基于單片機的8×8LED字幕顯示課程設計報告

ID:367997 · 發表于 2018-7-9 15:27

第一章方案選擇及總體設計
1.1 方案確定
1.1.1 功能要求

1、采用STC-52單片機作為微處理器。

2、設計一個8×8點陣LED數碼字符顯示器。

3、在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足、穩定、清晰無串擾。

4、動態顯示“0——9”幾個字符。

1.2.2 方案確定

采用ST89C52單片機作為微處理器，將共陽極二極管用共陰型接法連接成8×8點陣LED數碼字符陣列，通過程序控制，采用動態顯示，建立字符庫“0——9”。

1.2 器件選擇

微處理器采用ST89C52系列單片機，ST89C52單片機是這幾年在我國非常流行的單片機，是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）高性能單片機，可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次，具有低功耗、高性能的特點。

第二章控制系統設計

2.1 控制系統硬件設計

2.1.1整體模塊設計

本設計行、列驅動電路，顯示器電路，運用單片機的智能化，系統的將每個功能電路模塊連接在一起，總體結構設計如圖1所示。

圖1 硬件系統框圖

此次需要實現的功能是利用一個ST89C52，一個8×8LED點陣，動態顯示“0——9”10個字，采用PC上位機驅動顯示電路。

2.1.2 單片機最小系統設計

ST89C52單片機最小系統電路由復位電路、晶振電路兩部分組成。

2.1.2.1 晶振電路設計

ST89C52單片機芯片內部設有一個由反向放大器構成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的的輸入端和輸出端，時鐘可有內部或外部生成，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩電路就會產生自激振蕩。系統采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯諧振回路。晶振頻率采用12MHZ，C1、C2的電容值取30pF，電容的大小起頻率微調的作用。晶振電路圖如圖所示。

圖2 晶振電路圖

2.1.2.2 復位電路設計

ST89C52單片機在啟動運行時或者出現死機時需要復位，使CPU以及其他功能部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。單片機有多種復位方式，常用的復位操作有上電復位和手動復位方式。本設計采用最簡單的上電復位方式，電路如圖3所示。上電復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的，復位電路產生的復位信號（高電平有效）由RST引腳送入到內部的復位電路，對ST89C52單片機進行復位，復位信號要持續兩個機器周期（24個時鐘周期）以上，才能使ST89C52單片機可靠復位。當上電時，C1相當于短路，有時碰到干擾時會造成錯誤復位，可在復位端加個去耦電容，可以取得很好的效果。

ST89C52單片機復位電路如下圖所示：

圖3 上電復位電路圖圖4 按鍵電平復位電路圖

復位電路工作原理：

上電瞬間RST引腳的電位與VCC等電位，RST引腳為高電平，隨著電容C5充電電流的減少，RST引腳的電位不斷下降，可以保持RST引腳在為高電平的時間內完成復位操作。

當單片機已在運行當中時，按下復位鍵S5后再松開，也能使RST引腳為一段時間的高電平，從而實現ST89C52單片機復位。

2.1.3 驅動電路設計

正向點亮一顆LED，至少也要10～20mA，若電流不夠大，則LED不夠大。而不管是ST89C52的I/O口，還是TTL、CMOS的輸出端，其高態輸出電流都不是很高，不過1～2mA而已。因此很難直接高態驅動LED，這時候就需要額外的驅動電路，通常有共陽型與共陰型LED陣列驅動電路，本設計才用共陰型高態掃描信號驅動電路。

共陰型LED陣列驅動電路采用高態掃描，也就是任何時間只有一個高態信號，其它則為低態。一行掃描完成后，再把高態信號轉化到近鄰的其他行，掃描信號接用一個反向驅動器，ST89C52本身內置一個反向驅動器，本設計將ST89C52作為點矩陣顯示控制系統的控制核心，通過點矩陣實時顯示并移動字符。

單片機的串口與行驅動器相連，用來發送顯示數據信息。P0口與LED陣列的行引腳相連，送出數據、地址以及系統控制信號。輸出低態時，最大可吸取0.5A，即500mA，若每個LED取30mA，7個LED同時點亮，需要210mA，完全滿足LED點亮的基本條件。

圖5 驅動電路圖

所要顯示的信號送入74HC573芯片，然后連接到LED陣列的列陣腳。對于高態的顯示信號，將可提供其所連接LED的驅動電流，而這個驅動電流經過LED到輸出端，形成正向回路，即可點亮該LED。其中每個晶體管任何時間只需負責驅動一個LED，所以選擇30mA射極電流的晶體管。驅動電路如圖5所示。

2.1.4 LED點陣顯示設計

本設計采用ATMEL公司的AT89C51作矩陣顯示控制系統控制核心，12MHZ晶振,88點陣共陽LED顯示器。其中，P1口作為字符數據輸出口,P3口為字符顯示掃描輸出口,第31腳(EA)接電源，改變電阻（270*8）的大小可改變顯示字符的亮度，驅動用74HC573芯片。

本設計LED矩陣顯示器電路選用8×8點陣模塊，系統由單片機控制。 LED顯示屏是將發光二極管按行按列布置的，在掃描驅動方式下可以按行掃描按列控制，也可以按列掃描按行控制。本文就是使用1塊8×8點陣，采用按列掃描按行控制控制方式，掃描順序自左向右，以滿足漢字顯示的要求。8×8點陣LED結構如圖6所示。

