基于单片机的1616LED点阵显示屏的设计

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1、基于单片机的16*16LED点阵显示屏的设计随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制驱动LED显示屏也应运产生。本系统设计使用单片机MCS-51控制扫描方法实现LED点阵显示器的字符的显示，介绍了用单片机进行显示系统开发的方法，单片机软件、硬件调试技术，还有点阵显示驱动扩展的一般方法。1.引言1.1 研究的目的、意义LED因其体积小，耗电量低，亮度及环保等优点而被广泛应用于公共场所的大屏显示上，LED点阵大屏可应用于户外广告，交通导航，大厅公告，比赛的多媒体实时显示等领域。本设计作品的用途正是在于实现大屏显示的核心功能，即汉字的显示，可实际应用于简单的显示系统中，如简单的排队叫号显示

2、屏，电梯显示屏等。通过此次设计将单片机软硬件结合起来对程序进行编辑，校验，锻炼实践能力和理论联系实际的能力。 1.2 本设计所要做的工作为了完成该设计实现，经过考虑论证，决定分为以下几个阶段进行：(1)对课题进行全面的分析，明确系统要实现的功能，大致了解要解决的问题，制定总的设计方案；(2)根据论证设计硬件系统并画出电路图，并根据电路图制电路板；(3)在硬件的基础上设计软件程序；(4)利用仿真器编译软件程序，进行调试仿真；(5)把调试成功的程序利用烧入器烧入到芯片中去；(6)把固化好程序的芯片插入到实际应用系统，投入到实际使用。2系统设计方案2.1系统构成框图 CPU晶振复位74HC15474

3、LS37374LS373 16*16LED点阵显示屏 行列3 硬件电路设计3.1 主要器件介绍3.1.1 LED点阵LED点阵显示屏采用4个8*8共256个象素的点阵，通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布，如图3.1所示。8*8的LED点阵为双色共阳模块，单点的工作电压为正向(Vf)=1.8v,正向电流(if)=8-10MA。静态点亮器件时(64点全亮)总电流为640mA。总电压为1.8v,总功率为1.15w.动态时取决于扫描频率(1/8或1/16秒),单点瞬间电流可达80-160mA。点阵16 15 14 13 12 11 10 91 2 3 4 5 6 7 8图3.1

4、点阵LED扫描法介绍点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式：(1) 点扫描(2) 行扫描(3) 列扫描若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16*64=1024HZ，周期小于1MS即可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16*8=128HZ，周期小于7.8MS即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行(8颗LED)时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。 我们把行列总线接在单片机的IO口，然后把上面分析到的扫描代码送人总线，就可以得到显示的汉字了。但是若将LED点阵的行列端口全部直接接入AT89S52单片机，则需要使用32条IO口，这样会造成IO资源的耗尽，系统也再无扩

5、充的余地。因此，我们在实际应用中只是将LED点阵的16条行线直接接在P2口，至于列选扫描信号则是由4-16线译码器74HC154来选择控制，这样一来列选控制只使用了单片机的4个IO口，节约了很多IO资源，为单片机系统扩充使用功能提供了条件。汉字扫描显示的基本过程是这样的：通电后由于电阻R1，电容C1的作用，使单片机的RST复位脚电平先高后低，从而达到复位；之后，在C2，C3，X1以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机AT89S52按照设定的程序在接口输出与内部汉字对应的代码电平送至LED点阵的行选线，同时在P1.0，P1.1，P1.2，P1.3接口输出列选扫描信号，从而选中相应的象素LED发光

6、，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。3.1.2锁存器74LS37374ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片，其内部结构图如图3.2所示。 图3.2 74ls373内部结构图(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);(2).当1脚是低电平

7、时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0Q7 状态与输入端D1D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0D7 数据锁入Q0Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373

