×16点阵LED电子显示屏的设计.doc

摘 要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。本设计是1616点阵LED电子显示屏的设计。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行驱动器74LS154和两个列驱动器74L373来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，采用4块8 x 8点阵LED显示模块来组成一个16x16点阵显示模式。显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。关键词：AT89C51单片机 LED 点阵显示 动态显示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 录摘 要-1Abstract-2第1章 绪 论-4 1.1 选题背景- -4 1.2 研究现状及发展趋势- -4第2章 功能要求及方案论证-6 2.1 功能要求-6 2.2 显示模块方案论证-62.1.1 静态显示方式-72.1.2 动态显示方式-7 2.3 数据传输方案论证-7第3章 系统硬件电路的设计-93.1 单片机系统及外围电路-93.2 系统电源模块-113.3 行驱动器-113.4 列行驱动器-143.5 16*16 LED点阵显示屏幕-163.6 特殊器件介绍-19 3.6.1 51系列单片机-193.6.2 锁存器74L373-22第4章 系统软件设计-244.1 系统的程序流程图-244.2 系统主程序-27第5章 调试及性能分析-315.1 开发环境介绍-315.2 理论性能分析-315.3 系统调试-31第6章 结 论-33第七章 总 结-34 7.1 工作过程介绍-34 7.2 系统功能的拓展方向-34第八章 谢辞-36参考文献-36附录1 显示驱动程序-37附录 2 系统主程序-附录3 原理电路图-附录 4 电路原理图-附录 5 仿真电路图-附录 6 系统PCB图-第1章 绪 论1.1 选题背景LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏 无法比拟的优点。在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。LED的发展前景极为广阔，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。LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。（2）机场航班动态信息显示。（3）港口、车站旅客引导信息显示。（4）体育场馆信息显示。（5）道路交通信息显示。（6）调度指挥中心信息显示。（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。（8）广告媒体新产品等。1.2 研究现状及发展趋势（1）我国LED产业发展现状我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 （2）LED显示屏的发展趋势现代信息社会中，作为人-机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展2。（3）选题意义 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单片机的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。第二章 功能要求及方案论证2.1功能要求 本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： 1.要求采用51单片机作为微控制器； 2.通过1616的点阵LED进行文字显示； 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。 2.2显示模块方案论证四个88的点阵构成一个1616的点阵。行和列的交叉处有一个LED，共由256个LED构成，如果LED的阳极与行相连，而阴极与列相连，那么只要给该LED对应的行以高电平，列以低电平，那么对应的LED就发光。图2-1画出了室内直插式88点阵双基色LED模块实物图。这种模块由64个发光LED芯片以88的形式构成一个正方形模块，然后用2列8针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。图2-1 LED 点阵显示原理图 行对应的给LED的阳极，先给第一行以高电平，如果送给16列的代码为EFFF，则第一行的第4个LED被点亮，再给第二行以高电平，如果送给16列的代码为EF07，则第二行的第4、9、10、11、12、13个被点亮，接着给第三行以高电平，同时给列以驱动代码，这样不断地进行行行的扫描，只要速度够快，由于人的视觉暂留作用，就不会感觉到明显的闪烁感。点阵上会看到一个清晰的“机”字。 LED数码管 结构简单，价格便宜。本文所述的是LED的数据显示方式，这种方式通常使用8段LED或者16段LED。在实际应用中，点亮LED数码管的方式有静态和动态2种方法。本文以8段LED作为示例来论证方案1.静态显示方式静态显示方式，即8段LED数码管在显示某一个数码时，加在数码管上的段码 保持不变，直至换显其他数码为止。这样数码管的每一段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N位显示则需N8根输出控制线。占用较多I/O资源。2.动态显示方式为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起，由一个8位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控制。显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。位线控制某位选通时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时，我们就能看到稳定的图像了2.3数据传输方案论证 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以传输到位之后，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，以致影响到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所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；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。图2-2为显示屏电路实现的结构框图。列驱动器 单片机LED显示点阵 行驱动器图2-2显示屏电路实现的结构框图第三章 系统硬件电路的设计硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。3.1单片机系统及外围电路单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM,下图给出的是AT89C51的最小系统图。图3-1 MSC51单片机最小系统MSC51单片机管脚说明如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。B3.2系统电源模块系统电源电路如图3-2所示。AT89C51工作电压VCC=5V,其EA引脚需接高电平,5V电源电路图。图3-2 系统电源模块3.3行驱动器由于4点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它的结构如图3-3所示。