1、毕业设计论文基于单片机的点阵汉字显示屏的设计 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4个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80C51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74LS138和八个列驱动器4049来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示4个汉字，采用16块8 x 8点阵 LED 显示模块来组成4个16x16点阵显示模式。显示采用动态显
2、示，使得文字能够实现静止显示方式。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：80C51单片机; LED; 点阵显示; 动态显示The design of display Chinese characters based on MCUAbstractLED dot matrix display as a new display device, is composed of multiple independent package from the LED light emitting diodes. LED dot
3、matrix display can display numbers or symbols, usually used to display time, speed, the system state.This design is the design of 4 16 * 16 dot-matrix LED electronic display screen. The machine to the United States of America ATMEL company production of 40 feet 80C51 MCU as the core, introduces the
4、dynamic design and the development of its control system for LED dot matrix display process. The chip controls good driver 74LS138 and eight row driver 4049 to drive the display screen to display. The electronic screen can display 4 Chinese characters, using the display module is composed of 4 16x16
5、 dot matrix display mode 16 blocks of 8 x 8 dot matrix LED. Shows the dynamic display, making the text to achieve a static display mode. This paper introduces in detail the LED dot matrix display hardware design, hardware circuit of each part of the function and principle, the corresponding software
6、 program design, as well as the use and so.Keywords: 80C51; LED; dot matrix display; dynamic display目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 选题目的及意义 .21.4 生产需求状况 .21.5 LED 电子显示屏概述 .3第二章 系统方案设计与论证 .42.1 数据传输方案 .42.2 系统硬件方案 .52.2.1 单片机 .52.2.2 EDA 电子设计自动化 .5第三章 系统硬件的设计 .73.1 电路原理图 .73.2 系统硬件概述 .73.2.1
7、 80C51 单片机简介 .73.2.2 译码器及点阵显示屏 .93.3 元件清单 .103.4 显示原理及控制方式分析 .113.4.1 LED 点阵模块结构 .113.4.2 LED 动态显示原理 .113.4.3 LED 控制方式 .12第四章 系统软件的设计 .134.1 系统程序的设计 .134.1.1 显示驱动程序 .134.1.2 系统主程序 .134.2 程序流程图 .134.3 字模生成 .144.3.1 LED 显示屏领域字模实现技术 .154.3.2 字库生成 .164.4 Keil 软件调试 .164.5 Protues 仿真 .17总 结 .18附录：程序代码 .19
8、参考文献 .22致 谢 .231第一章 绪论1.1 课题背景 LED 显示屏的发展可分为以下几个阶段： 第一阶段为 1990 年到 1995 年，主要是单色和 16 级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。 第二阶段是 1995 年到 1999 年，出现了 64 级、256 级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将 LED 显示屏提升到了一个新的台阶。LED 显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。 第三阶段从 1999 年开始，红、纯绿、纯蓝 LED 管大量涌入中国
9、，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色 LED 生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。 随着 LED 原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从 2001 年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过 3 亿元，表面贴装全彩色 LED 显示屏应用市场进入新世纪。1.2 国内外研究现状目前，我国半导体 LED 作为节能、环保的主要技术，已被纳入国家长期科技发展规划与“十一五”国家“863”高新技术产业化重大项目，并
10、得到了大力支持。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。我国的 LED 显示应用产业近年将持续保持高速增长，未来发展空间巨大，但产业发展的风险和机遇并存，关键核心技术的提升、市场环境的规范、技术标准体系的建立等影响产业发展的主要因素仍需要我们在实践中继续努力
11、改进和完善。目前国际上从事照明 LED 标准化研究的标准组织有国际电工委员会、国际照明委员会和各国对应的标准化组织及相关企业。国际电工委员会( IEC) 和国际照明委员会(CIE) 2都非常关注 LED 的发展及相关 LED 器件的标准化工作。CIE 曾经发表过 LED 检测方法的技术报告,由于近年来 LED 产品的技术发展迅速,CIE 目前正在对测试方法标准进行修订。IEC 近两年也加大了对 LED 标准的研究,相继对 LED 模块、LED 连接件及 LED 控制件提出了标准草案。1.3 选题目的及意义单片机自 20 世纪 70 年代问世以来以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用
12、很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。以前采用硬件电路实现大部分控制功能，而现在正在用单片机通过软件方法来实现。这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。本文所要论述的就
13、是通过单片机来控制 LED 点阵显示。1.4 生产需求状况信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、 EL、DLP 等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。随着 LED 材料技术和工艺的提升，LED 显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用，其生产需求主要包括： （1）证券交易、金融信息显示:这一领域的 LED 显示屏占到了前几年国内 LED 显示屏需求量的 50%以上，目前仍有较大的需求。 （2）机场航班动态信息显示:民航机场建设对住处显示的要求非常明确，LED 显示屏是航班住
14、处显示系统 FIDS（Flight information Display system）的首选产品。 （3）体育场馆信息显示:LED 显示屏作为比赛信息显示和比赛实况播放的的主要手段已取代了传统的灯光及 CRT 显示屏，在现代化体育场馆成为必备的比赛设施。 （4）道路交通信息显示:智能效通系统（ITS）的兴起，在城市效通、高速公路等领域，LED 显示民间作为可变情报板、限速标志等，得到普遍采用。 （5）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。 3（6）广告媒体新产品:除单一大型户内、户外 LED 显示屏作为广告媒体外，集群 LED显示屏广告系统、列车 LED 显示屏广告发布系
15、统等也已得到采用并正在推广。 （7）演出和集会:大型 LED 显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播，如在我国建国 50 周年大庆、世界各地的新千年庆典等重大节日中，大型 LED 显示屏在播放实况和广告信息发布方面发挥了卓越的作用。 1.5 LED电子显示屏概述 LED 电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百到几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体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 显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的
16、亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED 显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由 LED 矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。LED 显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。 LED 显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发
17、展。4第二章 系统方案设计与论证2.1数据传输方案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。1.并行传输：采用并行方式时，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，成本也就更高，并列传输的方案是不可取的。2.串行传输：采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据逐位地传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序逐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
18、（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对要长一些，在行扫描周期确定的情况下，行显示的时间就会缩短，以致影响到 LED 的亮度效果。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来解决。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有的主要功能；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
19、显示。图 2-1 显示屏电路框图52.2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 2-2 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。图 2-2 系统硬件组成框图显示屏主控制器 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
20、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特点： 2.2.1 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，
21、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 1V，工作电流由 mA 降至 A ，这在便携式产品中大有用武之地。 2.2.2 EDA电子设计自动化EDA(即 Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在 EDA 软件平台上，对用硬件描述语言 HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用 HDL 语言完成系统功能的描述，借助EDA 工具就可得到设计结果,将编
22、译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。MCU 和DSP 都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 则可实现硬件上位机 通信部分 控制部分 显示部分6上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP 器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。 两种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但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 系列单片机的 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定 51 系列单片机作为控制部分的核心器件。
