基于单片机控制的拉幕式数字显示设计.docx
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基于单片机控制的拉幕式数字显示设计
一、课题设计(论文)题目:
基于单片机控制的拉幕式数字显示设计
二、课程设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:
设计要求:
以MCS51单片机为核心,辅以外围接口电路,设计一个六位数码管拉幕式显示器。
要求在六位数码管上从右向左依次循环显示“0123456789”,并且能够看到比较平滑地拉幕的现象。
拉幕时间间隔采用定时/计数器控制为1.0s左右(误差不超过10%)。
1、单片机控制系统硬件电路设计,包括单片机时钟和复位电路的设计、数码管驱动和显示方式的选择设计等。
2、控制软件设计与调试,包括1.0s定时功能的实现、结合显示硬件电路设计显示软件程序等。
第一章单片机硬件电路介绍
1.1MCS-51系列单片机介绍
MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称,这一系列单片机包括了好些品种,如8031,8051,8751,8032,8052,8752等,其中8051是最早最典型的产品,该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的,所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机。
内部结构框图如下图所示
(1)中央处理器.为8位的CPU,包括运算器、控制器,同时还包括中断系统和部分特殊功能寄存器,主要完成运算和控制操作。
(2)内部数据存储器.有128B×8位的RAM和21个特殊功能寄存器,用于存放可读写的数据。
(3)内部程序存储器.有4KB×8位的ROM和程序地址寄存器,用于存放程序和原始数据.对8031而言内部没有程序存储器。
(4)定时器/计数器.有两个16位的定时器/计数器,实现定时或计数功能,并以其定时或计数结果对单片机进行控制,以满足控制应用的需要。
(5)并行I/O接口.共有4个8位的I/O接口(P0、P1、P2、P3),实现数据的并行输入、输出。
(6)串行口.有一个全双工UART的串行口,以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。
(7)中断控制系统.共有5个中断源,即两个外中断,两个定时/计数中断,1个串行中断,每个中断源均分为高级和低级两个优先级别。
(8)晶振电路.为单片机产生始终脉冲序列.典型的晶振频率:
6MHZ、12MHZ。
(9)位处理器.又称布尔处理器,可进行各种位操作。
(10)外部数据存储器寻址空间为64KB。
(11)外部程序存储器寻址空间为64KB。
(12)指令系统中包括111条指令,分为单字节、双字节、四字节指令,大部分为单字节指令。
MCS-51系列单片机内部各个部件都是通过内部总线连接,其基本结构采用CPU加外围芯片的结构模式,但在功能单元控制上采用特殊功能寄存器集中控制的算法,便于用户编程。
1.2MCS-51单片机引脚功能
MCS-51系列单片机是标准的40引脚DIP双列直插式封装的集成电路芯片,分电源线、端口线和控制线三种,其中有一些信号引脚赋予了双重功能。
各引脚介绍及功能如下:
(1)主电源引脚:
1)VCC:
电源端。
2)GND:
接地端。
(2)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。
①XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚。
当采用外部振荡器时,此引脚接地。
②XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚。
采用外部振荡器时,此引脚作为外部振荡信号的输入端。
(3)控制或与其他电源复用引脚RST,ALE/PROG,EA/Vpp。
1)RST:
复位输H入端。
当振荡器运行时,在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
2)ALE/PROG:
当访问外部存储器时,ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器,ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号。
3)PSEN:
程序存储允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号。
当80C51由外部程序存储器取指令时,每个机器周期两次PSEN有效。
但在此期间内,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
4)EA/Vpp:
外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器(地址为0000H~FFFFH),则EA端必须保持低电平(接到GND端)。
然而要注意的是,如果保密位LB1被编程,复位时在内部会锁存EA端的状态。
当EA端保持高电平(接Vcc端)时,CPU则执行内部程序存储器中的程序。
(4)输入/输出引脚P0~P3
①P0端口(P0.0~P0.7):
P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时,它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线,在访问期间激活了内部的上拉电阻。
②P1端口(P1.0~P1.7):
P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
