基于单片机的8×8LED字幕显示课程设计报告

ID:367997 · 发表于 2018-7-9 15:27

第一章方案选择及总体设计
1.1 方案确定
1.1.1 功能要求

1、采用STC-52单片机作为微处理器。

2、设计一个8×8点阵LED数码字符显示器。

3、在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。

4、动态显示“0——9”几个字符。

1.2.2 方案确定

采用ST89C52单片机作为微处理器，将共阳极二极管用共阴型接法连接成8×8点阵LED数码字符阵列，通过程序控制，采用动态显示，建立字符库“0——9”。

1.2 器件选择

微处理器采用ST89C52系列单片机，ST89C52单片机是这几年在我国非常流行的单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）高性能单片机，可擦除只读存储器可以反复擦除100次，具有低功耗、高性能的特点。

第二章控制系统设计

2.1 控制系统硬件设计

2.1.1整体模块设计

本设计行、列驱动电路，显示器电路，运用单片机的智能化，系统的将每个功能电路模块连接在一起，总体结构设计如图1所示。

图1 硬件系统框图

此次需要实现的功能是利用一个ST89C52，一个8×8LED点阵，动态显示“0——9”10个字，采用PC上位机驱动显示电路。

2.1.2 单片机最小系统设计

ST89C52单片机最小系统电路由复位电路、晶振电路两部分组成。

2.1.2.1 晶振电路设计

ST89C52单片机芯片内部设有一个由反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的的输入端和输出端，时钟可有内部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振频率采用12MHZ，C1、C2的电容值取30pF，电容的大小起频率微调的作用。晶振电路图如图所示。

图2 晶振电路图

2.1.2.2 复位电路设计

ST89C52单片机在启动运行时或者出现死机时需要复位，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机有多种复位方式，常用的复位操作有上电复位和手动复位方式。本设计采用最简单的上电复位方式，电路如图3所示。上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路产生的复位信号（高电平有效）由RST引脚送入到内部的复位电路，对ST89C52单片机进行复位，复位信号要持续两个机器周期（24个时钟周期）以上，才能使ST89C52单片机可靠复位。当上电时，C1相当于短路，有时碰到干扰时会造成错误复位，可在复位端加个去耦电容，可以取得很好的效果。

ST89C52单片机复位电路如下图所示：

图3 上电复位电路图图4 按键电平复位电路图

复位电路工作原理：

上电瞬间RST引脚的电位与VCC等电位，RST引脚为高电平，随着电容C5充电电流的减少，RST引脚的电位不断下降，可以保持RST引脚在为高电平的时间内完成复位操作。

当单片机已在运行当中时，按下复位键S5后再松开，也能使RST引脚为一段时间的高电平，从而实现ST89C52单片机复位。

2.1.3 驱动电路设计

正向点亮一颗LED，至少也要10～20mA，若电流不够大，则LED不够大。而不管是ST89C52的I/O口，还是TTL、CMOS的输出端，其高态输出电流都不是很高，不过1～2mA而已。因此很难直接高态驱动LED，这时候就需要额外的驱动电路，通常有共阳型与共阴型LED阵列驱动电路，本设计才用共阴型高态扫描信号驱动电路。

共阴型LED阵列驱动电路采用高态扫描，也就是任何时间只有一个高态信号，其它则为低态。一行扫描完成后，再把高态信号转化到近邻的其他行，扫描信号接用一个反向驱动器，ST89C52本身内置一个反向驱动器，本设计将ST89C52作为点矩阵显示控制系统的控制核心，通过点矩阵实时显示并移动字符。

单片机的串口与行驱动器相连，用来发送显示数据信息。P0口与LED阵列的行引脚相连，送出数据、地址以及系统控制信号。输出低态时，最大可吸取0.5A，即500mA，若每个LED取30mA，7个LED同时点亮，需要210mA，完全满足LED点亮的基本条件。

图5 驱动电路图

所要显示的信号送入74HC573芯片，然后连接到LED阵列的列阵脚。对于高态的显示信号，将可提供其所连接LED的驱动电流，而这个驱动电流经过LED到输出端，形成正向回路，即可点亮该LED。其中每个晶体管任何时间只需负责驱动一个LED，所以选择30mA射极电流的晶体管。驱动电路如图5所示。

2.1.4 LED点阵显示设计

本设计采用ATMEL公司的AT89C51作矩阵显示控制系统控制核心，12MHZ晶振,88点阵共阳LED显示器。其中，P1口作为字符数据输出口,P3口为字符显示扫描输出口,第31脚(EA)接电源，改变电阻（270*8）的大小可改变显示字符的亮度，驱动用74HC573芯片。

本设计LED矩阵显示器电路选用8×8点阵模块，系统由单片机控制。 LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，在扫描驱动方式下可以按行扫描按列控制，也可以按列扫描按行控制。本文就是使用1块8×8点阵，采用按列扫描按行控制控制方式，扫描顺序自左向右，以满足汉字显示的要求。8×8点阵LED结构如图6所示。

