单片机课程设计 16×16 LED点阵广告屏课程设计

16x16点阵需要32个驱动，分别为16个列驱动及16个行驱动。每个行与每个列可以选中一个发光管，共有256个发光管，采用动态驱动方式。每次显示一行后再显示下一行。本设计是利用实验仪上的16×16 LED点阵显示器，编写显示英文、汉字字符程序并进行显示，最好能移动显示。                                          

     要求在本设计过程中，通过设计合适的硬件电路及对应的软件，实现上述的控制过程，同时写出合格的课程设计说明书。                                                   

二、要求及主要内容                                                   

1．硬件电路设计                                                            

     （1）完成C51应用系统设计(晶振电路， 上电复位电路等)                               

     （2）利用单片机I/O口或以扩展锁存器的方式控制点阵显示。         

　掌握单片机与16×16点阵块之间接口电路的设计方法。                   

2．程序设计                                                                     

     掌握单片机与16×16点阵块之间接口电路的设计方法及编程                       

     要求完成主程序的设计及对应的子程序设计。                         

3．选芯片, 元件按设计连线                                                                                                                        

4．完成子程序调试                                                          

5．完成总调试                                                                 

三、途径和方法                                                         

     综合运用单片机和电子电路相关知识，实现本次设计。进行程序设计时先画流程图再进行程序设计。                                             

    子程序调试按以下步骤进行：                                                          

   （1） 实验板与PC机联机。                                                                           

   （2）利用实验系统16×16点阵实验单元，以两种方式控制点阵显示。要求编制程序实现汉字点阵循环显示。                                                              

四、时间安排                                                           

   1．课题讲解：2小时。                                                

   2．阅读资料：10小时。                                               

   3．撰写设计说明书：12小时。                                         

   4．修订设计说明书：6小时。                                          

摘 要

LED点阵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。它具有发光效率高、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。并广泛的应用于公交汽车，码头，商店，学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。LED显示屏经历了从单色，双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程，自20世纪八十年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。

LED点阵显示屏可以显示数字或符号，通常用来显示时间、速度、系统状态等。文章给出了一种基于MCS-51单片机的16×16 点阵LED显示屏的设计方案。包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和部分汇编语言程序等方面。在负载范围内, 只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。

本设计主要以ATC51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。

关键词：MCS-51、LED、16×16点阵

1 绪论

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。在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。

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。

目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了。国内的另一种LED显示屏——可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、信息量大、信息更换速度快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。本设计是基于单片机(ATC51)讲述了16×16 LED汉字点阵显示的基本原理、硬件组成与设计、程序编译与下载等基本环节和相关技术。

2 ATC51单片机概述

2.1  ATC51单片机的结构

ATC51是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器(FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory，FPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1000次写／擦循环，数据保留时间为10年。他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到ATC51芯片。 

图2-1  ATC51引脚图

2.2  管脚说明 

VCC：供电电压。 

GND：接地。 

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 

P3口也可作为ATC51的一些特殊功能口，如下表所示： 

口管脚 备选功能 

P3.0 RXD（串行输入口） 

P3.1 TXD（串行输出口） 

P3.2 /INT0（外部中断0） 

P3.3 /INT1（外部中断1） 

P3.4 T0（记时器0外部输入） 

P3.5 T1（记时器1外部输入） 

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） 

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 

XTAL2：来自反向振荡器的输出。 

2.3  振荡器特性 

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。  

3设计过程

3.1  总体设计

图3-1 显示屏电路框图

如图3-1所示，本产品拟采用以ATC51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由ATC51芯片、电源、行驱动器、列驱动器、16×16 LED点阵5部分组成。

从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。

采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。

3.2  系统硬件选择

由图3-2可知此次设计的硬件选择如下：

ATC51芯片、LED、74LS138、LED的驱动三极管、电阻等一些单片机外围应用电路组成。

3.3  硬件电路实现

经分析本设计的电路原理图如下图3-1所示：

图3-2  16×16点阵显示原理图

3.4 软件的程序实现

编译、装载、连续运行程序，点阵显示模块应循环显示“黄河科技学院欢迎你！”字样。

;16×16点阵显示程序清单如下：

          ORG 0000H

          LJMP  XB13

;==========点阵扫描子程序====================

X01A:     CLR   A        ;清列值

          MOV   0EH, A   ;指向零列

X023:     MOV   A, 0EH   ;取列值

          CLR   C

          SUBB  A, #10H  ;减16(十进制数)

