1、 摘 要 本文研究了基于 AT89S51 单片机 LED88 点阵显示屏的设计并运用 PROTEUS 软件进行原理图绘制，运用 KEIL 软件进行仿真和调试。主要介绍了 LED88 点显示屏的硬件电路设计、汇编程序设计与调试、PROTEUS 软件绘制原理图和实物制作等方面的内容，本显示屏的设计具有体积小、硬件少、电路结构简单及容易实现等优点。能帮助广大电子爱好者了解点阵显示原理，认识单片机的基本结构、工作原理及应用方法，并提高单片机知识技术的运用能力。利用单片机来设计的系统，既能实现系统所需的功能，也可以满足计数的准确、迅速性，并且电路简单，操作简单，通用性强。1目 录1.绪论21.1 前言2
2、1.2 国内外的研究概况22. 系统概述33.课程设计目的34.课程设计题目和任务35.设计内容45.1 系统功能的描述45.2 系统硬件设计45.2.1 AT89S51 芯片的介2绍45.2.2 单片机系统设计75.2.3 单片机的发展趋势85.2.4 时钟电路的设计95.2.5 复位电路的设计95.2.6 驱动电路的设计105.2.7 88LED 点阵105.3 计数器初值计算115.4 字母 A 到 F 点阵显示代码的形成115.5 程序流程图125.6 源程序126. 调试及性能分3析 136.1 系统调试13 6.1.1 软件调试13 6.1.2 硬件调试14 6.2 设计分析 14
3、7设计总结14附件 调试结果15参考书目1641.绪论 1.1 前言 LED 点阵显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。目前大多数的 LED 点阵显示系统自带字库。其显示和动态效果(主要是显示内容的滚动 )的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的设计进行。而实际上经常会遇到一些特殊要求的动态显示，比如电梯运行中指示箭头的上下移动、某些智能仪表
4、幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等。这时一般的显示系统就很难达到要求。另外，由于受到存储器本身的局限，其特殊字符往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。 因此就提出了一种利用 PC 机和单片机控制的 LED 显示系统通信方法。该方法可以对显示内容进行实时控制，从而实现诸如动态显示效果。同时用户也可以在 PC机上进行显示效果的预览，显示内容亦可以即时修改。同时它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。并广泛的用于公交汽车、商店、体育场馆、车站、学校、银行、高速公路等公共场所的信息发布和广告宣传。LED 显示屏发展较快，本文讲述了基于 AT89S51 单
5、片机 88 LED 点阵显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编写与调试、Proteus 软件仿真等基本环节和相关技术。1.2 国内外的研究概况 目前大多数的 LED 点阵显示系统自带字库。其显示和动态效果（主要是显示内容的滚动）的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然比较方便，但显示只能按照预先的设计进行。而实际上经常会遇到一些特殊要求的动态显示，比如电梯运行中指示箭头的上下移动、某些智能仪表幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等。这时一般的显示系统就很难达到要求。另外，由于受到存储器本身的局限，其特殊字符或图案也往往难以显示，同时显示内容也不能随意更改。本文提出一种利用 PC 机和单片机控制的
6、 LED 显示系统通讯方法。该方法可以对显示内容（包括汉字和特殊图符）进行实时控制，从而实现诸如闪动、滚动、5打字等多种动态显示效果。该方法同时还可以调节动态显示的速度，同时用户也可以在 PC 机上进行显示效果的预览，显示内容亦可以即时修改。在我国改革开放之后，特别是进入 90 年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED 显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在 LED 显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。2.系统概述LED 点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原
7、理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。本文将介绍一种采用单片机 AT89S51 进行控制的 8*8LED 点阵。该点阵可实现动态显示字母AF 的功能。3课程设计目的（1）巩固和提高学过的基础知识和专业知识。（2）提高运用所学的知识进行独立思考和综合分析、解决实际问题的能力。（3）培养掌握正确的思维方法和利用软件和硬件解决实际问题的基本技能。（4）增加对单片机的认识，加深对单片机理论
8、方面的理解。（5）掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O 口、串行口通讯等。（6）熟练掌握汇编语言的编程方法，将理论联系到实践中去，提高我们的动脑和动手的能力。4课程设计题目和任务要求：按键控制 88LED 点阵屏显示字母 AF。任务：（1） 根据要求设计总体方案；6（2） 绘制硬件电路原理图；（3） 画出软件程序流程图；（4） 编写软件源代码（必须有注释） ；（5） 在 Proteus 软件下仿真运行或在做出的实物上运行；（6） 编写符合学院要求的课程设计说明书。5设计内容5.1 系统功能的描述用单片机控制 88LED 点阵显示字母 A 到 F，利用硬件
9、与软件相结合的方法，通过单片机将字母的代码分别送到相应的列线上面，经过软件编程使二极管从 A 到 F 依次显示字母。5.2 系统硬件设计图 1 系统框图点阵 LED 硬件电路如上图所示，其包括单片机，电源电路，复位电路，驱动电路和 LED 点阵电路。本设计的核心是利用单片机读取显示字型码。电路是单片机的驱动电路，复位电路可在需要的时候，手动使单片机程序计数器复位清零，从而使程序重新执行。另外此设计中通过阳极驱动电路向点阵输送字型码，采用 74LS138 译码器，循环扫描。RP1 为电阻排，含有 8 个电阻，作为 P0口各位的上拉电阻，以保证 P0 口能够输出高电平。系统框图如图 1 所示。5.
