基于单片机的led点阵显示屏系统设计

基于单片机的led点阵显示屏系统设计内容摘要：

示内容和显示方式 [4]。 A T 8 9 S 5 2单 片 机控 制 单 元上 位 机1 6 X 1 6 L E D 显示 点 阵通 讯 接 口行驱动列 驱 动 图 21 系统硬件组成框图 设计论证 图文显示一般有静态和动态显示两种方案，静态方案虽然设计简单，但其使用的管脚太多，如本设 计中 16ｘ 16 的点阵共有 256 个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按 8 位的锁存器来计算， 16ｘ 16 的点阵需要广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 8 256/8=32 个锁存器。 这个数字很庞大，因为我们仅仅是 16ｘ 16 的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。 因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法 [5]。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如 16 行）的同名列共用一套驱动器。 具体就 16ｘ 16 的 点阵来说，把所有同 1 行的发光管的阳极连在一起，把所有同 1 列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管 使其 亮灭的数据并锁存，然后选通第 1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第 2行使其亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第 16行之后，又重新燃亮第 1行，反复轮回。 当这样轮回的速度足够快（每秒 24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。 采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。 显示数据通常存储在单片机的存储器中 ，按 8位一个字节的形式顺序排放。 显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。 从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。 显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。 当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。 采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。 但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能 并行地进行显示。 这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。 对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到 LED 的亮度。 解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。 即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。 为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。 经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。 对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说， 应具有并行锁存的功能。 这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。 基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计 9 通信 接口部分 设计 LED 点阵显示时，就必然少不了单片机与电脑连接的连接交互。 本次设计的通讯部分主要包括串口连接与程序下载。 LED 显示系统的单片机线路板是通过串口线缆实现与计算机的交互，本次设计使用 USB 转换串口适配器。 应用时只需将串口线的一端连接到线路板上，另一端连接到PC 的 USB 接口上，并安装对应的驱动程序。 此外，选用 MAX232 下载器和 ISP 下载线使单片机 能通过下载线将计算机上的程序下载到单片机中并运行 [6]。 图 22 和图 23，分别 一种 是 USB 转换串口适配器和 ISP 下载线实物图。 计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。 一种是 并行通信 ， 并行通信 的时候 数据的各个 数据 位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。 并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。 另一种是 串行通信 ， 串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。 因此，当计算机向外发送 数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。 在单片机芯片中， UART 已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口。 综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的 UART 已经集成在单片机内，所以通信系统选择串行通信为通信方式。 单片机控制系统 控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。 其常用的电子设计方法有单片机、 DSP、及EDA 技术。 三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛图 23 USB 转换串口适配器 图 22 ISP 下载线 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 10 较低开发成本 也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。 现在市场上常用的单片机主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。 其中 应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史 “ 悠久 ” ，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。 且 51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平）。 当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。 所以在控制部分方案的选择中选定 51 系列单片机作为控制部分的核心器件。 驱动部分 一个 16 16 的 LED 显示屏行和列各有 16支引脚，不能单靠 51 单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。 经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。 常用的串并转换芯片有 74LS154（ 4线 16 线译码器）、 74HC164（ 8 位串并转换器）、 74HC595 等。 51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达 20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十 μ Ａ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动 LED 显示屏显示。 在单片机和显示屏之间还需要增 加以功能放大位目的的驱动电路 [7]。 LED 点阵显示屏 显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。 由于单片机的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口来驱动 LED 显示屏，所以需要对单片机 IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。 LED 显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的 LED 显示屏就需要多个发光二极管。 构成 LED 屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来 ；二是选用一些由单个发光二极管构成的 LED 点阵子模块构成大的 LED 点阵模块 ，如图 24。 目前市场上普遍采用的点阵模块有 8 16 16 几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个 LED 出现问题时同在一个模块的所有 LED 都必须被更换。 这就加大了维修的成本 [8]。 两种方法相比较，决定采取 LED 点阵 模块构 成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏。 基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计 11 为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。 所以构 建一个 16 16 的 LED 点阵屏选用四块 8 8 点阵模块。 图 24 LED 点阵图 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 12 3 系统硬件设计 电路总体设计 由总 体硬件原理 图 31看到 ， 其外围电路包括 晶振 及 复位部分 、串口通讯电路 、 电源电路 、 行列 驱动电路 、 LED 点阵 显示电路 组成，根据实际情况 LED 点阵 显示部分模块选择 4 个 8 8 组合 16 16的点阵屏 ， 如下图 31所示。 本系统以 AT89S52 为中央处理器，系统上电工作后， 电路各部分初始化。 具体工作流程为： 在没有控制指令时，单片机执行指定代码。 上位 PC 机 （个人电脑） 可以 通过 串口调试助手 向 单片机发送控制指令 （控制右移或者上移） ，单片机接收控制指令 后 进行中断 处理， 然后 把 将 要 显示内容通过 I/O 口串行输出 ，由 行 驱动电路 和列 驱动电路进行电压和电流的处理 ， 以达到 LED点阵 显示屏的显示 时所需要 电压和 电流， 进而 使显示屏显示内容 相关文字 及图案 [11]。 A T 8 9 S 5 2单 片 机控 制 单 元M A X 2 3 2上 位 P C 机电 源1 6 X 1 6 L E D 显示 点 阵行 驱 动 电 路列 驱 动 电 路晶 振 及 复 位 电 路 图31 硬件原理图 晶振及复位单元 AT89S52引脚 XTAL1和 XTAL2与晶体振荡器及电容 C C1按图 32所示。 晶振、电容 CC2及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电 容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容 C C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在 0～ 33MHz之间，电容C C2取值范围在 5～ 30pF之间。 根据实际情况 ，本设计中采用 12MHZ作为系统的外部的晶振， 电容取值为 30pF[9]。 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。 该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容 C8上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即 RST为高电平，在电容基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计 13 充电的过程中 RST端电压逐渐下降，当 RST端的电压小于某一数值后， CPU脱离复位状态，由于电容 C8足够大，可以保证 RST高电平有效时间大于 24个振荡周期， CPU能够可靠复位。 增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。 当复位按键按下后电容 C4通过 R6放电。 R6的作用在于限制按键按下瞬间电容 C8的放电电流，避免产生火花，以保护按键触电。 其电路如图 32所示。 图 32 晶振及复位 单元 通讯电路单元 由于电脑串口输出电压为 +12V,而单片机的出入电压为 5+，直接与单片机连接会烧坏芯片，因此选用 MAX232 芯片来进行电平转换 [10]。 图 33是串口芯片 MAX232EEPE 与单片机连接图： 广东技术师范学院本科毕业设计（论文） 14 图 33 串口芯片与单片机连接电路 图 34 MAX232EEPE 实际引脚图 其中， MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的接口芯片 ,使用 +5V 单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。 由 6脚和 4只电容构成。 功能是产生 +12v和 12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8脚（ R2IN）、 9脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS232 数 据从 T1OUT、 T2OUT 送到电脑 DP9 插头； DP9插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、 R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 DNG、 16 脚 VCC（ +5V）。 本次设计中使用 MAX232 作为串口芯片，实现单片机与电脑之间的有效连接，防止因电脑输出电压（ +12V）过大，而将单片机烧坏。 并且实现电脑与单片机之间的通信：基于单片机的 LED 点阵显示屏系统设计。