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摘 要 LED點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的LED發(fā)光二極管封裝而成. LED點陣顯示屏可以顯示數(shù)字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。 本設(shè)計是1616點陣LED電子顯示屏的設(shè)計。整機以美國ATMEL公司生產(chǎn)的40腳單片機AT89C51為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的LED點陣電子顯示屏的動態(tài)設(shè)計和開發(fā)過程。通過該芯片控制一個行驅(qū)動器74LS154和兩個列驅(qū)動器74L373來驅(qū)動顯示屏顯示。該電子顯示屏可以顯示各種文字或單色圖像，采用4塊8 x 8點陣LED顯示模塊來組成一個16x16點陣顯示模式。顯示采用動態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。文中詳細介紹了LED點陣顯示的硬件設(shè)計思路、硬件電路各個部分的功能及原理、相應(yīng)軟件的程序設(shè)計，以及使用說明等。 關(guān)鍵詞：AT89C51單片機 LED 點陣顯示 動態(tài)顯示 Abstract As a popular display device component, LED dot-matrix display board consists of several independent LED (Light Emitting Diode). The LED dot-matrix display board can display the number or sign, and it is usually used to show time, speed, the state of system etc. This design is 1 16 16 lattice LED electron display monitor design.The whole equipment is with the 40-pin AT89C51 MCU (Micro Controller Unit) produced by the American ATMEL company at the core, introduced take it as the control system LED lattice electron display monitor dynamic design and the development process. Controls good driver 74LS154 an two row driver 74L373 through this chip actuates the display monitor demonstration. The electronic screen can show all kinds of written or monochrome images, one full screen display Chinese characters, four pieces of 8 x 8 dot-matrix LED display modules to form the 16x16 dot matrix display mode. Show dynamic show that makes static graphic or text can be achieved, shifted out of various formats. This paper describes the hardware design of the LED dot matrix display, and the principle function of the various parts of the circuit, the corresponding software program design and the use of some such. Key words: AT89C51 Micro Controller Unit； LED； Lattice Display；Dynamic Display 目 錄 摘 要--------------------------------------------------------------------1 Abstract------------------------------------------------------------------2 第1章 緒 論------------------------------------------------------------4 1.1 選題背景---------------------------------- ---------------------4 1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢------------------------ ---------------------4 第2章 功能要求及方案論證------------------------------------------------6 2.1 功能要求---------------------------------------------------------6 2.2 顯示模塊方案論證-------------------------------------------------6 2.1.1 靜態(tài)顯示方式-------------------------------------------------7 2.1.2 動態(tài)顯示方式-------------------------------------------------7 2.3 數(shù)據(jù)傳輸方案論證-------------------------------------------------7 第3章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計------------------------------------------------9 