10、2.1 AT89S51 芯片的介绍所谓单片机，就是将 CPU,RAM,ROM,定时/计数器和多种 I/O 接口电路都集成在一块集成芯片上的微型计算机。7MCS-51 系列单片机是美国 Intel 公司在 1980 年推出的 8 位单片 微型计算机 ，包含 51 和 52 两个子系列。51 子系列的典型产品有 8031，8051 和 8751三种机型 52 子系列包括 8032，8052 二种主要机型。 51 子系列的配置如下：（1）8 位 CPU；（2）振荡频率 1.212MHZ；（3）128 个字节的片内数据存储器（片内 RAM） ；（4）21 个专用寄存器；（5）4KB 的片内程序存储器（
11、8031 无） ；（6）8 位并行 I/O 口 P0，P1，P2 ，P3；（7）一个全双工串行 I/O 口；（8）2 个 16 位定时器/计数器；（9）5 个中断源，分为 2 个优先级； 本系统选用 ATMEL89S51 系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89S51 是一种低工耗、高性能的片内含有 4KB 快闪可编程/擦除只读存储器的八位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89S51 具有以下特点：（1）与 MCS-51 微控制器产品系列兼容。（2）片内有 4KB 可在线重复编程
12、的快闪擦写存储器。（3）32 条可编程 I/O 线。（4）程序存储器具有三级加密保护。（5）可编程全全双工串行通道。（6）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。（7）而且与 87C51 系列的引脚也完全兼容。89S51 单片机结构如图 5-1 所示：8图 5-1 89S51 单片机结构框图51 系列单片机的引脚功能：主电源引脚 Vss、VccVss：接地，Vcc：接+5V 电源外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2XTAL1：片内反向放大器输入端，XTAL2：片内反向放大器输出端输入/输出引脚 P0、P1 、P2、P3P0.0P0.7：P0 口的 8 个引脚，P0 口是 8 位漏极开路型双向
13、 I/0 端口，在接有片外存储器或 I/0 扩展接口时，P0.0P0.7 分时复用，作低 8 位地址总线与双向 8 位数据总线P1.0P1.7：P1 口的 8 个引脚，P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O口，对于 52 子系列，P1.0 还可用于定时器/计数器 2 的计数脉冲输入端2，1.1 还可作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。P2.0P2.7：P2 口的 8 个引脚，P2 口也是一个带内部上拉电阻的双向 I/O口，在访问片外存储器或扩展 I/O 接口时，还用于提供高 8 位地址。P3.0P3.7：P3 口的 8 个引脚，P3 口也是一个带上拉电阻的 I/O 口，除
14、可以作双向的输入输出口外，还具有第 2 功能。见表 5-1表 5-1 P3 口第二功能表引脚 第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断 0 输入）INT1（外部中断 1 输入）T0（定时器 0 的外部中断）T1（定时器 1 的外部中断）9P3.6P3.7WR（片外数据存储器写控制信号）RD（片外数据存储器读控制信号）控制线（4 条）：ALE/PROG：双功能引脚。由于 P0 口的 8 个引脚是低 8 位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将 P0 口输出的低 8 位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现
15、2 次。其下降沿用于控制锁存 P0 口输出的低 8 位地址。即使不访问片外存储器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的 1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE 脉冲会跳空 1 个。对片内含有 EPROM 的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲 PROG 的输入端。 PSEN： 片外程序存储器读选通信号输出端，在 CPU 从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过 P0 口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。EA/Vpp： 双功能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即 EA
16、/Vpp=1 时，访问片内程序存储器。 对片内含有 EPROM 的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v 的编程电压。RST/VPO： 双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接 2 个机器周期的高电平时可实现复位操作。 在 Vcc 掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v） ，可向片内 RAM 供电，以保存片内 RAM 中的信息。5.2.2 单片机系统设计按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统和典型应用系统等。（1）最小应用系统：能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对
