LED8x8點(diǎn)陣顯示屏設(shè)計(jì)報(bào)告+PCB原理圖與單片機(jī)程序源碼

ID:312160 · 發(fā)表于 2018-4-20 08:21

資料包：

Altium Designer畫的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

1 緒論

1.1 前言

LED點(diǎn)陣顯示屏是集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示屏系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷，動(dòng)態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為眾多顯示媒體以及戶外作業(yè)顯示的理想選擇。同時(shí)也可廣泛應(yīng)用到軍事、車站、賓館、體育、新聞、金融、證券、廣告以及交通運(yùn)輸?shù)仍S多行業(yè)。目前大多數(shù)的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)自帶字庫。其顯示和動(dòng)態(tài)效果(主要是顯示內(nèi)容的滾動(dòng))的實(shí)現(xiàn)主要依靠硬件掃描驅(qū)動(dòng)，該方法雖然比較方便，但顯示只能按照預(yù)先的設(shè)計(jì)進(jìn)行。而實(shí)際上經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊要求的動(dòng)態(tài)顯示，比如電梯運(yùn)行中指示箭頭的上下移動(dòng)、某些智能儀表幅值的條形顯示、廣告中廠家的商標(biāo)顯示等。這時(shí)一般的顯示系統(tǒng)就很難達(dá)到要求。另外，由于受到存儲器本身的局限，其特殊字符往往難以顯示，同時(shí)顯示內(nèi)容也不能隨意更改。因此就提出了一種利用PC機(jī)和單片機(jī)控制的LED顯示系統(tǒng)通信方法。該方法可以對顯示內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)諸如動(dòng)態(tài)顯示效果。同時(shí)用戶也可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示效果的預(yù)覽，顯示內(nèi)容亦可以即時(shí)修改。同時(shí)它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并廣泛的用于公交汽車、商店、體育場館、車站、學(xué)校、銀行、高速公路等公共場所的信息發(fā)布和廣告宣傳。LED 顯示屏發(fā)展較快，本文講述了基于89C51單片機(jī)8×8 LED漢字點(diǎn)陣滾動(dòng)顯示的基本原理、硬件組成與設(shè)計(jì)、程序編寫與調(diào)試、Proteus軟件仿真等基本環(huán)節(jié)和相關(guān)技術(shù)。

1.2 選題背景

LED電子顯示屏是隨著計(jì)算機(jī)及相關(guān)的微電子﹑光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展而形成的一種新型信息顯示媒體。它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成可變面積的顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能價(jià)格比高、使用成本低等特點(diǎn)，在短短的十來年中，迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。LED 點(diǎn)陣電子顯示屏是集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示屏系統(tǒng)。它以其色彩鮮艷，動(dòng)態(tài)范圍廣，亮度高，壽命長，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)而成為眾多顯示媒體以及戶外作業(yè)顯示的理想選擇。同時(shí)也可廣泛應(yīng)用到軍事、車站、賓館、體育、新聞、金融、證券、廣告以及交通運(yùn)輸?shù)仍S多行業(yè)。

