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1、清远职业技术学院课程设计报告4个16X16点阵LED电子显示屏姓 名 何渊乾 班 级 07电子（2）班 专 业 电子信息工程技术报告主体参考单片机课程设计指导一、功能设计要求 3二、方案论证 3三、系统硬件电路的设计 4四、系统程序的设计 6五、调试及性能分析 7六、控制源程序清单 7七、收获、体会、建议 7八、焊接成品 7九、附件 附件1 8 附件2 15 附件3 15 附件4 16 附件5 17课题：4个16X16LED点阵电子显示屏一、功能设计要求 设计一个能显示4个16X16点阵图文LED显示屏(由于经济问题，由4个8X8的LED焊接成一个16X16的LED)，要求能显示图形或文字，显
2、示图形或文字应稳定、清晰，图形或文字显示有静止、左移或右移等显示方式。二、方案论证 从理论上讲，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位置相对应的LED器件发光，就可以得到想要的显示结果。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。每个16X16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口。如果采用锁存器来扩展端口，那么按8位锁存器来计算，一个16X16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为这里仅仅是16X16的点阵，而在实际应用中的显示屏往往还要大得多，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，显示屏几乎都不采
3、用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。所谓动态扫描，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（如16行）的同名列共用一套列驱动器。以16X16点阵为例，把所有同一行发光管的阳极连在一起，把所有同一列发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出对应第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其点亮相同的时间，然后熄灭第十六行之后又重新亮第一行，这样反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上）时，由于人眼的视觉暂留现象，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，
4、各行的同名列共用一个列驱动器。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行方式或串行方式。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，并行传输的方案是不可取的。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，只有当一行中的各列数据都已经传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于
5、一行的显示过程就可以分解成列数据准备（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，以致会影响到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式来解决。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备的主要功能：对于列数据准备来说，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
6、行的列数据，而不会影响本行的显示时间。下图为显示屏电路实现的结构框图：16X16LED点阵16X16LED点阵16X16LED点阵列驱动器列驱动器列驱动器列驱动器16X16LED点阵单 片 机 控 制 器行 驱 动显示屏电路框图三、系统硬件电路的设计硬件电路大致可分成单片机系统及外围电路、STCISP串口下载电路、行驱动电路和列驱动电路4个部分。具体元器件见附件4。1、单片机系统及外围电路单片机采用STC89C52芯片，在系统可编程时,无需编程器,无需仿真器，可直接在个人电脑上烧录程序到单片机。STC89C51单片机的介绍如下：管脚图如下：STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的
7、新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。特点： 1.增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期 8051 CPU 2.工作电压：5.5V - 3.4V（5V单片机） / 3.8V - 2.0V（3V单片机） 3.工作频率范围：0 - 40 MHz，相当于普通8051的 080MHz.实际工作频率可达48MHz. 4.用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K字节 5.片上集成 1280字节 / 512字节 RAM 6
8、.通用I/O口（32/36个），复位后为： P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉 （普通8051传统I/O口）口是开漏输出P0 ，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口 （P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一片 8.EEPROM功能 9.看门狗 10.内部集成MAX810专用复位电路 （D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路 11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用 12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触
9、发中断,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 13.通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART 14.工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85系统采用12MHz或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0和P2口空闲，在必要时，可以扩展系统的ROM的RAM。16X16点阵显示屏的硬件原理图见附件2.1及2.2。2、STCISP串口下载电路STCISP串口下载电路主要采用MAX232AESE芯片及RS232通
10、讯串口组成的电路，可实现在系统可编程时直接在个人电脑上烧录程序到单片机。STCISP串口下载电路图见附件3。3、行驱动电路单片机P1口低4位的行信号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列4的LED进行显示，按每一LED器件mA电流计算，64个LED同时发光时，需要320mA的电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。4、列驱动电路列驱动电路由集成电路74LS595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的空制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一
11、行的列数据，即达到重叠处理的目的。74LS595的外形如图所示。它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。 74LS595外形：四、系统程序的设计显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。根据软件分层次设计的原理，可把显示屏的软件系统分成两大层：第一层是底层的显示驱动程序；第二层是上层的系统应用程序。显示驱动负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。1、显
12、示驱动程序显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定。16行扫描格式和显示屏刷新率（帧频）的计算公式如下：其中：为晶振频率；为定时器初值（工作在16位定时器模式）。其次，显示驱动程式查询当前点亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据时产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据输入输出锁存器并锁存后，再输出新的行号，重新打开显示。 图（1）为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。显示驱动程序流程图 系统主程序流程图定时器赋初值读取行号并增1送新行显示数据消 隐切换显示数据送新行号，打开显示退
13、出中断进入中断图（1） 图（2）“卷帘入”显示效果“右滚屏”显示效果“左滚屏”显示效果“卷帘出”显示效果系统初始化开 始2、系统主程序系统主程序开始后，首先对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。然后以“卷帘出”效果显示文字或图案，停留几秒钟，接着向上滚动显示汉字或图形，停留几秒后，再左移显示汉字或图形、右移显示等。最后以“卷帘入”效果隐去文字。显示效果可以根据需要进行设置，系统程序会不断地循环执行显示效果。图（2）为系统主程序和流程图。五、调试及性能分析LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，引脚焊接正确，一般列须调试即可正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两
14、部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，下表给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器TO初值。显示屏刷新率（帧频）与T0初值关系表（24MHz晶振时）刷新率/Hz255062.57585100120T0初值ec78f63cf830f97efa42fb1efbee 从理论上来说，24Hz以上的刷新率就能看到连续稳定的显示，刷新率越高，显示越稳定，但显示驱动程序占用的CPU时间越多。实验证明，在目测条件下，刷新率在40Hz以下的画面看起来闪烁严重；刷新率在50Hz以上的已基本觉察不出画面闪烁；刷新率达到85Hz以上时，即使再增加刷新率，画面闪烁也没有明显改善。 该方案设计的4个16X16点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且可方便地扩展成多字的显示屏。显示屏各点亮度均匀、充足，显示图形或文字稳定、清晰，可用静止
