基于51单片机控制的点阵LED电子显示屏设计毕业设计Word格式.docx
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第1章绪论
1.1单片机的发展史
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
第一个阶段是SCM,即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
创新模式获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
第二个阶段是MCU,即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
第三个阶段是SOC,即单片机嵌入式系统。
单片机的嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;
因此,专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
1.2单片机的发展趋势
CMOS化,近年由于CHMOS技术的进步,大大地促进了单片机的CMOS化。
CMOS芯片除了低功耗特性之外,还具有功耗的可控性,使单片机可以工作在功耗精细管理状态。
这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。
因为单片机芯片多数是采用CMOS(金属栅氧化物)半导体工艺生产。
CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。
采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快,但功耗和芯片面积较大。
随着技术和工艺水平的提高,又出现了HMOS(高密度、高速度MOS)和CHMOS工艺。
CHMOS和HMOS工艺的结合。
目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度,传输延迟时间小于2ns,它的综合优势已在于TTL电路。
因而,在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
低功耗化单片机的功耗已从毫瓦级,甚至1uA以下;
使用电压在3~6V之间,完全适应电池工作。
低功耗化的效应不仅是功耗低,而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。
允许使用的电压范围越来越宽,一般在3~6V范围内工作。
低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。
目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB,RAM为64~128B。
但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。
为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。
目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。
高性能化主要是指进一步改进CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。
采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。
现指令速度最高者已达100MIPS(MillionInstructionPerSeconds,即兆指令每秒),并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。
这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
由于这类单片机有极高的指令速度,就可以用软件模拟其I/O功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
小容量、低价格化与上述相反,以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。
这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化,可广泛用于家电产品[1]。
外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。
随着集成度的不断提高,有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。
除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外,片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
串行扩展技术在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。
随着低价位OTP(OneTimeProgramble)及各种类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。
特别是I/C、SPI等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
单片机作为当前应用广泛的嵌入式系统的核心部分之一,具有体积小、速度快、功耗低、价格低廉等特点,在仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控等诸多领域得到广泛的应用。
例如,在冰箱、微波炉、洗衣机等家用电器中使用单片机控制系统,可以使它们更加智能地工作;
电话、传真、打印机中可以使用单片机系统控制拨号打印;
单片机还可以在工业控制和机电一体化系统中作为核心控制部件[1]。
