C52单片机的LED点阵显示屏设计.docx
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C52单片机的LED点阵显示屏设计
基于C52单片机的LED点阵显示屏设计
摘要
现代社会中各种信息时刻的出现在人们的生活视线中,想让大家更好的,方便的获得这样的信息,LED显示屏发挥了很大的作用,包括在商场门口、公交站台、会议室、商店、售票大厅、银行等场所,各种信息都可以通过LED显示屏显示,让客户、路人、顾客更多的获取他们想要的信息。
本文介绍了LED点阵汉字显示屏的设计与实现过程。
文中从显示原理和显示屏驱动电路设计,到软件的全部过程都分别做了分析和阐述,并附加了明确的程序流程说明。
本文以单片机AT89C52为控制器的LED点阵显示屏系统的设计,用74HC154、74HC593和74HC138对LED点阵进行行列驱动。
该系统可以实现中英文字符的显示和动态特效显示。
并且可以采取级连的方式来扩大显示屏幕的尺寸以达到增加显示内容的目的。
显示字模数据由单片机输入显示,点阵的点亮过程由程序控制,经过驱动电路进行行列驱动,由显示驱动模块驱动一个16×16分辨率的LED点阵显示屏的扫描显示。
选用的AT89C52单片机具有价格低廉程序写入方便的特点使得整个系统方便维护和检修。
除此之外,该系统只占用了单片机少量的I/O口和内存,为系统留下了功能扩展的空间。
关键词:
AT89C52;LED点阵显示;行驱动;列驱动
BasedonthesinglechipmicrocomputerC52destemdesign
Abstract
Allkindsofinformationinthemodernsocietyappearinpeople'slife,wantyoutogetbetter,convenientsuchinformation,theLEDmatrixdisplayscreenhasplayedalargeroleinthebazaar,includingpublicplatform,conferenceroom,hall,Banksstores,ticketing,etcallkindsofinformationcanbedisplayedthroughtheLEDmakemorecustomers,clients,strangerfortheinformationtheywant.ThepaperintroducesthecharactersofLEDmatrixdisplayscreendesignandimplementation.Thisshowsprincipleanddisplaydrivercircuitdesign,theentireprocessofsoftwareareanalyzedandexpoundedrespectively,andthespecificprocesses.
BasedonthesinglechipmicrocomputercontrollerfortheAT89C52systemdestemdesign,with74HC154,74HC593and74ofLEDdotmatrixforLS138listedlinedriver.ThesystemcanrealizethedisplayanddynamicinbothChineseandEnglishcharactersthatspecialeffects.Andbythewaylevelcaneventoexpandthesizeofthescreeninordertoachievethepurposeofthatincreasethecontent.Displayfontdatainputbysingle-chipmicrocomputer,accordingtothelightbyprogramdotmatrixprocesscontrol,afterdrivingcircuitdriverranks,thedisplaydrivermodulesdrivea16×32resolutionofLEDdotmatrixdisplayscanningdisplay.TheselectionofAT89C52singlechipmicrocomputerisinexpensiveprogramtothecharacteristicsofthewholesystemmakesforeasymaintenanceandrepair.Inaddition,thesystemonlytakethesingle-chipasmallamountofI/Omouthandmemory,leftforthesystemfunctionextensionofspace.
