基于51单片机的LED点阵设计

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毕业设计（论文）任务书

近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，作为微型机的一个主要分支，单片机在结构上的最大特点是把CPU、RAM和ROM 存储器、定时器和多种I/O接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。从它的组成和功能来看，一块单片机芯片其实就是一台计算机。

本次设计是采用MSC-51单片机来设计的四位数计算器, 采用C语言进行程序编写实现计算器功能。外接4X4的键盘，通过键盘扫描来完成输入数的控制，利用驱动电路使数值与结果在七段共阴极数码管上正常显示，并设有清零键可随时完成计算与显示的清零。计算器将完成的0至9999整数的一次加/减/乘/除运算。

执行过程如下：

开机即显示0，等待键入数值，当输入数字，将通过数码管显示出来，在输入＋、-、*、/运算符之后，计算器在内部执行数值转换和存储，并等待再次输入数值，当在键入数值后将显示键入的数值，按等号就会在数码管上显示运算结果。

关键字：单片机计算器键盘扫描程序

n recent years, as computer penetration in the social field and large-scale development of integrated circuits, microcontroller applications are continually deepening, because of its powerful function, small size, low power consumption, cheap, reliable, easy to use, etc. therefore particularly suitable for systems with control of more and more widely used in automatic control, intelligent instruments, meters, data acquisition, military products and home appliances fields,

As one of the main branch of microcomputer, microcontroller in the structure of the biggest feature is the CPU, RAM and ROM memory, timer and multiple I / O interface circuit integrated on a VLSI chip. The composition and function from its point of view, a single chip is actually a computer.

This design is the use of MSC-51 microcontroller to design the four-digit calculator, using C programming language to achieve calculator functions. 4X4 external keyboard, the keyboard scan to finish by the number of control values and make the drive circuit to the cathode results in a total of seven-segment digital tube display properly, and has cleared at any time to complete key calculation and display clear. Calculator to complete an integer from 0 to 9999 plus / minus / multiply / divide.

Implementation of the process is as follows:

Power is displayed 0, waiting type value, when the input numbers, will come out through the digital display, the input +,-,*,/ operator, the calculator in the internal implementation of the numerical conversion and storage, and wait for the re-enter the value, when Type the value in the type of value will be displayed by an equal sign will be displayed in the digital control operation results.

Key words: SCM calculator keyboard scan C language

目录

第一章绪言 (1)

第一节单片机的发展 (1)

第二章单片机的控制 (3)

第一节LED显示屏控制系统 (3)

第二节AT89C51单片机概述 (4)

第三章单片机的LED点阵显示设计 (7)

第一节设计任务 (7)

第二节系统的软件设计 (9)

结论 (12)

致谢 (13)

参考文献 (14)

第一章绪言

第一节单片机的发展

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器(Microcontroller)，由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。单片机用于控制有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A 变换器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。

单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机（如MCS-96、MK-68200）可用在更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门，微机测控技术的应用是产品提高档次和推陈出新的有效途径。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

1．低功耗CMOS化

MCS-51系列的80C51推出时的功耗达120mW，而现在的单片机普遍都在100mW 左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其

工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2．微型单片化

常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

3．主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的WinBond系列单片机。以8031为核心的单片机占据了半壁江山，在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

第二章单片机的控制

第一节LED显示屏控制系统

（一）、LED显示屏控制技术状况

显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。

（二）、串行传输与并行传输技术

LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。

（三）、动态扫描与静态锁存技术

LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光一极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光一极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。

（四）、自动检测及远程控制技术

LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。

第二节AT89C51单片机概述

（一） AT89C51单片机的结构

AT89C51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS 型8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写／擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。

图２-１AT89C51引脚图

（二）管脚说明

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。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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。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。

（三）振荡器特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

第三章单片机的LED点阵显示设计

第一节设计任务

（一） LED驱动模块

采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共2端)，LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。

（二）数据存储模块

采用串行EEPROM（如24C256等）存储LED显示屏要显示的信息。串行EEPROM 技术是一种非易失性存储技术，它几乎具有所有类型存储器的优点：不挥发性、可更新性、高密度、低功耗和高性价比，非常适合应用于各类工业测控系统。它克服了常用的2816、2817、2864等并行EEPROM器件价格高、体积大、可靠性低（这些器件如不采取措施，在上电、下电时常会丢失数据）等不足，在速度要求不是很高的情况下，该器件是最理想的选择。

（三）总体硬件组成框图

图３-１总体硬件组成框图

系统框图如图3-1-1所示，系统主要由三大模块组成即LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块。

（四）数据存储电路设计

数据存储电路由串行EEPROM 24C256组成。24C256是美国CATALYST 公司出品的一个1-256K位的支持I2C总线数据传送协议的串行CMOS E2PROM，可用电擦除，可编程自定时写周期（包括自动擦除时间不超过10ms 典型时间为5ms）的串行E2PROM。该芯片有两种写入方式，一种是字节写入方式，还有另一种页写入方式。允许在一个写周期内同时对1个字节到一页的若干字节的编程写入。24C256的引脚排列及引脚功能描述如图3-1-2和表3-1-1。

图3-2 24C256的引脚排列图

表3-1

该存储电路仅由芯片24C256组成，SCL为串行时钟引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟。SDA为串行数据/地址，这是一个双向传输端，用于传送地址和所有数据的发送或接收。当LED显示屏控制系统工作时，单片机89C51通过读SDA 和SCL脚读取24C256中的内容，并将其显示于LED显示屏上。也可以通过上位机（PC 机）将编辑好的数据内容下载到24C256芯片内。

第二节系统的软件设计

（一）下位机软件流程

本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现LED显示屏上字样的移位、显示、数据的读取等功能。其主程序流程如图3-3所示。

图3-3 主程序流程图

（二）显示屏电路框图设计

1 总体设计

图3-4 显示屏电路框图

如图3-4所示，本产品拟采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、电源、行驱动器、列驱动器、16×16 LED点阵5部分组成。

从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。

采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动

器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。

2 硬件电路实现

经分析本设计的电路原理图如下图3-5所示：

图3-5电路原理图

结论

虽然本设计只使用了一块16×16LED点阵，电路简单，但是已经包涵了LED显示屏的电路基本原理和基本程序，在设计的过程中应该使显示图形和文字稳定、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。

在此次设计中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。

通过这次课程设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。但是从中也存在不足之处：对知识的积累还不够，有些问题自己不能够独立解决，对实验操作还要进一步熟练，只有这样才能让自己在不断的学习中提高自己。

致谢

在完成本篇毕业论文的过程中，得到指导教师悉心的指导，使我受益菲浅。从恩师身上我体味到了丰富的学养、严谨的作风、求实的态度，勤奋的精神。在此次的毕业设计中，金江老师在设计过程中给予了我正确的指导，在众多方面提供了方便和便利，为论文的合理性、可行性和完善性提供了有利的帮助。在此表示衷心的感谢。同时，系领导和老师也在设计过程中时常关心我、督促我，在查阅文件资料方面提供了很大的便利，在此也表示衷心的感谢。

参考文献

[1] 赵万生.电火花加工技术. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2000

[2] 徐灏.新编机械设计师手册. 北京：机械工业出版社版，2006

[3] 余承业等.特种加工新技术. 北京：北京国防工业出版社，1995

[4] 冯辛安.机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社，1999

[5] 刘书华.数控机床与编程. 北京：机械工业出版社，2001

[6] S.卡尔帕基安，S.R.施密德.制造工程与技术（机加工）（英文版）及学习辅导（上册）. 北京：机械工业出版社 ,1998