          JC   X0D2      ;末满16列继续扫描下一列

          RET            ;本次扫描完毕返回主程序

X0D2:     MOV   0F0H, #02H

          MOV   A, 0EH

          MUL   AB        ;当前列值与“2”进行十进制调正

          MOV   82H, A    ;调正结果送数据指针DPTR

          MOV   83H, 0F0H

          LCALL  XB1F     ;取与当前列对应的扫描代码

          MOV   20H, A

          ;=====================

          LCALL XB4E      ;扫描代码送高八位锁存器

          ;=====================

          MOV   A, 0EH     ;取列值

          MOV   0F0H, #02H ;当前列值与“2”进行十进制调正

          MUL   AB

          ADD   A, #01H    ;调正结果加1送数据指针DPTR

          MOV   R7, A

          CLR   A

          ADDC  A, 0F0H

          MOV   82H, R7

          MOV   83H, A

          LCALL  XB1F      ;取与当前列对应的扫描代码

          ;====================

          PUSH DPH         ;扫描代码送低八位锁存器

          PUSH DPL

          MOV DPTR,#0FFE0H

          MOVX @DPTR,A

          ;====================

          MOV   A, #01H    ;代码扫描从第一行开始

          MOV   R6, #00H

          MOV   R0, 0EH    ;取与当前代码扫描对应的列值

          INC   R0         ;列指针加1

          SJMP  X083

X07E:     CLR   C          ;当前代码扫描对应行的查找

          RLC   A          ;行高八位左移一位

          XCH   A, R6

          RLC   A          ;行低八位带进位左移一位

          XCH   A, R6

X083:     DJNZ  R0, X07E   ;不为当前代码扫描对应行返上继续调正

          ;====================

          MOV DPTR,#0FFE2H ;当前行码送高八位锁存器

          MOVX @DPTR,A

          MOV DPTR,#0FFE1H ;当前行码送低八位锁存器

          MOV A,R6

          MOVX @DPTR,A

          MOV R6,#80H      ;当前行锁定显示250u秒

          DJNZ R6,$

          ;====================

          CLR   A           ;关闭显示

          MOV DPTR,#0FFE1H

          MOVX @DPTR,A      ;行高八位锁存器清零

          INC DPTR

          MOVX @DPTR,A      ;行低八位锁存器清零

          POP DPL

          POP DPH

          ;====================

          INC   0EH         ;列指针加1

          AJMP  X023        ;继续下1行

          ;====================

X097:     CLR   A

          MOV DPTR,#0FFE1H

          MOVX @DPTR,A

          INC DPTR

          MOVX @DPTR,A

          ;====================

X0A0:     CLR   A           ;清扫描个数寄存器

          MOV   R5, A       ;从第一个开始扫描

X0A2:     MOV   A, R5       ;取当前扫描个数

          CLR   C

;========= 确定要显示的汉字个数===========; 用户可自定义汉字个数

          SUBB  A, #19H     ;共扫描83个汉字

          JNC   X0A0        ;扫描个数满83个返回从第一个开始

          MOV   A, R5

;========= 确定显示为循环方式============;用户可自定义为移位循环方式

          MOV   DPTR,#STLS  ;指向汉字表首址

          MOV   0F0H, #20H  ; 设定以完整的一个汉字为最小循环单位

          MUL   AB

          ADD   A, dpl

          MOV   0ah, A

          MOV   A, dph

          ADDC  A, 0F0H

          MOV   09H, A

          CLR   A

          MOV   R4, A

X0BD:     MOV   A, R4

          CLR   C

          SUBB  A, #H    ;每个汉字扫描次

          JNC   X0CF       ;当前汉字扫描次数满次转

          MOV   R2,09H

          MOV   R1, 0AH

          ACALL X01A

          INC   R4         ;扫描次数加1

          SJMP  X0BD

X0CF:     INC   R5         ;扫描个数加1指向下一个汉字

          SJMP  X0A2

00H,00H,01H,80H,03H,0C0H,03H,0C0H,03H,0C0H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,01H,80H,00H,00H,00H,00H,01H,80H,01H,80H,00H,00H,00H,00H

;======================================================================

XB13:     MOV   R0, #7FH

          CLR   A

XB16:     MOV   @R0, A

          DJNZ  R0, XB16

          MOV   81H, #20H

          JMP  X097

;============查找与当前列对应的汉字代码子程序====================

XB1F:     MOV   A, 82H      ;本次扫描首址与当前列值相加

          ADD   A, R1       ;低八位相加

          MOV   82H, A      ;送DPL

          MOV   A, 83H      ;高八位相加

          ADDC  A, R2       ;再加低八位进位位CY

          MOV   83H, A      ;送DPH

          CLR   A

          MOVC  A, @A+DPTR  ;取汉字代码

          RET               ; 返回

          ;=====================

XB4E:     PUSH DPH

          PUSH DPL

          MOV DPTR,#0FFE3H

          MOVX @DPTR,A

          POP DPL

          POP DPH

          RET

;-------------------------------

          END

总   结

虽然本设计只使用了一块16×16LED点阵，电路简单，但是已经包涵了LED显示屏的电路基本原理和基本程序，在设计的过程中应该使显示图形和文字稳定、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。

在此次设计中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。

通过这次课程设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。进一步提高了自己在实际设计过程中研究问题、发现问题、解决问题的能力。但是从中也存在不足之处：对知识的积累还不够，有些问题自己不能够解决，对实验操作还要进一步熟练，只有这样才能让自己在不断的学习中提高自己。

参考文献

[1] 胡汉才．单片机原理与接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1995.6．

    [2] 楼然苗等．51系列单片机设计实例[M]．北京：北京航空航天出版社，2003.3．                                                                

    [3] 何立民. 单片机高级教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001．

    [4] 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用[M]. 天津：天津大学出版社，2001.3．

[5]薛均义、张彦斌. MCS-51 系列单片微型计算机及其应用.--西安:西安交通大学出版社 2005.1

    [6] 夏继强. 单片机实验与实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001．                                                                         

1.  绪论    1

2.  ATC51单片机概述    2

2.1  ATC51单片机的结构    2

2.2  管脚说明    3

2.3  振荡器特性    4

3.  方案设计    4

      3.1  总体设计    4

      3.2  系统硬件选择    5

      3.3  硬件电路实现    5

      3.4  软件的程序实现    6

5.  总结    11

参考文献     12

      16×16 LED点阵广告屏课程设计