2019年12月25日 | 单片机16*64LED点阵广告牌设计

本人做的一个小的设计，毕业设计所用，因为受到有些因素的影响，本电路有些问题所在，不过在软件上面已经更正，如果要使用本电路请注意一定要注意取膜时要注意把取模后的代码的左右部首调换，不然不能实现完整显示。

附录Ⅱ：产品图片

设计题目：                     16*64点阵设计                       
专题（论文）题目：          16*64点阵设计

摘要

LED点阵广告牌在大街小巷随处可见，它的应用领域现在极其广泛。像证券交易、金融信息的显示，LED显示屏需求量都是非常大的。而这些LED的最基本单元都是8*8的点阵，它是组成汉字及其其它图形的基础。

本次的设计就是采用单片机作为主要控制单元核心，来实现一个简单的LED点阵汉字显示系统。通过单片机对行列扫描的控制，配合程序的运用，来实现显示、滚动、暂停以及调速。汉字的显示就是字模以极快的速度在屏幕上循环，超过一定的速度，由于人眼的暂留效应，就会认为是完整地显示了汉字。把字模按一定的速度依次调用显示，在我们视线中就好像字体在滚动。

在本次的设计中，主要用到了单片机的串口通信技术，这样不仅节省了单片机IO口的数目，而且是程序更加简洁。

LED显示汉字技术相信在将来还会得到更加广泛的应用，它在我们日常生活中占得地位相信也会愈来愈重要。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优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、全色化方向发展。LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括证券交易、金融信息显示、机场航班动态信息显示、港口、车站旅客引导信息显示、体育场馆信息显示、道路交通信息显示、调度指挥中心信息显示、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、广告媒体新产品等。

1.2 研究现状及发展趋势

1. 我国LED产业发展现状

经历了多年的发展,我国LED产业已从购买芯片、外延片生产应用产品，逐步发展到自主生产外延片和芯片的阶段，并且已具备一定技术和产业基础。初步形成从外延片生产、芯片制备到器件封装、集成应用等比较完整的产业链。我国上游产业的现状，一是参与单位多，主要单位有中科院半导体所、中科院物理所、电子工业集团第十三电子研究所、北京大学、清华大学、南昌大学和一些企业；但是这些参与单位都想建立自己产能，起始阶段产能都不大，整个产业看起来资源分散，没有规模；而且科研院所都想建立自己的产能，在技术输出上排外，而实际上各科研单位某一时间突破的可能仅是产业技术链的某一环节，整体上产业化条件还不具备，这样虽然每年看起来各个方面的技术都在突破，但产业化效率非常低；二是与国际先进水平比较,整体上一般芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及品质控制水平与国际厂家仍有差距。三是能满足市场需要且规模化生产的企业少，封装所需芯片尤其高档芯片主要靠进口。

值得一提的是经过多年的发展，我国LED显示屏厂商已经具有了很强的实力，虽然拥有DAK、Lighthouse、Darco等知名显示屏厂商的竞争，但国内LED显示屏厂商还是占据了国内市场的大部分份额，国内已经涌现了一批如上海三思、北京利亚德、西安青松等优秀企业，国内显示屏市场吸收了很大一部分芯片产能，对促进国内上中游发展壮大起了重要作用。国内生产的显示屏、景观照明灯具等LED应用产品已经出口到美国、欧盟等国家和地区。

2. LED显示屏的发展前景

从LED产业全球分工来看，在LED上游外延片、芯片生产上，美国、日本、欧盟仍拥有巨大的技术优势，中国台湾已经成为全球重要的LED生产基地。目前全球形成了以日、美、德为产业龙头，中国台湾、韩国紧跟其后，中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的梯队分布。虽然中国在LED外延片、芯片的生产技术上距离国际先进水平还有一定的差距，但是国内庞大的应用需求给LED下游厂商带来巨大的发展机会，这为我国LED产业的发展提供了良好的机遇。

现代信息社会中，作为人-机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件、基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。

未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展。

3. 选题意义

该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，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，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。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积累了实际工作经验。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显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时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显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。

1.3 论文主要内容

针对设计题目的特点，作者对论文的内容和结构将做如下安排：

• 初步方案的论证和选择
  

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。最终选定了以单片机为核心控制器件，外加行驱动电路和列驱动电路的设计方案。

• 方案实现
  

以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。经过对比选择选定STC89S52RC单片机为核心控制器件，由74LS154和SDM495为行驱动电路器件，74HC595为列驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

• 软件编写
  

根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。

• 结论
  

设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。

大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。如图2-1所示，根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统三部分组成。单片机通过通信部分发送控制指令和显示内容代码，执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。

图2-1  系统硬件组成框图

2.1.1 显示屏主控制器

控制部分是整个系统的核心部分，其功能为发送数据和控制指令处理后控制显示部分显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。几种设计方法比较各有其特点：

• 单片机
  

单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/ O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样 CPU 从8，16，32到64位，多采用RISC 技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/ D，“ 看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS 过渡。供电电压由5V 降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至μA ，这在便携式产品中大有用武之地。

• DSP 芯片
  

DSP 又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法，逐条执行指令，速度慢。而DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320 系列的FIRS ，LMS，MACD指令等。

• EDA
  

EDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA 软件平台上，对用硬件描述语言HDL 完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL 语言完成系统功能的描述，借助EDA工具就可得到设计结果，将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现。由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构，修改软件程序就相当于改变了硬件，软件编写可以采用自顶向下的设计方案，而且可以多个人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间，有利于在激烈的市场竞争中抢占先机。而且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能，不可避免低速，而FPGA/CPLD则可实现硬件上的并行工作，在实时测控和高速应用领域前景广阔；另一方面，FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现的，但物理机制却和纯硬件电路一样，十分可靠。

