09电子设计大赛书写点阵论文.docx
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09电子设计大赛书写点阵论文
摘要
本课题设计运用了一种以单片机AT89S52为控制器的LED点阵书写显示屏系统的设计。
本设计介绍了单片机控制的16×24的点阵书写显示屏的设计过程,给出了各个硬件的设计和其原理图,写出了软件总流程图。
本设计系统利用动态折半法点亮LED,并通过数码管显示所要实现的功能。
该设计具有设计简单,字符清晰,可靠性高等特点。
关键字:
单片机点阵LED书写显示器
Abstract
ThisissuedesignedtouseamicrocontrollerAT89S52writingthecontrollerLEDdotmatrixdisplaysystemdesign.Thisdesignintroducesmicrocomputercontrol16×24dotmatrixdisplaydesignprocesswriting,giventhevarioushardwaredesignanditsprincipleofmaps,writetheoverallflowchartofthesoftware.ThisdesignsystemusesdynamicbinarymethodlitLED,andthroughdigitaltubedisplayfunctionstobeachieved.Thedesignissimpleindesign,charactersclear,andhighreliability.
Keyword:
MicrocontrollerLatticeLEDwritingdisplay
目录
第1章绪论
1.1选题背景
1.2研究现状及发展趋势
1.3选题意义
1.4论文主要内容
第2章系统的方案论证与选择
2.1系统总方案
2.2主控芯片的论证与选择
2.3显示模块的选择与论证
2.4控制按键的设计选择与论证
2.5电源的选择与论证
第3章系统硬件设计
3.1系统的硬件概述
3.2光笔选取和参数选取
3.3LED点阵屏驱动设计
3.4数码管显示电路设计
3.5电源设计
3.6键盘设计
第4章系统的软件设计
4.1程序设计的总体思路
4.2程序设计总流程图
第5章系统功能的测试
5.1测试及制作中所用仪器
5.2仿真单元模块电路测试
5.3系统整体功能测试
结论
致谢
参考文献
附录1系统硬件原理图
附录2程序设计
第1章绪论
1.1选题背景
LED(lightemittingdiode,发光二极管)是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件。
七十年代,随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P一结形成技术的研究进展,发光二极管在发光颜色、亮度等性能方面得以提高,并迅速进入批量化和实用化。
进入八十年代后,LED在发光波长范围和性能方面大大提高,并开始形成平面显示产品即LED显示屏。
由于LED具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、工作性能稳定以及在室内室外适应力强等优点,且LED显示屏的最大特点是不受面积的限制,可以达到几十甚至几百平方米以上,应用于室内外各种公共场所显示文字、图形、动画、视频图像等各种信息。
LED显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域,主要包括:
机场、港口、车站旅客引导信息显示;证券交易、金融信息显示;邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示;道路交通信息显示;高校教学管理信息发布显示;文艺演出和体育比赛;室外产品广告及信息发布。
除单一大型户内、户外显示屏作为广告媒体外,国内一些城市还出现了集群LED显示屏广告系统。
另外,自2000年后随着高亮度LED产品亮度与效率增进,可携式产品(如手机、PDA、数字相机等)大量使用作为产品屏幕或按键光源,配合可携式产品市场成长,使得可携式产品成为LED最大应用市场。
随着电子技术的发展,LED点阵书写显示屏是信息传播一种重要手段,成为现代化社会的一个闪亮标志,它的广泛应用将是一种趋势。
因此,在科技以日新月异的速度向前发展,经济全球一体化的社会中,LED点阵显示技术发展前景乐观。
1.2研究现状及发展趋势
(1)我国LED产业发展现状
作为一种新型的发光体,LED自诞生以来就倍受关注。
特别是进入21世纪后,世界面临严重的能源、环境危机,在发达国家,照明用电占总用电量的20%;我国的照明用电约占总用电量的12%,至2010年,我国照明用电将高达3000亿度,相当于三峡水电站完工后的年发电量的3倍以上。
而目前我国的发电主要还是依靠火力,对于环境的污染非常严重,这就需要改进现有的照明设备,提高其效率。
而半导体照明作为新兴的发光体,具有电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能和环保等优点,是下一代照明的不二之选。
根据各种照明器件的效率,可以得出,LED与传统的白炽灯、日光灯相比,在电光效率、寿命上占有绝对的优势,一旦在成本、光效上取得突破,将很快占领照明市场。
因而,现今不管是国内还是国外我们都是围绕先进的LED技术做进一步研究
(2)LED显示屏的发展趋势
