基于单片机的点阵

目录

摘要..................................................................................................................... I Abstract.............................................................................................................. II 1 绪论 (1)

1.1问题提出 (1)

1.2课题背景 (3)

1.3显示原理 (4)

2 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 (6)

2.3数据传输方案论证 (8)

2.4点阵电子显示屏总体设计 (8)

3.1单片机系统及外围电路 (9)

3.2行驱动 (13)

3.3列驱动 (13)

3.4 显示控制电路 (15)

4 PCB板的制作 (16)

4.1 软件总体设计 (17)

4.2 汉字点阵信息的获取 (17)

4.3 汉字的固定显示以及左移的实现 (18)

1 固定显示方式 (19)

2 左移显示方式 (19)

5 开发工具和性能分析 (20)

5.1程序开发环境介绍 (20)

5.2性能分析 (20)

6工作成果介绍及系统拓展 (22)

6.1工作成果介绍 (22)

6.2点阵电子显示屏的拓展 (22)

总结 (24)

致谢.................................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (25)

附录1点阵显示原理图 (26)

附录2程序 (27)

附录3 16×16点阵元器件清单 (31)

附录4 实物图 (33)

(33)

基于单片机的点阵电子显示屏设计

摘要

LED点阵显示屏是一种由多个独立的LED发光二极管封装而成的, 新兴的显示器件.LED 点阵电子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。

本设计是由4个8×8点阵LED电子显示屏组成。它介绍了以AT公司生产的40脚单片机AT89S51为核心的控制系统的LED点阵电子显示系统的动态设计和研发过程。可以通过此芯片控制四个列驱动器74HC138和单片机P0口直接驱动行显示系统显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏能显示1个汉字，采用的是4块8 x 8点阵LED显示模块来组成1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。

本文详细介绍了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：AT89S51；单片机；LED；点阵显示；动态显示

THE DESIGN OF DOT MATRIX DISPLAY

BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTE

Abstract

LED dot matrix display is composed of a plurality of independent LED light emitting diode package together. New display device, LED dot matrix display can display numbers or symbols, usually used to display time, speed, the state of the system.

This design is the design of 4 8 *8 dot matrix LED electronic display, screen. The design introduces the dynamic design and development control system produced by AT company of the 40 foot AT89S51 MCU as the core of the LED dot matrix display process. The chip control 4 row driver 74HC138 and SCM P0 port directly drive for screen display. The electronic screen can show all kinds of written monochromate images, full screen can display 1 Chinese characters, uses is 4piece of 8 x 8 dot matrix LED display modules to form 1 16x16 dot matrix display mode. Shows the dynamic display, the static graphic or text can be achieved,moved out of a variety of display.

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 program design, as well as the use and so

Keywords：AT89S51；Single chip microcomputer; LED Dynamic display

1 绪论

1.1问题提出

LED显示屏是在20世纪80年代在全世界快速发展起来的一种新型的信息显示载体，它采用发光二极管组成的点阵模块形成大面积显示屏幕，有可靠性高、使用寿命长久、环境适应能力强、性价比高等特点，快速成长为平板显示的主流产品之一，在广告牌、公共显示屏等许多信息显示领域得到了广泛的应用[1]。

LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是能够将电能转化为可见光的固态半导体元器件。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极上，能将整个晶片被环氧树脂封装起来。当电流流经导线作用到这个晶片的时候，电子就会被推向它的PN结的P区，在P区里电子跟空穴复合，之后就以光子的形式散发出能量，从而使LED发光。LED发光灯可以分为单色、双色、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等许多种类型。按照发光灯强度又可以划分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等。