图3-3 74LS154结构图74LS154 结构说明如表3-1：表3-1INPUTSLOW OUTPUTDCBALLLLLL0LLLLLH1LLLLHL2LLLLHH3LLLHLL4LLLHLH5LLLHHL6LLLHHH7LLHLLL8LLHLLH9LLHLHL10LLHLHH11LLHHLL12LLHHLH13LLHHHL14LLHHHH15LHXXXX-HLXXXX-HHXXXX-说明：H高电平 L低电平 X任意 *其他输出端为高电平4软件设计74LS154 引脚说明如表3-2表3-2符号引脚描述,111 ,1317输出端GND12GND电源地1819使能输出端A、B、C、D2023地址输出端Vcc24VCC电源正图3-4 行驱动电路如图3-3所示的行驱动电路中,把74LS154的G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四脚为输入端。就会形成16种不同的输入状态，分别为00001111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。如果一行64点全部点亮，则通过74LS154的电流将达640 mA，而实际上，74LS154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与16x64点阵显 示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大，本文选用的是三极管8550。这样，74LS154某一输出脚为低电平时，对应的三极管发 射极为高电平从而使点阵显示器的对应行也为高电平。3. 4 列驱动器列驱动通过两个锁存器74LS373来实现。74LS373为动态输出的八 D 透明锁存器。它的结构如图3-5所示。图3-5 74LS373结构图<74LS373功能表>E G D QL H H HL H L LL L X Q上表是74LS373的真值表，表中： L低电平； H高电平； X不定态； Q0建立稳态前Q的电平； G输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁 存。图中OE使能端，接地。 当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。74ls373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。 (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的C连接。74ls373与单片机接口：1D8D为8个输入端。1Q8Q为8个输出端。 G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。 OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。34B3.5 1616 LED点阵显示屏幕显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图3-5所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。目前市场上普遍采用的点阵模块有88、1616几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。这就加大了维修的成本。两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。所以构建一个1616的LED点阵屏选用四块88点阵模块。图 3-6 LED点阵图一个1616的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路。8x8的LED点阵为单色行共阴模块，单点的工作电压为正向（Vf)=1.8 v ,正向电流（IF）= 8-10 mA 。静态点亮器件时（64 点全亮）总电流为640mA，总电压为1.8 v，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80-160 mA。1616点阵静态时161610mA,动态时单点电流80-160mA。接线方式：当某一行线打高时，某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮；某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线打低时，无论列线如何，对应这一行的点全部暗。其引脚图如图 3-7所示。1控制第五行显示 接高 9 控制第一行显示 接高 2控制第七行显示 接高 10 控制第四列显示 接低 3控制第二列显示 接低 11 控制第六列显示 接低 4控制第三列显示 接低 12 控制第四行显示 接高 5控制第八行显示 接高 13 控制第一列显示 接低 6控制第五列显示 接低 14 控制第二行显示 接高 7控制第六行显示 接高 15 控制第七列显示 接低 8控制第三行显示 接高 16 控制第八列显示 接低图 3-716x16点阵引脚图如图3-8所示为系统点阵模块 图3-8系统点阵显示模块18B3.6器件介绍33B3.6.1 51系列单片机单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。8051单片机的基本结构见图。图3-9 单片机基本结构8051是MCS-51系列单片机的一个产品。MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，8051单片机系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。（1）中央处理器8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含义是：PSWD7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPCY：进位标志。有进位/错位时CY=1，否则CY=0。 AC：半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1，否则AC=0，常用于十进制调整运算中。F0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。RS1、RS0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择03寄存器组。OV：溢出标志。当带符号数运算结果超出-128+127范围时OV=1，否则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV=1，否则OV=0。P：奇偶校验标志。每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P=1，否则P=0，即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如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，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。（2）存储器组织8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。8051单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展264KB存储器。8051的存储器组织结构如图2.3所示。64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000HFFFH。