8×8点阵LED数码字符显示器的硬件设计

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第19页 共19页目 录第一章 引 言2第二章 方案选择及总体设计32.1 方案确定32.1.1 功能要求32.2.2 方案确定32.2 器件选择3第三章 控制系统硬件设计43.1 整体模块设计43.2 单片机最小系统设计43.2.1 晶振电路设计43.2.2 复位电路设计53.3 驱动电路设计63.4 LED点阵显示设计7第四章 控制系统软件设计104.1 软件设计思想104.2 主程序流程图11第五章 系统仿真及性能分析125.1 系统仿真125.2 性能分析12第六章 总结致谢13第七章 参考文献15附 录16附录A 硬件

2、结构图16附录B 主程序清单17附录C 元件清单18第一章 引 言LED是发光二极管LIGHT EMINTTING DIODE的英文缩写，是一种直接能将电能转化为可见光的半导体。LED点阵是由发光二极管排列组成的显示器件，在日常生活中随处可见，其发光类型属于冷光源，效率及发热量是普通发光器件难以比拟的。它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、应用灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活等特点。随着社会经济的不断进步，人们对LED显示器的认识不断加深，其应用领域越来越广。本设计是基于AT89C5151的88点阵LED数码字符显示器的设

3、计，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。本文讲述了基于AT89C51单片机88 LED数码字符显示器的基本原理、硬件组成与设计，Proteus软件仿真，程序设计等基本环节与相关技术。LED电子显示屏具有所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活。适用于火车，汽车站，码头，金融证券市场，文化中心，信息中心体育设施等公共场所。该项目广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术，单片机技术，数据通讯技术，显示技术，存储技术，系统软件技术，接口及驱动等技术。本设计是88点阵LED数码

4、字符显示器的设计。整机以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制一个驱动器来驱动显示屏显示，该电子屏可以各种文字或单色图像，采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。本次科研实践是二人一组合作，本人主要负责硬件部分的设计及计算，软件设计部分由沈霞同学完成。第二章 方案选择及总体设计2.1 方案确定 2.1.1 功能要求 1、采用MCS-51单片机作为微处理器。 2、设计一个88点阵LED数码字符显示器。 3、在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 4、

5、动态显示“8”“0”“5”“1”几个字符。 2.2.2 方案确定 采用AT89C51单片机作为微处理器，将共阳极二极管用共阴型接法连接成88点阵LED数码字符阵列，通过程序控制，采用动态显示，建立字符库“8”“0”“5”“1”。2.2 器件选择微处理器采用AT89C51系列单片机，AT89C51单片机是这几年在我国非常流行的单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）高性能单片机，可擦除只读存储器可以反复擦除100次，具有低功耗、高性能的特点，并且可与工业标准的MCS51指令集

6、和输出管脚相兼容，对于本设计需要实现的功能，完全可胜任。第三章 控制系统硬件设计3.1 整体模块设计本设计行、列驱动电路，显示器电路，运用单片机的智能化，系统的将每个功能电路模块连接在一起，总体结构设计如图1所示。图1 硬件系统框图此次需要实现的功能是利用一个AT89C51，一个88LED点阵，动态显示“8051”4个字，采用PC上位机驱动显示电路。3.2 单片机最小系统设计AT89C51单片机最小系统电路由复位电路、晶振电路两部分组成。3.2.1 晶振电路设计AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内部或外

7、部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率fosc采用12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。晶振电路图如图所示。图2 晶振电路图 3.2.2 复位电路设计AT89C51单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机有多种复位方式，常用的复位操作有上电复位和手动复位方式。本设计采用最简单的上电复位方式，电路如图3所示。上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路产生的复位信号（高电平

8、有效）由RST引脚送入到内部的复位电路，对AT89C51单片机进行复位，复位信号要持续两个机器周期（24个时钟周期）以上，才能使AT89C51单片机可靠复位。当上电时，C1相当于短路，有时碰到干扰时会造成错误复位，可在复位端加个去耦电容，可以取得很好的效果。 AT89C51单片机复位电路如下图所示： 图3 上电复位电路图 图4 按键电平复位电路图复位电路工作原理： 上电瞬间RST引脚的电位与VCC等电位，RST引脚为高电平，随着电容C5充电电流的减少，RST引脚的电位不断下降，可以保持RST引脚在为高电平的时间内完成复位操作。当单片机已在运行当中时，按下复位键S5后再松开，也能使RST引脚为一

