基于单片机的点阵显示系统设计本科论文Word格式.docx
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利用不同的半导体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显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式,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。
LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏,均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;
而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。
LED显示屏因为其像素单元是主动发光的,具有亮度高,视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。
因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
LED显示屏的发展前景极为广阔,目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、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[8]。
我国LED点阵显示系统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点阵显示系统、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点阵显示系统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。
1.1.2LED电子显示屏的分类
按颜色分类
单基色显示屏:
单一颜色(红色或绿色)。
双基色显示屏:
红和绿双基色,256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏:
红、绿、蓝三基色,256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。
按显示器件分类
LED数码显示屏:
显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏:
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块,适于播放文字、图像信息。
按使用场合分类
室内显示屏:
发光点较小,一般Φ3mm--Φ8mm,显示面积一般零点几至十几平方米。
室外显示屏:
面积一般几十平方米至几百平方米,亮度高,可在阳光下工作,具有防风、防雨、防水功能。
按发光点直径分类
室内屏:
Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、
室外屏:
Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm
室外屏发光的基本单元为发光筒,发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度[2]。
1.1.3设计任务
本设计的任务就是完成一个16*16的点阵设计,并能滚动显示“古城西安欢迎您”内容。
任务要求:
(1)能同时流动显示汉字
(2)能实现显示汉字无闪烁
(3)能实屏幕亮度较高
1.1.4设计目的
(1)通过毕业设计,使我们能够更深入理解单片机系统的工作原理,接口电路的设计及调试方法,培养综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力。
(2)使用STC89C52芯片的串口功能,利用2片74HC595锁存器和16个C9012三极管(PNP型小功率)实现LED点阵列、行的驱动显示。
(3)用keil软件进行编程与调试,利用Proteus7Professional软件进行绘制硬件电路原理图且进行仿真。
1.2MCS-51系列单片机简介
1.2.1MCS-51单片机特点
(1)可靠性高:
因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机。
系统软件(如:
程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏。
许多信号的通道均在一个芯片内,故运行时系统稳定可靠。
(2)便于扩展:
片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多工扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的就算计机应用系统。
[8]
(3)控制功能强:
具有丰富的控制指令:
如:
条件分支转移指令,I/O的逻辑操作指令,位处理指令。
(4)实用性好:
体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化。
1.2.2单片机的发展历史简介
(1)第1阶段(1971年—1978年),以MCS-48系列为代表,称4位单片机。
在片内:
CPU有4位或8位;
ROM有1KB或2KB;
RAM有64B或128B;
只有并行接口,无串行接口;
只有1个8位的定时/计时器;
中断源只有2个。
在片外:
寻址范围只有4KB;
芯片引脚有40个。
(2)第2阶段(1978年—1983年)以MCS-51系列为代表,称8位单片机。
CPU有8位;
ROM有4KB或8KB;
RAM有128B或256B;
有串/并行接口;
有2个或者3个16位的定时/计时器;
中断源有5至7个。
寻址范围有64KB;
(3)第3阶段(1983年以后),以MCS-96系列为代表,称16位单片机。
CPU有16位;
ROM有8KB;
RAM有232B;
有4个16位的定时/计时器;
中断源有8个;
增加了D/A和A/D转换电路。
芯片引脚有48个或者68个[10]。
第2章总体设计的方案研究
点阵显示系统的设计方案有多种,难点是选择出效果出众而且成本低廉的器件,出色的完成所要实现的功能。
