16×16-LED点阵设计-毕业设计.doc
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1、1616 LED点阵设计学生: 指导教师:内容摘要:LED点阵电子显示屏的发展越来越好广泛,它成为一个宣传信息的重要平台,已经得到了社会的普遍认同。LED点阵显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。 该设计是一个1616LED点阵电子显示屏显示数字的设计。整块电子显示屏的控制核心是40引脚的单片机AT89S51,说明了LED点阵电子显示屏用AT89S51为控制系统的动态的设计和开发的具体过程。通过该芯片控制两个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示,本设计就是使用4块88点阵显示模块来组成1
2、616点阵显示屏,采用动态扫描显示,程序编写的实现是使用简单流通性强的C语言,该设计的结果证明,系统显示清晰,结构合理,误差小,扩展能力强,性能稳定。 关键词:AT89S51 LED点阵 数字显示IIDesign of 16*16 LED dot matrixAbstract:LED electronic display found the screen better and better.It has become an important platform of a promotional information,it has been widely accepted by the soc
3、iety,LED dot matrix display is the use of plane composition LED lattice module or pixel unit display screen ,It has the advantages of high light efficiency ,long. The designed is a digital design of a 16*16 LED dot matrix display ,control the core piece of electronic display is the 40 pin of the mic
4、rocontroller AT89S51.Describes the specific process of the design and development of LED dot matrix display with AT89S51 as the control system dynamic.Through the control two columns drive chip 74HC595 are needed to drive the display shows that this design is to use 4 pieces of 8 x 8 dot matrix disp
5、lay module to form a 16 * 16 dot matrix display screen, a dynamic scans showed that the realization of the programming is simple to use strong liquidity of C language, and the design results show that the system shows clear, reasonable structure, little error and extension ability strong, stable per
6、formance.Keywords: AT89C51 dot matrix LED the digital display screen目 录前言11 设计方案的论证与选择12硬件电路设计32.1 系统的结构框图32.1.1 单片机控制模块32.1.2 时钟电路42.1.3 复位电路42.1.4 显示模块52.1.5 驱动模块72.2 单片机的最小系统图93单片机系统103.1 8051引脚为40个的单片机芯片113.1.1 引脚为Vcc和Vss 的主电源113.1.2 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2113.2 I/O口线的引脚排列及管脚的说明113.3 RST键133.4 PEROM阵列
7、和锁定位134 系统软件设计134.1 主程序的设计及流程图134.2 显示程序的设计145 硬件的制作与调试155.1 系统的组装155.2 程序的调试166 结束语17附录18附录1:程序清单18附录2:仿真结果图22附录3:Protel原理图23附录4:4个8*8LED组成的显示屏24附录5:PCB图25参考文献268 1616 LED点阵电子显示屏的设计前言LED点阵电子显示屏的制作简单,并且便于安装,被广泛的应用于各个公共场合,但是LED电子显示屏也只能用于单一的图像数字汉字的显示,如果要改变显示的内容,必须要在上位机上进行实现。该设计用LED矩阵的排列来实现两位数字的显示功能。该设