9、段时间的高电平，从而实现AT89C51单片机复位。3.3 驱动电路设计正向点亮一颗LED，至少也要1020mA，若电流不够大，则LED不够大。而不管是AT89C51的I/O口，还是TTL、CMOS的输出端，其高态输出电流都不是很高，不过12mA而已。因此很难直接高态驱动LED，这时候就需要额外的驱动电路，通常有共阳型与共阴型LED阵列驱动电路，本设计才用共阴型高态扫描信号驱动电路。共阴型LED阵列驱动电路采用高态扫描，也就是任何时间只有一个高态信号，其它则为低态。一行扫描完成后，再把高态信号转化到近邻的其他行，扫描信号接用一个反向驱动器，AT89C51本身内置一个反向驱动器，本设计将AT89C

10、51作为点矩阵显示控制系统的控制核心，通过点矩阵实时显示并移动字符。单片机的串口与行驱动器相连，用来发送显示数据信息。P0口与LED阵列的行引脚相连，送出数据、地址以及系统控制信号。输出低态时，最大可吸取0.5A，即500mA，若每个LED取30mA，7个LED同时点亮，需要210mA，完全满足LED点亮的基本条件。图5 驱动电路图所要显示的信号各个经过一个限流电阻送入晶体管的基极，而每个NPN晶体管的的集极连接VCC、射极输出经一个100的限流电阻连接到LED阵列的列阵脚。对于高态的显示信号，将可提供其所连接LED的驱动电流，而这个驱动电流经过LED到输出端，形成正向回路，即可点亮该LED。

11、其中每个晶体管任何时间只需负责驱动一个LED，所以选择30mA射极电流的晶体管。驱动电路如图5所示。3.4 LED点阵显示设计 本设计采用ATMEL公司的AT89C51作矩阵显示控制系统控制核心，12MHZ晶振,88点阵共阳LED显示器。其中，P0口作为字符数据输出口,P2口为字符显示扫描输出口,第31脚(EA)接电源，P1.7开关S1，改变电阻（270*8）的大小可改变显示字符的亮度，驱动用9012三极管。本设计LED矩阵显示器电路选用88点阵模块，系统由单片机控制。 LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制，也可以按列扫描按行控制。本文就是使用1块88

12、点阵，采用按列扫描按行控制控制方式，扫描顺序自左向右，以满足汉字显示的要求。88点阵LED结构如图6所示。图6 LED数码显示管88 点阵LED的工作原理。图7为88点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图8所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。 图7 88点阵LED外观及引脚图图8 88点阵LED等效电路一个88点阵是由64个发光二极管按规律组成的，如图8所示。图中，行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。第四章 控制系统软件设计4.1 软件设计思想 主程序先进行设置中断，并启动，再进

13、行键盘扫描载入“8051”字型，然后判断一组字型是否扫描完，按不同情况进行循环调用子程序。进入子程序后，首先设置相应的程序，反复调用显示子程序，并在显示过程中反复调用键盘扫描子程序进行延时，判断是否退出相应的方式显示子程序。设计过程中，能很好得提高按键响应速度。如图9所示为软件系统框图。图9 软件系统框图字符编码：88点阵可以看成是从上至下8个字节，每个字节8位，因为该点阵为共阴型点阵，因此若该灯亮，则该位为“1”；该灯不亮，则该位为“0”。所以“8051”的编码为，从上至下：“8”： 00H 00H 36H 49H 49H 36H 00H 00H；“0”： 00H 1CH 22H 41H 4

14、1H 22H 1CH 00H；“5”： 00H 00H 27H 45H 45H 45H 39H 00H；“1”： 00H 40H 44H 7EH 7FH 40H 40H 00H。4.2 主程序流程图主程序首先设置并启动T0中断，然后调用初始化程序，为后面程序要用到的数据调入，并清零一些用到的数据单元，然后载入“8051”字型，进行扫描。图10为主程序流程图，详细主程序清单及子程序设计见附录C。图10 主程序流程图第五章 系统仿真及性能分析5.1 系统仿真本设计是以Keil C与Proteus.ISIS相结合方式来实现本LED点矩阵显示器的仿真实现过程。电路的核心是单片机AT89C51。单片机的