现代信息社会中,作为信息视觉传播媒体的显示产品,它的技术得到迅速发展,进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代,LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展,并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。
高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来,成本逐年快速降低,已具备成熟的商业化条件。
基础材料的产业化。
使LED全彩色显示产品成本下降,应用加快。
LED产品性能的提高,使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果,完全可以满足户外全天候的环境条件要求,同时,由于全彩色显示屏价格性能比的优势,预计在未来几年的发展中,全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品,体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。
全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。
未来LED点阵显示屏会向着标准化、规范化,产品结构多样化的方向发展。
1.3选题意义
本设计课题是89s52单片机为核心,采用动态扫描的方式驱动电路,并用74LS138作为译码单元提供实验所需要端口,另外,在软件编程中采用C语言,显示时采用点阵显示。
在设计本课题是查阅了大量的书籍和相关知识使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法,对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。
并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践,使我们对所学过的理论知识有了新的认识。
并且通过本设计课题学习掌握89C52单片机的控制功能和用它作为主控单元完成许多设计目标的方法。
熟悉89C52单片机软件编程及调试环境Keil软件。
且能掌握使用Protel99se进行电路设计和制图的方法步骤,能将设计出的电路原理图下载到PCB板进行仿真。
为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。
目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。
但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此本设计课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。
1.4论文主要内容
针对设计题目的特点,本人对论文的内容和结构将做如下安排:
(1)初步方案的论证和选择
搜集题目的有关资料,并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。
最终选定了以AT89S52单片机为核心控制器件,外加74LS138译码电路和驱动电路的设计方案。
(2)方案实现
以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想,选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。
经过对比选择选定AT89S52单片机为核心控制器件,由74LS20控制键盘的功能和74LS138为译码电路器件,三极管8050驱动电路器件。
(3)软件编写
根据硬件特点和设计要求,软件选用C语言编写。
程序按功能分为静态显示、动态显示等几个功能上相对独立的模块。
然后按照所划分的模块逐个编写和调试,最后将独立的模块整合起来。
(4)验证与测试
调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。
在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。
在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。
通过分析,查找找出了问题原因并设法将其解决。
(5)结论
设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。
第2章系统的方案论证与选择
2.1、系统总方案
系统主控芯片采用AT89S52单片机,LED驱动显示采用动态扫描方法,动态扫描方式是折半法点亮,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。
以本设计16×24点阵为例,首先由列驱动确定24列中的一列,然后再由16行的一半,如果点亮的不再此行,就再行折半,就这样一直折半到找到要点亮的灯为止。
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。
显示数据传输采用串行传输的方式,这种显示方式由由多个三极管8050和译码器单元74LS138来驱动LED点阵列线,行线是直接用89s52的I/O直接驱动。
这样点阵显示屏可以用少量I/O口接收控制器传输下来的大量数据,此方案为点阵显示屏系统中比较常用的,所用器件也比较常用,容易买到。