1.3設(shè)計(jì)要求

利用一塊點(diǎn)陣數(shù)碼板，按編程者要求實(shí)現(xiàn)任意符號的顯示。

1.4 國內(nèi)外的研究概況

目前大多數(shù)的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)自帶字庫。其顯示和動(dòng)態(tài)效果（主要是顯示內(nèi)容的滾動(dòng)）的實(shí)現(xiàn)主要依靠硬件掃描驅(qū)動(dòng)，該方法雖然比較方便，但顯示只能按照預(yù)先的設(shè)計(jì)進(jìn)行。而實(shí)際上經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊要求的動(dòng)態(tài)顯示，比如電梯運(yùn)行中指示箭頭的上下移動(dòng)、某些智能儀表幅值的條形顯示、廣告中廠家的商標(biāo)顯示等。這時(shí)一般的顯示系統(tǒng)就很難達(dá)到要求。另外，由于受到存儲器本身的局限，其特殊字符或圖案也往往難以顯示，同時(shí)顯示內(nèi)容也不能隨意更改。本文提出一種利用PC機(jī)和單片機(jī)控制的LED顯示系統(tǒng)通訊方法。該方法可以對顯示內(nèi)容（包括漢字和特殊圖符）進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)諸如閃動(dòng)、滾動(dòng)、打字等多種動(dòng)態(tài)顯示效果。該方法同時(shí)還可以調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)顯示的速度，同時(shí)用戶也可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示效果的預(yù)覽，顯示內(nèi)容亦可以即時(shí)修改。在我國改革開放之后，特別是進(jìn)入90年代國民經(jīng)濟(jì)高速增長，對公眾場合發(fā)布信息的需求日益強(qiáng)烈，LED顯示屏的出現(xiàn)正好適應(yīng)了這一市場形勢，因而在LED顯示屏的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與應(yīng)用水平上都得到了迅速的提高，生產(chǎn)也得到了迅速的發(fā)展，并逐步形成產(chǎn)業(yè)，成為光電子行業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

1.5此次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容應(yīng)解決的問題

此次設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)符號顯示牌：通過程序控制符號顯示牌，使符號顯示牌，在無按鍵按下時(shí)，顯示數(shù)字“0-9”，當(dāng)?shù)谝淮伟聪掳存I時(shí)，顯示字母“μ”，當(dāng)?shù)诙伟聪掳存I時(shí)顯示漢字“公”。

應(yīng)解決的問題：單片機(jī)P1口的輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)二極管，需要加驅(qū)動(dòng)，本次研究中以S8050作為驅(qū)動(dòng)，同時(shí)在S8050NPN晶體管基極加4.7K的電阻。實(shí)驗(yàn)前要弄清晶體管三個(gè)引腳代表的極性，以免符號顯示牌不亮導(dǎo)致而設(shè)計(jì)失敗。

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件電路組成

本產(chǎn)品采用以89C51單片機(jī)為核心芯片的電路來實(shí)現(xiàn)，主要由89C51芯片、晶振電路、三極管驅(qū)動(dòng)電路、按鍵控制電路、8×8 LED點(diǎn)陣5部分組成，電路框圖如圖1所示。其中，89C51是一種帶4kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，F(xiàn)PEROM)的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS一51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，能夠進(jìn)行1 000次寫／擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年。他是一種高效微控制器，為很多嵌人式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。因此，在智能化電子設(shè)計(jì)與制作過程中經(jīng)常用到89C51芯片。時(shí)鐘電路由89C51的18，19腳的時(shí)鐘端(XTAI 1及XTAL2)以及12 MHz晶振X 、電容C2、C3組成，采用片內(nèi)振蕩方式。復(fù)位電路采用簡易的上電復(fù)位電路，主要由電阻R ，R2，電容C ，開關(guān)K 組成，分別接至89C51的RST復(fù)位輸人端。LED點(diǎn)陣顯示屏采用8x8共64個(gè)象素的點(diǎn)陣，可通過萬用表檢測發(fā)光二極管的方法測試判斷出該點(diǎn)陣的引腳分布。

我們把行列總線接在單片機(jī)的I/O口，然后把上面分析到的掃描代碼送入總線，就可以得到顯示的字符了。我們在實(shí)際應(yīng)用中是將LED點(diǎn)陣的8條列線通過驅(qū)動(dòng)電路接在P1口，8條行線通過限流電阻接在P0口。單片機(jī)89C51按照設(shè)定的程序在P1和P0接口輸出與內(nèi)部字符對應(yīng)的代碼電平送至LED點(diǎn)陣的行列線(高電平驅(qū)動(dòng))，從而選中相應(yīng)的象素LED發(fā)光，并利用人眼的視覺暫留特性合成整個(gè)字符的顯示。再改變?nèi)”淼刂穼?shí)現(xiàn)字符的滾動(dòng)顯示。硬件電路組成框圖如圖5所示。