15、P0口八个引脚通过总线连接到LED矩阵显示器的段选码和位选码（a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8）的引脚上，来作为控制信号的来源。如图11、12所示。图 11 动态显示程序调试结果图 12 延时程序调试结果5.2 性能分析此次系统设计结果较好，LED显示屏能很好的显示信息。LED显示屏由4块88的LED小模块组成，整个显示屏可以显示88的“8051”字型。这个方案设计的88的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较易扩展；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。第六章 总结致谢本次课程设计到现在有一个多星期，回顾这些天我感到学到了很多东西，在写这

16、个心得的时候，我想就这些天的收获，说一说自己内心的想法。本设计是一个8x8的点阵LED数码显示器，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。图形或文字显示有静止、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。并且通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。并证

17、实了自己的思路：“查资料思考总结运用找出差错，再查资料和向别人询问再次运用”的正确性。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。三，本文列出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。四，在这次课程设计的过程中学会了 PROTEUS 的基本使用，感到PROTEUS对电子专业的同学来说是一个很有用的软件。在运用PROTEUS时可以运用一些快捷的标号，总线的方法画图，这样既能使电路图清晰，简单，更能大大提高画图速度五，通过这次课程设计，重新复习并进一步增强了动手的能力

18、，学以致用，把只是运用到实际生活中才是根本目的。六，存在问题：没有考虑仿真软件是一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板会由于譬如连接不当，相邻器件间的干扰等等的问题导致在仿真软件中能良好运行的程序，出现显示问题，经过排查和合理的器件摆放焊接，问题解决。总体来说这次的科研实践很成功，达到了预想的目的：学到了知识，提高了能力，完成了任务。有点缺憾是时间有限，不能进一步深入和扩散学习和研究。希望有时间可以对程序和电路图作更进一步的改进，譬如实现点阵的上下移动，对角线移动，多色显示等。在此感谢指导老师范力旻老师的悉心教导，改正了很多不曾发现的问题，为即将的毕业设计打下了基础。第七章 参考文献1 张靖武

19、,周灵彬 单片机系统的PROTEUS设计与仿真电子工业出版社2 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉 8051单片机实践与应用清华大学出版社3 李群芳，肖看 单片机原理、接口及应用清华大学出版社4 张毅刚，彭喜元等 新编MCS-51单片机应用设计 哈尔滨工业大学出版社 5 张义和，陈敌北编著 例说8051人民邮电出版社 6 AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec.7Yang. Y., Yi. J., Woo, Y.Y., and Kim. B.:Optimum design for linearityand efficiency of micro

20、wave Doherty amplifier using a new loadmatching technique, Microw. J., 2001, 44, (12), pp. 2036.8 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉8051单片机实践与应用清华大学出版社.9 李群芳，肖看单片机原理、接口及应用北京：清华大学出版社.附 录附录A 硬件结构图附录B 主程序清单COLUMN REG P0 ；行ROW REG P2 ；列SCANCODE EQU 10000000B ；扫描码SPEED EQU 1 ；0.25s延迟S_TIME EQU -2500 ；2.5ms扫描时间 ORG 0000H ；程序从00

21、00H地址开始 JMP MAIN ；跳至MAIN ORG 000BH ；TIMER0中断向量 JMP TIMER0 ；跳至TIMER0中断子程序MAIN: MOV IE,#82H ；设定TIMER0中断 MOV TOMD,#01H ；使用T0定时器，方式1 MOV SP,#60H ；移开堆栈指针 SETB RS0 ；切换到RB1 MOV R1,#20H ；显示存储起始地址 MOV R2,#8 ；扫描8行 MOV R3,#SCANCODE ；载入扫描码 CLR RS0 ；切换回RB0 MOV TH0,#0F6H ；设定每行扫描时间 MOV TL0,#3CH ；设定每行扫描时间 SETB TR0 ；启动TIMER0LOOP: MOV DPTR,#TABLE ；将数据指针指向TABLE地址 MOV R4,#4 ；4组字型 SJMP $ ；等待中断或其他附录C 元件清单元件名称规格数量备注AT89C51单片机一块附底座晶振12MHZ一块NPN三极管9012八支88点阵共阳LED显示器共阳一块按钮开关一个四脚或两脚极性电容10uf、0.01uf一个、一个瓷片电容30pf两个电阻1k、470八个、八个电源插座一个第 19 页 共 19 页