另外,74LS138译码器输出是低电平有效,故实现逻辑功能时,输出端不可接或门及或非门,且74LS138有使能端,故使能端必须加以处理,否则无法实现需要的逻辑功能。
2.2主控芯片的选择与论证
方案一:
8031芯片内部无ROM,需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难,况且使用8031还需要另外购买其他的芯片,从而造成成本较高,性价比低。
方案二:
89s52芯片内部有ROM,且片内ROM全部采用FlashROM,它能于3V的超低压工作,与MCS-51系列单片机完全兼容[3]。
另外,89s52是比较常用的单片机,用起来比较熟悉用起来得心应手。
经过比较我们选择89s52来设计。
2.3显示模块的选择与论证
方案一:
LCD数码管液晶显示,由单片机驱动.它主要用来显示大量数据、文字、图形,能够显示的位数多,显示得清晰多样、美观,但同时液晶显示器的编写程序复杂,价格昂贵,从而降低了整个系统的性价比,故不采用此种方案。
方案二:
点阵显示,是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成,主要用来显示汉字,同时也能显示数字和少量图象,鉴于程序容易编写和理解,又能更好的满足设计,另外性能稳定且价格要比上便宜。
故选择这方案。
2.4控制按键的设计选择与论证
方案一:
选取阵列式按键,减少了I/O口的使用,且扫描M×N个按键只需占用M+N个I/O口即可实现,但给编程带来了一定的困难,虽然节省了很多的口线,降低了成本,但在此设计中所用的按键要尽量少,因此排这个方案。
方案二:
独立式按键,每个按键实现一个功能,易于控制且编写程序简单,容易理解,虽然会占用一定的单片机I/O口资源,但是题目中要求使用的按键要尽量少。
通过以上两种方案比较,采用方案二。
2.5电源的选择与论证
方案1:
采用普通的干电池,电压稳定,方便携带,但工作时间短不利于大屏幕显示,并且造成环境污染,不利于环保。
方案2:
采用自制直流稳压电源,由输入9V稳压后5V,这样电压稳定能持续工作,并能用于大屏幕显示,不会造成环境污染,节省成本。
综上所述,采用方案2,即自制直流稳压电源。
第3章系统的硬件设计
3.1系统硬件概述
整个电路由单片机AT89S52,3个74LS138,1个74LS20,1个74LS476个8×8的LED。
该电路所设计的电子屏可显示多个汉字,需要6个8×8LED点阵模块,可组成16×24的条形点阵。
AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
它的引脚图如下:
AT89S52引脚即外观如图3-1所示。
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件,74LS138的输出是低电平有效,故实现逻辑功能时,输出端不可接或门及或非门,74LS138与前面不同,其有使能端,故使能端必须加以处理,否则无法实现需要的逻辑功能。
发光二极管点亮只须使其正向导通即可,根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器,即针对共阳极的低电平有效的译码器;针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。
一个74LS138可以用来驱动8个LED,从功能表上可以看出他的输出只有一个低电平,也就是可以用来用灌电流的方式进行驱动LED,工作电压Vcc=5V,输出可以直接连接LED,没有带来不稳定因素,当然实际中应该串接保护电阻,估计常用的200-300欧姆都可以。
更多功能可以同过使能端来控制效果,在所有的八个等都在闪烁的时候是最好的效果,比用程序控制闪烁要简便的多。
本设计的24个就是使用三个连接起来驱动列的。
图3-274LS138的引脚图
图3-374LS138的真值表
从真值表我们可以看到74LS138的八个输出管脚,任何时刻要么全伟高电平1—芯片不工作,要么只有一个为低电平0,其余7管脚全为高电平1。
如果出现俩个管脚在同一个时间为0,说明该芯片已经损坏。
3.2光笔选取和参数选取
光笔用光电三极管3DU33做为的感光元件,LM393为比较器。
由于点阵的光强相对较弱,通过光电三极管的电流很小,通过串接硅二极管来提升光电三极管发射极电压,方便后级比较器作业。
光笔原理图如下图:
图3-4光笔原理图
3.3LED点阵屏驱动设计
LED的行线直接由AT89S52的P1和P2俩端口直接驱动。
LED显示行驱动电路如图
图3-5AT89S52得连接图
图3-6LED行线连接图
LED列线是由三极管8050和三个74LS138联合驱动,每一个三极管驱动点阵上的一列,具体如下所示:
图3-7LED列线连接图
图3-874LS138译码图
3.4数码管显示电路设计
数码管显示电路这一部分的设计,我们采用7位LED数码管显示构成了一个从0~6的七个功能显示模组。
数码管驱动电路如下图所示
图3-9数码管显示电路
3.5电源设计
由于单片机输出电压比较小,LED点阵显示采用外部单独供电的方式,减低了点阵亮度不够的问题,使LED显示亮度连续不变。
本电源设计电压从进入9V电压经过三端LM7805稳压后变成5V。
电路原理图如下:
图3-10稳压电源
3.6键盘设计
由于IO端口数量有限,此作品对按键采取复用按键的方法.键盘硬件电路如下:
图3-11键盘设计电路图
键盘上的1、2俩个按键表示加、减功能,数码管的显示0~6,每一个数表示执行一个功能,七个功能如下所示:
0:
待机
1:
写字
2:
清屏
3:
笔画擦除
4:
显示功能(写字无效)
5:
显示功能(写字无效)