LED显示屏（LED panel）是由半导体发光二极管组成的点阵模块显示屏幕，它是通过控制半导体发光二极管的亮灭情况来显示的，依据要显示的文字、图形、动画、视频等各种各样的信息来选择相应的发光二极管的亮与灭，从而能实现显示各种信息。LED显示屏具有抗震抗冲击、光反应速度快、节能、发光效率高、使用寿命长久、组态灵活多变、色彩丰富和对室内室外环境适应能力强等特点，随着LED制造技术的不断改善，使其在全球得到了很大的推广，大量应用于大型剧场、商场、酒店的出口、入口和洗手间的标示牌等各种室内、户外显示屏[1]。

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的大部分控制功能，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[2]。例如，本文所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。

LED因为具有种种优点,受到了重视。这些优点是：亮度高、工作时电压低、功耗低、体积小、寿命长久、耐冲击和稳定。LED有极大的发展前景，现在正朝着更高的亮度,耐气候、发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

近年来，单片机已经成为科技领域的有力工具，人类社会生活的得力助手。它的广泛应用，不仅仅体现在工业控制、机电应用、智能仪表、实时控制、航空航天、尖端武器等行业和领域的智能化、高精度化，而且在人类日常生活中也随处可见它的身影[6]。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是要求应用系统在芯片上的最优解决；所以，专用单片机的发展自然形成了SoC 化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有很大的发展。所以，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器扩展到单片应用系统。

目前，单片机正朝着高性能和多种方向发展，其趋势将进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展，其功能也将越来越丰富，速度也越来越快，甚至有些方面并不逊于ARM 或DSP[2]。

随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地[13]。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、

闪烁、重影等现象。归根结底，LED显示屏控制卡的设计中硬件是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本论文提出基于普通51系列单片机实现LED显示屏控制的原理及方法[7]。

1.2课题背景

点阵电子显示屏的发展经历了许多时期：

第一个阶段是从20世纪90年代开始之后的5年，主要有单色和16级双色两种图文屏。只能显示文字和简单图片，应用在车站、金融机构、邮局系统等公共场合，作为公共信息显示工具。

第2阶段是1995年到20世纪末，出现了64级、256级灰度的双基色视频显示屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等新技术将LED显示屏推到了一个新的层次。LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片的技术也在此时由国内企业开发出来并得以应用[3]。

第3阶段从20世纪末开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量进入中国，同时国内相关的科研单位进行了研发工作，用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被大量应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场合，从而使国内的大屏幕进入到全彩的时代。

伴随着LED材料市场的快速发展，表面贴装器件于2001年面世，主要用于室内全彩屏，并且因为其亮度高、色彩鲜艳、温度低的优点，可任意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，不到三年的时间，产品销售额突破了3亿大关，表面有贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新纪元。为了适应2008年北京奥林匹克运动会的“塑身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色LED显示屏，广泛应用于训练场馆和比赛计分系统。在奥林匹克场馆全彩色屏方面，为减小投资，全彩色屏大多使用可以拆卸的方式，奥运期间可作为实况转播工具，比赛完成后可用于租借，作为表演、国家政策信息发布等公共场所应用工具，通过这种方式可以缩短收回成本的周期[2]。

单片机诞生于1970年，经过流量SCM、MCU、SOC三个发展时期。

SCM-单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）时期，主要是寻找最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”取得成功，奠定了SCM与

通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没[8]。

MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU 的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家[14]。从这一角度来看，因特尔逐渐淡出MCU 的发展也有其客观因素。在发展MCU 方面，最著名的厂家当数飞利浦公司。飞利浦公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记因特尔和飞利浦的历史功绩。

SOC即单片机嵌入式系统。单片机的嵌入式系统的独立发展之路，向MCU 阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[4]。

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[9]。

单片机可以从以下几个方面分类：

1.按应用领域可分为：家电类、工控类、通信类和个人信息终端类等。

2.按通用性可分为：通用型和专用型。

3.按总线结构可分为总线型和非总线型。

4.按指令运行的振荡周期可分为标准型和改进型。

1.3显示原理

人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉的惰性。视觉惰性可以理解为光线对人眼视觉的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通性。实验表明，当外界光源突然消

失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。不致于引起闪烁感觉的最低反复通断频率称为临界闪烁频率[5]。

