基于单片机的LED显示系统设计毕业论文Word文档下载推荐.docx
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TheLEDdisplayscreenisadotmatrixarrangementofdiodewhatcouldemittinghighbrightness,anddisplayingdigital,text,graphic,andotherinformationinacertaincontrolmode.
TheLEDdisplayscreenhastheadvantagesofhighbrightness,lowpowerconsumptionandlowprice.ThecurrentLEDdisplaysystemismainlybasedontheARMcontrollerfortheLEDdisplayandFPGAcontrollerfortheLEDdisplay.However,theadvantagesofSCMiswhatothercontrollersdonothave.TheSTC89C51seriessinglechipisverypopularinourcountry,Andithashighefficiency,lowpriceandgoodstability.Modelcomplete,convenientapplication,suitableforvariousapplicationrequirements;
hastheadvantagesofsimplestructure,convenientuse,longworkingsecurity;
strongprocessingability,fastrunningspeed;
thelowpowerconsumption,easytocarry,canbeusedforsmallsizeproducts;
strongcontrolfunction;
strongabilitytoadapttotheenvironment.Ifitisthecoreofthecontrolsystem,wecangreatlyreduceresearchanddevelopmentcostsandtime.Therefore,themainpurposeofthisexperimentaldesignisusingthewidelyused89C51microcontrollerasthecoreofthedisplaycontrolsystem,programmingthroughtheClanguage,throughtheUSBinterfacetoachievesingle-chipmicrocomputercontrolsystemandLEDdisplaysystemconnection.Finally,usingLEDdisplaytorealizescrollingdynamicdisplayofcontent.
Keywords:
LEDdisplayscreen,STC89C51singlechip,Clanguage,KeilC51
1引言
随着科学技术尤其是网络技术的发展,数字化媒体内容逐渐成为当今信息社会的主流,而新型多媒体显示设备成为人们接触信息的工具。
在历史的发展过程中曾出现过各种各样的媒体设备,他们也各有利弊,阴极管的亮度高,色彩好,价格便宜但是有频闪,体积较大不易携带,耗电量大,并且线性失真较为严重;
LCD显示器虽然显示效果良好,但是存在可视角度小,电路复杂,面积受限等缺点;
影像投影设备的清晰度差,显示效果弱,亮度小;
而LED显示屏以其优异的性能特点在其中脱颖而出。
LED的组成包括电极、PN结与光学系统,LED的主要特点有工作所需功率低,质量高,不易损坏;
使用寿命长;
发光强弱可以通过调节电流来很方便的控制。
基于以上特点,LED在许多用户眼里饱受青睐,被广泛用作信号显示器及光源,极大的方便了人们的生活。
随着发光二极管亮度的增强及色彩的丰富,LED在二十世纪末期实现了户外全色显示功能[1]。
但是大尺寸LED主要应用在大型公共场所,而日常生活中应用到的显示屏主要是小尺寸单色显示的条形显示屏,虽然工艺要求和成本不高,但实现显示功能有限。
目前LED领域的大部分资金都流入了中高端LED市场,但是从用户数量,应用的广泛性方面考虑,加大低端LED技术的资金技术投入,丰富低端显示屏功能,提高显示屏的性能,降低操作难度是众望所归。