3.1 單片機系統(tǒng)及外圍電路----------------------------------------------9 3.2 系統(tǒng)電源模塊-----------------------------------------------------11 3.3 行驅(qū)動器---------------------------------------------------------11 3.4 列行驅(qū)動器-------------------------------------------------------14 3.5 16*16 LED點陣顯示屏幕--------------------------------------------16 3.6 特殊器件介紹-----------------------------------------------------19 3.6.1 51系列單片機-------------------------------------------------19 3.6.2 鎖存器74L373-------------------------------------------------22 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計------------------------------------------------------24 4.1 系統(tǒng)的程序流程圖-------------------------------------------------24 4.2 系統(tǒng)主程序-----------------------------------------------------------------------------------27 第5章 調(diào)試及性能分析----------------------------------------------------31 5.1 開發(fā)環(huán)境介紹-----------------------------------------------------31 5.2 理論性能分析-----------------------------------------------------31 5.3 系統(tǒng)調(diào)試---------------------------------------------------------31 第6章 結(jié) 論----------------------------------------------------------33 第七章 總 結(jié)-----------------------------------------------------------34 7.1 工作過程介紹-----------------------------------------------------34 7.2 系統(tǒng)功能的拓展方向-----------------------------------------------34 第八章 謝辭--------------------------------------------------------------36 參考文獻-----------------------------------------------------------------36 附錄1 顯示驅(qū)動程序----------------------------------------------------37 附錄 2 系統(tǒng)主程序------------------------------------------------------------------------------------------------ 附錄3 原理電路圖---------------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 4 電路原理圖---------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 5 仿真電路圖-------------------------------------------------------------------------------------------------- 附錄 6 系統(tǒng)PCB圖----------------------------------------------------------------------------------------------------- 第1章 緒 論 1.1 選題背景 LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，顯示屏由幾萬……幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素點。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏 無法比擬的優(yōu)點。 在短短的十來年中，LED點陣顯示屏就以亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展。LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，主要包括：（1）證券交易、金融信息顯示。（2）機場航班動態(tài)信息顯示。（3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。（4）體育場館信息顯示。（5）道路交通信息顯示。（6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（7）郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。（8）廣告媒體新產(chǎn)品等。 1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 （1）我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 我國的LED顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，至1998年底，年度銷售總額在1000萬元以上的企業(yè)有20多家，其銷售總額達6億元左右，占行業(yè)市場總額的85%以上。