8、计是一个1616的LED点阵的数字显示屏。当今社会LED灯随处可见,它使我们的生活变的五彩缤纷。LED灯有白光、红光、黄光、绿光、蓝光、紫光等多种颜色,所以它是许多广告设计着的必要品。我们已经学习了单片机及相关的课程,可以利用单片机来控制LED,以达到我们所需要的显示效果。通过16x16点阵显示屏的设计,我们能更好的掌握单片机工作原理,把理论知识与实践结合起来,达到学以致用的目的。通过这次的课程设计,能更好的提高我们的动手能力与解决实际问题的能力,我们现在的单片机的学习知识最基本的单片机知识,我们想要更好的掌握它,还需要我们自己主动地更深入了解它,这次的课程设计是一个很好的深入学习的平台,并能
9、帮助我们掌握16X16LED点阵的工作原理。1 设计方案的论证与选择从理论上来说,不管是显示的是文字还是图像,我们只要控制了各个组成文字或者是图像的对应的LED点的发光器件,我们就能得到想要显示的图像或者文字,这种控制方法就是静态驱动显示方式。该方式显示的程序相对而言是比较简单的,并且所显示的亮度大。但是这种方式的缺点是所使用的I/O口的线比较多,并且硬件的成本比较高。另外,还有一种叫动态扫描显示,它是指采用分时的方法,轮流交替的控制各个显示器的公共端,让各个显示器轮流被点亮,这种方式来扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用的列驱动器。这个设计是16*16的点阵的设计,如果我们采用静态驱动显示
10、方式,其LED发光二极管灯共有256个,而显然单片机没有那么多的端口,如果我们考虑利用锁存器开扩展端口,按照8位的来计算,那么这个设计需要258/8=32个锁存器。就光是16*16的点阵就需要32个,那实际的生活中需要的更多,该造价的成本也就相对的要高出许多,这样不利于商业的盈利目的。而如果我们采用动态扫描显示,我们将所有同一行的二极管的阳极并联起来,把同一列的二极管的阴极并联起来,即共阳极的接法,然后我们先将控制第一行发光二极管发光的数据送出并且利用锁存器锁存起来,再将使第一行的灯点亮的一定时间选通,再熄灭;再将使第二行的发光管点亮的数据输送出来并锁存起来,同样将使第二行的灯点亮的一定时间选
11、通,再熄灭;以此下去,直到第十六行之后,第一行的灯又重新点亮,就这样反复的轮回。由于人类的视觉存在着短暂的停留的现象,所以只要轮回的速度达到每秒24次以上的高速,人们看到的就会是16行同时进行,就会看到一个完整的图像或者文字。对于LED灯的接法常见的有两种,一种是共阴极的(左),另一种是共阳极的(右),该设计实验采用的是共阳极的接法,下图给出了这两种接法的内部电路原理及相对应的管脚图。图1-1 共阴极与共阳极接法的内部电路原理图在采用扫描的方式进行显示时,每一行使用一个行驱动器,每行的同名列之间共用一个列驱动器。显示所需的数据一般在单片机的存储器里存储,并且是按照8位一个字节的形式顺序排放。显
12、示图像时需要把一行中的各个列的数据都传送到其相对应的驱动上去,这就存在着数据传输的问题。利用控制电路到列驱动器传输数据时,可以采用串行方式或者并行方式,但是,使用并行传输方式时,从控制电路到列驱动电路所需的电路线太多,所需的硬件数目也就增多,如果当列数很多是,也不利于实际的设计,也不经济,所以并行传输方式方案是不可取的。使用串行的传输方式,控制电路就只用一根短路线,就能将列数据依次传输到驱动器里,但是由于只有一根传输导线,所以导致列数据传输的时间可能过长,即数据准备所需时间过长,在确定了行扫描周期的情况下,其在导线中的传输时间过长,行显示的时间就缩短了,这样就会影响到LED的亮度,这种方法虽然
13、在硬件方面更为经济,但是也没能满足我们的需求。要解决串行传输方式中的数据准备时间过长和显示的时间不足的矛盾问题,我们可以采用重叠处理的方法。即在显示本行的各个列数据的同时,也将下一行各个列数据传输。为了达到所需的重叠处理的目的,就需要将列数据的显示数据锁存起来,这样经过上述分析,我们可知对于列数据准备来说,它就能实现串入并出的一位功能,而对于列数据显示来说,应该具有并行锁存的功能。这样,已准备好的本行的数据传入并行锁存器进行显示的同时,准下一行的列数据就可以在串并移位寄存器中准备,而本行的显示也不会受到影响,这样就能达到我们所设计的目的。2 硬件电路设计2.1 系统的结构框图该课程设计采用了A
14、T89S51单片机为核心的芯片的电路来实现,它的组成部分为AT89S51芯片、电源、复位电路、时钟电路、行驱动器、列驱动器、4个8*8LED的点阵。复位电路时钟电路单片机行驱动器列驱动器16*16LED点阵显示屏 图2.1-1 系统结构图2.1.1 单片机控制模块AT89S51单片机是一种所占字节为4K的FLASH存储器的低电压、高性能CMOS的8位的微型处理器,该器件密度高、非易失性存储 ,兼容标准MCS-51 指令系统,在片内使用了8位的中央处理器和Flash存储单元,AT89S51单片机的功能强大,可以提供共性价比的应用场合,所以可以灵活的应用于各种控制领域,并且价格比较经济,方便编程,