图6 LED数码显示管

8×8 点阵LED的工作原理。图7为8×8点阵LED外观及引脚图，其等效电路如图8所示，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。

图7 8×8点阵LED外观及引脚图

图8 8×8点阵LED等效电路

一个8×8点阵是由64个发光二极管按规律组成的，如图8所示。图中，行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。

2.2控制系统软件设计2.2.1 软件设计思想

主程序先进行设置中断，并启动，再进行键盘扫描载入“0——9”字型，然后判断一组字型是否扫描完，按不同情况进行循环调用子程序。进入子程序后，首先设置相应的程序，反复调用显示子程序，并在显示过程中反复调用键盘扫描子程序进行延时，判断是否退出相应的方式显示子程序。设计过程中，能很好得提高按键响应速度。如图9所示为软件系统框图。

图9 软件系统框图

字符编码：8×8点阵可以看成是从上至下8个字节，每个字节8位，因为该点阵为共阴型点阵，因此若该灯亮，则该位为“1”；该灯不亮，则该位为“0”。所以“0——9”的编码为，从上至下：

DB 00H,00H,3EH,41H,41H,41H,3EH,00H

DB 00H,00H,00H,00H,21H,7FH,01H,00H

DB 00H,00H,27H,45H,45H,45H,39H,00H

DB 00H,00H,22H,49H,49H,49H,36H,00H

DB 00H,00H,0CH,14H,24H,7FH,04H,00H

DB 00H,00H,72H,51H,51H,51H,4EH,00H

DB 00H,00H,3EH,49H,49H,49H,26H,00H

DB 00H,00H,40H,40H,40H,4FH,70H,00H

DB 00H,00H,36H,49H,49H,49H,36H,00H

DB 00H,00H,32H,49H,49H,49H,3EH,00H

2.2.2 主程序流程图

主程序首先设置并启动T0中断，然后调用初始化程序，为后面程序要用到的数据调入，并清零一些用到的数据单元，然后载入“0——9”字型，进行扫描。图10为主程序流程图，详细主程序清单及子程序设计见附录B。

图10 主程序流程图

2.2.3 子程序流程图（定时中断服务程序）

图11 子程序流程图（定时中断服务程序）

第三章系统仿真及性能分析3.1 系统仿真

本设计是以wave与Proteus.ISIS相结合方式来实现本LED点矩阵显示器的仿真实现过程。电路的核心是单片机ST89C52。单片机的P0口八个引脚通过总线连接到LED矩阵显示器的段选码和位选码（a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8）的引脚上，来作为控制信号的来源。如图11、12所示。

3.2 性能分析

此次系统设计结果较好，LED显示屏能很好的显示信息。LED显示屏由1块8×8的LED小模块组成，整个显示屏可以动态显示8×8的“0——9”字型。这个方案设计的8ｘ8的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较易扩展；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰。

总结致谢

本次课程设计到现在有一个多星期，回顾这些天我感到学到了很多东西，在写这个心得的时候，我想就这些天的收获，说一说自己内心的想法。

本设计是一个8x8的点阵LED数码显示器，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、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。

总结本文的研究工作，主要做了下面几点工作：

一、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。并且通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解和运用能力。并证实了自己的思路：“查资料→思考总结→运用→找出差错，再查资料和向别人询问→再次运用”的正确性。

二，本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。

三，本文列出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。

四，在这次课程设计的过程中学会了 PROTEUS 的基本使用，感到PROTEUS对电子专业的同学来说是一个很有用的软件。在运用PROTEUS时可以运用一些快捷的标号，总线的方法画图，这样既能使电路图清晰，简单，更能大大提高画图速度

五，通过这次课程设计，重新复习并进一步增强了动手的能力，学以致用，把只是运用到实际生活中才是根本目的。

六，存在问题：没有考虑仿真软件是一个理想的仿真环境，而实际连接的电路板会由于譬如连接不当，相邻器件间的干扰等等的问题导致在仿真软件中能良好运行的程序，出现显示问题，经过排查和合理的器件摆放焊接，问题解决。

总体来说这次的科研实践很成功，达到了预想的目的：学到了知识，提高了能力，完成了任务。有点缺憾是时间有限，不能进一步深入和扩散学习和研究。希望有时间可以对程序和电路图作更进一步的改进，譬如实现点阵的上下移动，对角线移动，多色显示等。

在此感谢指导老师姜静老师和余国卫老师的悉心教导，改正了很多不曾发现的问题，为即将的毕业设计打下了基础。

参考文献

[1] 张靖武,周灵彬《单片机系统的PROTEUS设计与仿真》北京电子工业出版社

[2] 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉《8051单片机实践与应用》北京清华大学出版社

[3] 李群芳，肖看《单片机原理、接口及应用》北京清华大学出版社

[4] 张毅刚，彭喜元等《新编MCS-51单片机应用设计》黑龙江哈尔滨工业大学出版社