全國從事LED顯示屏的各類企業(yè)有100余家，從業(yè)人員近6000人，行業(yè)年度銷售總額近8億元人民幣，1996年、1997年的增長速度均保持40%左右，1998年略有回落。在國內(nèi)市場上，國產(chǎn)LED顯示屏的市場占有率近100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機場、浦東機場等，均由國內(nèi)代表企業(yè)中標。技術(shù)水平相對領(lǐng)先,我國LED顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產(chǎn)品技術(shù)推陳出新，一直保持比較先進的水平。90年代初即具備了成熟的16級灰度256色視頻控制技術(shù)及無線遙控等國際先進水平技術(shù)，近年在全彩色LED顯示屏、256級灰度視頻控制技術(shù)、集群無經(jīng)線控制、多級群控技術(shù)等方面均有國內(nèi)先進、達到國際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)；LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批LED顯示屏科技隊伍，在全國LED顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù)6000人中，科技人員有2800多人，將近50%。LED顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。 （2）LED顯示屏的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代信息社會中，作為人-機信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。使LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應(yīng)用會是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。 未來LED顯示屏?xí)蛑鴺藴驶⒁?guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展[2]。 （3）選題意義 該設(shè)計課題使我們能夠掌握LED顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計方法，對LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認識。并且對大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進行了實踐，使我們對所學(xué)過的理論知識有了新的認識。并且通過該設(shè)計課題掌握了51單片機的軟硬件開發(fā)工具的使用方法，為以后從事相關(guān)行業(yè)的工作積累了實際工作經(jīng)驗。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的LED顯示屏的作用也越練越廣泛，相關(guān)的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應(yīng)該清楚的認識到我國的LED技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進水平還有一定的差距。因此,此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國LED顯示技術(shù)的發(fā)展都有非常現(xiàn)實與積極的意義。 第二章 功能要求及方案論證 2.1功能要求 本方案設(shè)計一個電子顯示屏，具體要求滿足以下條件： 1.要求采用51單片機作為微控制器； 2.通過16ｘ16的點陣LED進行文字顯示； 3.在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足、穩(wěn)定、清晰無串擾。 2.2顯示模塊方案論證 四個88的點陣構(gòu)成一個1616的點陣。行和列的交叉處有一個LED，共由256個LED構(gòu)成，如果LED的陽極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給該LED對應(yīng)的行以高電平，列以低電平，那么對應(yīng)的LED就發(fā)光。 圖2-1畫出了室內(nèi)直插式88點陣雙基色LED模塊實物圖。這種模塊由64個發(fā)光LED芯片以88的形式構(gòu)成一個正方形模塊，然后用2列8針引腳將內(nèi)部電路接口引出，供驅(qū)動電路使用。 圖2-1 LED 點陣顯示原理圖 行對應(yīng)的給LED的陽極，先給第一行以高電平，如果送給16列的代碼為EFFF，則第一行的第4個LED被點亮，再給第二行以高電平，如果送給16列的代碼為EF07，則第二行的第4、9、10、11、12、13個被點亮，接著給第三行以高電平，同時給列以驅(qū)動代碼，這樣不斷地進行行行的掃描，只要速度夠快，由于人的視覺暫留作用，就不會感覺到明顯的閃爍感。點陣上會看到一個清晰的“機”字。 LED數(shù)碼管 結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。本文所述的是LED的數(shù)據(jù)顯示方式，這種方式通常使用8段LED或者16段LED。在實際應(yīng)用中，點亮LED數(shù)碼管的方式有靜態(tài)和動態(tài)2種方法。本文以8段LED作為示例來論證方案 1.靜態(tài)顯示方式 靜態(tài)顯示方式，即8段LED數(shù)碼管在顯示某一個數(shù)碼時，加在數(shù)碼管上的段碼 保持不變，直至換顯其他數(shù)碼為止。這樣數(shù)碼管的每一段均應(yīng)由一條輸出線來控制，每顯示以為數(shù)碼需要8根輸出線，當N位顯示則需N8根輸出控制線。占用較多I/O資源。 2.