基于mdrfcs-51的16x16点阵led电子显示屏的设计

基于mdrfcs-51的16x16点阵led电子显示屏的设计内容摘要：

灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第 2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以 ９ 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。 图 1为显示屏电路实现的结构框图。 图 1，显 示屏电路框图 系统硬件电路的设计 硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部 单 片 机 列驱动器 LED 显示点阵 电源 行驱动器 １０ 分。 单片机系统及外围电路 单片机采用 MSC51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。 单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。 P1口低4 位与行驱动器相连，送出行选信号； ～ 口则用来发送控制信号。 P0 口和 P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的 ROM和 RAM。 16ｘ 16 的点阵显示屏的硬件原理图如图 2 所示（在附录 A）。 列驱动电路 列驱动电路有集成电路 74HC595 构成。 它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。 74HC595 的外形及内部结构如图 3 所示。 它的输入侧有 8 个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。 引脚 SI 是串行数据的输入端。 引脚 SCK 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将 SI 的下一个数据打入最低位。 移位后的各位信号出现在各移位寄存 器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。 RCK 是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。 引脚 G 是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。 SCLR 信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。 由于 SCK 和 RCK 两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。 芯片的输出端为QA～ QH，最高位 QH 可作为多片 74HC595 级联应用时，向上一级的级联输出。 但因为 QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出 QH，作为与移位寄 存器完全同步的级联输出。 QB 1 16 Vcc QC 2 15 QA QD 3 14 SI QE 4 13 G QF 5 12 RCK QG 6 11 SCK QH 7 10 SCLR GND 8 9 QH 图 3. 74HC595 外形及引脚 行驱动器 单片机 P1 口低 4 位输出的行号经 4/16 线译码器 74LS154 译码后生成 16 条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。 一条行线上要带动 16 列的 LED 进行显示，按每一 LED 器件 20MA 电流计算， 16 个 LED 同时发光时，需要 320MA 电流，选通三极管 8550作为驱动管可满足要求。 显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设 74HC595 １１ 计的要求显示。 根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层 ；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。 显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成 LED 显示屏的扫描显示工作。 显示驱动器程序由定时器 T0 中断程序实现。 系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。 从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用 C语言编写。 显示驱动程序 显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器 T0 重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定， 1/16 扫描显示屏的刷新率（帧 频）计算公式如下： 刷频率（帧频） =1/16 T0溢出率 =1/16 f/12（ 65536t） 其中 f位晶振频率， t为定时器 T0 初值（工作在 16 位定时器模式）。 然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。 为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。 图 4为显示驱动程序（ 显示屏扫描函数）流程图。 进入中断 定时器赋初值 读取行号并增加 1 送新行显示数据 消 隐 切换显示数据 发送新行号，打开显示 １２ 图 4 显示驱动程序流程图 系统主程序 本文设计的系统软件能使系统在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。 图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然 后以“卷帘出”效果显示图形，停留约 3s；接着向上滚动显示“我爱单片机”这 5 个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。 由于单片机没有停机指令， 所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。 单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。 图 5 是系统主程序流程图。 退出中断 开始 系统初始化 “卷帘出”显示效果 “上滚屏”显示效果 “左跑马”显示效果 “卷帘入”显示效果 １３ 图 5 系统主程序流程图 5 性能分析与总结 性能分析 LED 显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试 即可 正常工作。 软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。 显示屏刷新率由定时器 T0 的溢出率和单片机的晶振频率决定，表 给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器 T0初值。 表 显示平刷新率与 T0 初值关系表（ 24MHz 晶振） 刷新率 25 50 75 85 100 120 T0 初值 0Xec78 0Xf63C 0Xf830 0xF97E 0XFA42 0XFB1E 0xFBEE 从理论上来说， 24Hz 以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示 ，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的 CPU 时间越多。 试验证明，在目测条件下刷新频率 40Hz 一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率 50Hz 以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到 85Hz 以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。 显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者可以照源程序自行分析。 这个方案设计的 16ｘ 16 的点阵 LED 图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入 移出等多种显示方式显示图形或文字。 总结 本文设计的一个室内用 16ｘ 16 的点阵 LED 图文显示屏，能够在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。 图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。 总结本文的研究工作，主要做了下面几点较突出的工作： 一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了 LED 的发光原理和 LED 显示屏的原理，了解了 LED 的现状，清楚地了解了 LED 显示屏与其它显示屏 相比较有那些 优点，明确了研究目标。 二，本文设计的 LED 显示屏能够实现在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。 图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 三， 文章给出了系统具体的硬件设计方案 ,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。 四，在这次毕业设计的过程中学会了 Protel 99se 的基本使用，感到 Protel 99se 对自动化专业的同学来说是一门很有用的课程。 五，通过这次毕业设计，重新复习并进一步学习了 MCS51；熟练掌握了 WORD 软件 １４ 的使用。 六，存在缺陷：没有考虑抗干扰的问题。 致谢 本文是在黄金明老师的悉心指导下完成的。 从课题的立项、选。