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16X16点阵说明书

单片机技术

课程设计说明书

设计课题：

16x16点阵说明书

专业（系）电气工程系

班级车辆电子111

学生姓名阳德聪孙雨晴李明芳

指导老师粟慧龙

完成日期2013.4.20

摘要：

LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成.LED点阵显示屏可以显示数字或符号,通常用来显示时间、速度、系统状态等。

文章给出了一种基于AT89S52单片机的16×16点阵LED显示屏的设计方案。

包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和部分汇编语言程序等方面。

在负载范围内,只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。

关键词：

AT89S52；LED；单片机

引言LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，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。

在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。

本文设计的是一个室内用16ｘ16的点阵LED图文显示屏，图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式

第一章背景介绍

1.1LED及LED显示屏

LED就是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管。

在LED的p-n结附近,n型材料中多数载流子是电子,p型材料中多数载流子是空穴。

p-n结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν（h为普朗克常数,ν为光子频率）而发光。

该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg（Ev）,其与发光波长λ（nm）的关系为λ=1239.6PEg。

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，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；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，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。

它的优点：

亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

1.2MCS-51系列单片机及其特点

①可靠性高：

因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。

系统软件（如：

程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受病毒破坏。

许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。

②便于扩展：

片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。

③控制功能强：

具有丰富的控制指令：

如：

条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。

④实用性好：

体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。

1.374HC595简介

74HC595是8位串行输入，8位串行或并行输出。

●QA~QH为并行输出。

可以将信号输送到LED，类似流水灯。

●Q’H为串行输出。

●10号角：

移位寄存器清零端，低电平有效。

●11号引脚：

移位寄存器时钟脉冲，高电平有效。

●12号引脚：

存储寄存器时钟脉冲，高电平有效。

●13号引脚：

控制输出的使能端，低电平有效。

●14号角传送串行信号，信号源可以来单片机。

●16，8号引脚分别接VCC,GND。

1.4AT89S52简介

AT89S52有P0,P1,P2,P3。

四个口，18，19号引脚提供外部时钟信号。

1.5单片机最小系统电路

第二章功能要求

设计一个室内用16ｘ16的点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有移入移出等显示方式。

显示“湖南铁道职业技术学院”左移和右移。

其中我们的项目还可以拓展使用无线遥控控制LED显示些不同的内容，移屏，暂停等。

目前还没添加这些拓展，还在努力实现中。

第三章方案实现

从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。

16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。

这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。

因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。

具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，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，就能够看到显示屏上稳定的图形了。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。

但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。

这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。

对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。

即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。

为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。

经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。

对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。

这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

图1为显示屏电路实现的结构框图。

图1，显示屏电路框图

3.１系统硬件电路的设计

硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、行列驱动电路和LED点阵显示电路三部分。

3.2单片机系统及外围电路

单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。

单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。

P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。

P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。

16ｘ16的点阵显示屏的硬件原理图如图2所示（在附录A）。

3.3行列驱动电路

列驱动电路有集成电路74HC595构成。

它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。

我们此次的电路设计的行也是用74HC595芯片驱动它，用到两个74HC595作为行的驱动再加上两个74HC595用作列的驱动，总共用到四个74HC595，从而使得电路简单，方便。

一根数据线和数据输入时钟线，数据输出时钟线三根线连接到单片机的最小系统上的P2口。

图3-1驱动电路模块

74HC595的外形及内部结构如图3所示。

它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。

引脚SI是串行数据的输入端。

引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。

移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。

RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。

引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。

SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。

由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。

芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。

但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。

QB116Vcc

QC215QA

QD314SI

QE413G

QF512RCK

QG611SCK

QH710SCLR

GND89QH

图3-274HC595外形及引脚

3.4系统程序的设计

显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。

根据软件分层次设计的原理，可以把显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。

显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。

显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。

系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。

voidT0_time（）interrupt1

{

TH0=（65536-1000）/256;

TL0=（65536-1000）%256;

Input（table_L[L]）;

Input（table_L[L+1]）;

Input（table_H[H+x]）;

Input（table_H[H+x+1]）;

Output（）;

L=L+2;

//if（L==32）L=0;

H=H+2;

//if（H==32）H=0;

t++;

if（t==100）//移动

{

t=0;

x=x+2;

if（x>=h-32）x=0;

}

}

3.5显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：

刷频率（帧频）=1/16×T0溢出率

=1/16×f/12（65536-t）

其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。

sbitSI=P2^4;//数据口

sbitSCK=P2^6;//数据输入时钟线

sbitRCK=P2^5;//数据输出时钟线

voidInput（unsignedchardat）

{

chari;

for（i=0;i<8;i++）

{

dat=dat<<1;

SCK=0;