動態(tài)顯示方式 為解決靜態(tài)顯示占用較多I/O資源的問題，在多位顯示時通常采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示是將所有數(shù)碼管的段碼線對應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個8位的輸出口控制，每位數(shù)碼管的公共端分別出一位I/O線控制。顯示不同數(shù)碼時，由位線控制各位輪流顯示。位線控制某位選通時，該位應(yīng)顯示數(shù)碼的段碼同時加在段碼線上，即每一時刻僅僅有一位數(shù)碼管是被點亮的，當輪流顯示的速度較快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，看起來就像所有位同時顯示一樣，這時，我們就能看到穩(wěn)定的圖像了 2.3數(shù)據(jù)傳輸方案論證 采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應(yīng)具有的功能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應(yīng)能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。圖2-2為顯示屏電路實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。 列驅(qū)動器 單 片 機 LED顯示點陣 行驅(qū)動器 圖2-2顯示屏電路實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件電路大致上可以分成單片機系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路三部分。 3.1單片機系統(tǒng)及外圍電路 單片機采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機的串口與列驅(qū)動器相連，用來顯示數(shù)據(jù)。P1口低4位與行驅(qū)動器相連，送出行選信號；P1.5～P1.7口則用來發(fā)送控制信號。P0口和P2口空著，在有必要的時候可以擴展系統(tǒng)的ROM和RAM,下圖給出的是AT89C51的最小系統(tǒng)圖。 圖3-1 MSC51單片機最小系統(tǒng) MSC51單片機管腳說明如下： VCC：供電電壓。 　　 GND：接地。 　　 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 　　 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 　　 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 　　 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。 　　　 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 　　 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用?！　? /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 　　 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 　　 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 　　 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 B3.2系統(tǒng)電源模塊 系統(tǒng)電源電路如圖3-2所示。AT89C51工作電壓VCC=5V,其EA引腳需接高電平,5V電源電路圖。 圖3-2 系統(tǒng)電源模塊 3.3行驅(qū)動器 由于4點陣顯示器有16行，為充分利用單片機的接口，本電路中加入了一個4-16線譯碼器74LS154，其輸入是一個16進制碼，解碼輸出為低態(tài)掃描信號，它的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。 圖3-3 74LS154結(jié)構(gòu)圖 74LS154 結(jié)構(gòu)說明如表3-1： 表3-1 INPUTS LOW OUTPUT D C B A L L L L L L 0 L L L L L H 1 L L L L H L 2 L L L L H H 3 L L L H L L 4 L L L H L H 5 L L L H H L 6 L L L H H H 7 L L H L L L 8 L L H L L H 9 L L H L H L 10 L L H L H H 11 L L H H L L 12 L L H H L H 13 L L H H H L 14 L L H H H H 15 L H X X X X --- H L X X X X --- H H X X X X --- 說明：H－高電平 L－低電平 X－任意 *－其他輸出端為高電平4軟件設(shè)計 74LS154 引腳說明如表3-2 表3-2 符號 引腳 描述 ~,~ 1~11 ,13~17 輸出端 GND 12 GND電源地 ~ 18~19 使能輸出端 A、B、C、D 20~23 地址輸出端 Vcc 24 VCC電源正 圖3-4 行驅(qū)動電路 如圖3-3所示的行驅(qū)動電路中,把74LS154的G1和G2引腳接地，然后以A、B、C、D四腳為輸入端。就會形成16種不同的輸入狀態(tài)，分別為0000～1111，然后使每種狀態(tài)只控制一路輸出，即會有16路輸出。如果一行64點全部點亮，則通過74LS154的電流將達640 mA，而實際上，74LS154譯碼器提供不了足夠的吸收電流來同時驅(qū)動64個LED同時點亮，因此，應(yīng)在74LS154每一路輸出端與16x64點陣顯 示器對應(yīng)的每一行之間用一個三極管來將電流信號放大，本文選用的是三極管8550。這樣，74LS154某一輸出腳為低電平時，對應(yīng)的三極管發(fā) 射極為高電平從而使點陣顯示器的對應(yīng)行也為高電平。 3. 4 列驅(qū)動器 列驅(qū)動通過兩個鎖存器74LS373來實現(xiàn)。