圖2-1 硬件電路組成框圖

2.2 系統(tǒng)各單元電路設(shè)計(jì)

2.2.1 89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位開關(guān)和電源部分。圖2-2為89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)。

圖2-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2.2 按鍵控制電路

單片機(jī)開始工作時(shí)，P2.0是高電平。當(dāng)按鍵按下時(shí)，檢測到一個(gè)低電平信號，改變P0口輸出信號，控制8×8 LED點(diǎn)陣顯示屏顯示不同字符。

圖2-3 按鍵控制電路

2.2.3 三極管驅(qū)動(dòng)電路

掃描驅(qū)動(dòng)電路的功能主要是有P1口輸出高電平使三極管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)輸出足夠大的電流使二極管導(dǎo)通。

圖2-4 三極管驅(qū)動(dòng)電路

2.2.4 8×8 LED點(diǎn)陣介紹

圖（4）為8×8點(diǎn)陣LED外觀及引腳圖，，只要其對應(yīng)的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發(fā)亮。例如如果想使左上角LED點(diǎn)亮，則電子模塊中的0口為1，A口為0即可。應(yīng)用時(shí)限流電阻可以放在橫軸或列軸。

圖2-5 8×8點(diǎn)陣LED外觀及引腳

(1)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P0端口用8芯排芯連接到“點(diǎn)陣模塊”區(qū)域中的“A~H”端口上；

(2)把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1端口用8芯排芯連接到“點(diǎn)陣模塊”區(qū)域中的“0~7”端口上；

為了方便于單片機(jī)連接，我們在焊接的過程中特意將0～7接口排列出來作為列，將A～H接口作為行，這樣我們就可以直接將P89C51單片機(jī)的P0口與0~7接口一次連接，將P89C51單片機(jī)的P1口與A~H接口一次連接。要使LED發(fā)亮即使給予數(shù)字端高電平，字母端給予低電平，就能使二極管發(fā)亮。

2.3 字符的點(diǎn)陣顯示原理及字庫代碼獲取方法

我們以UCDOS中文宋體字庫為例，每一個(gè)字由8行8列的點(diǎn)陣組成顯示。我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)象素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在64象素范圍內(nèi)的任何圖形。如查用8位的P89C51單片機(jī)控制，如圖所示

圖2-6 8×8點(diǎn)陣等效電路

為了弄清楚漢字的點(diǎn)陣組成規(guī)律，首先通過列掃描方法獲取漢字的代碼。首先將8行分成4位的上、下兩部分，把發(fā)光的象素位編為0不發(fā)光的象素位為1的十六進(jìn)制代碼。這樣就把要顯示的“公”字編為如下代碼：

0x7f,0xbf,0xc1,0xdf,0xdf,0xdf,0xc1,0xdf

由這個(gè)原理可以看出，無論顯示何種字體或圖像，都可以用這個(gè)方法來分析出他的掃描代碼從而顯示在屏幕上。上述方法雖然能夠讓我們弄清楚字符點(diǎn)陣代碼的獲取過程。字符點(diǎn)陣顯示一般有點(diǎn)掃描、行掃描和列掃描3種。為了符合視覺暫留要求，點(diǎn)掃描方法的掃描頻率必須大于16×64—1024 Hz，周期小于1 ms即可。行掃描和列掃描方法的掃描頻率必須大于16×8—128 Hz，周期小于7．8 ms即可。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1程序流程圖

圖3-1 主程序流程圖

3.2程序設(shè)計(jì)

根據(jù)上述所說的程序流程圖，設(shè)計(jì)程序如附錄3。

4 調(diào)試及性能分析

4.1系統(tǒng)調(diào)試

4.1.1軟件調(diào)試

首先根據(jù)各單元電路模塊，利用Proteus軟件將總的硬件原理圖繪制好，設(shè)計(jì)好各模塊要使用的I/O口，如：8×8點(diǎn)陣LED顯示屏?xí)r候插反，先檢測下，無硬件錯(cuò)誤后，再進(jìn)行程序編程。