15、性能稳定。2.1.2 时钟电路该电路的脉冲信号是采用普通的晶体时钟源提供的,而构成了内部的振荡的方式,该晶体能够使芯片的使用尽可能的减少,节约成本。单片机的时钟信号通常用内部振荡方式和外部振荡方式这两种电路形式得到。内部振荡方式的振荡器的构成是在XTAL1和XTAL2这两个引脚外接石英晶体。因为单片机内部有一个高增益反相放大器,当晶振外接后,就够成了自激振荡器,产生时钟脉冲。晶振的频率大约为12MHZ。如下图2.1.2-1,C1、C2两个电容器的作用是起稳定振荡器频率、快速起振。电容的值一般为5-30PF。内部振荡方式所得到的时钟信号相对来说比较稳定,比较广泛的使用在实际电路中。图2.1.2-
16、1 单片机时钟电路2.1.3 复位电路 复位电路就是利用它把电路恢复到起始状态。其复位电路可分为两种,一种是开关复位,当在电源接通的情况下,当单片机在运行期间,如果发生了死机的情况,就可以使用按键开关操作来时单片机复位;另一种是上电复位,当在接通电源的情况下,复位操作就会自动实现。单片机复位电路图如图2.1.3-1所示,该复位电路可实现人工手动复位,也实现上电复位。当按下按键SW时,RST脚位高电平,就能是单片机正常复位;当一开始就打开电源时,C3电容相当于短路,RST脚在短时间内处于高电平,从而促使单片机复位。图2.1.3-1 单片机复位电路2.1.4 显示模块该设计的点阵显示屏是由4个8*
17、8LED点阵组成的16*16的显示屏。数个发光二极管组成了LED点阵显示屏,它具有的特点是低功耗、亮度高、引脚少、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀、视角大。点阵显示屏按颜色分类可分为单色和双色两类,该次设计师选用的单色点阵显示屏,为了安装的方便,一块模块上有若干个LED组合而成,形成了我们所需的大屏幕。如图2.1.4-1是一个8*8的单色的LED点阵模块内部的电路图。图中的LED的排列形式成点阵,同一列的LED阴极连在一起,同一列的LED阳极连在一起,当LED处于正偏是,LED灯才会发光。该设计选用的是4个8*8的LDE点阵构成了16*16点阵显示屏,该次显示的结果是显示两个汉字,16*16的LE
18、D点阵显示屏有256个发光二极管,并且每个发光二极管是放置在列线和行线的交叉点上。图2.1.4-1 8*8点阵内部电路图如图2.1.4-2所示,是其外观和引脚图。当所对应的某一行置电平1时,某一列置电平0,其相对应的二极管就发光。如果第一行置1为高电平,第一列置0为低电平,第二行为高电平置为1,Y行置1为高电平,I列置0为低电平,这显示效果为P行上的第一个LED灯亮,第二个LED灯灭,第三个LED灯亮。如图2.1.4-2 8*8点阵外观和引脚图 如图2.1.4-3所示,是一个4块8*8点阵组成的16*16的LED点阵的显示屏。16*16点阵显示屏是采用动态扫描的LED驱动显示方式,动态扫描方式
19、是采用逐行轮流的方法来点亮LED灯。LED点阵显示模块进行的方法有水平方向(X方向)的扫描和竖直方向(Y方向)的扫描,本次设计采用的是竖直方向(Y方向)的扫描,即逐行扫描的方法简称行扫描方法,它是用一个P口相当于位码来输出决定哪一行能点亮,另一个P口相当于段码输出列码决定该行上哪些LED灯亮。能亮的行从上向下扫描完16行即相当于位码循环移位16次后显示一帧完整的图像。图2.1.4-3 4块8*8点阵LED屏组成的16*16的点阵显示屏2.1.5 驱动模块集成电路74HC595构成了行驱动电路,它的结构是由一个8位的串入并出的一位寄存器和一个8位输出锁存器构成,并且输出锁存器和移位寄存器的控制室
20、各自独立的,可以在显示本行的各列数据的同时,同时传输下一行的列数据,而达到重叠处理的目的。列驱动电路主要实现的功能是译码,用2块74LS138级联来实现4/16线译码功能,74LS138芯片本身具有3/8线译码功能。74HC595的外形及内部结构如图2.1.5-1,它的输出测由8个串行移位寄存器连接,每个移位寄存器的输出都有一个输出锁存器来连接,SI引脚是串行为数据的输入端,SCK引脚的作用是移位寄存器的移位时钟脉冲,移位时间是发生在上升沿,并且将SI的下一个数据移位到最低位,并在各移位寄存器的输出端出现移位后的各位信号,也就是输出地锁存器的输入端。RCK是输出的锁存器的打入信号,其上升沿将移
21、位寄存器的输出打入到输出锁存器中。G引脚的作用是输出三态门的开放信号,其开放的条件是当其为低时锁存器的输出时,否则为高阻态。SCLC引脚的功能是作为移位寄存器的清零输入端,当其为低时移位寄存器的输出全部为零。因为SCK和RCK这两个信号是相互独立的,所以输入串行移位与输出锁存互不干扰。QAQH为芯片的输出端,QH做为最高位可用作多片74HC595级联使用,向上一级的级联输出,但是因为QH受输出锁存器的打入控制,所以还要从输出的锁存器前引出QH来作为与移位寄存器完全同步的级联输出。图2.1.5-2为74HC595级联,表2.1.5-1为74HC595真值表。图2.1.5-3为74HC595时序图
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