8、的C连接。3.1.3 译码器74HC15474HC154为4线16线译码器，其管脚图如图3.3所示： 图3.3 74HC154管脚图其逻辑图如图3.4所示：图3.4 74HC154逻辑图其功能表如表3.1所示:说明: H高电平 L低电平 X任意 表3.1 74HC154功能表3.2硬件设计思想及电路图 3.2.1硬件设计思想由单片机进行处理，并将行列信号分别通过显示驱动输入点阵大屏，控制点阵的显示。 （1） 单片机： 采用AT89S52单片机芯片作为中控，控制LED点阵显示。 （2）显示：考虑到标准地显示一个汉字至少需要16*16LED点阵屏，而我们也只需要实现大屏显示的基本功能，并不需要太大

9、的显示屏，因此决定采用16x16 LED点阵屏显示汉字。 （3）显示驱动：考虑到设计所需端口较多的问题，为减少资源占用，使用74HC154 416译码器作为列驱动芯片，采用74HC373串入并出8位锁存器作行驱动芯片。但由于两种芯片的最大输出电流均不够大（虽然74HC373输出电流已经较大了），为让LED显示亮度够强，采用PNP型三极管来进行电流的放大，同时为保护芯片，我们又采用1K电阻来进行限流。3.2.2硬件电路图 本设计16X16系统的制作主要在于扩展用户I/O口，最终系统实现的关键在于扫描电路的扩展及程序的编写。系统I/O口的扩展是采用了4-16译码器74HC154来实现的，74HC1

10、54作为16*16系统的列扫描脉冲产生电路，其地址线连接到AT89S52的P1口的低4位上。利用P2口为8个行数据端口传送数据。由于P口的驱动力不强，因此在P2的每个输出端都加上三极管，以加大驱动电流，提高点阵的显示亮度。设计原理图如图3.5所示: 图3.5 设计原理图其中芯片74HC154为4线-16线译码器，有四个地址输入（A0-A3）、两个选通输入（STs、STb）和十六个输出（Y0-Y15）。当STs和STb均为低电平时器件被选通，A0-A3可确定Y0-Y15中的一个以低电平呈现，当STs或STb为高电平时，Y0-Y15均为高电平。 AT89S52单片机P1口与74HC154的输入端（

11、A，B，C，D）连接，74HC154的16个输出端与1616LED的列线相连，P2口与行线相连。由于单片机端口输出的电流较小，不足以驱动LED。故在LED的每个列线上加上一个三极管，对电流进行放大，如图3.6。通过74HC154对1616LED进行逐列扫描，选中一列时通过P2口选中列即点亮行上的LED，快速的逐列扫描即可实现文字信息显示。由上可知，可采用逐列扫描的方法实现LED的字符显示。 图3.6 LED驱动电路图系统各个部分的原理图：图3.7 单片机控制电路图图3.8列驱动电路与行驱动电路图 图3.9 点阵显示电路图4.软件设计4.1汉字的点阵显示原理及字库代码获取方法我们先以简单的汉字显

12、示为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个象素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256象素范围内的任何图形。如用8位的AT89S52单片机控制，由于单片机的总线为8位,一个字需要拆分为2个部分，如图4.1所示。 图4.1 汉字“龙”为了弄清楚汉字的点阵组成规律，首先通过列扫描方法获取汉字的代码。汉字可拆分为上部和下部，上部由816点阵组成，下部也由816点阵组成。通过列扫描方法首先显示左上角的第1列的上半部分，显示汉字“龙”时，P2.4点亮，由上往下排列，为：P2.0灭

13、，P2.1灭，P2.2灭P2.3灭，P2.4亮，P2.5灭，P2.6灭，P2.7灭。即二进制00001000，转换为十六进制为08h。上半部一列完成后，继续扫描下半部的一列，为了方便，我们仍设计成由上往下扫描，从图4.1可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，十六进制则为00h。依照这个方法扫描16列，一共扫描32个8位，可以得出汉字“龙”的扫描代码为：00H,08H,08H,08H,08H,08H,0FFH,08H0FH,48H,28H,08H,08H,18H,08H,00H00H,00H,02H,06H,30H,0C4H,04H,08H0FCH,24H,44H,84H,04H,0