而1000HFFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000H0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。图3-10 存储器组织结构图 8051的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域：00H-7FH时真正的RAM区，可以读写各种数据。而80HFFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等3.6.2 锁存器74L373由于74LS164芯片不具有锁存功能，所以在74LS164进行八位数据的串并转换时，串行数据的第一位会从QA依次移位到QH,第二位数据会从QA依次移位到QG，依次类推在八位数据转换完成之前74LS164芯片的输出会出现一段时间的乱序输出，这一结果会通过驱动电路表现在显示屏上。结果就是显示屏无序导通闪烁，不能显示所需内容。因此在串并转换完成前就需要74LS164的输出口不与驱动电路导通。所以选择锁存器74LS373来完成这一功能。74LS373为八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)。373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构形式当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。表3-4 74LS373工作参数表参数最小值额定值最大值单位电源电压4.7555.25V输入高电平电压2V输入低电平电压0.8V输出高电平电压2.6mA输出低电平电压24mA由表与表比较可以看出，74LS164的输出条件与74LS373的输入条件相匹配，理论上可以实现锁存器对译码器的数据锁存。第4章 系统软件设计43B4.1系统的程序流程图系统程序流程图如图4-1所示。开始主程序初始化是否左移左移初始化改变显示速度左移显示是否上移上移初始化改变显示速度上移显示是否闪烁闪烁初始化改变显示速度闪烁显示NYYNYN图4-1系统程序流程图显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下： 刷频率（帧频）=1/16T0溢出率 =1/16f/12（65536-t） 其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。图4-2为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。详细程序见附录1. 进入中断 定时器赋初值 读取行号并增加1 送新行显示数据 消 隐 切换显示数据 发送新行号，打开显示 退出中断 图 4-2 显示驱动程序流程图4.2系统主程序本文设计的系统软件能使系统在目测条件下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，详细程序见附录2。第五章 调试及性能分析5.1开发环境介绍 程序编写采用Keil 51环境下调试,Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。5.2 理论性能分析LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可 正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表5-1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。表5-1 显示平刷新率与T0初值关系表（24MHz晶振）刷新率255062.57585100120T0初值0xec780xf63c0xf8300xf97e0xfa420xfb1e0xfbee从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。这个方案设计的1616的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；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；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。5.3 系统调试 调试主要分为硬件调试和软件调试： 硬件调试：在焊接电路板的时候，应该从最基本的最小系统开始，分模块，逐个进行焊接测试。在对各个硬件模块进行测试时，要保证软件正确的情况下去测试硬件，要不然发生错误时，不知道到底是哪一方出错了。当然，在设计的过程中也存在着失误和不足。 软件调试：软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，由于以前所学是C语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用C语言编写。刚刚开始，编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。但是，在实际写如S51中，LED显示屏出现各种各样的乱码，通过再次认真仔细分析多次修改程序后，程序能够正常运行。第六章 结 论经过一段时间的工作，终于完成了基于51单片机的LED显示系统的设计，项目所要求的功能全部达到。通过这次设计收获颇多，不仅是所作题目涉及到的软硬件知识还有更为重要的实际经验和过程中所发现的问题。接手题目之后从互联网上对LED进行了详细的资料收集，从技术和产业的两方面对LED进行了了解。通过了解我认识到LED是一门当今应用非常广泛的技术，整个产业每年都会有巨大的产值而且技术还在不断发展和创新。从设计之初就确定了参照大屏幕显示屏的实现方法和实际情况设计一款小屏幕的LED点阵显示屏。在查阅了大量的大屏幕显示屏资料后确定了题目的设计方案。整个设计采用AT89C51做核心控制器，74LS164和74LS373组成译码电路。在实现这一设计的过程中所遇到的问题和困难给我留下了宝贵的经验和深刻教训。这些经验和教训是：（1）设计之前应该进行大量的资料收集和分析，确定一个清晰的设计思路；（2）器件选择时要详细阅读器件使用手册，不但要考虑器件的功能实现还要考虑器件在整个系统中的兼容性；（3）硬件的系统的建立必须合理和稳定，实物建立之前最好进行仿真这样才能为软件提供一个可靠的试验平台；（4）软件的编写不但要实现功能还要不断的优化、简练、易读。随着课题的进行，对LED的了解也越来越深入。认为LED技术也会进一步发展，LED应用将会更加广泛。可以设想利用LED的高稳定性和低能耗，再与无线通信技术相结合在沙漠深处或者人迹罕至的雪山之颠树立一块依靠太阳能充电，通过无线传输方式更改显示内容的信息板为登山者提供指示和天气信息，为沙漠迷路的人指引方向。设计结束了，但学习还在继续。我相信通过此次设计所得到的知识、心得、经验乃至感受都会让我在以后的日子里受益匪浅。第七章 总 结7.1 工作过程介绍本文设计的一个室内用1616的点阵LED图文显示屏，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，主要做了下面几点较突出的工作：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。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。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。三，文章给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，程序设计与调试等方面。四，通过这次毕业设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了有关软件的使用。7.2 系统功能的拓展方向 本设计作品不但可以运用到车站、医院等行业，而且可以通