Keywords:
AT89C52;OfLEDdotmatrixdisplay;Linedrive;Columndrive
第一章绪论
1.1LED点阵显示屏背景
单片机自20世纪70年代问世以来,以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注,所以应用很广,发展很快。
单片机的特点是体积小、集成度高、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。
正因为单片机有如此多的优点,因此其应用领域之广,几乎到了无孔不入的地步。
在我国,单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。
我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。
更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能,正在用单片机通过软件方法来实现。
这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。
例如,本文所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。
LED是发光二极管英文LightEmittingDiode的简称,是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件,七十年代随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展,发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。
进入八十年代后,LED在发光波长范围和性能方面大大提高,并开始形成平板显示产品即LED显示屏。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
2.5m宽茶色和透明磨砂树脂板已由无锡正成企业安装调试成功。
大大改善了LED的整体效果,有效时间达20年之久。
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电子显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。
它是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统,是目前国际上极为先进的显示媒体。
由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富、工作性能稳定以及对室内室外环境适应能力强等优点而日渐成为显示媒体中的佼佼者。
在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高,生产也得到了迅速的发展,并逐步形成产业,成为光电子行业的新兴产业领域。
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏,到图像显示屏的发展过程。
汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵(如16*16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言,再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。
具体显示技术和原理将会在正文中得到详细论述。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。
由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点,自20世纪80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善,在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
随着信息产业的高速发展,LED显示屏作为信息传播的一种重要手段成为现代信息化社会的一个闪亮标志。
近年LED显示屏已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如银行、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布,政府机关政策、政令,各类市场行情信息的发部和宣传等。
目前,对于那些需要显示的信息量不是很大,分辨率不是很高,又需要制造成本相对比较低的场合,使用大、小屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的,它可以用单片机控制实现显示字符、数字、汉字和简单图形,可以根据需要使用不同字号、字型。
特别是在现代社会中各种信息时刻的出现在人们的生活视线中,想让大家更好的,方便的获得这样的信息,LED显示屏发挥了很大的作用,包括在商场门口、公交站台、会议室、商店、售票大厅、银行等场所,各种信息都可以通过LED显示屏显示,让客户、路人、顾客更多的获取他们想要的信息,这相对于传统的静态广告牌的来说无疑是一次质的跨越,它必将在人们的生活工作中发挥越来越重要的作用在短短来的十来年中,LED点阵显示屏就以高亮度、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的有点迅速成长为平板显示的主流产品,在信息显示领域得到了广泛的应用。
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、全面化发展。
LED显示屏的应用设计社会经济的许多领域,包括:
(1)证券交易、金融信息显示
这一领域的LED显示屏占到前几年国内LED显示屏需求量的50%以上,目前仍为LED显示屏的主要需求行业。
上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。
(2)机场航班动态信息显示
民航机场建设对信息显示的要求非常明确,LED显示屏是航班信息显示系统FIDS的首选产品,首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场及全国数十家新建和改、扩建机场都选用了国产的LED显示屏。
(3)港口、车站的旅客引导信息显示
以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、列车到发显示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统,北京站、北京西站、南昌站、西安站等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。
(4)体育场馆的信息显示
LED显示屏取代了传统的灯泡及CRT显示屏,43届世乒赛主场地的天津体育中心首次采用了国产彩色视频LED显示屏,收到了普遍好评。
上海体育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了LED显示屏作为信息显示的指数要手段。
(5)道路交通的信息显示
智能交通系统的兴起,在城市交通、高速公路等领域,LED显示屏作为可变情报板、限速标志等,替代国外同类产品,得到普遍采用。
(6)调度指挥中心的信息显示
电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等,也在逐步采用高密度的LED显示屏。
(7)邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。
遍布全国的服务领域均有国产LED显示屏在信息显示方面发挥作用。
(8)广告媒体
除单一大型户内、户外显示屏作为广告媒体外,国内一些城市出现了集群LED显示屏广告系统;列车LED显示屏广告发布系统已在全国数十列旅客列车上得到采用。