SI=CY;//取出最高位

SCK=1;//上升沿

}

}

voidOutput（）

{

RCK=0;

RCK=1;//上升沿输出锁存数据

}

然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。

为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。

图4为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。

图4显示驱动程序流程图

3.6系统主程序

本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；

所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。

单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。

voidmain（）

{

//externuinth;

EA=1;

ET0=1;

TMOD=0x01;

TH0=（65536-1000）/256;

TL0=（65536-1000）%256;

TR0=1;

//h=sizeof（table_H）;

while

（1）

{

if（L==32）

{

L=0;

H=0;

}

}

}

图5是系统主程序流程图。

复位

图5系统主程序流程图

第四章系统点阵显示模

第五章性能分析与总结

5.1性能分析

LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。

软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。

显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表5.1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。

表5.1显示平刷新率与T0初值关系表（24MHz晶振）

刷新率

25

50

62.5

75

85

100

120

T0初值

0Xec78

0Xf63C

0Xf830

0xF97E

0XFA42

0XFB1E

0xFBEE

从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。

试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。

显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者可以照源程序自行分析。

这个方案设计的16ｘ16的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。

5.2总结

本文设计的一个室内用16ｘ16的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有移入移出等显示方式。

本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。

总结本文的研究工作，主要做了下面几点较突出的工作：

　　一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些

优点，明确了研究目标。

二，本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

图形或文字显示有移入移出等显示方式。

三，文章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C言程序设计与调试等方面。

四，在这次设计的过程中学会了Protel99se的基本使用，感到Protel99se对自动化专业的同学来说是一门很有用的课程。

五，通过这次项目的设计，进一步学习了51单片机；熟练掌握了WORD软件的使用。

六，存在缺陷：

没有考虑抗干扰的问题。

第六章安装与调试

将点阵模块和行列的驱动模块连接好后，打开单片机的最小系统，将74HC595的数据输出时钟线RCK连接到P2^5;/数据输入时钟线SCK连接到P2^6;数据口SI连接P2^4;。

编写好程序后下载到单片机，调试显示图像和字符，实现移屏的效果。

我们此次的电路设计的行也是用74HC595芯片驱动它，用到两个74HC595作为行的驱动再加上两个74HC595用作列的驱动，总共用到四个74HC595，从而使得电路简单，方便。

一根数据线和数据输入时钟线，数据输出时钟线三根线连接到单片机的最小系统上的P2口。

第七章心得体会

经过了为期一周的项目制作，我们取得了令人欣喜的结果。

从老师布置了这个作业后，我们就马上开始确定好了目标，然后开始了组员合作的项目制作。

途中我们遇到了些困难，比如将四个独立的点阵连接起来再把行和列都按顺序排好时，太多的线路的连接，我们为了确保线路的连接正确，每当连接一根线时都要每个人再三确认无误后再把它们连接起来的。

焊接显示电路部分就花了几个小时的时间，但我们的辛苦没有白费，因为我们焊接好后测试显示部分时是一次性成功的，没有焊接错一个地方的。

紧接着利用PROTEL绘制PCB图，每一个步骤我都有认真思考的，确保无误后就将PCB板做出来了，由于学校条件有限，板子在学校做的质量不好有些的线自动就断了，于是又用万用表多次检测了线路的连接问题。

黄天不负有心人呐，多次的检测后终于把PCB板焊接不好和线路不好的地方再次连接好了，用简单的程序可以驱动点阵的显示了。

硬件电路确保没问题了。

紧接着开始软件程序的编写，开始要测出点阵行与列的分布规律，一步步地摸索和寻找答案，花费了一上午的时间将点阵的每个行和列的高地位顺序寻找出来了。

那时我便感觉到好欣慰的，突然有点发自内心地觉得，只要我们尽力去做一件事，总会有收获的，不要害怕失败，在失败中才能更加茁状成长。

通过了这次项目的制作后，我对单片机的应用又有了更深的了解，同时也有了更大的想像空间，因为我们能利用单片机的知识解决生活中最常用的事提供更加快捷的方法和途径。

最后感谢我们的指导老师，老师为我们讲解了单片机的点阵工作原理，和单片机的基础知识，让的我们能发挥自己的潜能去相信自己创造自己。

附录A16ｘ16的点阵LED图文显示屏的硬件总原理图

附录BPCB图

附录C3D图

附录D元件清单

元件名称

规格

数量

三极管

9014

16

电阻（R17-R32）

300Ω

16

电阻（R1-R16）

200Ω

16

电阻（R33）

200Ω

1

电阻（R34）

10K

1

极性电容（C1）

10uF/25v

1

电容（C3.C2）

33P

2

晶振（XTALI）

11.0592M

1

U1

AT89S52

1

U2-U5

74HC595

4

排针

1

点阵

4

附录E实物图

、