③P2端口(P2.0~P2.7):
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P2作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
④P3端口(P3.0~P3.7):
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P3作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流(IIL)。
MCS-51单片机引脚排列如下图所示。
图1.2MCS-51的引脚结构
1.3数码管显示原理
数码管由8段共阴极二极管组成,分别对应a、b、c、d、e、f、g、dp。
h用于显示小数点,通过7个发光二极管亮暗的不同组合,可以显示多种数字、字母以及其他符号。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法:
共阳极接法和共阴极接法,本设计采用共阴极接法。
为了显示数字或字符,要为LED显示器提供显示字型代码。
字型代码可用硬件译码和软件查表方法实现。
使用LED显示时要注意区分这两种不同的接法所适应的硬件译码器或软件译码的代码。
LED显示器的字型各代码位的对应关系如下:
表1.1LED显示器的字型各代码位
代码位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
显示段
dp
g
f
e
d
c
b
a
LED显示器十六进制数的字形代码见下表。
在程序设计时,把下表作为表格存入存储单元,通过改变表格内容时字形变化,所以,用软件译码字形显示比较灵活性。
表1.2LED显示器十六进制数字形码
字形
0
1
3
4
5
6
7
8
9
共阳极代码
C0H
F9H
A4H
99H
92H
82H
F8H
80H
90H
共阴极代码
3FH
06H
5BH
66H
6DH
7DH
07H
7FH
6FH
1.4硬件电路设计
1.4.1设计方案分析
本课题的核心为采用单片机设计一个具有拉幕式数码显示效果的系统,我们可以通过采用MCS-51芯片和一片6LED数码显示管进行设计。
用MCS-51单片机的P1.0-P1.7端口接数码管的a-h端。
在8位数码管上从右向左间隔1s循环显示“0123456789”。
能够比较平滑地看到拉幕的效果。
针对数码管显示特性有两种设计方案提出,分别是采用数码管的静态显示和动态显示的方案。
数码管静态显示方案就是数码管由8个发光二极管组成的7段以及小数点,全亮时显示8和右下角一个点。
这样,如果8个LED的8个阳极内部接在一起接到高电平(+5V),阴极分别接上低电平(0V)。
这样,8个发光二极管由8个阴极控制,阳极接+5V,多位的话,比如3位,就是24个阴极控制,这就是静态显示。
与之相对应的是动态显示方案。
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的,但能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。
本次设计的方案采用数码管动态显示。
由P1.0-P1.7接口作为八位数码管输出端接通七段数码显示管,再选择P0.0-P0.5接口接至七段数码显示管的片选端,并通过清零与置一的方式来选通显示管。
通过此方式,我们直接通过MCS-51芯片驱动七段数码显示管工作,而无须其他扩展端口。
1.4.2各模块的说明与连接
本设计的硬件电路连接主要由8051单片机AT89C51和七段数码显示管7SEG-MPX6-CC-BLUE组成。
7SEG-MPX6-CC-BLUE是共阴极7段LED显示管,又叫数码管,主要由8段发光的二极管组成的不同组合,通过a-g这7个发光段的组合与h段的小数点显示可完成0-9和A-F共16个数字和字母显示。
本次设计采用的是如下图的显示器件:
图1.36位共阴七段数码显示管7SEG-MPX6-CC-BLUE
在8051单片机P0并行接口与数码管的连接过程中,要经过74LS245驱动和缓冲。
74LS245是我们常用的芯片,用来驱动LED或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。
通过74LS245把P0.0-P0.7的电位脉冲传送到数码管a-dp端口上,实现对数码管显示的控制。
此外在8051单片机XTAL1和XTAL2接口上,采用连接单片机时钟电路的方式。
时钟电路由晶体振荡器CRYSTAL和电容并联组成,利用片内振荡电路,将XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振器,构成内部自激振荡器,产生振荡时钟脉冲。
电路中,石英晶体选择11.0592MHz,电容器C1和C2对振荡频率有微调作用,取值为22uF。
时钟电路图如下:
图1.4时钟电路图
最后,单片机的复位电路采用了电解电容器CAP-ELEC。
复位电路主要是利用RC电路的充放电原理。
MCS-51单片机要复位只需要在第9引脚(RST)接个高电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,所以电路中的电容值是可以改变的。
复位电路连接如下图:
图1.5复位电路图
各模块连接方式电路图见附录2。
第二章单片机模拟软件和编程
2.1模拟编程软件介绍
“基于单片机控制的拉幕式数字显示设计”实验采用了计算机模拟MCS51单片机电路成效的方式,其中主要使用了Proteus7.6SP4和Keiluv4两款软件。
2.1.1Proteus软件
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。
它不仅具有其
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