因此,降低生产成本,提高LED的性价比变得十分有必要。
结合单片机的种种优势及C语言的编程工具的简便易操作,将三者通过一定方式进行连接,实现单片机对LED的实时控制并转化LED的动态显示就变得简单可操作了。
2基于单片机的LED显示系统的相关技术
本次研究是利用C语言写出程序控制单片机实现发光二极管的动态显示功能,因此本次研究设计的硬件部分主要是STC89C51系列单片机及发光二极管的控制与连接[2],软件部分则是根据C语言编写出一整套程序,控制单片机按照研究方案进行操作。
2.1单片机介绍
单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片,是把中央处理器、存储器、定时器和计数器、输入输出端口等集成到一起,相当于一个微型计算机[3]。
由于单片机性价比极高并且功能强大,能帮助人们很方便的进行研究实验与应用,因此在工业控制领域被广泛应用。
大到各种智能设备的芯片控制,小到家庭中普通的遥控器等,这些器件的核心控制都与单片机有关。
单片机的基本结构主要由控制器,运算器及储存器等构成[4]。
运算器的内部结构由由算术逻辑单元、寄存器和累加器三部分组成。
算术逻辑单元能对累加器和寄存器中的数据进行各种运算操作,并将运算结果放入累加器中[5]。
运算器不但能够执行各种算数运算和逻辑运算,而且能够进行逻辑测试。
运算器的运行所需的指令全部是由控制器发出的,并且一个操作指令只能执行一个操作。
控制器由程序计数器、指令译码器和寄存器、操作控制器以及时序发生器等组成,是单片机中的“大脑中枢”,可以指挥控制单片机的的全部操作。
控制器的主要功能是译制并检测指令信号,发出相应的操作控制信号,从而实现各种操作的执行;
控制中央处理器、储存器和I/O设备三者之间的数据传输[6]。
单片机总线又有内部总线与外部总线之分,内部总线主要负责联接各种寄存器储存器与控制器,而外部总线能实现与各种外围设备的连接。
外部总线即人们常说的系统总线,分为数据总线、控制总线和地址总线三大类[7]。
单片机中的主要寄存器有程序计数器、指令译码器、累加器、地址寄存器、指令寄存器和数据寄存。
累加器是使用频率最高的寄存器。
在算术和逻辑运算时它有双功能:
运算前,可以作为存储器来保存需要运算的数据;
运算后,用于保存运算结果。
数据寄存器经过数据总线向输入输出设备和存储器处理暂存单元的数据。
它可以保存即将存储于储存器中的数据也可以保存一条译码指令。
指令寄存器可以用来保存正在执行的指令[8]。
当指令执行时,首先需要从储存器放到数据寄存器中,然后传送到指令寄存器。
当系统执行该指令时,必须首先译制操作码,明确操作目的及要求,这项任务就交给了指令寄存器。
指令译码器和指令寄存器是相辅相成的,指令译码器的输入在指令寄存器中就是操作码字段的输出。
地址寄存器用来保存中央处理器正在访问的内存单元或输入输出设备的地址。
由于内存和处理器的运行速度不同,所以地址信息必须通过地址寄存器进行保存,直到内存指令操作结束[9]。
单片机大致经历了SCM,MCU及当前较流行的嵌入式等三个不同阶段。
SCM即单片微型计算机(Microcontrollers),单片机早期的发展目的主要是为了找到最恰当的以单片形态嵌入系统的结构[10]。
而该目的最终成功,决定了SCM最终走向了一条与通用计算机的发展完全不同的更便利的道路。
MCU就是人们常说的微控制器(MicroControllerUnit),单片机的发展到了中期主要革新的方向是在发展嵌入式应用的同时,满足应用系统需要的的各种外围与接口电路,着重发展控制对象系统能力的智能化[11]。
由于MCU的应用集中在对象系统领域,因此,MCU的发展主要集中在电子电气领域。
单片机当前发展的趋势主要是嵌入式系统(systemonachip),嵌入式系统的独立发展也体现在单片机的发展应用上,单片机在MCU发展方面的首要问题,就是寻求芯片最大化容纳应用系统的解决,因此,嵌入式系统化趋势就成为了专用单片机的发展方向[12]。
随着IC设计、微电子技术及大规模集成化技术的发展,基于单片机应用系统的嵌入式发展将会有极大的进步。
因此,了解单片机的特点,掌握并熟练应用单片机的嵌入式就变得很有意义。
单片机具有以下特点:
高度集成化,在一个很小的芯片上就能集成一个功能全面的单片机[13];
结构简单,使用便利;
单片机可靠性强,工作时长有保障;
2.2MCS-51芯片简介
MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、并行/串行接口以及中断系统等单元及数据总线、地址总线、控制总线等三大总线[14],MCS-51单片机的结构如图1。
