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16*16点阵的显示程序以及电路.doc

发布时间：2022-06-10 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.60M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    16×16点阵LED电子显示屏的设计
    1 引 言
    1.1 课题的背景
    随着显示器件与技术的进一步发展，屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用，LED显示屏是信息显示的重
    近几年来我国LED显示的相关技术也取得了较快和较大的发展，早期时曾因LED材料器件的限制，LED显示
    1.2 研究目的和意义
    1.3 论文研究内容与结构安排
    2 系统方案论证与选择
    2.1 方案论证
    2.2 各模块方案选择与论证
    2.2.1 单片机控制模块
    2.2.2时钟信号电路
    2.2.4 显示模块
    2.2.5驱动模块
    3 系统硬件电路设计与实现
    3.1 硬件电路设计
    3.2 各单元电路说明
    3.2.1 单片机主控制模块的设计
    4 系统软件设计
    4.1点阵显示原理
    4.1.1 16×16点阵LED基本显示原理
    4.1.2 16×16点阵LED显示屏上滚屏显示原理
    4.1.3 16×16点阵LED显示屏左跑马显示原理
    4.2 主程序设计
    5 系统调试及结果分析
    5.1 系统调试
    5.1.1 硬件测试
    5.1.2. 软件测试
    5.2结果分析
    经过多次的反复测试与分析,可以对电路的原理及功能更加熟悉,同时提高了设计能力与及对电路的分析能力。同
    参考文献
    附录
    题 目：16×16 点阵 LED 电子显示屏的设计 2010 年 5 月 12 日 16×16 点阵 LED 电子显示屏的设计 摘要：电子显示屏的应用范围越来越广泛，它作为一个重要的宣传平台，已经受到全社会的 普遍认可。本课题以单片机为控制核心，通过 8x8 LED 电子显示屏及相关的外围电路，设计制作 了一个 16x16 点阵 LED 电子显示屏。 本文介绍了基于 AT89C51 单片机点阵显示屏的设计方案，阐述了 16×16 点阵 LED 显示屏的 设计原理与思路，详细叙述了系统硬件、软件设计的具体实现过程。论文重点阐述了显示模块及 相关驱动模块等的模块化设计思路与制作方法。软件部分同样也采用模块化的设计思想，包括中 断模块、显示模块，并采用简单流通性强的 C 语言编程实现。系统能实现清晰的图文伴随跑马形 式移入移出显示等功能。在实际设计调试过程中，通过肉眼观察该显示屏显示的图文是否稳定、 清晰无串扰，查找造成图文不清晰的根源，确定调整方案，尽可能的使显示图文与要求相符合。 关键词：AT89C51；单片机；LED 显示屏 I
    目录 摘要 ............................................................................ (I) Abstract. ...................................................................... (Ⅲ) 1 引 言 ....................................................................... (1) 1.1 课题的背景 ............................................................. (1) 1.2 研究目的和意义 ......................................................... (1) 1.3 论文研究内容与结构安排 ................................................. (1) 2 系统方案论证与选择 ............................................................ (3) 2.1 方案论证 ............................................................... (3) 2.2 各模块方案选择与论证 ................................................... (4) 2.2.1 单片机控制模块 ................................................... (4) 2.2.2 时钟信号电路 ..................................................... (4) 2.2.3 显示模块 ......................................................... (4) 2.2.4 显示模块 ......................................................... (4) 2.2.5 驱动模块 ......................................................... (5) 3 系统硬件电路设计与实现 ....................................................... (6) 3.1 硬件电路设计 ........................................................... (6) 3.2 各单元电路说明 ......................................................... (6) 3.2.1 单片机主控制模块的设计 ........................................... (6) 3.2.2 16×16 点阵 LED 显示模块设计 ...................................... (8) 3.2.3 驱动模块 ........................................................ (10) 4 系统软件设计 ................................................................ (14) 4.1 点阵显示原理 .......................................................... (14) 4.1.1 16×16 点阵 LED 基本显示原理 ......................................(14) 4.1.2 16×16 点阵 LED 显示屏上滚屏显示原理 ..............................(14) 4.1.3 16×16 点阵 LED 显示屏左跑马显示原理 ..............................(15) 4.2 主程序设计 ............................................................ (16) 4.2.1 中断原理 ........................................................ (16) 4.2.2 系统驱动 ........................................................ (17) II