6:
移动显示功能(写字无效)
按键功能1:
减2:
加3:
无效4:
确认
第4章系统的软件设计
4.1、程序设计总体思路
本课题设计用AT89S52、74LS138、74LS20、74LS47等芯片和6个8×8LED点阵显示器构成一个长方形的16×24位点阵LED书写显示系统。
用简短的C语言设计,实现了数码管上的功能键与点阵之间的通讯,能改动不同数字的显示不同功能内容;并使书写显示的内容在屏幕随着光笔的笔画不同而显示不同的结果。
4.2、系统总流程图:
第5章系统功能测试
5.1测试及制作中所用仪器
仿真软件:
proteus7.2sp6
编程软件:
KeiluVision3
电路设计软件:
Protel99SE
制作硬件:
万用表示波器焊枪
5.2仿真单元模块电路测试
在proteus仿真软件中运行测试AT89S52、74LS138、74LS47、74LS20等芯片和LED显示器以及书写均能正常运行并完整的显示出了我所要的效果。
所以在仿真中各个模块功能正常。
5.3系统整体功能测试
在仿真软件proteus中运行测试系统整体功能,一切正常。
而在做出来的实物调试中,先检查线路是否正确和检查各个元件安放是否正确以及电路板是否有虚焊,然后通过用示波器测试各个芯片该出现的高或低的电平来判断芯片每个引脚都是不正常工作。
通过调试实现了汉字的书写显示,也能方便改动显示内容,实现了数码管所显示数字和它匹配的功能一致,完全与预先所设想的一样,完整的显示出了“大中国”汉字,也很清晰。
第6章结论
在本设计中我用简短的C语言程序使LED点阵显示实现了汉字书写显示。
在设计中采用的芯片有AT89S52、74LS20、74LS138、74LS47和6个8×8LED点阵显示器。
其特点:
1、内容能随光笔动作显示。
2、具有显示内容不限,内容可随时改动。
3、硬件结构简单,应用广泛和省电。
4、LED点阵动态扫描显示,工作效率高,价格低廉等。
需要改进和不足:
1、使用的腐蚀法制作电路板非常麻烦,而且一不小心就可能白做工。
2、刷新频率还有待进一步提高。
3、如果要投入生产还需要改进点阵显示屏,显示方式,控制按键设置等。
4、没有怎么考虑干扰的问题。
5、由于时间的原因本课题设计作品有些粗糙。
总结本文的研究设计工作,主要做了下面几点较突出的工作:
1、通过查阅大量的相关资料,详细了解了LED的发光原理和LED点阵显示屏的原理,了解了LED的现状,清楚地了解了LED点阵显示屏与其它显示屏相比较有那些优点,明确了研究目标。
2、本文设计的LED点阵显示屏能够实现在目测条件下LED点阵显示屏各点亮度均匀、充足,可随光笔的移动显示不同的字。
3、本设计给出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图,软件流程图和具体C语言程序设计与调试等方面。
4、在这次毕业设计的过程中学会了Protel99SE的基本使用,感到Protel99SE和C语言的编程对电子信息工程专业的同学来说是很有用的课程。
5、通过这次毕业设计,重新复习并进一步学习了单片机的运用;熟练掌握了WORD软件的使用。
通过这次(16×24位点阵LED)的设计,我摆脱了单纯的理论知识学习状态,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,并且意志品质力,抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。
这是我都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。
虽然本次设计内容繁多,过程繁琐但我的收获却更加丰富。
和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求,通过这次毕业设计让我提前了解了这些知识,这是很珍贵的。
在今后我会关注新技术新设备新工艺的出现,并争取尽快的掌握这些知识,更好的为祖国服务。
致谢词
首先感谢我的指导老师(××),他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我们工作、学习中的榜样;他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
此外还要感谢所有帮助的同学们。
本次课程设计是在××老师的亲切关怀和悉心的指导下完成的,他精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我,从课题的选择到项目的最终完成,××老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持,在这两个月以来,由于有××老师孜孜不倦的教诲和耐心的讲解和自己的努力,我能完成好我设计的作品,在此特向××老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意!
此外,我还要感谢在一起度过愉快的大学生活的全班同学,正是由于你们的帮助和支持,我才能克服一个一个的困难和疑惑,直至本次课程设计的顺利完成。
谢谢大家!
参考文献
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[16]《单片机典型系统设计实例精讲[M]》彭为,黄科,雷道仲..北京:
电子工业出版社,2006.
附录
附录1LED点阵显示总体图
附录2设计程序
#include
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