74LS373為動態(tài)輸出的八 D 透明鎖存器。它的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。 圖3-5 74LS373結(jié)構(gòu)圖 <74LS373功能表> E G D Q L H H H L H L L L L X Q 上表是74LS373的真值表，表中： L——低電平； H——高電平； X——不定態(tài)； Q0——建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平； G——輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻低電平：關(guān)門鎖 存。圖中OE——使能端，接地。 當G=“1”時，74LS373輸出端1Q—8Q與輸入端1D—8D相同； 當G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 74ls373是常用的地址鎖存器芯片，它實質(zhì)是一個是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，在單片機系統(tǒng)中為了擴展外部存儲器，通常需要一塊74ls373芯片。 (1).1腳是輸出使能(OE),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,G)如何,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài)); (2).當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,G)上出現(xiàn)一個下降沿,輸出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈現(xiàn)輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài). 鎖存端LE 由高變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到LE 端再次有效。 當三態(tài)門使能信號OE為低電平時，三態(tài)門導(dǎo)通，允許Q0~Q7輸出，OE為高電平時，輸出懸空。當74LS373用作地址鎖存器時，應(yīng)使OE為低電平，此時鎖存使能端C為高電平時，輸出Q0~Q7 狀態(tài)與輸入端D1~D7狀態(tài)相同；當C發(fā)生負的跳變時，輸入端D0~D7 數(shù)據(jù)鎖入Q0~Q7。51單片機的ALE信號可以直接與74LS373的C連接。 74ls373與單片機接口： 1D~8D為8個輸入端。 1Q~8Q為8個輸出端。 G是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當G=1時，鎖存器輸出端同輸入端；當G由“1”變?yōu)椤?”時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中。 OE為輸出允許端；當OE=“0”時，三態(tài)門打開；當OE=“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。 在MCS-51單片機系統(tǒng)中，常采用74LS373作為地址鎖存器使用，其連接方法如上圖所示。其中輸入端1D~8D接至單片機的P0口，輸出端提供的是低8位地址，G端接至單片機的地址鎖存允許信號ALE。輸出允許端OE接地，表示輸出三態(tài)門一直打開。 34B3.5 1616 LED點陣顯示屏幕 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機的I/O口有限要不能直接用I/O口來驅(qū)動LED顯示屏，所以需要對單片機IO口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。 LED顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的LED顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成LED屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點連接起來，如圖3-5所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的LED點陣子模塊構(gòu)成大的LED點陣模塊。目前市場上普遍采用的點陣模塊有88、1616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點在于當單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點在于連接線路復(fù)雜；而點陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當一個LED出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有LED都必須被更換。這就加大了維修的成本。 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個LED點陣顯示屏。為了避免模塊的缺點，選擇點陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng)險。所以構(gòu)建一個1616的LED點陣屏選用四塊88點陣模塊。 圖 3-6 LED點陣圖 一個1616的LED顯示屏行和列各有16支引腳，不能單靠51單片機的端口驅(qū)動所以必須要對單片機的端口個數(shù)進行擴展。經(jīng)常采用的端口擴展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有74LS154（4線-16線譯碼器）、74LS164（8位串并轉(zhuǎn)換器）、74HC595等。51系列單片機端口低電平時，吸入電流可達２０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十μＡ甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機不能直接驅(qū)動LED顯示屏顯示。