单片机控制LED的动感广告牌设计.docx

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单片机控制LED的动感广告牌设计

江西航空职业技术学院

毕业设计说明书（论文）

课题名称：

单片机控制LED的动感广告牌设计

航空电子设备维修专业081331班

学生姓名：

艾瑜学号59

指导老师：

范志刚技术职称______________

2011年4月3日

江西航空职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

学生姓名：

艾瑜班级：

081331

1.毕业设计（论文）题目：

单片机控制LED的动感广告牌设计

2.毕业设计（论文）使用的原始资料数据及设计技术要求：

1、单片机原理及应用；2微型计算机控制技术；3数字电子技术

以AT89C51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。

3.毕业设计（论文）工作内容及完成时间：

本设计以AT89C51芯片为核心，由时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路（74HC154）、16×16 LED点阵、数据存储电路等单元电路组成。

日期：

自2010年12月15日至2011年4月3日

指导老师评语：

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

指导老师：

_______________系主任：

____________

目录

毕业设计（论文）任务书2

摘要5

关键词5

1本设计任务6

2显示屏概述6

3LED显示屏控制技术7

4 汉字的点阵显示及字库代码获取7

5总体设计方案8

6AT89C51单片机概述8

6.1AT89C51单片机的结构8

6.2管脚说明9

6.3振荡器特性12

7系统硬件设计12

7.1时钟电路12

7.2复位电路12

7.3列扫描驱动电路13

7.4数据存储电路设计15

7.516×16 LED点阵16

八程序设计17

程序清单18

附录一总原理图21

原件清单22

设计总结23

参考文献24

摘要

在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示图形和汉字。

LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。

随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所，例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息豆示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。

显然，LED显示已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。

　　本设计基于单片机（AT89C51）讲述了16×16 LED汉字点阵显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编译与下载等基本环节和相关技术。

关键词：

AT89C51、16*16LED、广告牌

1本设计任务

现在市场上各类基于LED的显示屏较多，但大部分产品为单一模式的LED显示屏，其在显示内容的更换及显示屏的重组等方面都存在不便之处。

但随着信息化社会的迅速发展，LED显示屏正在向显示内容丰富、信息更改方便等方面发展。

因此制作一款多功能的LED广告显示屏是非常有意义地。

本设计即以AT89C51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。

2显示屏概述

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。

目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。

一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。

国内的另一种LED显示屏——可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。

随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。

因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。

而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。

3LED显示屏控制技术

显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。

LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术采用动态扫描方式，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。

室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光二极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为100%。

动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。

4 汉字的点阵显示及字库代码获取

我们以UCDOS中文宋体字库为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。

即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。

我们可以把每一个点理解为一个象素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。

事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256象素范围内的任何图形。

如查用8位的AT89C51单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分。

为了弄清楚汉字的点阵组成规律，首先通过列扫描方法获取汉字的代码。

汉字可拆分为上部和下部，上部由8×16点阵组成，下部也由8×16点阵组成。

在此例举显示“大”字，通过列扫描方法首先显示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00～P07口，方向为P00到P07，显示汉字“大”时，P05点亮，由上往下排列，为：

P0.0灭，P0.1灭，P0.2灭P0.3灭，P0.4灭，P0.5亮，P0.6灭，P0.7灭。

即二进制00000100，转换为十六进制为04h。

上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，即从P27向P20方向扫描，这一列全部为不亮，即为00000000，十六进制则为00h。

依照这个方法转向第二列、第三列，…，直至第十六列的扫描，一共扫描32个8位，可以得出汉字“大”的扫描代码为：

由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出他的扫描代码从而显示在屏幕上。

5总体设计方案

本设计采用AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路（74HC154）、16×16 LED点阵、数据存储电路6部分组成。

6AT89C51单片机概述

6.1AT89C51单片机的结构

AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写／擦循环，

数据保留时间为10年。

他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。

6.2管脚说明

图1AT89C51引脚图

VCC：

供电电压；GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

6.3振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

7系统硬件设计

由AT89C51芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路（74HC154）、16×16 LED点阵、数据存储电路6部分组成。

7.1时钟电路

时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端（XTALl及XTAL2）以及12 MHz晶振、电容组成，采用片内振荡方式。

电路图如下图2:

图2

7.2复位电路

复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻，电容，开关S组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。

电路图如下图3：

图3

7.3列扫描驱动电路

此设计中列扫描驱动电路是由74HC154实现的，74HC154为4线—16线译码器，适合用于高性能存储器的译码器，当两个选通输入G1、G2为低时，它可将4个二进制编码译成16个互相独立的输出之一。

实现调节功能的办法是用4个输入线写出输入线的地址，使得一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。

但任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。

其管教图及功能表如下图4、表1所示：

图4

表1

列扫描驱动电路原理图如下图5所示：

图5

如图5LED的行扫描端接到单片机89C51的P0口，列扫描端接置LED端，使LED发光。

（Y0—Y15）通过P0口为LED的显示给出相应的数据。

7.4数据存储电路设计

数据存储电路由串行EEPROM24C256组成。

24C256是美国CATALYST公司出品的一个1-256K位的支持I2C总线数据传送协议的串行CMOSE2PROM，可用电擦除，可编程自定时写周期（包括自动擦除时间不超过10ms典型时间为5ms）的串行E2PROM。