图1MCS-51单片机内部结构
·
中央处理器
中央处理器作为单片机的“大脑中枢”,能很好的对数据进行处理并协调控制系统运行,并进行数据运算等操作。
数据存储器
MSC-51内部有统一编址的128个专用寄存器单元和数据存储单元,专用寄存器可以用来存放存储指令和数据,用户没有操作权只能访问,不能对其进行其他操作,所以,用户只有128个RAM可用来存放数据,运算的结果和字型表。
程序存储器
MCS-51共有4096个8位掩膜ROM,用来存放用户自定义的程序以及数据[15]。
定时/计数器
MCS-51有两个16位的可编程定时/计数器,帮助用户实现定时以及计数功能,从而用来控制程序的运行与转向。
并行输入输出端口
MCS-51共有4组8位输入输出端口,用来输入与输出数据。
全双工串行口
MCS-51内置全双工串行口,负责将串行数据传送到其它设备间,同时也可以用作异步通信收发器和同步移位器[16]。
中断系统
MCS-51中断系统具有丰富的中断功能,包括两个定时/计数器中断,两个外中断以及一个串行中断,适用于多方面的应用途径。
时钟电路
MCS-51时钟电路的频率最多可以达到12MHz,在外置震荡电路的配合下能够产生单片机运行所需的脉冲时序。
2.3C语言简介
C语言是一门广泛应用的计算机编程语言,兼备了高级语言和汇编语言的优点,既能够用作系统工作设计语言编写系统应用程序,又能够编写独立的应用程序语言。
C语言的基本构成包括数据类型、常量和变量、指针和数组及字符串等,具有结构简单,操作方便,具有丰富的运算符,通过灵活运用可以实现许多高级语言都无法实现的功能,:
数据类型也很丰富,包括整型、实型、字符型、指针类型、共用体类型等,可以帮助用户完成许多复杂的数据结构运算,尤其是指针的出现,极大的丰富了人们的工具,使程序设计更加简单方便快捷。
并且C语言的表达方式灵活,不拘泥于一种单一的表现形式,能够从多个方面去设计开发程序。
另外,C语言的可移植性和表达力强,能够不加改变就可完全移植到其他不同的语言环境中去直接引用,极大的提高了用户的效率。
因此,本次研究设计的程序编程采用C语言工具来完成是很有必要并且正确的。
3基于单片机的LED显示系统设计及实现
3.1系统工作原理
本次研究设计以C51单片机为整个系统的核心控制器件,显示方式采用发光二极管作为显示器件,发光二极管的位控线由单片机的P1口来控制,而其段控线用P0口来控制[17]。
数码管的的动态显示一般都是通过实时的动态扫描的方法进行的,即每次扫描周期都只点亮一个数码管,这样虽然每次都只有一个数码管被点亮,但由于人眼的视觉方面的不足,只要每两位数码管之间被点亮的间隔时间足够短,就可以把静态显示的效果处理的与动态显示在视觉上的效果一样,从而给人以一种在同时显示的错觉,这样就能够节省出大量的输入输出端口,并且也能够很大的降低实验器材的能耗。
译码驱动电路能提供足够的工作电流以确保数码管正常工作。
3.2系统硬件设计
本次实验系统目的是要完成通过单片机并以其为中心的发光二极管的滚动式动态显示,在8位数码管上实现数字1-8的循环显示,从而达到滚动式的动态效果。
熟悉单片机工作原理后,开始连接线路:
把单片机的P0口和数码管的a-h端相连,控制数码管的段选及其所显示的具体数字[18];
将单片机的P1.0-P1.2端口与译码器的ABC三个端口相连[19];
把译码器的Y0-Y7端口与数码管的8个端口相连进而控制数码管的位选,用来确定具体的数码管执行操作。
另外,进行单片机的最小系统电路设计,包括时钟振荡电路以及复位电路,时钟震荡电路提供系统时钟[20],复位电路负责单片机的上电和出错复位功能,时钟频率为常用的12MHz。
由于实验设计所需的电源电压均为5V,因此可利用普通变压器将9V电压通过整流滤波进入稳压器从而得到实验平台所需要的的5V稳压电源。
系统整体框架如图2。
图2系统硬件框架图
3.3系统软件设计
本次实验是通过单片机控制LED显示屏实现数字的滚动显示,因此需设计出高效简洁的程序来驱动系统的核心单片机有效的工作,相对于汇编语言来说,C语言更加简洁高效,并且C语言简单易学,所以程序的编写采用C语言来完成。
3.3.1程序设计方法
由于本次实验中数码管只能逐次被点亮,所以,若要满足实验设计需求,必须保证让数码管依次轮流显示才可以。
同时,为了让人眼看上去是动态的显示效果,数码管显示的时间不能少于1ms但同时不能大于3ms,并且每隔0.5ms就必须刷新一个数码管。