三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。

2.1.2 通信系统

通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。

• 并行通信
  

并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。

• 串行通信
  

串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据是并行的。因此，当计算机向外发送数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。反之，又必须将串行数据转换为并行数据输入计算机中。这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。单由软件实现会增加CPU负担，降低其利用率，故目前常采用硬件实现。通用的通用异步接收/发送器，简称UART（Universal Asynchromous ReceeiverTrabsnitter）是完成这一功能的硬件电路。在单片机芯片中，UART已经集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口。

综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的UART已经集成在单片机内，所以通信系统选择串行通信为通信方式。

2.1.3 硬件设计方案

最终方案如图2-2所示，以单片机机作为核心控制器件存储和处理显示内容，用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动16块8×8LED点阵模块构成的16×64的LED点阵显示屏。题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。

图2-2  硬件设计方案

软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种特效显示子程序，通信程序三个主要部分组成。具体结构如图2-3所示。

图2-3  软件功能结构框图

软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。

2.2.1 单片机编程语言

现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和C语言。两种语言相比较各有优点。

汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。

C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号{ }而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的存储器结构有初步了解；寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理；程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化；将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性；编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率；提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力；已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机的不同较快地移植过来。

基于以上理由决定采用C语言为该显示系统的编程语言。

2.2.2 系统软件编译器介绍

C语言编写的程序并不能被单片机直接执行还需要编译为单片机可执行的机器语言。因此在系统软件设计中，编译器必不可少。支持MCS－51用C语言编程的编译器主要有两种：Franklin C51编译器和KEILC51编译器。目前在单片机开发中普遍都是使用KEIL C51来进行编译。

本设计采用STC89S52RC单片机为核心控制器件，用16块8*8点阵相连组成16*64点阵屏，作为显示部分。用74LS154作为行驱动控制，控制点阵屏的行控制信号，有十六根数据线接在点阵屏的十六个行控制信号端上，用74HC595作为列驱动控制，控制点阵屏的列控制信号，同样有三根数据线接在点阵屏的十六个列控制信号端。系统方框图如图3-1所示。

图 3-1  系统方框图

3.2 单片机系统设计3.2.1 STC89S52RC简介

本设计使用的是STC89S52RC单片机，原因是此款单片机具有众多优点。

加密性强，难解密

超强抗干扰

超低功耗  掉电模式：<0.1μA

空闲模式：2mA

正常工作模式：4mA～7mA

提供STC-ISP在线编辑系统，无需编辑器，无需仿真器，可省去购买编辑器，仿真器的昂贵资金，适合大众使用

内置看门狗

STC89S52RC的基本结构与8051相同，但是比传统的8051单片机拥有更多的内部Flash，最高可达64KB。片内SRAM容量同样是非常吸引的数字，最高可拥有1280Byte的SRAM。而且还内置EEPROM存储器、AD转换等功能。另外它还可以用串口直接仿真程序，不需要另外加用仿真器或者下载线。

3.2.2 STC89S52RC单片机引脚功能

VCC：接电源正极，一般输入电压为5V。

GND：接电源地端。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚可吸收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。

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。

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。

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。

P3.0 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（计数器0外部输入）

P3.5 T1（计数器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）

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。

3.2.3 复位电路设计

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机正常工作所需要的供电电压为+5V，由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC在特定的工作电压范围内以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机开始正常工作。

目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。

复位电路工作原理如图3-2所示，VCC上电时，C充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10k电阻上电流降为零，电压也为零，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S、C放电。S松手，C又充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。

图3-2  复位电路

3.2.4 时钟电路

内部时钟，是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，不需要外部振荡器件。

外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，根据使用场合选择，适合的时钟方式。

STC89S52RC内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或搪瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体（或陶瓷）振荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡器。晶体振荡频率可在1.2MHz～12MHz之间选择。电容值无严格要求，但其取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF～100pF之间取值。一般当外接晶体时，电容选为30pF。本设计采用外部时钟电路，电路图如图3-3所示。

图3-3  时钟电路

3.2.5 电源电路

电源电路不单单是为单片机运行提供工作电压，还需要对单片机的外围电路提供工作电源。这里提供2种电源供电方案：

USB接口供电

具有USB接口的设备一般工作电压都为5V。计算机上的USB接口（图3-4）可以输出稳定的+5V电压，最大额定电流为500mA，不足以满足本设计的要求，所以需加上外接电源。在设计的时候，需要注意电路不能出现短路，以免损坏电脑的USB接口。

图3-4 USB接口

要注意，接口上的电源为五只引脚的最旁边的两个，而中间的三个引脚是USB的差分数据线，在本设计中不需要使用。

3.3 控制单元设计

控制单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来发送控制指令和显示内容，并且直接输出数据通过译码电路控制LED显示屏的显示内容和显示状态。

在51系列单片机中选定一款合适的机型来作为控制单元的主控芯片。根据题目的要求该芯片必须要具有的就是方便的编程能力，因为在软件设计时方便的程序下载对程序的验证和编写非常有用。还有就是为了提高LED显示屏的扫描速度，单片机的执行速度要尽可能的快。根据这两点要求，选择STC89S52RC为控制单元的主控芯片。

STC89S52RC的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的IO口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-5所示。

在该系统中，P0各口主要用作LED显示数据的控制输出。由于端口的驱动能力有限所以该端口外接了10K的上拉电阻来提高驱动能力。具体接法为：P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分别接四块74HC154的ABCD端，向74HC154送入串行数据经过其转换后并行输出； P3.1接 74HC595的SCK，上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。；P1.1接74HC595的RCK端，上升沿时数据寄存器的数据移位，QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。引脚29，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）。因为没有扩展外部程序存储器所以将EA置为高电平。