该芯片有两种写入方式，一种是字节写入方式，还有另一种页写入方式。

允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节的编程写入。

24C256的引脚排列及引脚功能描述如图6和表2：

图624C256的引脚排列图

管脚名称

功能

A0z、A1、A2

器件地址选择

SDA

串行数据/数址

SCL

串行时钟

WP

写保护

Vcc

1.8V～6.0V

Vss

地

表2引脚功能描述

数据存储器的设计原理图如图7所示：

图7数据存储电路设计原理图

路仅由芯片24C256组成，SCL为串行时钟引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。

SDA为串行数据/地址，这是一个双向传输端，用于传送地址和所有数据的发送或接收。

当LED显示屏控制系统工作时，单片机89C51通过读SDA和SCL脚读取24C256中的内容，并将其显示于LED显示屏上。

也可以通过上位机（PC机）将编辑好的数据内容下载到24C256芯片内。

7.516×16 LED点阵

LED点阵显示屏采用16×16共256个象素的点阵，我们把行列总线接在单片机的IO口，然后把上面分析到的扫描代码送人总线，就可以得到显示的汉字了。

但是若将LED点阵的行列端口全部直接接入89S51单片机，则需要使用32条IO口，这样会造成IO资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。

因此，我们在实际应用中只是将LED点阵的16条行线直接接在P0口和P2口，至于列选扫描信号则是由4-16线译码器74HC154来选择控制，这样一来列选控制只使用了单片机的4个IO口，节约了很多IO资源，为单片机系统扩充使用功能提供了条件。

考虑到P0口必需设置上拉电阻，我们采用4.7 kΩ排电阻作为上拉电阻。

汉字扫描显示的基本过程：

通电后由于电阻R1，电容C1的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C2，C3，X1以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机89C51按照设定的程序在P0和P2接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行选线（高电平驱动），同时在P1.1，P1.2，P1.3，P1.4接口输出列选扫描信号（低电平驱动），从而选中相应的象素LCD发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。

八程序设计

软件程序主要由开始、初始化、主程序、字库组成。

其中主程序和子程序的流程图分别如图8和图9所示

图8图9

以下以显示一个“为”字为例写出程序：

程序清单

ORG0000H

LJMPMIN

ORG0030H

MIN:

MOVSP,#60H

MIX:

SETBP1.0

MOV30H,#09H

MOVDPTR,#TAB

L1:

LCALLMIC

CLRC

MOVA,DPL

ADDA,#32

MOVDPL,A

MOVA,DPH

ADDCA,#00H

MOVDPH,A

DJNZ30H,L1

LJMPMIX

;****************************************

MIC:

SETBP1.0

LP:

MOV31H,#80

MOV32H,#16

MOVR1,#1EH

MOVR2,#00H

EN:

MOVA,R2

MOVCA,@A+DPTR

MOVP2,A

INCR2

MOVA,R2

MOVCA,@A+DPTR

MOVP0,A

INCR2

MOVA,R1

MOVP1,A

LCALLDEL

SETBP1.0

RRA

DECA

RLA

MOVR1,A

DJNZ32H,EN

DJNZ32H,LOOP

RET

;******************************************

DEL:

MOV34H,#2

DL0:

MOVR4,#250

DJNZR4,DEL

DJNZ34H,DL0

RET

;************************************************

TAB:

DB;“为”

DB04H,00H,04H,02H,04H,04H,44H,08H

DB24H,10H,34H,20H,04H,0C0H,07H,00H

DB0FCH,40H,04H,20H,04H,32H,04H,01H

DB04H,02H,0FH,0FCH,04H.00H,00H,00H

;其它字在此添加

END

附录一总原理图

原件清单

AT89C51单片机一个

LED点阵（16*16）屏一个

74HC154一个

24C256一个

4.7K（8个）排阻两个

电阻10K两个、1K一个、200欧一个

电容33pF两个、22uF一个

晶振一个

设计总结

在本设计中我用简短的汇编程序在LED显示屏实现了汉字的右移滚动显示。

在设计中采用的芯片有AT89C51、74HC154和1个16×16LED点阵显示器。

其特点：

1.内容能从右向左浮动显示。

2.硬件结构简单，应用广泛。

3.LED数码管动态扫描显示，工作效率高，价格低廉等。

通过本次的设计，理论知识学习和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。

为后继的学习和工作奠定的基础。

在完成此设计过程中，我曾多次去找我的指导老师，范志刚老师，每次在遇到实验中遇到困难或者程序看不懂的时候，我都去找范老师，范老师每次都不厌其烦，不辞辛苦的给我细心讲解指导，在此对老师表示忠心感谢！

最后还要感谢给我很多帮助的同学们！

参考文献

[1]李建忠编著.单片机原理及应用.西安：

西安电子科技大学出版社，2002

[2]李群芳，肖看编著.单片机原理、接口及应用.北京：

清华大学出版社，2005

[3]于海生编著.微型计算机控制技术.北京：

清华大学出版社，2008

[4]戴梅萼，史嘉权编著.微型计算机技术及应用（第3版）.北京：

清华大学出版社，2008

[5]江晓安，董秀峰编著.数字电子技术（第二版）.西安：

西安电子科技大学出版社，2005