14、4H,3CH,00H由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出他的扫描代码从而显示在屏幕上。本系统是设计龙岩学院字体的显示,使用这个方法可以分析出龙岩学院这几个字的代码。4.2 程序流程图软件程序主要由开始、初始化、主程序、字库组成。其中主程序和子程序的流程图如图4-2和图4-3所示。 开始系统初始化R0=16,扫描16列R7=16，一个字扫描16次载入第1个字的地址调用显示子程序载入第2个字的地址调用显示子程序载入第3个字的地址调用显示子程序载入第4个字的地址调用显示子程序 图4-2 主程序流程图 P1=0,列扫描计数R1=0,查表指针查表，送数据到P2口显示一列上

15、边8位R1R1+1查表，送数据到P2口显示一列下边8位R1R1+1P1P1+116位是否扫描完重置R016一个字是否扫描16次重置R716帧延时返回主程序开始NONOyesyes图4-3子程序流程图4.3程序清单:COLUMN EQU P1 ;列扫描信号输出端口ROW EQU P2 ;显示信号输出端口LATCH_H EQU P3.0 ;上锁存信号输出端口LATCH_L EQU P3.1 ;下锁存信号输出端口SCANCODE EQU 0 ;扫描信号SPEED EQU 10 ;0.5s延迟S_TIME_H EQU 0FDH ;2.5ms扫描时间S_TIME_L EQU 0D0H ;2.5ms扫描时

16、间 ORG 00H ;程序从0地址开始 JMP START ;跳至START ORG 0BH ;TIMER0中断向量 JMP TIMER0 ;跳至TIMER0中断子程序;=START: MOV IE,#10000010B ;设定TIMER0中断 MOV TMOD,#1 ;设定TIMER0为MODE1 MOV SP,#60H ;移开堆栈指针 SETB RS0 ;切换到RB1 MOV R0,#20H ;上面部分开始存放地址 MOV R1,#30H ;下面部分开始存放地址 MOV R2,#16 ; 扫描16列 MOV R3,#SCANCODE ;载入扫描码 CLR RS0 ;切换回RS0 MOV T

17、H0,#S_TIME_H ;设定每列扫描时间 MOV TL0,#S_TIME_L ;设定每列扫描时间 SETB TR0 ;启动TIMER0 MOV DPTR,#TABLE ;将常数指针指向TABLE地址 MOV 41H,#4 ;4次加载字型 MOV R0,#20H ; 上面部分开始存放地址 MOV R1,#30H ;下面部分开始存放地址;=LOOP: CALL LOADING ;加载字型 CALL DELAY ;稍等一下 CLR C MOV A,DPL ADD A,#32 MOV DPL,A MOV A,DPH ADDC A,#0 MOV DPH,A MOV R0,#20H ; 上面部分开始存

18、放地址 MOV R1,#30H DJNZ 41H,LOOP ;跳至LOOP形成一个循环（一次写1字） JMP START ;跳至START形成一个循环;=LOADING: PUSH ACC ;存储ACC PUSH PSW ;存储PSWMOV R2,#16 ;加载各16笔数据 MOV R3,#0 ;间距 MOV R4,#10H ;间距LOAD_1: MOV A,R3 ;将间距放入ACC MOVC A,A+DPTR ;读入数据 MOV R0,A ;将上面部分数据存入存储器 INC R0 ;指向下一个地址 INC R3 ;指向下一个地址，相对DPTR地址加1、 MOV A,R4 ;将间距放入ACC

19、MOVC A,A+DPTR ;读入数据 MOV R1,A ;将上面部分数据存入存储器 INC R1 ;指向下一个地址 INC R4 ;指向下一个地址 DJNZ R2,LOAD_1 ;跳至LOAD_1形成一个循环（1上字节1下字节） POP PSW ;取回PSW POP ACC ;取回ACC资料 RET;=DELAY: MOV R7,#SPEEDD2: MOV R6,#200D1: MOV R5,#250 DJNZ R5,$ DJNZ R6,D1 DJNZ R7,D2 RET;=DELAY1: MOV R7,#1D22: MOV R6,#1D11: MOV R5,#100 DJNZ R5,$ D