利用C語言的編程方式，將系統(tǒng)要求的基本功能，以及創(chuàng)新功能根據(jù)程序流程圖編寫出來，用Keil軟件調(diào)試無誤后，生成Hex文件。

雙擊Proteus中的P89C51芯片，將Keil生成的Hex加載到芯片內(nèi)，進(jìn)行仿真，經(jīng)調(diào)試后所編寫的程序能夠完美實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的各種功能。

4.1.2硬件調(diào)試

硬件調(diào)試主要是檢測硬件電路是否有短路、斷路、虛焊等。具體步驟及測試結(jié)果如下：

(1) 檢查電源與地線是否全部連接上，用萬用表對照電路原理圖測試各導(dǎo)線是否完全連接，對未連接的進(jìn)行修復(fù)。

(2) 參照原理圖，檢查各個(gè)器件之間的連接是否連接正確，是否存在虛焊，經(jīng)測試，各連接不存在問題。

(3) 以上兩項(xiàng)檢查并修復(fù)完后，給該硬件電路上電，電源指示燈點(diǎn)亮。

(4) 將燒錄好程序的最小單片機(jī)系統(tǒng)接入各模塊后，各模塊能過正常工作，如：數(shù)碼管正常發(fā)光。

4.2設(shè)計(jì)分析

將燒錄好程序的最小單片機(jī)系統(tǒng)與各模塊連接好后，8×8點(diǎn)陣LED顯示屏顯示初始值。按鍵一次之后，顯示屏顯示滾動(dòng)字符μ，再按鍵一次，顯示屏顯示漢字“公”。

經(jīng)軟件調(diào)試和硬件調(diào)試后，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完美實(shí)現(xiàn)了所需的控制要求和創(chuàng)新要求。

總結(jié)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)8×8點(diǎn)陣LED圖文顯示屏。經(jīng)過測試，LED各點(diǎn)亮度均勻，可顯示圖形和文字，且穩(wěn)定清晰無串?dāng)_。本系統(tǒng)具有硬件少、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。通過查閱資料，了解了LED發(fā)光原理和LED顯示技術(shù)的原理和現(xiàn)狀。在 LED點(diǎn)陣顯示屏的設(shè)計(jì)過程中，學(xué)到了很多東西，復(fù)習(xí)了Protel、Proteus、Keil等軟件的基礎(chǔ)應(yīng)用。基本了解了整個(gè)嵌入式開發(fā)的流程。例如，在進(jìn)行整個(gè)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)該先根據(jù)需求分析，對單片機(jī)進(jìn)行選型，然后對各個(gè)硬件模塊進(jìn)行搭試。在畫PCB電路板的時(shí)候，要注意基本的布板原則。在焊接電路板的時(shí)候，應(yīng)該從最基本的最小系統(tǒng)開始，分模塊，逐個(gè)進(jìn)行焊接測試。在對各個(gè)硬件模塊進(jìn)行測試時(shí)，要保證軟件正確的情況下去測試硬件，要不然發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，不知道到底是哪一方出錯(cuò)了。總之，這次設(shè)計(jì)開發(fā)，本人受益非淺，在以后的開發(fā)過程中一定總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，吸取教訓(xùn)，為以后的學(xué)習(xí)工作打好基礎(chǔ)。

附錄1 原件清單

器件名稱	數(shù)量
三極管NPN（8050）	8
8*8點(diǎn)陣屏/LED紅色	1
電阻470歐	8
電阻4.7K	8
電阻10K	2
按鍵	1
萬能板7*9cm	1
電解電容10UF	1
USB母口	1
連線	12cm
單片機(jī)	1
單片機(jī)插槽	1
12M晶振	1
30p電容	2
自鎖開關(guān)	1
銅柱+螺母	4
USB數(shù)據(jù)線	1