    4.2.3 系统主程序 ...................................................... (18) 5 系统调试及结果分析 .......................................................... (19) 5.1 系统调试 .............................................................. (19) 5.1.1 硬件测试 ........................................................ (19) 5.1.2 软件测试 ........................................................ (19) 5.2 结果分析 .............................................................. (20) 6 总结与展望 .................................................................. (21) 6.1 总结 .................................................................. (21) 6.2 展望 .................................................................. (21) 致谢 ........................................................................... (22) 参考文献 ....................................................................... (23) 附录 ........................................................................... (24) III
    1 引 言 1.1 课题的背景 随着显示器件与技术的进一步发展，屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用，LED 显 示屏是信息显示的重要传媒之一。LED 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的显示 屏幕。伴随着计算机技术的发展，使得 LED 数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。 而且它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适应能力强等特点，所以 一直在平板显示领域扮演着重要的角色，并且在今后相当长的一段时期内还有相当大的发展空间。 所以被广泛应用于金融市场、医院、体育场馆、机场、码头、车站、高速公路等公共场所的信息 显示和广告宣传。 近几年来我国 LED 显示的相关技术也取得了较快和较大的发展，早期时曾因 LED 材料器件的 限制，LED 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式， 客观上影响了显示效果。所以导致早期的 LED 显示屏在国内很少，产品以红、绿双基色为主，控 制方式为通信控制，灰度等级为单点四级调灰，产品的成本比较高。后来 LED 显示屏迅速发展， 进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED 显示屏在 LED 材料和 控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色 LED 镜片研制成功，全彩色 LED 显示屏进入市场;电子计 算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏的动态显示 效果大大提高。这个阶段，LED 显示屏在我国发展迅速，LED 显示屏产业成为新兴的高科技产业。 今天，LED 显示屏应用领域更为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、 更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展[1]。 1.2 研究目的和意义 该设计课题使我们能够掌握 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。并且通过该设计课题掌握了 51 单片机软硬件开发工具的使用方法，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，此课题不论是对自 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。 1.3 论文研究内容与结构安排 本文首先介绍本设计的相关概念以及目前发展的状况，然后是设计的方案选择与论证，接下 来，具体介绍了硬件电路组成模块与系统软件的设计。最后介绍了系统的调试以及设计可扩展性。 本文研究的内容如下：  单片机控制模块：采用 89C51 或其他系列单片机作为控制核心，其它相关的外围电路构成 1
    本系统的模块；  时钟信号电路：采用普通晶体时钟源，其中晶体用 12MHZ 的石英晶振；  复位电路：采用上电复位；  显示模块：显示稳定的图文等信息；  驱动模块：采用 74LS154、74HC595 作为点阵 LED 显示屏的行列驱动器，对点阵行列进行 驱动； 根据上述的研究内容，论文的结构安排如下： 第二章主要阐述系统方案的选择与论证，根据系统要实现的主要功能，把整个系统分为电源 模块、时钟信号电路、复位电路、驱动模块、单片机控制模块、显示模块等，并分别对各模块方 案进行了选择与论证； 第三章主要阐述系统硬件电路设计与实现，主要介绍了个硬件电路的设计，并对各单元电路 进行说明，主要是对各单元电路的主要元件的结构概念、引脚功能以及特点进行说明。 第四章主要阐述的是系统软件设计，主要是对主程序的结构图和时间的流程图进行说明。 第五章阐述的是系统调试及结果分析，主要是对硬件和软件进行测试并把遇到的问题和解决 方法进行说明，并对设计过程中的主要注意事项进行说明。 第六章阐述的是总结和展望，主要阐述本人在设计过程中的一些体会和对这个设计将来的一 些展望。 2