20、JNZ R6,D11 DJNZ R7,D22 RETTIMER0: CLR TR0 ;关闭TIMER0 PUSH ACC ;存储ACC SETB RS0 ;切换到RB1 MOV A,R3 ;载入扫描码 MOV COLUMN,A ;输出扫描码（显示一列） INC R3 ;下一个扫描码 MOV A,R0 ;取出显示信号;=;使用共阳极式LED阵列，则加入下一行指令; ;= CPL A MOV ROW,A ;输出显示信号 SETB LATCH_H ;打开锁存器 NOP CLR LATCH_H ;关闭锁存器 INC R0 MOV A,R1 ;取出显示信号;=;使用共阳极式LED阵列，则加入下一行指令;

21、=CPL A MOV ROW,A ;输出显示信号 SETB LATCH_L ;打开锁存器 NOP CLR LATCH_L ;关闭锁存器 INC R1 CALL DELAY1 MOV A,#0FFH MOV P2,A DJNZ R2,NEXT_C ;未超过16行则跳至NEXT_C MOV R2,#16 ;从新开始扫描 MOV R0,#20H ;从第一列开始 MOV R1,#30H ;从第一列开始NEXT_C: MOV TH0,#S_TIME_H ;设定每列扫描时间 MOV TL0,#S_TIME_L ;设定每列扫描时间 SETB TR0 ;启动TIMER0 CLR RS0 ;切换回RB0 POP

22、 ACC ;取回ACC RETITABLE: DB 00H,10H,10H,10H,10H,10H,0FFH,10HDB 0F0H,12H,1CH,0D0H,10H,10H,10H,00HDB 00H,40H,20H,10H,0CH,03H,10H,08HDB 3FH,42H,41H,40H,40H,40H,70H,00HDB 00H,40H,5EH,50H,50H,0D0H,50H,5FHDB 50H,50H,50H,50H,5EH,40H,40H,00HDB 10H,08H,04H,02H,7FH,22H,22H,22HDB 22H,22H,22H,22H,7EH,00H,00H,00HD

23、B 40H,30H,10H,12H,5CH,54H,50H,51HDB 5EH,0D4H,50H,18H,57H,32H,10H,00HDB 00H,02H,02H,02H,02H,02H,42H,82HDB 7FH,02H,02H,02H,02H,02H,02H,00HDB 0FEH,02H,32H,4AH,86H,0CH,24H,24HDB 25H,26H,24H,24H,24H,0CH,04H,00HDB 0FFH,00H,02H,04H,83H,41H,31H,0FHDB 01H,01H,7FH,81H,81H,81H,0F1H,00H END5.设计结果在实际应用中，16*16的点阵

24、LED上，依次显示“龙”、“岩”、“学”、“院”四个字， 达到预期效果。虽然本设计只使用了1616LED点阵，电路简单，但是已经包涵了LED显示屏的电路基本原理，只要扩展单片机的IO接口，并增加一些LED点阵和相关芯片，就能设计出更大面积、更多花样的LED显示屏。因此本文对同类设计具有一定的理论和实践参考价值。6论文小结在本次设计中，电路连线很多，焊接有一定的难度。特别是译码器74HC154要焊接的线非常之多，还好焊接过程比较细心，这块芯片工作很正常。不过在调试的过程，也的确遇到了一个小问题。当我编简单的程序进行扫描时，发现有一列不亮。心想会不会是哪个芯片接错了，再认真观察了一下，发现其他的行和列都工作正常。由此，我初步估测是LED没接好。回头检查了一遍，发现问题的确出在LED的管脚上，有两个焊点忘了连起来。连好以后，重新调了一遍。还好，成功了，硬件部分圆满完成。看来焊接要认真、认真、再认真，来不得半点的含糊。否则，要花很多的时间来检查复杂的电路，得不偿失。另外一个问题是扫描的频率太快，以至让人看不清楚字。在增大了帧延时常数之后，情况得到改善。 16