1、 课程设计 题 目：基于单片机的点阵电子显示屏设计（显示贵州大学人民武装学院信息工程系）基于单片机点阵电子显示屏设计1毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经 注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有 权将
2、论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 基于单片机点阵电子显示屏设计2注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等）
3、 ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序
4、装订基于单片机点阵电子显示屏设计3基于单片机的点阵电子显示屏设计摘要：本文介绍了一款以单片机 AT89S51 为控制器的 LED 点阵显示屏系统的设计。该系统可实现中英文字符的显示和动态特效显示。并且可以通过级连的方式来扩大显示屏幕的尺寸以达到增加显示内容的目的。系统采用 PC 机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储的显示代码，AT89S51 单片机接收并处理 PC机的控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一个 1616 分辨率的 LED 点阵显示屏的扫描显示。PC 机与单片机之间的通信采用 RS232C 通信标准来实现。所选用的 AT89S51 单片机具有价格低廉程序写入方
5、便的特点使得整个系统方便维护和检修。除此之外，该系统只占用了单片机少量的 I /O 口和内存，为系统留下了功能扩展的空间。关键字：AT89S51；LED 点阵显示；串行通信基于单片机点阵电子显示屏设计4第 1 章 绪 论1.1 课题背景1.1.1 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
6、，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点 1。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
7、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。1.1.2 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
8、%，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， 基于单片机点阵电子显示屏设计5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 LE
9、D 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，作为人一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
10、 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
11、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。因此此课题不论是基于单片机点阵电子显示屏设计6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。1.2 论文主要内容针对设计题目的特点，作者对论文
12、的内容和结构将做如下安排：（1）初步方案的论证和选择搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。最终选定了以 PC 机为上位机，单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的设计方案。（2）方案实现以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过对比选择选定 AT89S51 单片机为核心控制器件，由串并转换器 74LS164 和锁存器 74LS373 为译码电路器件，三极管 8550 和ULN2803 为驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。（3）软件编写 根据硬件特点和设计
13、要求，软件选用汇编语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。（4）验证与测试调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。（5）结论设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。基于单片机点阵电子显示屏设计7第 2 章 方案论证与选择2.1 系统硬件方案大多数的 LED 显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便
14、检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。如图 2-1 所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式 3。图 2-1 系统硬件组成框图2.1.1 显示屏主控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及 EDA 技术。几种设计方法比较各有其
15、特点：（1）单片机单片机是集成了 CPU，ROM，RAM 和 I/ O 口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样 CPU 从 8， 16，32 到 64 位，多采用 RISC 技术，片上 I/O 非常丰富，有的单片机集成有 A/ D， “ 看门狗” ， PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，NMOS 工艺单片机被 CMOS 代替，并开始向 HMOS 过渡。供电电压由 5V 降到 3V，2V 甚至到
16、1V，工作电流由 mA降至 A ，这在便携式产品中大有用武之地 4。单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有 MCS-51、AVR、ARM、PIC 等。其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产基于单片机点阵电子显示屏设计8历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。且 51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各 I/O 口均置高电平） 。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。所以在控制部分方案的选择中选
17、定 51 系列单片机作为控制部分的核心器件。2.1.2 通信系统通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。（1）并行通信并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。（2）串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据是并行的。因此，当计算机
18、向外发送数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。反之，又必须将串行数据转换为并行数据输入计算机中。这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。单由软件实现会增加 CPU 负担，降低其利用率，故目前常采用硬件实现。通用的通用异步接收/发送器，简称 UART（Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成这一功能的硬件电路。在单片机芯片中，UART 已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口 6。综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的 UART 已经集成在单片机内，所以通信系统选择串行通信为通信方式。2.1.3 LED 点阵显
19、示屏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基于单片机点阵电子显示屏设计9管逐点连接起来，如图 2-2 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
20、，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 2-2 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