2.1显示单元的选择
显示一个简体汉字,至少需要16×
16点阵来描述。
为了在较远距离处获得清晰的视觉效果,本设计采用4个8×
8点阵,像素直径5mm的红色LED模块拼接成16×
16点阵的LED阵列。
这样每个16×
16汉字能够获得12×
12cm的显示尺寸,因此在50米处仍能清晰阅读。
本设计要求整个屏幕能显示“古城西安欢迎您”一系列汉字,则需要用使用16*16红色点阵滚动显示。
[4]
2.2滚屏方式选择
字符的位置在屏幕上实现移动,即术语“滚屏”。
可以用硬件实现,但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。
因此本设计采用软件算法实现左滚屏显示的常见滚屏方式。
用软件来完成滚屏算法,其最大的优点在于成本低廉,而且可维护性、可升级性大大增强。
2.3关于屏幕的可扩展性
除了基本要求外,本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。
在传统的并行传输方式中,因受到列数据锁存器地址线数目的制约,不能随意的增添显示单元,且每个显示单元的电路结构不同,面包板结构也不同,完全不符合模块化设计的要求。
因此摒弃了传统的并行传输方式,而采用独特的串行锁存技术,通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。
不仅板间连接简单,更是降低了面包板布局及布线的难度。
每个显示单元的面包板都是完全一样的,便于量产。
2.4单片机控制器的考虑
因本设计采用软件来实现滚屏,且传输方式为串行方式。
所以对微控制器单元的处理速度要求较高,可供选择的有ARM7和高速8位单片机。
ARM的处理速度极快,但对于条屏的应用,ARM内部的资源浪费严重,且成本较高。
因此选择高速8位单片机作为控制器,常见的高速8位单片机有AVR系列单片机,C8051F系列单片机,STC89C52单片机。
这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz(在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令),但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz,而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源,而且价格昂贵,用在单色条屏的控制中颇感浪费。
[19]于是最佳选择为STC89C52系列单片机,其最高时钟能到40MHz,且有较丰富的接口及存储器资源,价格极其低廉,零售价仅为9元/片,大幅降低了产品成本。
2.5关于点阵数据的存储方式
目前使用最广泛的技术是,通过上位机软件将待显示的字符串转换为对应的点阵字模数据,通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在E2PROM中。
在条屏显示的过程中按规定的方式取出E2PROM中的字模数据进行处理。
对于一个16×
16点阵的汉字字模数据,需要连续32字节的E2PROM空间来存储。
照此计算,若有256个需要显示的字符,则至少需要32B×
256=8192字节(8KB)的E2PROM存储空间。
通常的单片机内部没有集成这么大容量的E2PROM[16]。
因此这种方案,需要在单片机外部扩展大容量的E2PROM,增加硬件成本。
上位机程序设计由于涉及到汉字取模,取模算法的难度较大。
在多字下载的时候传输时间也较长。
诸多弊端使本设计放弃了传统方案。
因为本设计只需要很少的显示内容所以直接保存在STC89C52中是足够的,因此没有使用外部设备。
第3章硬件电路设计
本章介绍了点阵显示系统的硬件电路设计,包括整体设计框图,主控电路,LED点阵显示电路,电路原理图,硬件电路图。
3.1整体设计框图
经过对此设计的分析,为了能够实现要求,利用单片机STC89C52作为本系统的主控模块。
LED点阵显示屏作为显示模块,把单片机传来的数据显示出来,并且可以实现滚动显示。
硬件整体设计框图如图3-1所示:
图3-1整体设计框图
3.2主控电路
此方案通过主控电路控制完成LED点阵显示屏的字符滚动显示,主控制器使用STC公司生产的单片机STC89C52。
3.2.1STC89C52单片机简介
STC89C52是STC公司推出的一款超强抗干扰,加密性强,在线可编程,高速,低功耗CMOS8位单片机。
片内含8kbytes的可反复擦写Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大的STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
[14]
一:
STC89C52外部结构及特性
其外形封装有两种方式:
双列直插式40脚封装(DIP)和方形44脚封装(PLCC),直插式40脚封装(DIP)和外部总线结构如图3-2和图3-3所示:
图3-2STC89C52引脚排列图3-3外部总线
STC89C52的4个8位I/O口的功能说明如下:
(1)P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;
在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
(2)P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
(3)P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
(4)P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
P3口亦作为AT89C52特殊功能(第二功能)使用,如下所示:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外部中断0输入口)
P3.3INT1(外部中断1输入口)
P3.4TO(定时器0外部输入)
P3.5TI(定时器1外部输入)
P3.6WR(外部数据存储器写选通信号)
P3.7(外部数据存储器读选通信号)[2]
二:
功耗特性
(1)掉电模式:
典型功耗<