在單片機和顯示屏之間還需要增加以功能放大位目的的驅(qū)動電路。 8x8的LED點陣為單色行共陰模塊，單點的工作電壓為正向（Vf)=1.8 v ,正向電流（IF）= 8-10 mA 。靜態(tài)點亮器件時（64 點全亮）總電流為640mA，總電壓為1.8 v，總功率為1.15W。動態(tài)時取決于掃描頻率（1/8或1/16秒），單點瞬間電流可達80-160 mA。1616點陣靜態(tài)時161610mA,動態(tài)時單點電流80-160mA。 接線方式： 當某一行線打高時，某一列線為低時，其行列交叉的點就被點亮；某一列線為高時，其行列交叉的點為暗；當某一行線打低時，無論列線如何，對應(yīng)這一行的點全部暗。其引腳圖如圖 3-7所示。 1 控制第五行顯示 接高 9 控制第一行顯示 接高 2 控制第七行顯示 接高 10 控制第四列顯示 接低 3 控制第二列顯示 接低 11 控制第六列顯示 接低 4 控制第三列顯示 接低 12 控制第四行顯示 接高 5 控制第八行顯示 接高 13 控制第一列顯示 接低 6 控制第五列顯示 接低 14 控制第二行顯示 接高 7 控制第六行顯示 接高 15 控制第七列顯示 接低 8 控制第三行顯示 接高 16 控制第八列顯示 接低 圖 3-716x16點陣引腳圖 如圖3-8所示為系統(tǒng)點陣模塊 圖3-8系統(tǒng)點陣顯示模塊 18B3.6器件介紹 33B3.6.1 51系列單片機 單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。8051單片機的基本結(jié)構(gòu)見圖。 圖3-9 單片機基本結(jié)構(gòu) 8051是MCS-51系列單片機的一個產(chǎn)品。MCS-51系列單片機是Intel公司推出的通用型單片機，8051單片機系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生產(chǎn)品。這些衍生品是在基本型基礎(chǔ)上增強了各種功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品給8位單片機注入了新的活力，給它的開發(fā)應(yīng)用開拓了更廣泛的前景。 8051系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷邏輯幾部分。 （1）中央處理器 8051的中央處理器由運算器和控制邏輯構(gòu)成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。 算術(shù)邏輯單元ALU能對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算；“與”、“或”、“異或”等邏輯運算以及位操作運算。ALU只能進行運算，運算的操作數(shù)可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，運算結(jié)果可以送回ACC或通用寄存器或存儲單元中，累加器ACC也可以寫為A。B寄存器在乘法指令中用來存放一個乘數(shù)，在除法指令中用來存放除數(shù)，運算后B中為部分運算結(jié)果。 程序狀態(tài)字PSW是個8位寄存器，用來寄存本次運算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含義是： PSW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV P CY：進位標志。有進位/錯位時CY=1，否則CY=0。 AC：半進位標志。當D3位向D4位產(chǎn)生進位/錯位時，AC=1，否則AC=0，常用于十進制調(diào)整運算中。 F0：用戶可設(shè)定的標志位，可置位/復(fù)位，也可供測試。 RS1、RS0：四個通用寄存器組選擇位，該兩位的四種組合狀態(tài)用來選擇0~3寄存器組。 OV：溢出標志。當帶符號數(shù)運算結(jié)果超出-128~+127范圍時OV=1，否則OV=0。當無符號數(shù)乘法結(jié)果超過255時，或當無符號數(shù)除法的除數(shù)為0時OV=1，否則OV=0。 P：奇偶校驗標志。每條指令執(zhí)行完，若A中1的個數(shù)為奇數(shù)時P=1，否則P=0，即偶校驗方式。 控制邏輯主要包括定時和控制邏輯、指令寄存器 、譯碼器以及地址指針DPTR和程序寄存器PC等。 單片機是程序控制式計算機，即它的運行過程是在程序控制下逐條執(zhí)行程序指令的過程：從程序存儲器中取出指令送指令存儲器IR，然后指令譯碼器ID進行譯碼，譯碼產(chǎn)生一系列符合定時要求的微操作信號，用以控制單片機的各部分動作。8051的控制器在單片機內(nèi)部協(xié)調(diào)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作，并對單片機發(fā)出若干控制信息。這些控制信息的使用專門的控制線，諸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他們的具體功能在介紹8051引腳是一起敘述。 （2）存儲器組織 8051單片機的存儲器結(jié)構(gòu)特點之一是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，并有各自的尋址機構(gòu)和尋址方式，這種結(jié)構(gòu)稱為哈佛結(jié)構(gòu)單片機。這種結(jié)構(gòu)與通用微機的存儲器結(jié)構(gòu)不同，一般微機只有一個存儲器邏輯空間，可隨意安排ROM或RAM，訪存時用同一種指令，這種結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓型。 8051單片機在物理上有四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。 8051片內(nèi)有256K數(shù)據(jù)存儲器RAM和4KB的程序存儲器ROM。除此之外，還可以在片外擴展RAM和ROM，并且各有64KB的尋址范圍。也就是最多可以在外部擴展264KB存儲器。8051的存儲器組織結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。 