基于at89c51单片机的led16x16点阵显示屏系统的设计与实现

基于at89c51单片机的led16x16点阵显示屏系统的设计与实现内容摘要：

36 附录 1 系统硬件原理图 37 附录 2 设计程序 38 附录 3 系统 PCB 图 46 本科生毕业论文 1 第 1章 绪 论 课题背景 选题背景 LED 显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的 新型信息显示媒体，显示屏由几万 甚至 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 的开发已经达到了实用阶段。 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。 在短短的十来年中， LED 点阵显示屏就以 亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点 迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。 LED 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。 LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（ 1）证券交易、金融信息显示。 （ 2）机场航班动态信息显示。 （ 3）港口、车站旅客引导信息显示。 （ 4）体育场馆信息显示。 （ 5）道路交通信息显示。 （ 6）调度指挥中心信息显示。 （ 7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。 （ 8）广告媒体新产品等。 研究现状及发展趋势 （ 1）我国 LED 产业发展现状 我国的 LED 显示屏产业经过几 年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。 据不完全统计，至 1998 年底，年度销售总额在 1000 万元以上的企业有 20多家，其销售总额达 6 亿元左右，占行业市场总额的 85%以上。 全国从事 LED 显示屏的各类企业有 100 余家，从业人员近 6000 人，行业年度销售总额近 8 亿元人民币， 1996 年、 1997 年的增长速度均保持 40%左右， 1998 年略有回落。 在国内市场上，国产 LED 显示屏的市场占有率近 100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内 代表企业中标。 技术水平相对领先 ,我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。 90 年代初即具备了成熟的 16本科生毕业论文 2 级灰度 256 色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色 LED显示屏、 256 级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现； LED 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。 LED 显示屏产业培养形成了一批 LED 显示屏科技队伍，在全国 LED 显示屏行业的从业人数 6000 人中，科技人员有 2800 多 人，将近 50%。 LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 （ 2） LED 显示屏的发展趋势 现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代， LED 显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。 高亮度、全彩化蓝色及纯绿色 LED 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。 基础材料的产业化。 使 LED 全彩色显示产品成本下 降，应用加快。 LED 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色 LED 显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色 LED 屏更会成为主流产品。 全彩色 LED 显示屏的广泛应用会是 LED 显示屏产业发展的一个新的增长点。 未来 LED 显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展 [2]。 （ 3）选题意义 该设计课题使我们能 够掌握 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法，对 LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。 并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。 并且通过该设计课题掌握了51 单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。 目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的 LED 显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。 但同时应该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。 因此此课题不论是对自己的就业还是对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。 本科生毕业论文 3 论文主要内容 针对设计题目的特点，作者对论文的内容和结构将做如下安排： （ 1）初步方案的论证和选择 搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。 最终选定了以 PC 机为上位机，单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的设计方案。 （ 2）方案实现 以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。 经过对比选择选定 AT89S51 单片机为核心控制器件，由串并转换 器 74LS164 和锁存器 74LS373 为译码电路器件，三极管 8550 和ULN2803 为驱动电路器件。 论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。 （ 3）软件编写 根据硬件特点和设计要求，软件选用 C 语言编写。 程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。 然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。 （ 4）验证与测试 调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。 在硬件调试中 发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。 在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。 通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。 （ 5）结论 设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。 本科生毕业论文 4 第 2章 方案论证与选择 系统硬件方案 大多数的 LED 显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。 为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。 硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。 如图 21 所示 ,根据显示系统的功能特点确定 系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。 上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。 通 信 部 分 控 制 部 分 显 示 部 分上 位 机 图 21 系统硬件组成框图 显示屏主控制器 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。 几种设计方法比较各有其特点 ： （ 1）单片机 单片机 是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型计算机。 它有很强的接口性能，非常适合于工业控制 ,因此又叫微控制器 (MCU)。 单片机品种齐全 ,型号多样 CPU 从 8， 16， 32 到 64 位，多采用 RISC 技术，片上 I/O 非常丰富，有的单片机集成有 A/ D， “ 看门狗 ”， PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。 它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。 除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。 随着超大规模集成电路的发展， NMOS 工艺单片机被 CMOS代替，并开始向 HMOS 过渡。 供电电压由 5V 降到 3V， 2V 甚至到 1V，工作电流由 mA 降至 μA ，这在便携式产品中大有用武之地 [4]。 （ 2） DSP 芯片 DSP 又叫数字信号处理器。 顾名思义， DSP 主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。 现在已经广泛应用于通信、便本科生毕业论文 5 携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域， DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。 将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。 DSP 区别于一般微处理器的另一重要标志是 硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法 ,逐条执行指令，速度慢。 而 DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如 TM320 系列的 FIRS ， LMS，MACD 指令等 [5]。 （ 3） EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，对用硬件描述语言 HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真 ， 直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射 和编程下载等。 设计者只需用 HDL 语言完成系统功能的描述，借助 EDA 工具就可得到设计结果 ,将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。 由于 FPGA/CPLD 可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，软件编写可以采用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。 而且 MCU 和 DSP 都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广 阔；另一方面， FPGA/CPLP 器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。 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。 通信系统 通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。 因为通常情况下本科生毕业论文 6 显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。 计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。 （ 1）并行通信 并行通信时数据的各个位同时传送，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。 （ 2）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。 在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据是并行的。 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。 反之，又必须将串行数据转换为并行数据输入计算机中。 这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。 单由软件实现会增加 CPU 负担，降低其利用率，故目前常采用硬件实现。 通用的 通用异步接收 /发送器，简称 UART（ Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成这一功能的硬件电路。 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 [6]。 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。 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，如图 22 所示；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。 目前市场上普遍采用的点阵模块有 8 1616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。 本科生毕业论文 7 两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个 LED 点阵显示屏。 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 1616 的 LED 点阵屏选用四块 88 点阵模块。 图 22 LED 点阵图 一个 1616 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）、 74LS164（ 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 μＡ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]。 硬件设计方案 最终方案如图 23 所示，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 88LED 点阵模块构成的 1616 的 LED 点阵显示屏。 题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。 本科生毕业论文 8 单片机译码电路1 6 1 6 L E D显 示 屏显示驱动电路串行通信P C 机 图 23 硬。