    2 系统方案论证与选择 2.1 方案论证 从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制这些组成图形或文字的各个点所在位置相对 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。16×16 的点阵共有 256 个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果采 用锁存器来扩展端口，按 8 位的锁存器来计算，16×16 的点阵需要 256/8=32 个锁存器。这个数 字很大，因为仅仅是 16×16 的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大的多，这样在锁存器上花的 成本将是一个很大的数字。因此采用另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）的同名列共用一套列驱动器。具体就 16×16 的点阵来说，我们把所有同一行的发光管的阳极 连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第一行发光管亮灭 的数据并锁存，然后选通第一行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存， 然后选通第二行使其点亮相同的时间，然后熄灭；…… 第十六行之后又重新点亮第一行，这样反 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，我们就能看到 显示屏上稳定的图形了。 采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。显示数 据通常存储在单片机的存储器中，按 8 位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数 据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的 数据传输可以采用并行方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路 数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。 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已传输到位之后，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）和列数据显示两个部分。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，以至影 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，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需 要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备 来说，它应能实现串入并出的移位功能；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[2]。 3
    课题拟以 AT89C51 单片机为控制核心设计一个简单的数字时钟系统，用单片机、点阵显示屏 等设计一个 16×16 点阵 LED 电子显示屏的设计。系统可以分为电源模块、时钟信号电路、复位电 路、驱动模块、单片机控制模块、显示模块等，其系统结构框图如下图 2.1 时钟电路 复位电路 点阵显示器阴极驱动电路 16×16 点阵 LED 显示屏 单 片 机 点 阵 显 示 器 阳 极 驱 动 电 路 图 2.1 系统结构框图 2.2 各模块方案选择与论证 2.2.1 单片机控制模块 采用 89C51 芯片作为硬件核心，采用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间,可多次擦写， 而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容。 2.2.2 时钟信号电路 直接采用普通晶体时钟源提供脉冲信号，此种方案能够减少芯片的使用，节约成本。 2.2.3 复位电路 方案一：采用按钮复位，通过按电路中的开关按钮使系统内部复位，按一次开关按钮系统复 位一次，但是在点阵屏显示过程中不需要对系统进行复位，本方案与实际应用不相符合，所以不 采取本方案。 方案二：采用上电复位，电路第一次通电时对系统进行一次复位，而后系统执行。这个方案 简单且符合实际设计，故采用本设计方案[3]。 2.2.4 显示模块 方案一：采用 4 块 8×8 点阵 LED 显示屏相连接构成一块 16×16 点阵 LED 显示屏，但 4 块 4
    点阵屏连接起来面积较大，且需多根导线将其焊接，外观上较不美观。所以不采用本方案。 方案二：采用 16×16 点阵 LED 显示屏，16×16 点阵屏的功能与 4 块 8×8 点阵屏构成 16× 16 点阵屏功能相同，但是更为美观小巧美观，且单块 16×16 点阵屏和 4 块 8×8 点阵屏价格相等。 故本设计采用这种方案。 2.2.5 驱动模块 方案一：采用静态锁存方式，将每一个 LED 发光管的一端接至单片机的一个 I/O 口，另一端 通过电阻接电源。这种方法可以直接驱动 LED，原理简单，驱动能力强，LED 的亮度也可以通过限 流电阻调节，非常方便，但此种方法太浪费单片机的 I/O 口，只适合于较小的系统。 方案二：采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的 LED 发光管的一端(共阴或共阳)， LED 发光管的另一脚接通用 I/O 口，控制其亮灭。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。故采用本设计方案。 列驱动电路由集成电路 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各列 数据的同时，传送下一行的列数据，达到重叠处理的目的[4]。 行驱动电路主要是要实现译码功能，下面有 2 种方案供其选择： 方案一：采用 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，但是增加了芯片的使用数目，增加了连线及所占面积。所以不采用本方案。 方案二：采用芯片 74LS154，74LS154 芯片本身具有 4/16 线译码功能，其功能与 2 块 74LS138 级联实现 4/16 译码一样，但是相比 74LS138 少用一片芯片。所以采用本方案。 5
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