0.1uA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序
(2)空闲模式:
典型功耗2mA
(3)正常工作模式:
典型功耗4mA-7mA
(4)掉电模式可由外部中断唤醒,适用于水表,气表等电池供电系统及便携设备
三:
STC单片机的命名规则
命名规格如图3-4所示:
STC89xxxxxx—40x-xxxx
何种封装:
如PDIP,PLCC,PQFP
工作温度范围:
I:
工业级,-40℃~+85℃
C:
商业级,0℃~70℃
工作频率:
25:
工作频率可到25MHz
40:
工作频率可到40MHz
50:
工作频率可到50MHz
RAM大小:
RC:
RAM为512
RD+:
RAM为1280
程序空间大小,如:
51是4K字节,52是8K字节,53是15K字节,
54是16K字节,58是32K字节,516是64K字节
工作电压:
5.5V~3.8V
LE:
2.4V~3.8V
STC12T/6T8051
图3-4STC单片机的命名规则
四:
STC89C52的内部组成
STC89C52单片机在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、看门狗和多种功能的I/O口设备的等,相当于一台计算机所需要的基本功能部件。
[1]
STC89C52单片机内包含的具体部分如下:
一个8位CPU。
一个片内振荡器及时钟电路。
8KBFlash程序存储器。
256BRAM数据存储器。
三个16位定时器/计数器。
可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器空间的控制电路。
32条可编程的I/O线(4组8位并行I/O端口)。
一个可编程全双工串口通信。
8个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
STC89C52单片机的框图如图3-5所示,各功能部件由内部总线连接在一起。
图3-5STC89C52单片机框图
五:
特殊功能寄存器SFR
表3-1单片机内核特殊功能寄存器
表3-2系统管理特殊功能寄存器
表3-3中断特殊功能寄存器
3.2.2主控模块电路原理图
主控模块电路原理图如图3-6所示:
图3-6主控模块电路原理图
3.3LED点阵显示电路
本设计使用的是4块8*8单色点阵屏设计16*16点阵屏,采用单色显示,进行显示所要显示的字符,通过C9012三极管(PNP型小功率)来控制点阵的行方向的显示,而列方向的16条线则由74HC595的八位并行输出端控制。
3.3.1LED点阵显示模块
组合型LED点阵显示器模块,以发光二极管为像素,它用高亮度发光二极管芯阵列组合后,环氧树脂和塑模封装而成。
这种一体化封装的点阵LED模块,具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
LED点阵规模常见的有4×
4、4×
8、5×
7、5×
8、8×
8、16×
16等等。
本次毕业设计采用最常见的8×
8单色LED点阵显示器的内部电路结构如图3-7:
图3-78×
8单色LED模块内部电路
LED点阵显示模块的显示驱动只能采用动态驱动方式,每次最多只能点亮一行LED(共阳形式LED显示点阵模块)或一列LED(共阴形式LED显示点阵模块)。
微机通过总线操作控制来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、暗控制操作。
以此类推,可实现整屏LED点阵的亮、暗控制,从而实现LED显示屏汉字或图象的显示控制操作。
8*8点阵显示模块结构原理及引脚图和16*16点阵电路图如图3-8和图3-9所示:
图3-88×
8点阵LED显示模块结构原理及引脚图
图3-916×
16点阵电路图
3.3.2C9012三极管
9012是非常常见的晶体三极管,在收音机以及各种放大电路中经常看到它,应用范围很广,它是PNP型小功率三极管。
(1)9012的引脚图如图3-10:
图3-109012引脚图
其中:
1、发射极 2、基极 3、集电极
集电极-发射极电压-30V
集电极-基电压-40V
射极-基极电压-5V
集电极电流0.5A
耗散功率0.625W
结温150℃
特怔频率最小150MHZ
放大倍数:
D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300
(2)16个C9012三极管构成的行驱动电路原理图如图3-11:
图3-11行驱动电路原理图
3.3.374HC595的总体特点和工作原理
1)总体特点:
74HC595是8位串行输入转并行输出移位寄存器,三态输出功能,具有数据存储寄存器,移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp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。
在移位的过程中,输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处,数码管没有闪烁感。
[7]其DIP封装引脚图如图3-12,各引脚及其功能表如表3-4所示:
图3-1274HC595引脚图
表3-474HC595各引脚及其功能
Q0~Q7
八位并行输出端
Ds
串行数据输入端
/OE
输出使能端
STcp
存储寄存器的时钟脉冲输入口
SHcp
移位寄存器的时钟脉冲输入口
/MR
芯片复位端
Q7'
并行数据输出口,即储寄存器的数据输出口
2)工作原理
每当SHcp上升沿到来时,Ds引脚当前电平值在移位寄存器中左移一位,在下一个上升沿到来时移位寄存器中的所有位都会向左移一位,同时Q7'
也会串行输出移位寄存器中高位的值,这样连续进行8次,就可以把数组中每一个数(8位的数)送到移位寄存器;
然后当STcp上升沿到来时,移位寄存器的值将会被锁存到锁存器里,并从Q1~7引脚输出。
[11]74HC595的主要优点是具有数据存储寄存器,在移位的过程中,输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处,点阵没有闪烁感。
74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度,每个并行输出
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