64K字節(jié)的程序存儲器（ROM）空間中，有4K字節(jié)地址區(qū)對于片內(nèi)ROM和片外ROM是公用的，這4K字節(jié)地址是0000H~FFFH。而1000H~FFFFH地址區(qū)為外部ROM專用。CPU的控制器專門提供一個控制信號EA用來區(qū)分內(nèi)部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)：當EA接高電平時，單片機從片內(nèi)ROM的4K字節(jié)存儲器區(qū)取指令，而當指令地址超過0FFFH后，就自動的轉(zhuǎn)向片外ROM取指令。當EA接低電平時，CPU只從片外ROM取指令。 程序存儲器的某些單元是保留給系統(tǒng)使用的：0000H~0002H單元是所有執(zhí)行程序的入口地址，復(fù)位以后，CPU總是叢0000H單元開始執(zhí)行程序。0003H~002AH單元均勻地分為五段，用做五個中斷服務(wù)程序的入口。用戶程序不應(yīng)進入上述區(qū)域。 圖3-10 存儲器組織結(jié)構(gòu)圖 8051的RAM雖然字節(jié)數(shù)不很多，但卻起著十分重要的作用。256個字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00H-7FH時真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)。而80H~FFH是專門用于特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。對于8051安排了21個特殊功能寄存器，每個寄存器為8位，所以實際上128個字節(jié)并沒有全部利用。 內(nèi)部RAM的各個單元，都可以通過直接地址來尋找，對于工作寄存器，則一般都直接用R0~R7，對特殊功能寄存器，也是直接使用其名字較為方便。8051內(nèi)部特殊功能寄存器都是可以位尋址的，并可用“寄存器名.位”來表示，如ACC.0，B.7等 3.6.2 鎖存器74L373 由于74LS164芯片不具有鎖存功能，所以在74LS164進行八位數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換時，串行數(shù)據(jù)的第一位會從QA依次移位到QH,第二位數(shù)據(jù)會從QA依次移位到QG，依次類推在八位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成之前74LS164芯片的輸出會出現(xiàn)一段時間的亂序輸出，這一結(jié)果會通過驅(qū)動電路表現(xiàn)在顯示屏上。結(jié)果就是顯示屏無序?qū)ㄩW爍，不能顯示所需內(nèi)容。因此在串并轉(zhuǎn)換完成前就需要74LS164的輸出口不與驅(qū)動電路導(dǎo)通。所以選擇鎖存器74LS373來完成這一功能。 74LS373為八D鎖存器(3S,鎖存允許輸入有回環(huán)特性)。373為三態(tài)輸出的八D透明鎖存器,共有54/74S373和54/74LS373兩種線路結(jié)構(gòu)形式當三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當OE為高電平時，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。 表3-4 74LS373工作參數(shù)表 參數(shù) 最小值 額定值 最大值 單位 電源電壓 4.75 5 5.25 V 輸入高電平電壓 2 — — V 輸入低電平電壓 — — 0.8 V 輸出高電平電壓 — — －2.6 mA 輸出低電平電壓 — — 24 mA 由表與表比較可以看出，74LS164的輸出條件與74LS373的輸入條件相匹配，理論上可以實現(xiàn)鎖存器對譯碼器的數(shù)據(jù)鎖存。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 43B4.1系統(tǒng)的程序流程圖 系統(tǒng)程序流程圖如圖4-1所示。 開始 主程序初始化 是否左移 左移初始化 改變顯示速度 左移顯示 是否上移 上移初始化 改變顯示速度 上移顯示 是否閃爍 閃爍初始化 改變顯示速度 閃爍顯示 N Y Y N Y N 圖4-1系統(tǒng)程序流程圖 顯示驅(qū)動程序在進入中斷后首先要對定時器T0重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩(wěn)定，1/16掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計算公式如下： 刷頻率（幀頻）=1/16T0溢出率 =1/16f/12（65536-t） 其中f位晶振頻率，t為定時器T0初值（工作在16位定時器模式）。 然后顯示驅(qū)動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動程序先要關(guān)閉顯示屏，即消隱，等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。圖4-2為顯示驅(qū)動程序（顯示屏掃描函數(shù)）流程圖。詳細程序見附錄1. 進入中斷 定時器賦初值 讀取行號并增加1 送新行顯示數(shù)據(jù) 消 隱 切換顯示數(shù)據(jù) 發(fā)送新行號，打開顯示 退出中斷 圖 4-2 顯示驅(qū)動程序流程圖 4.2系統(tǒng)主程序 本文設(shè)計的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式，詳細程序見附錄2。 第五章 調(diào)試及性能分析 5.1開發(fā)環(huán)境介紹 程序編寫采用Keil 51環(huán)境下調(diào)試,Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。 5.2 理論性能分析 LED顯示屏硬件電路只要硬件質(zhì)量可靠，引腳焊接正確，一般無需調(diào)試即可 正常工作。軟件部分需要調(diào)試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。顯示屏刷新率由定時器T0的溢出率和單片機的晶振頻率決定，表5-1給出了實驗調(diào)試時采用的頻率及其對應(yīng)的定時器T0初值。 