2021年度基于单片机点阵控制系统设计单片机课程设计

烟台 南 山 学 院

单片机课程设计

题目基于单片机8×8点阵控制系统设计

姓 名:

所学专业: 电气工程及其自动化

班 级: 电气工程1006

学 号:

指导老师:

摘要

本文研究了基于AT89C51单片机LED8×8点阵显示器设计并利用Proteus软件进行原理图绘制,利用Keil软件进行仿真和调试。关键介绍了LED8×8点显示器硬件电路设计、汇编程序设计和调试、Proteus软件绘制原理图和实物制作等方面内容,本显示器设计含有体积小、硬件少、电路结构简单及轻易实现等优点。能帮助广大电子爱好者了解汉字点阵显示原理,认识单片机基础结构、工作原理及应用方法,并提升单片机知识技术利用能力。利用单片机来设计系统,既能实现系统所需功效,也能够满足计数正确性、快速性,而且电路简单、操作简单、通用性强。

关键字: Keil软件;LED8×8点阵显示器; Proteus软件; AT89C51单片机

目 录
1 绪论...................................................................................................................................................................12 总体设计方案...................................................................................................................................................1 2.1 硬件电路组成及介绍...........................................................................................................................1 2.1.1 AT89C51单片机.......................................................................................................................2 2.1.2 LED显示器...............................................................................................................................4 2.2 系统各单元电路设计...........................................................................................................................4 2.2.1 最小系统...................................................................................................................................4 2.2.2 驱动电路设计...........................................................................................................................6 2.2.3 上拉电阻...................................................................................................................................7 2.2.4 显示电路...................................................................................................................................7 2.2.5 时钟电路...................................................................................................................................8 2.3 字符点阵显示原理及字库代码获取方法...........................................................................................9
4 调试及性能分析.............................................................................................................................................15 4.1 系统调试.............................................................................................................................................15 4.1.1 软件调试.................................................................................................................................15 4.1.2 硬件调试.................................................................................................................................15 4.2 性能分析.............................................................................................................................................15 4.3 实物效果图.........................................................................................................................................165 设计总结.........................................................................................................................................................17心得体会.............................................................................................................................................................18参考文件.............................................................................................................................................................19
附录....................................................................................................................................................................20 附录1原件清单.........................................................................................................................................20

附录2硬件原理图......................................................................................................................................20

1 绪论
LED点阵显示器是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体大型显示器系统。它以其色彩鲜艳,动态范围广,亮度高,寿命长,工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体和户外作业显示理想选择。

同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告和交通运输等很多行业。现在大多数LED点阵显示系统自带字库。其显示和动态效果(关键是显示内容滚动)实现关键依靠硬件扫描驱动,该方法即使比较方便,但显示只能根据预先设计进行。而实际上常常会碰到部分特殊要求动态显示,比如电梯运行中指示箭头上下移动、一些智能仪表幅值条形显示、广告中厂家商标显示等。这时通常显示系统就极难达成要求。另外,因为受到存放器本身局限,其特殊字符往往难以显示,同时显示内容也不能随意更改。

所以就提出了一个利用PC机和单片机控制LED显示系统通信方法。
色彩丰富和对室内外环境适应能力强等优点。并广泛用于公交汽车、商店、体育场馆、车站、学校、银行、高速公路等公共场所信息公布和广告宣传。LED 显示器发展较快,本文讲述了基于AT89C51单片机8×8 LED汉字点阵滚动显示基础原理、硬件组成和设计、程序编写和调试、Proteus软件仿真等基础步骤和相关技术。

LED电子显示器是伴随计算机及相关微电子﹑光电子技术迅猛发展而形成一个新型信息显示媒体。它利用发光二极管组成点阵模块或像素单元组成可变面积显示器幕,以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点,在短短十明年中,快速成长为平板显示主流产品,在信息显示领域得到了广泛应用。LED点阵电子显示器是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体大型显示器系统。

它以其色彩鲜艳, 动态范围广,亮度高, 寿命长,工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体和户外作业显示理想选择。同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、

体育、新闻、金融、证券、广告和交通运输等很多行业。

2 总体设计方案
2.1 硬件电路组成及介绍
本产品采取以AT89C51单片机为关键芯片电路来实现,
AT89C51是一个带4K字节FLASH存放器（FPEROM—FlashProgrammable and Erasable Read Only Memory）低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。

AT89C51是一个带2K字节闪存可编程可擦除只读存放器单片机。

单片机可擦除只读存放器能够反复擦除1000次。

该器件采取ATMEL高密度非易失存放器制造技术制造,和工业标准MCS-
51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功效8位CPU和闪烁存放器组合在单个芯片中,ATMELAT89C51是一个高效微控制器,AT89C51是它一个精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。

我们把行列总线接在单片机I/O口,然后把上面分析到扫描代码送入总线,就能够得到显示字符了。

8条行线经过限流电阻接在P0口。单片机AT89C51根据设定程序在P1和P0接口输出和内部字符对应代码电平送至LED点阵行列线(高电平驱动),从而选中对应象素LED发光,
并利用人眼视觉暂留特征合成整个字符显示。再改变取表地址实现字符滚动显示。

LED点阵总体框图图1.1所表示,点阵电路大致上能够分成微机本身硬件、
显示驱动电路、控制信号电路三部分。控制电路部分包含一个51CUP和部分外围电路。

在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机,
它负责控制整个电路和对应程序运行、和PC机串行通讯、和给屏体电路部分发送命令。

点阵显示器体、和它行和列各个驱动电路。因为两部分电路在制板时能够放到一起,

此显示电路采取扫描方法进行显示时,每行有一个行驱动器,
各行同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出行选通信号,从第一行开始,
按次序依次对各行进行扫描(把该行和电源一端接通)。另一方而,依据各列锁存数据,确定对应列驱动器是否将该列和电源另一端接通。接通列,就在该行该列点燃对应LED;未接通列所对应LED熄灭。可经过扫描输出口控制实现颜色转换。

