 16-Line Decoder/Demultiplexer 图9引脚说明1-11 13-17 ：输出端。（outputs (active LOW)）12：Gnd电源地 （ground (0 V)）18-19：使能输入端 (enable inputs (active LOW)20-23地址输入端 (address inputs)24：VCC电源正

20、(positive supply voltage)地址/全能输入对应输出表 图10H = 高电平（HIGH voltage level）L = 低电平（LOW voltage level）X = 任意电平（dont care）只要控制端G1、G2任意一个为高电平，A、B、C、D任意电平输入都无效。驱动电路设计采用芯片自带驱动来驱动LED点阵发光，驱动电路如下图所示： 图10三、调试与小结，体会LED 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。并广泛的用于公交汽车、商店、体育场馆、车站、学校、银行、高速公路等公共场所的信息发布和广告宣传。LED 显示屏发展较快，在生活中应用广泛，其市场占有力大。在成品的制作过程中，我们组员分工合作，各司所职，力求在最短的时间内做到最好的效果。并且在指导老师陈吹信的指导下，成功将成品完成。我们组也在这次课程设计中发现了团队合作的重要性。参考文献1 陈永甫常用半导体器件及模拟电路人民邮电出版社，20062 张迎新 单片机初级教程-单片机基础北京航空航天大学出版社，2006