表5-1 顯示平刷新率與T0初值關(guān)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 從理論上來說，24Hz以上的刷新頻率就能看到穩(wěn)定的連續(xù)的顯示，刷新率越高，顯示越穩(wěn)定，同時刷新頻率越高，顯示驅(qū)動程序占用的CPU時間越多。試驗證明，在目測條件下刷新頻率40Hz一下的畫面看起來閃爍較嚴重，刷新頻率50Hz以上的已基本察覺不出畫面的閃爍，刷新頻率達到85Hz以上時再增加畫面閃爍沒有明顯的改善。 這個方案設(shè)計的16ｘ16的點陣LED圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無串擾；可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。 5.3 系統(tǒng)調(diào)試 調(diào)試主要分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試： 硬件調(diào)試：在焊接電路板的時候，應(yīng)該從最基本的最小系統(tǒng)開始，分模塊，逐個進行焊接測試。在對各個硬件模塊進行測試時，要保證軟件正確的情況下去測試硬件，要不然發(fā)生錯誤時，不知道到底是哪一方出錯了。當然，在設(shè)計的過程中也存在著失誤和不足。 軟件調(diào)試：軟件部分是先參考書上的例子，然后自己根據(jù)硬件電路寫程序，由于以前所學(xué)是C語言，所以這個系統(tǒng)在編寫程序過程中都采用C語言編寫。剛剛開始，編寫不會一次性通過，經(jīng)過仔細分析修改最后編譯成功。但是，在實際寫如S51中，LED顯示屏出現(xiàn)各種各樣的亂碼，通過再次認真仔細分析多次修改程序后，程序能夠正常運行。 第六章 結(jié) 論 經(jīng)過一段時間的工作，終于完成了基于51單片機的LED顯示系統(tǒng)的設(shè)計，項目所要求的功能全部達到。通過這次設(shè)計收獲頗多，不僅是所作題目涉及到的軟硬件知識還有更為重要的實際經(jīng)驗和過程中所發(fā)現(xiàn)的問題。 接手題目之后從互聯(lián)網(wǎng)上對LED進行了詳細的資料收集，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的兩方面對LED進行了了解。通過了解我認識到LED是一門當今應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)，整個產(chǎn)業(yè)每年都會有巨大的產(chǎn)值而且技術(shù)還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。 從設(shè)計之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實現(xiàn)方法和實際情況設(shè)計一款小屏幕的LED點陣顯示屏。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了題目的設(shè)計方案。整個設(shè)計采用AT89C51做核心控制器，74LS164和74LS373組成譯碼電路。在實現(xiàn)這一設(shè)計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗和深刻教訓(xùn)。這些經(jīng)驗和教訓(xùn)是： （1）設(shè)計之前應(yīng)該進行大量的資料收集和分析，確定一個清晰的設(shè)計思路； （2）器件選擇時要詳細閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實現(xiàn)還要考慮器件在整個系統(tǒng)中的兼容性； （3）硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實物建立之前最好進行仿真這樣才能為軟件提供一個可靠的試驗平臺； （4）軟件的編寫不但要實現(xiàn)功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。 隨著課題的進行，對LED的了解也越來越深入。認為LED技術(shù)也會進一步發(fā)展，LED應(yīng)用將會更加廣泛?？梢栽O(shè)想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術(shù)相結(jié)合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內(nèi)容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。 設(shè)計結(jié)束了，但學(xué)習(xí)還在繼續(xù)。我相信通過此次設(shè)計所得到的知識、心得、經(jīng)驗?zāi)酥粮惺芏紩屛以谝院蟮娜兆永锸芤娣藴\。 第七章 總 結(jié) 7.1 工作過程介紹 本文設(shè)計的一個室內(nèi)用16ｘ16的點陣LED圖文顯示屏，能夠在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件少，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等特點。 總結(jié)本文的研究工作，主要做了下面幾點較突出的工作： 一、通過查閱大量的相關(guān)資料，詳細了解了LED的發(fā)光原理和LED顯示屏的原理，了解了LED的現(xiàn)狀，清楚地了解了LED顯示屏與其它顯示屏相比較有那些 優(yōu)點，明確了研究目標。 二，本文設(shè)計的LED顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。 三，文章給出了系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計方案,硬件結(jié)構(gòu)電路圖，軟件流程圖，程序設(shè)計與調(diào)試等方面。 四，通過這次畢業(yè)設(shè)計，重新復(fù)習(xí)并進一步學(xué)習(xí)了MCS-51；熟練掌握了有關(guān)軟件的使用。 7.2 系統(tǒng)功能的拓展方向 本設(shè)計作品不但可以運用到車站、醫(yī)院等行業(yè)，而且可以通