17、于片内有 ROM/EPROM/FLASH RAM 的单片机，构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路、复位电路和电源即可，如图 5-2（a）所示。XTAL1 P0P1XTAL2 P2P3RST89S51EAXTAL1 P2.72.0XTAL2 89S51 RSTALEP0.70.0SENA地址锁存 EPROM10图 5-2 89S51 单片机最小应用系统由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点是：有可供用户使用的大量 I/O 口线，P0、P1、P2 、P3 都可用作用户 I/O 口用。由于没有外部存储器扩展， 应接高电平。EA内部存储器容量有限（只有 4KB
18、 地址空间） 。应用系统开发具有特殊性。由于这类应用系统应用程序量不大，外电路简单，因而采用模拟开发手段较好。对于片内无 ROM/EPROM/FLASH RAM 的单片机，其最小系统除了外部配置时钟电路、复位电路和电源外，还应在片外扩展 EPROM、EEPROM 作为程序存储器用，如图 5-2（b）所示， 应接地。EA（2）最小功耗应用系统最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功率消耗最小。这是单片机应用系统中的一个引人入目的构成方式。在单片机芯片结构设计时，一般为构成最小功耗应用系统提供了必要条件，例如，各种系列的单片机都有CMOS 工艺类型，而且在这类单片机中都设置了低功耗运行的 W
19、AIT 和 STOP方式。设计最小功耗应用系统时，必须使系统内的所有器件、外设都有最小的功耗，而且能充分运用 WAIT 和 STOP 方式运行。最小功耗应用系统常用在一些袖珍式智能仪表、野外工作仪表以及在无源网络、接口中的单片机工作子站。5.2.3 单片机的发展趋势今后单片机的发展趋势，将是进一步向着多功能、高性能、高速度、低功耗、低价格、存储容量扩大和增强 I/O 功能及结构兼容等方面发展。其发展趋势主要有以下几个方面：1. 多功能在单片机中尽可能多地把应用所需的存储器、各种功能的 I/O 口都集成在11一块芯片内，使单片机的功能更加强大。如把 LED、LCD 或 VFD 显示驱动器也开始集
20、成在 8 位单片机中。2. 高性能进一步改进 CPU 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性，采用精简指令系统计算机 RISC（Reduced Instruction Set Computer）结构和流水线技术，大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达 100MIPS(Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒)，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能，使单片机的性能明显地优于同类型的微处理器。单片机集成度进步提高，有的单片机的寻址能力已突破 64 KB 的限制，8 位、16 位的单片机有的寻址能力已达到 1 MB 和 16 MB。片内 ROM 的容
21、量可达 64 KB，RAM 的容量可达 2 KB。3. 低电压、低功耗允许使用的电压范围越来越宽，一般在 36V 范围内工作，有的已能在1.2V 或 0.9V 电压下工作。 。几乎所有的单片机都具有省电运行方式。单片机的功耗已从 mA 级降到 A 级，甚至 1A 以下，在一粒钮扣电池下就可长期工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。4. 低价格单片机应用的另一显著特点是量大面广。促使世界各国公司在提高单片机性能的同时，也十分注意降低价格。如 Z-8 系列的 Z8600、80C51 系列的80C31 每片仅售 1-1.5 美元。提高性能价格比是各
22、公司竞争的主要策略和不懈追求的目标。5.2.4 时钟电路的设计时钟电路有 AT89S51 的 18、19 脚的时钟端（XTAL 1 及 XTAL 2）以及12MHz 晶振 Y1、电容 C2、C3 组成，采用片内振荡方式，如图 2 所示。图 2 时钟电路5.2.5 复位电路的设计复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻 R1、R2，电容 C1，开关12K 组成，分别接至 AT89S51 的 RST 复位输入端，如图 3 所示。图 3 复位电路5.2.6 驱动电路的设计LED 驱动模块是 LED 显示屏设计的关键部分，驱动电路设计的好坏直接关系到 LED 显示屏的亮度、稳定度等重要指标。本次设计
23、中 LED 的驱动是采用三极管和 74LS138 实现的。此系统中驱动电路是由 74LS138和三极管组成的，原理图如图 4 所示。13图 4 驱动电路5.2.7 88LED 点阵（1）工作原理88 点阵共由 64 个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上。当对应的某一行置 1，某一列置 0，则相应的二极管就亮。LED点阵显示器是由一串发光或者不发光的点状显示器按矩阵的方式排列组成的。不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或者文字的各个点所在的位置相对应的 LED 器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对