为了顺应市场需求,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,低功耗、高性能,它们各具特色,为单片机的应用提供了广阔的天地。
在此文中所运用的是MCS-51系列单片机,MCS-51单片机卓越的性能深受广大单片机爱好者的喜爱。
本文运用的即是MCS-51单片机。
第2章8051单片机的体系结构
51单片机系统内部结构由8位中央处理器、时钟模块、I/O端口、内部程序存储器、内部数据存储器、2个16为定时计数器、中断系统和一个串行通信模块组成,如图2.1所示。
图2.1单片机系统内部结构图
51系列单片机内部模块的功能将要说明如下:
(1)中央处理器:
单片机的核心部件,执行预先设置好的程序代码,负责数据的计算和逻辑的控制。
(2)程序存储器:
存放程序代码。
(3)数据存储器:
存放程序执行过程中的数据。
(4)中断系统:
根据设置接收单片机的各中断事件,提交到处理器。
(5)时钟模块:
提供整个单片机所需要各个时钟信号。
(6)可编程串行口:
根据设置进行串行数据通信。
(7)16位定时计数器:
根据设置进行定时或计数工作。
(8)I/O端口:
与外部接口部件通信,进行数据交换。
2.1单片机基本内部资源
1.单片机内部资源
基于51核的单片机的内部资源如下:
(1)32个I/O端口,4组8位,可以位寻址。
(2)2-3个16位定时计数器。
(3)两个外部中断。
(4)5个中断源,2个中断优先级。
(5)一个全双工的异步串行口。
(6)128Byte以上的RAM。
(7)独立的,可扩展至64KB的ROM[2]。
8051单片机引脚图,如图2.2所示。
图2.2单片机引脚图
2.并行I/O口引脚(复用)
并行I/O口引脚(复用)如下:
(1)P0口——8位双向三态I/O口;
使用外存时,分时复用地址线(低8位)/数据总线。
(2)P1口——8位(带上拉电阻)准双向I/O口;
(3)P2口——8位准双向I/O口;
访问外存时只输出地址高8位;
(4)P3口——8位准双向I/O口;
每个脚还具有第二功能,如表2.1所示。
表2.1单片机引脚控制功能表
引脚
转义引脚
功能说明
P3.0
RXD
串行数据接收端
P3.1
TXD
串行数据发送端
P3.2
INT0
外部中断0请求
P3.3
INT1
外部中断1请求
P3.4
T0
计数器0外部输入
P3.5
T1
计数器1外部输入
P3.6
WR
外部数据存储器写
P3.7
RD
外部数据存储器读
3.控制引脚
控制引脚如下:
(1)RST:
复位信号,晶振工作后2个机器周期的高电平复位CPU。
(2)ALE:
地址锁存信号,用于访问外存时锁存低8位址,ALE为晶振6分频。
(3)PSEN:
外部程序存储器,从程序存储器中取指令或读取数据时,该信号有效。
(4)
:
允许访问片内外程序的存储器控制端。
当
=1从内部开始执行程序;
=0只访问外程序存储器。
4.电源及时钟引脚
电源及时钟引脚如下:
(1)X1:
接外部晶体此引脚接地,又是内部振荡器的输入端。
(2)X2:
接外部晶体的另一端,又是内部振荡器输出端。
(3)VCC,VSS:
电源和地。
+5V电源供电,使用TTL电平[6]。
2.2储存组织
1.算术逻辑单元ALU
算术逻辑单元是8位,主要功能是完成算术/逻辑运算。
2.寄存器
(1)通用寄存器(8位):
4组,8个寄存器R0—R7,R0和R1可用于间接寻址。
(2)特殊功能寄存器(SFR):
共有21个。
①累加器A(Acc):
8051是累加器结构,所有的运算都是以累加器为一个源操作数和目的操作数。
②累加器B:
乘、除指令中的一个操作数,可以作为一般变量使用。
③程序状态字PSW:
8位寄存器,保存指令执行状态,其状态表如表2.2所示。
表2.28位寄存器执行状态表
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Cy
AC
F0
RS1
RS0
OV
-
P
Cy:
进(借)位标志,保存算术运算的进或借位,位操作的累加器。
AC:
辅助进位标志,运算结果从D3产生进位或借位时AC=1,主要用于BCD码调整。
F0:
用户标志,可以使用的位变量,可以随PSW被保存。
RS1,RS0:
寄存器组选择如表2.3所示。
表2.3寄存器组选择表
M1M0
方式
地址
00组
(00H~07H)
01组
1
(08H~0FH)
10组
2
(10H~17H)
11组
3
(18H~1FH)
OV:
溢出标志位,有符号数运算结果超出允许范围OV=1,否则OV=0。
(双符号位00+无溢;
01+溢;
10-溢;
11-无溢。
)
P:
奇偶标志位,每个机器周期根据累加器A中的内容的奇偶性由硬件置1复位,A中1的个数为奇P=1;
否则P=0。
4堆栈及堆栈指针SP:
堆栈(存储区)按先进后出的原则读写数据,堆栈空间用内部RAM(256),用于保护现场和恢复现场。
堆栈指针SP为8位寄存器,指示栈顶位置。
进栈,SP+1,再压栈;
出栈,先出栈,再SP-1。
5数据指针寄存器DPTR:
16位寄存器,可以寻址64K地址空间。
⑥程序计数器PC(16位):
不属于SFR,但有联系,用于存放下一条的指令地址[2]。
2.3单片机系统外围电路
单片机外围电路一般有两块:
时钟电路(如图2.3所示)和复位电路(如图2.4所示)。
时钟电路由一个晶振和两个小电容组成,用来产生时钟频率。
复位电路由一个电阻、按键和一个电容组成,用来产生复位信号,使单片机上电的时候复位。
图2.3时钟电路
AT89C51单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器,XTAL1和XTAL2分别为振荡器电路的输入端和输出端,时钟可由内部和外部生成,XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就会产生自激振荡。
系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振频率选择12MHz,C1、C2的电容值取22PF,电容的大小频率起微调的作用[3]。
图2.4复位电路
单片机有多种复位电路,单片机复位电路的基本功能是:
系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤销复位信号。
为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分/合过程中引起的抖动而影响复位。
本系统采用电平式开关复位与上电复位方式,当上电时,C1相当于短路,使单片机复位,在正常工作时,按下复位时单片机复位。
在有时碰到干扰时会造成错误复位,但是大多数条件下,不会出现单片机错误复位,而可能会引起内部某些寄存器错误复位,在复位端加一个去藕电容,则会得到很好的效果[4]。
第3章LED电路
3.1LED简介
组合型LED点阵显示器以发光二极体为图素,它用高亮度LED晶粒进行阵列组合后,再透过环氧树脂和塑模封装而成。
具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
点阵显示器有单色和双色两类,可显示红,黄,绿,橙等。
LED点阵有4×
4、4×
8、5×
7、5×
8、8×
8、16×
16、24×
24、40×
40等多种;
根据图素的数目分为,单色、双原色、三原色等。
根据图素顏色的不同所显示的文字、图像等内容的顏色也不同,单原色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色,双原色和三原色点阵显示内容的顏色由图素内不同顏色发光二极体点亮组合方式决定,如红绿都亮时可显示黄色,如果按照脉冲方式控制二极体的点亮时间,则可实现256或更高级灰度显示,即可实现真彩色显示。
几种LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格,其他型号点阵的结构与引脚可试验获得,LED点阵显示器单块使用时,既可代替数码管显示数位,也可显示各种中西文字及符号,如5×
7点阵显示器用于显示西文字母,5×
8点阵显示器用于显示中西文,8×
8点阵用于显示中文文字,也可用于图形显示。
用多块点阵显示器组合则可构成大荧幕显示器,但这类实用装置常通过微机或单片机控制驱动。
由LED点阵显示器的内部结构可知,器件宜采用动态扫描驱动方式工作,由于LED管芯大多为高亮度型,因此某行或某列的单体LED驱动电流可选用窄脉冲,但其平均电流应限制在20mA内,多数点阵显示器的单体LED的正向压降约在2V左右,但大亮点∮10的点阵显示器单体LED的正向压降约为6V。
大荧幕显示系统一般是将由多个LED点阵组成的小模组以搭积木的方式组合而成的,每一个小模组都有自己的独立的控制系统,组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模组的命令和资料即可,这种方法既简单而且具有易展、易维修的特点。
LED点阵显示系统中各模组的显示方式有静态和动态显示两种。
静态显示原理简单、控制方便,但硬体接线复杂,在实际应用中一般采用动态显示方式,动态显示采用扫描的方式工作,由峰值较大的窄脉冲驱动,从上到下逐次不断地对显示幕的各行进行选通,同时又向各列送出表示图形或文字资讯的脉冲信号,反复以上操作,就可显示各种图形或文字资讯。
3.216×
16点阵LED原理及应用
图3.116×
16点阵LED实物图
16×
16点阵LED实物如图3.1所示。
设计时必须掌握点阵工作原理方能进行更深层设计。
16LED点阵其实就是4块8×
8点阵LED级联而成的,因此特给出
图3.28×
8点阵LED外观及引脚图
8×
8点阵LED的工作原理。
图3.2为8×
8点阵LED外观及引脚图,其等效电路如图3.3所示,只要其对应的X、Y轴顺向偏压,即可使LED发亮。
例如如果想使左上角LED点亮,则Y0=1,X0=0即可。
应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
而16×
16就是在8×
8原理的基础上将四块8×
8级联而成[5],如图3.4所示。
图3.38×
8点阵LED等效电路
图3.4四块8×
8点阵LED级联成16×
16点阵
3.3LED点阵的显示文字图形原理
汉字显示屏用于显示汉字、字符及图像信息,在公共汽车、银行、医院及户外广告等地方都有广泛的应用。
下面是简单的汉字显示屏的制作,由单片机控制汉字的显示内容。
为了降低成本,使用了四块8×
8的LED点阵发光管的模块,组成了一个16×
16的LED点阵显示屏,如图3.5所示。
在实际的使用中可以根据这个原理自行的扩展显示的汉字,下面是介绍汉字显示的原理。
LED驱动显示采用动态扫描方法,动态扫描方式是逐行轮流点亮,这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。
以16×
16点阵为例,把所有同一行的发光管的阴极连在一起,把所有同一列的发光管的阳极连在一起(共阴的接法),先送出对应第1列发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第1列使其燃亮一定的时间,然后熄灭;
再送出第2列的数据并锁存,然后选通第2列使其燃亮相同的时间,然后熄灭;
……第16列之后,又重新燃亮第1列,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,就能看到显示屏上稳定的图形。
该方法能驱动较多的LED,控制方式较灵活,而且节省单片机的资源。
显示数据可通过单片机的P0,P2口接驱动电路传输到点阵行引脚[6]。
LED点阵显示模块进行的方法有两种:
(1)水平方向(X方向)扫描,即逐列扫描的方式(简称列扫描方式):
此时用一个P口输出列码决定哪一列能亮(相当于位码),用另一个P口输出行码(列数据),决定该列上哪个LED亮(相当于段码)。
能亮的列从左到右扫描完16列(相当于位码循环移动16次)即显示出一个完整的图像。
(2)竖直方向(Y方向)扫描,即逐行扫描方式(简称行扫描方式):
此时用一个P口输出决定哪一行能亮(相当于位码),另一个
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- 基于 51 单片机 控制 点阵 LED 电子显示屏 设计 毕业设计