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1、江海学院毕业设计基于AT89C51单片机的1616点阵设计第一章 绪 论1.1 设计课题背景知识单片微型计算机（single chip microcomputer）简称单片机，它是为各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统，高密度集成了普通计算机微处理器，一定容量的RAM和ROM以及输入/输出接口，定时器等电路于一块芯片上构成的。单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小、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。在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场所需要用点阵
2、图形显示器显示汉字，汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器，广告屏等。所以研究LED显示有实用的意义。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，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；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于交通运输、车站、商场、医院、宾馆、证券市场、工业企业管理等公共场所。 LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影
3、仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。现代LED的发展很快，很多研究领域非常已经深刻，实际情况是：很多相关的知识已经远远超出我们在校学生的能力范围，所以在此只是简单的研究一下用单片机驱动的LED显示移动的汉字。目的有三：一是亲手制作一个简单实用的显示文字的LED点阵；二是通过制作LED点阵增强对LED点阵的了解和应用，以及复
4、习巩固单片机知识；三是通过团队合作，增强团队合作的意识，为以后走向社会工作打下基础，并且增强了同学之间的友谊。汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如1616 点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。不论显示图形还是文字，都是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。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，在按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位（1bit），在需要该LE D器件发光的数据中
5、相应的位填1，否则填0。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样时可行的。这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。组成一个字的点阵，其大小也可以有1616、2424、3232、4848等不同规格。用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。图文显示屏的颜色，有单色、双色、和多色几种。
6、最常用的是单色图文屏。单色屏多使用红色或橘红色或橙色LED点阵单元。双色图文屏和多色图文屏，在LED点阵的每一个“点”上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，各颜色的显示点阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。按照图文运动的特点又可以分为
7、闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著；刷新太快了，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。本次毕业设计中，由本人和钟桂，张维平组成一组，我负责硬件部分电路图的设计和软件部分程序的设计和调试，目的是应用简单方便的电路连接和程序完成汉字的换色与移动。钟桂负责用设计好的点阵电路制作PCB电路板，包括完成PCB板的制作
8、，张维平负责制作另外一块在面包板上连的点阵线连板子的焊接与调试，各人的分工不同只是工作侧重点的不同，大家是在一起互相学习互相帮助，共同完成设计任务。第二章 硬件设计2.1设计框图及介绍 LED点阵总体框图如图1.1所示，点阵电路大体上可以分成微机本身的硬件、显示驱动电路、控制信号电路三部分。控制电路部分包括一个51CUP和一些外围电路。在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。由于两部分的电路在制板时可以放到一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通讯方
9、式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。此显示电路采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描(把该行与电源的一端接通)。另一方而，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。可通过扫描输出口的控制实现颜色的转换。图2.1 点阵显示的总体框图2.2 51系列单片机简介单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程
10、序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。8051单片机的基本结构见图2.2。图2.2 8051单片机的基本结构8051是MCS-51系列单片机的一个产品。MCS-51系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机，8051单片机系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。这些产品给8位单片机注入了新的活力，给它的开发应用开拓了更广泛的前景。8051系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。（1）中央处理器8051的中央处理器由运算器和控制逻辑构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SF
11、R）。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。程序状态字PSW是个8位寄存器，用来寄存本次运算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含义是：CY：进位标志。有进位/错位时CY=1，否则CY=0。 AC：半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时，AC=1，否则AC=0，常用
12、于十进制调整运算中。F0：用户可设定的标志位，可置位/复位，也可供测试。RS1、RS0：四个通用寄存器组选择位，该两位的四种组合状态用来选择03寄存器组。OV：溢出标志。当带符号数运算结果超出-128+127范围时OV=1，否则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时，或当无符号数除法的除数为0时OV=1，否则OV=0。P：奇偶校验标志。每条指令执行完，若A中1的个数为奇数时P=1，否则P=0，即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执行程序指令的过程：从程序存储器中取出
13、指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。这些控制信息的使用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他们的具体功能在介绍8051引脚是一起叙述。（2）存储器组织8051单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储
14、器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普林斯顿型。8051单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。8051片内有256K数据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展2*64KB存储器。8051的存储器组织结构如图2.3所示。图 2-3 8051存储器组织结构64K字节的程序存储器（ROM）空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000HFFFH。而1000HFFFFH地址区为外部
15、ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的：0000H0002H单元是所有执行程序的入口地址，复位以后，CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H002AH单元均匀地分为五段，用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。8051的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域：00H7FH时真正
16、的RAM区，可以读写各种数据。而80HFFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对于8051安排了21个特殊功能寄存器，每个寄存器为8位，所以实际上128个字节并没有全部利用。内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。2.3 单片机最小应用系统电路设计图2.4 单片机最小应用系统原理图 注: 该最小系统由按键复位RESET电路、晶体振荡电路以及I/O接口电路组成。复位的实现通常用2种方式: 开机上电复位和外部手动复位，本设计用的是外部手动复位。电路图2.5如下：图2.5 单片机复位图AT89C51工作