24、显示屏而言，每一个LED 发光器件占数据中的一位，在需要该器件发光的数据相应的位填 1，否则填0.根据控制电路的安排，相反的定义同样可行。显示屏如图 5图 5 显示屏（2）接线方法LED 的行扫描端接到单片机的 P0 口，列扫描端接置三极管的发射极。列扫描端用于LED 的数据扫描，通过 74LS138 的译码和三极管的驱动，使 LED 发光；行扫描通过 P0 口为 LED 的显示给出相应的数据。5.4 系统软件设计5.3 计数器初值计算计算公式： 计 数TMC/式中，TC 为定时初值；T 计数 是单片机时钟周期 TCLK 的 12 倍；M 为计数器摸值该值和计数器工作方式有关，在方式 0 时
25、M 为 213；在方式 1 时 M 的值为 216；在方式 2 和 3 为 28。smC1/416 HF61534655.4 字母 A 到 F 点阵显示代码的形成假设显示字母“A” ，形成的列代码为 1400H，08H，10H，30H，50H，30H，10H，08H；只要把这些代码分别送到相应的列线上面，即可实现“A”的字母显示。送第一列线代码到 P3 端口，同时置第一行线为“0” ，其它行线为“1” ，延时 4ms，送第二列线代码到 P3 端口，同时置第二行线为“0” ，其它行线为“1” ，延时 4ms，如此下去，直到送完最后一列代码，又从头开始送。字母 A 到 F 点阵显示代码：A：00H
26、，08H，10H，30H，50H，30H，10H，08HB：00H，00H，7EH，52H，52H，7FH，00H，00HC：00H，00H，7EH，42H，42H，42H，00H，00HD：00H，00H，7EH，42H，42H，42H，3CH，00HE：00H ，00H，7EH ，52H，52H，52H，00H，00HF：00H，00H，7EH，50H，50H，50H，50H，00H5.5 程序流程图主程序流程图如图 6 所示图 6 主程序流程图5.6 源程序15#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char sbi
27、t button=P33;int tab18=0x00,0x08,0x10,0x30,0X50,0X30,0X10,0X08,/“A“ /0X00,0X00,0X7E,0X52,0X52,0X7E,0X00,0X00,/“B“ /0X00,0X00,0X7E,0X42,0X42,0X42,0X00,0X00,/“C“/0X00,0X00,0X7E,0X42,0X42,0X42,0X3C,0X00,/“D“ /0X00,0X00,0X7E,0X52,0X52,0X52,0X00,0X00,/“E“/0X00,0X00,0X7E,0X50,0X50,0X50,0X50,0X00/“F“ /;con
28、st uchar tab2=0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfe,0xff;char a;j,r,q=0,t=0;void int1() interrupt 2a+;t=0;j=0;if(a=6)a=0;while(button=0);void delay(uint n)uint i;for(i=0;in;i+); void main(void) EA=1;EX1=1;IT1=0; while(1) for(r=0;r15;r+)16for(j=0;j8;j+) P2=tab2t+;P0=tab1aj;delay(55);if(t=8)t=0; 6. 调试及性能
29、分析 6.1 系统调试 6.1.1 软件调试 首先根据各单元电路模块，利用 Proteus 软件将总的硬件原理图绘制好，设计好各模块要使用的 I/O 口，如：88 点阵 LED 显示屏时候插反，先检测下，无硬件错误后，再进行程序编程。 利用 C 语言的编程方式，将系统要求的基本功能，以及创新功能根据程序流程图编写出来，用 Keil 软件调试无误后，生成 Hex 文件。 双击 Proteus 中的 AT89S51 芯片，将 Keil 生成的 Hex 加载到芯片内，进行仿真，经调试后所编写的程序能够完美实现系统所需的各种功能。 6.1.2 硬件调试 硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊
30、等。具体步骤及测试结果如下： (1) 检查电源与地线是否全部连接上，用万用表对照电路原理图测试各导线是否完全连接，对未连接的进行修复。 (2) 参照原理图，检查各个器件之间的连接是否连接正确，是否存在虚焊，经测试，各连接不存在问题。 (3) 以上两项检查并修复完后，给该硬件电路上电，电源指示灯点亮。 6.2 设计分析 将最小单片机系统与各模块连接好后，88 点阵 LED 显示屏显示初始值。经17软件调试和硬件调试后，所设计的系统完美实现了所需的控制要求和创新要求。7设计总结通过这次的课程设计作品的制作让我对单片机的理论有了更加深入的了解，同时在具体的制作过程中我们发现现在书本上的知识与实际的应用存在着不小的差距.通过这次实践使我更深刻的体会到了理论联系实际的重要性，我们在今后的学习工作中会更加的注重实际。附件，调试结果:18参考书目1张毅刚.单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，20102皮大能.单片机课程设计指导书M.北京：北京理工大学出版社，20103肖婧.单片机系统设计与仿真:基于 ProteusM.北京：北京航空航天大学出版社，20104马忠梅.单片机的 C 语言应用程序设计（第 5 版）M.北京：北京航空航天大学出版社，2013