圖6 LED數碼顯示管

8×8 點陣LED的工作原理。圖7為8×8點陣LED外觀及引腳圖，其等效電路如圖8所示，只要其對應的X、Y軸順向偏壓，即可使LED發亮。例如如果想使左上角LED點亮，則Y0=1，X0=0即可。應用時限流電阻可以放在X軸或Y軸。

圖7 8×8點陣LED外觀及引腳圖

圖8 8×8點陣LED等效電路

一個8×8點陣是由64個發光二極管按規律組成的，如圖8所示。圖中，行接低電平，列接高電平，發光二極管導通發光。

2.2控制系統軟件設計2.2.1 軟件設計思想

主程序先進行設置中斷，并啟動，再進行鍵盤掃描載入“0——9”字型，然后判斷一組字型是否掃描完，按不同情況進行循環調用子程序。進入子程序后，首先設置相應的程序，反復調用顯示子程序，并在顯示過程中反復調用鍵盤掃描子程序進行延時，判斷是否退出相應的方式顯示子程序。設計過程中，能很好得提高按鍵響應速度。如圖9所示為軟件系統框圖。

圖9 軟件系統框圖

字符編碼：8×8點陣可以看成是從上至下8個字節，每個字節8位，因為該點陣為共陰型點陣，因此若該燈亮，則該位為“1”；該燈不亮，則該位為“0”。所以“0——9”的編碼為，從上至下：

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 主程序流程圖

主程序首先設置并啟動T0中斷，然后調用初始化程序，為后面程序要用到的數據調入，并清零一些用到的數據單元，然后載入“0——9”字型，進行掃描。圖10為主程序流程圖，詳細主程序清單及子程序設計見附錄B。

圖10 主程序流程圖

2.2.3 子程序流程圖（定時中斷服務程序）

圖11 子程序流程圖（定時中斷服務程序）

第三章系統仿真及性能分析3.1 系統仿真

本設計是以wave與Proteus.ISIS相結合方式來實現本LED點矩陣顯示器的仿真實現過程。電路的核心是單片機ST89C52。單片機的P0口八個引腳通過總線連接到LED矩陣顯示器的段選碼和位選碼（a、b、c、d、e、f、g和1、2、3、4、5、6、7、8）的引腳上，來作為控制信號的來源。如圖11、12所示。

3.2 性能分析

此次系統設計結果較好，LED顯示屏能很好的顯示信息。LED顯示屏由1塊8×8的LED小模塊組成，整個顯示屏可以動態顯示8×8的“0——9”字型。這個方案設計的8ｘ8的點陣LED圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較易擴展；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩定、清晰無串擾。

總結致謝

本次課程設計到現在有一個多星期，回顧這些天我感到學到了很多東西，在寫這個心得的時候，我想就這些天的收獲，說一說自己內心的想法。

本設計是一個8x8的點陣LED數碼顯示器，能夠在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統具有硬件少，結構簡單，容易實現，性能穩定可靠，成本低等特點。

總結本文的研究工作，主要做了下面幾點工作：

一、通過查閱大量的相關資料，詳細了解了LED的發光原理和LED顯示屏的原理，了解了LED的現狀，清楚地了解了LED顯示屏與其它顯示屏相比較有那些優點，明確了研究目標。并且通過對單片機資料的查閱和應用，更進一步增加了對單片機知識的理解和運用能力。并證實了自己的思路：“查資料→思考總結→運用→找出差錯，再查資料和向別人詢問→再次運用”的正確性。

二，本文設計的LED顯示屏能夠實現在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應穩定、清晰無串擾。

三，本文列出了系統具體的硬件設計方案,硬件結構電路圖，軟件流程圖和具體匯編語言程序設計與調試等方面。

四，在這次課程設計的過程中學會了 PROTEUS 的基本使用，感到PROTEUS對電子專業的同學來說是一個很有用的軟件。在運用PROTEUS時可以運用一些快捷的標號，總線的方法畫圖，這樣既能使電路圖清晰，簡單，更能大大提高畫圖速度

五，通過這次課程設計，重新復習并進一步增強了動手的能力，學以致用，把只是運用到實際生活中才是根本目的。

六，存在問題：沒有考慮仿真軟件是一個理想的仿真環境，而實際連接的電路板會由于譬如連接不當，相鄰器件間的干擾等等的問題導致在仿真軟件中能良好運行的程序，出現顯示問題，經過排查和合理的器件擺放焊接，問題解決。

總體來說這次的科研實踐很成功，達到了預想的目的：學到了知識，提高了能力，完成了任務。有點缺憾是時間有限，不能進一步深入和擴散學習和研究。希望有時間可以對程序和電路圖作更進一步的改進，譬如實現點陣的上下移動，對角線移動，多色顯示等。

在此感謝指導老師姜靜老師和余國衛老師的悉心教導，改正了很多不曾發現的問題，為即將的畢業設計打下了基礎。

參考文獻

[1] 張靖武,周靈彬《單片機系統的PROTEUS設計與仿真》北京電子工業出版社

[2] 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉《8051單片機實踐與應用》北京清華大學出版社

[3] 李群芳，肖看《單片機原理、接口及應用》北京清華大學出版社

[4] 張毅剛，彭喜元等《新編MCS-51單片機應用設計》黑龍江哈爾濱工業大學出版社