通过实验证明临界闪烁频率大约为24Hz。因此采用每秒24幅画面的电影，在人看起来就是连续活动的图象了。同样的原理，日光灯每秒通断50次，而人看起来却是一直亮的。由于视觉具有惰性，人们在观察高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值。

视觉惰性可以说是LED显示屏得以广泛应用的生理基础。首先，在LED 显示屏中可以利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点燃，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。由于LED显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几十万只的范围，所以节约驱动电路的效益是十分可观的[10]。

2 功能要求及方案论证

2.1功能要求

本方案设计一个点阵电子显示屏，要满足以下条件

1.采用51单片机作为微控制器；

2.通过4个8ｘ8的点阵LED进行文字显示；

3. LED显示屏清晰无串扰；

4.文字显示具有滚动显示方式;

5.通过按键切换，能选择显示内容。

2.2显示模块方案论证

4个8×8的点阵构成一个16×16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表示的是直插式8×8点阵LED模块图。这种模块是用2列8针引脚将内部电路接口引出，并且由64个发光LED芯片以8×8的矩阵形式构成一个正方形模块，供驱动电路使用。

图2.1 LED 点阵显示原理图

LED的阴极对应的是列，我们先给第一列低电平，例如送给16行的代码为0000，则第一列的LED灯都不亮，再给第二列以低电平，如果送给16行的代码为F807，则第二列的第3、4、5、6、7、8、9、10个被点亮，接着给第三列

以低电平，同时给行以驱动代码，这样不断地进行行行的快速的扫描，只要速度达到足够够快，因为人的视觉暂留作用，所以不会感觉到明显的闪烁感，这样同时点阵上会看到一个清晰的“电”字。

结构简单，价格便宜是LED点阵的优点。本文所述的是LED点阵的数据显示方式，这种方式通常使用单个8×8的点阵或几个8×8的点阵拼凑。在实际应用中，有静态和动态2种方法可以作为LED点阵的点亮方式。本文以8×8点阵为例来论证这两种点亮方案。

1、静态显示方式

所谓静态显示方式就是几个LED灯在显示某一个数码时，加在LED灯上的数码一直保持不变，直至换成显示其他数码为止。这样每一个LED灯均应由一条输出线来控制，则每显示一个8*8的点阵需要64根输出线，那么要显示N 个则需N×64根输出控制线。这样就会占用较多I/O资源。

2、动态显示方式

针对静态显示方式的缺点，我们可以用动态显示的方式来克服。为了解决静态显示方式将会占用较多I/O资源的缺陷，在多位显示时通常采用的是动态显示的方式。

所谓动态显示就是将所有数码管的段码线对应并联在一起，再由一个8位的输出口来控制，每一位数码管的公共端分别出一位I/O线进行控制。在显示不同数码时，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。

基于单片机的特性，我们将采用动态显示方式的方案。采用动态显示的方式进行显示时，每一行都有一个行驱动器，并且各行的同名列共用一个驱动器。数据从控制电路到列驱动器的传输方式可以采用并列方式或串行按8位一个字节的形式顺序排放储存在单片机的存储器之中。在显示的时候要把一行中的各列数据都传送到相对应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据如何传输的问题。

2.3数据传输方案论证

显然，如果我们采用并行的方式，因为从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，当列数很多的时候，并列传输的方案就不是很好，实现起来也不如串行传输的方法。

如果我们采用串行传输的方法，则控制电路可以只用一根信号线，让列数据一位一位的向列驱动器传输。这样的方式在硬件方面无疑是十分经济的。但是，我们也可以看到这样的方式也存在不足。那就是整个串行传输的过程较长，数据是按顺序一位一位的输出给列驱动器的，只有当一行的各列数据都已经传输到位过后，这一行的各列才能并行地显示。这样，对于每一行的显示过程我们就可以将其分解成列数据传输和列数据显示这样两个部分。由于串行传输方式的列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期一定的情况下留给行显示的时间就可能比较少了，这会影响到LED 的亮度。