0.5ms的刷新时间由51单片机中的定时/计数器来控制完成。
根据上述实验要求与指导,规定在数码管进行动态显示时,首先要通过单片机预设8个显示存储区,每个显示存储区内需要存储有不同的显示数据。
在编程时,根据想要显示的数据预先向P0口输入数据来显示出所需数据。
显示数据的16进制代码如表1所示。
3.3.2C语言程序设计
本次研究的程序编程采用C语言工具来完成,通过参照表1所示的数字1-8的16进制代码表,将机器不能识别的数字转换成16进制的机器语言,从而实现程序的正确编写。
表1各数字16进制代码表
显示数字
P0.7
P0.6
P0.5
P0.4
P0.3
P0.2
P0.1
P0.0
16进制代码
1
C0H
F9H
2
A4H
3
B0H
4
99H
5
92H
6
82H
7
F8H
8
80H
#include
#define
uchar
unsigned
char
uint
int
sbit
duan=P1^6;
wei=P1^7;
temp=0x01;
code
tab[]={0xc0,0xf9,0xA4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8};
a=0;
void
delay(uint
z);
main()
{
while
(1)
wei=1;
P2=temp;
wei=0;
duan=1;
P2=tab[a];
duan=0;
delay(300);
temp=_crol_(temp,1);
a++;
if(a==16){a=0;
}}
}
z)
x,y;
for(x=z;
x0;
x--)
for(y=120;
y0;
y--);
}
3.4研究成果与分析
本次实验通过将单片机的P0口和数码管的a-h端相连,进而控制数码管的段选及其所显示的具体数字,并将单片机的P1.0-P1.2端口与译码器的ABC三个端口相连,把译码器的Y0-Y7端口与数码管的8个端口相连进而控制数码管的位选,用来确定具体的数码管执行操作。
另外,通过时钟振荡电路提供系统时钟,复位电路负责单片机的上电和出错复位功能。
通过C语言设计程序控制单片机,最终实现数码管每隔0.5ms就刷新一次,使数码管最终能实现1-8的动态显示。
显示效果如图3。
图3基于单片机的LED显示成果图
4结论
本次研究最终完成了一种以STC89C51单片机为控制单元的的发光二极管的动态显示设计,通过应用较为广泛的STC89C51单片机作为显示控制系统核心,在C语言环境下对其进行编程,通过USB接口实现单片机控制系统与LED显示系统的连接,利用LED显示屏实现欲显示内容的滚动式的动态显示。
综合本次研究过程与结果得出该研究的系统硬件设计与软件程序设计目的明确,思路清晰,方案简便可行。
实现了系统硬件设计、系统软件设计及KeilC51软件的综合运用。
通过KeilC51对编写的C语言程序进行功能测试及仿真的工作情况,程序正确简洁,能很好的执行操作并最终完成了该次研究设计。
本次研究设计的结果充分说明了利用C语言编写程序控制单片机进而实现LED的动态显示的方案是切实可行的,并且操作简单,使用方便,能在日常的生活中被广泛应用。
综述
单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的三个发展趋势:
低功耗CMOS化,微型单片化以及大容量高性能方向发展。
CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
目前,单片机内ROM最大可达64KB,RAM最大为2KB。
另外单片机进一步改变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100MIPS,并加强了位处理、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,可以使用软件模拟其I/O功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
随着单片机的不断发展,以及驱动电路及控制方式的不断提高,LED显示屏定会朝着更高像素密度、更高速、超薄、低功耗、轻型等方面发展。
由于LED像素密度的不断提高、驱动速率的突破性进步,高清3D的发展前景也是不可估量。
展望未来会有更多的单片机LED显示系统作为显示器进入室内更多的场合,所以,单片机LED显示系统的发展前景是一片美好的。
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