LED点阵显示屏的构成型式有多种,其中典型的有两种。
一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内,能进行固定内容的多幅汉字显示,称为单显示型;另一种在机内设置了字库、程序库,具有程序编制能力,能进行内容可变的多幅汉字显示,称可编程序型。
1.2LED显示屏控制技术状况
显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等,设计的具体技术很多,其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。
1.2.1异步控制技术和同步控制技术
LED显示屏控制系统分为异步控制系统和同步控制系统。
异步控制系统又称脱机控制系统,早期脱机控制系统主要用来显示各种文字、符号和图形或动画为主。
画面显示信息由计算机编辑,经RS232/485串行口预先置入LED显示屏具有存储功能的显示控制系统中,然后脱离计算机播放,循环往复,显示方式丰富多彩,效果变化多样。
其主要特点是:
操作简单、价格低廉、使用范围较广。
近年来,由于RISC芯片技术的迅速发展及嵌入式操作系统的广泛应用,脱机控制系统在显示、控制及处理能力方面得到突破,可以支持高分辨率全彩LED屏幕的显示控制和标清、高清视频的播放。
同步控制系统,主要用来实时显示视频、图文、信息发布等,用于室内或户外全彩大屏幕显示屏。
同步控制系统控制的LED显示屏的工作方式基本等同于电脑的监视器,它以至少60帧/秒更新速率点点对应地实时映射电脑监视器或其他视频播放设备上的图像:
通常具有多灰度的颜色显示能力,可达到多媒体的宣传广告效果。
其主要特点是:
实时性、表现力丰富、操作较为复杂、价格高。
同步控制系统通过DVI或HDMI等数字接口与PC机的显卡及他具有数字视频接口的播放设备连接获取需要显示的图像信息。
DVI接口,最高输出分辨率可达1920×1080@60Hz,色彩深度为8bit。
HDMI接口与DVI接口采用相同的传输技术,因此HDMI接口可以兼容DVI接口。
除了DVI接口现有的性能外,HDMI接口还支持音频传输和更高14bit的色彩深度。
目前控制系统主要有以下几种方式。
(1)以单片机为控制器的LED显示屏,因为受到单片机运算速度及通信速率的限制,动态显示的刷新率不可能太高,对显示效果和移动算法的处理也比较吃力,实际显示效果有明显的闪烁感,以单片机为控制器的条屏目前仍是单色屏市场的主流。
(2)以ARM为控制器的LED显示屏,因为ARM有着很高的指令效率和时钟频率,因此其运算能力很强大,内部资源也十分丰富,在条屏运用中,能用ARM来实现花样繁多的显示方式。
ARM与FPGA的组合功能强大,除了海量存储技术、无线更新技术,还能实时显示视频信号。
因此,常用ARM作为异步全彩屏的控制器。
(3)以FPGA为控制器的LED显示屏,因为FPGA是高速,并行的可编程逻辑器件,用它作为控制器能够高速地处理PWM信号、完成动态扫描逻辑及完成字符移动算法。
因此被广泛用于全彩色LED显示屏系统,成为同步全彩色LED控制系统的主流。
以下主要介绍同步全彩色LED显示屏控制系统。
1.2.2串行传输与并行传输技术
LED显示屏的数据传输方式主要有串行与并行两种。
目前普遍采用串行控制技术,显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间,每个时钟仅传送一位数据,采用这种方式的驱动IC种类较多,不同显示单元之间的连线较少,可减少显示单元的数据传输驱动元件,从而提高整个喜用的可靠性和性价比,具体工程实现也较为容易。
1.2.3动态扫描与静态锁存技术
LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。
动态扫描是为了在使用多个数码管时为了节省IO口线而使用的方法,就是各个数码管分时点亮,靠人的视觉暂停留效应达到正常观看的效果。
静态锁存就是每个控制端都有各自的IO口线控制,以静态的方式点亮,就是各个数码管同时点亮。
动态的占用IO口少,为了达到亮度电流略大,控制程序稍复杂。
静态的占用IO口多,因为常亮,所以电流略小,程序也要简单。
一般室内显示屏多采用动态扫描技术。
既一行发光二极管共用一行驱动寄存器,根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目,分为1/4,4/16扫描等。
室外显示屏基本上采用静态锁存技术,既每一个发光二级管都对应一个驱动寄存器,无需时分工作,从而保证了每个发光二极管的亮度占空比为100%。
动态扫描可以大大减少控制器的I/O口,因此应用较广。
1.2.4自动检测及远程控制技术
LED显示屏的将构成复杂,特别是室外显示屏,供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。
在LED显示屏的控制系统中,因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制。
也可以根据需要,远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。
1.3选题意义
该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本原理和设计方法,对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识.并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践,使我们队所学过的知识有了新的认识.并且通过该设计课题掌握了51单片机的软硬件开发工具的使用方法,为以后从事相关行业的工作累积了实际工作经验。
目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越来越广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。
但勇士应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED现实发展都有非常现实和积极的意义。
第二章芯片简介
2.1AT89C52单片机概述
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
如图2-1所示:
图2-1AT89C52芯片管脚图
AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST复位输入:
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲.对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG).如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0:
位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2振荡器反相放大器的输出端。
特殊功能寄存器:
在AT89C52片内存储器中,80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器(SFR),SFR的地址空间映象。
并非所有的地址都被定义,从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义,还有相当一部分没有定义。
对没有定义的单元读写将是无效的,读出的数值将不确定,而写入的数据也将丢失。
不应将数据写入未定义的单元,由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能,在这种情况下,复位后这些单元数值总是“0”。
AT89C52除了有AT89C51所有的定时/
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