我们可以采用重叠处理的方法来解决串行传输中的列数据准备与列数据显示时间的矛盾问题。重叠处理的方法，即在显示一行各列数据的同时，传送下一列数据。

为了达到这样的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。列数据准备应当能实现串入并处的移位功能，而列数据显示则应当具有并行锁存的功能。这样，本行将已准备好的数据输入并行锁存器进行显示的时候，串并移位寄存器就进行准备下一行的列数据的动作，而不会影响本行的显示。

2.4

图2.4点阵电子显示屏总体框图

3 硬件设计

点阵电子显示屏的硬件大致上可以分成列驱动电路，行驱动电路以及单片机系统及外围电路三部分。

3.1单片机系统及外围电路

1、单片机采用AT89S51芯片或其兼容系列芯片。

单片机的P0口直接驱动行，用来显示数据。P2口与列驱动器相连，送出列选信号；P1.0口则用来发送控制信号。P3空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。

图3.1 AT89S51单片机最小系统

AT89S51单片机管脚说明如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口的输出驱动电路由上拉场效应管和驱动场效应管组成，控制电路包括一个与非门，一个非门和多路开关MUX。P0口既可以作为通用的I/O口进行数据的输入输出，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用，为此在P0口的电路中有一个多路转换器MUX。在控制信号的作用下，多路转换器可以分别接通锁存器输出或地址/数据线输出。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口能驱动4个LSTTL负载。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。P1口作为一般的I/O口使用时记做P1.7~P1.0。

P2口：P2口既可以作为通用的I/O口使用，也可以作为地址总线使用，所以他的位结构比P1口多了一个多路控制开关MUX。当P2口作为通用I/O口使用时，多路开关MUX倒向锁存器的输出端Q，构成一个准双向口，其功能与P1口相同，有输出，读引脚和读锁存器3种工作方式。

P3口：P3口为多功能口。当第二功能输出端保持1的时候，与非门3对锁存器Q端是畅通的，这时P3口完全实现第一功能，即作为通用的I/O口使用，而且是一个准双向I/O口，其功能与P1口是完全相同的。

RST：这时复位输入。当振荡器复位器件时，需要保持RST脚两个机器周期的高电平的时间。

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。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/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。

2、74ls138译码器

其74LS138工作原理如下：HC13线－8 线译码器，共有54/74S138和

54/74LS138 两种线当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。

74LS138的作用:

利用G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器

图3.2 74LS138引脚图

用与非门组成的3线8线译码器74LS138

图3.3 74ls138译码器内部电路

图3.4 4线-8线译码器74LS138的功能表

无论从逻辑图还是功能表我们都可以看到74LS138的八个输出管脚，任何时刻要么全为高电平1—芯片处于不工作状态，要么只有一个为低电平0，其余7个输出管脚全为高电平1。如果出现两个输出管脚在同一个时间为0的情况，说明该芯片已经损坏。

当附加控制门的输出为高电平（S＝1）时，可由逻辑图写出

图3.5逻辑图

由上式可以看出，在同一个时间又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。

71LS138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（S＝1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表3.3.5所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能[11]。

带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图3.3.8电路中如果

把作为“数据”输入端（在同一个时间），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当＝101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送到其他任何一个输出端上[12]。

3.2行驱动

行驱动电路由单片机P0口直接驱动点阵的行，在P0口连接上拉电阻及限流电阻：

图3.6 行驱动电路图

3.3列驱动

本电路中我们加入了4个3-8线译码器74HC138，其输入是一个16进制码。74HC138结构如图3.7所示。

图3.7 74HC138结构图

74HC138 引脚说明如表3.1

表3.1引脚说明

图3.8 列驱动电路

如图所示的列驱动电路中, 以A、B、C、D四脚为输入端，把74HC138的E2和E3引脚接地，然后就会形成16种不同的输入状态，分别为0000～1111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。