硬件电路组成框图图1所表示:

2.1.1 AT89C51单片机

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一个灵活性高且价廉方案。图片见以下:

图2 AT89C51

（1）．管脚说明VCC:供电电压。
GND: 接地。

当P1口管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存放器,它能够被定义为数据/地址第八位。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外部必需被拉高。

P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻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,这是因为内部上拉缘故。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。并所以作为输入时,P2口管脚被外部拉低,将输出电流。这是因为内部上拉缘故。

P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时,P2口输出地址高八位。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放器进行读写时,P2口输出其特殊功效寄存器内容。

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,因为外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉缘故。

P3口也可作为AT89C51部分特殊功效口,以下表所表示:
管脚备选功效
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中止0）
P3.3/INT1（外部中止1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存放器写选通）P3.7 /RD（外部数据存放器读选通）

RST:复位输入。当振荡器复位器件时,
要保持RST脚两个机器周期高电平时间ALE/PROG:当访问外部存放器时,地址锁存许可输出电平用于锁存地址地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率1/6。所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时目标。然而要注意是:每当用作外部数据存放器时,将跳过一个ALE脉冲。

如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在实施MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。

/PSEN:外部程序存放器选通信号。在由外部程序存放器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存放器时,这两次有效/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放器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存放器。注意加密方法1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存放器。在FLASH编程期间,
此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。

XTAL2:来自反向振荡器输出

2.1.2 LED显示器

此次设计中采取8*8点阵LED显示器,简称LED点阵板或LED矩阵板。它是以发光二极管为像素,根据行和列次序排列起来,用集成工艺制成显示器件。

有单色和双色之分,这种显示器有共阳极接法和共阴极接法两种,
设计中用到是共阳极显示器。

机技术、信息处理技术于一体高技术产品,可用来显示文字、计算机屏幕同时图形。

其次,LED显示器象素采取LED发光二极管,将多个发光二极管以序列形式组成
LED显示阵列,这种显示器含有耗电省、成本低、亮度清楚度高、寿命长等优点,而且LED显示器以其受空间限制较小,并能够依据用户要求设计屏大小,含有全彩色效果,视角大,是信息传输设施划时代产品。再次,LED显示器应用广泛,金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面,显示效果清楚稳定,越来越多地方开始使用LED电子显示器,有巨大社会效益和经济效益。含有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少视角大、可视距离远等特点,,是现在国际上使用广泛显示系统。

图4 AT89C51单片机最小系统

复位电路: 单片机在开启运行时需要复位,使CPU和其它功效部件处于一个确定初始状态,

图5 电路设计

电源电路:
电源电路采取一般集成稳压电路,在此次设计中,因为考虑到成本问题,这部分电路就以输出+5V稳压电源替换。

晶体振荡电路:
AT89C51单片机芯片内部设有一个由反向放大器组成振荡器,

XTAL1和XTAL2分别为振荡电路输入端和输出端,时钟可有内部或外部生成,在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就会产生自激振荡。系统采取定时元件为石英晶体和电容组成并联谐振回路。晶振频率fosc采取12MHZ,C1、C2电容值取30pF,电容大小起频率微调作用。

2.2.2 驱动电路设计

正向点亮一颗LED,最少也要10～20mA,若电流不够大,则LED不够大。而不管是AT89C51I/O口,还是TTL、CMOS输出端,其高态输出电流全部不是很高,不过1～2mA而已。所以极难直接高态驱动LED,这时候就需要额外驱动电路,通常有共阳型和共阴型LED阵列驱动电路,本设计才用共阴型高态扫描信号驱动电路。

共阴型LED阵列驱动电路采取高态扫描,也就是任何时间只有一个高态信号,其它则为低态。一行扫描完成后,再把高态信号转化到近邻其它行,扫描信号接用一个反向驱动器,AT89C51本身内置一个反向驱动器,本设计将AT89C51作为点矩阵显示控制系统控制关键,经过点矩阵实时显示并移动字符。

所要显示信号各个经过一个限流电阻送入晶体管基极,而每个NPN晶体管集极连接VCC、

射极输出经一个100Ω限流电阻连接到LED阵列列阵脚。对于高态显示信号,

将可提供其所连接LED驱动电流,而这个驱动电流经过LED到输出端,形成正向回路,即可点亮该LED。

其中每个晶体管任何时间只需负责驱动一个LED,所以选择30mA射极电流晶体管。

驱动电路图6所表示
U2

2	A0	B0	18
3			17
	A1	B1
4			16
	A2	B2
5			15
	A3	B3
6			14
	A4	B4
7			13
	A5	B5
8			12
	A6	B6
9			11
	A7	B7
19	CE
1
	AB/BA
	74LS245

图6 驱动电路图

2.2.3 上拉电阻

从电源高电平引出电阻接到输出端,假如电平用OC(集电极开路,TTL)或OD(漏极开路,CMOS)输出,那么不用上拉电阻是不能工作,管子没有电源就不能输出高电平了。

R2

R3

R4

R8

R5

R6

R7

10k

10k

10k

10k

10k

10k

10k

图7 上拉电阻

2.2.4 显示电路

此次设计中采取8*8点阵LED显示器,简称LED点阵板或LED矩阵板。
设计中用到是共阳极显示器。共阳极接法原理图图6所表示,
图中画出了8*8点阵二极管。每一行发光二极管阳极接在一起,有一个引出端r,
每一列发光二极管阴极接在一起,有一个引出端c。

当给发光二极管阳极引出端r1加高电平,阴极引出端c1加低电平时,左上角二极管被点亮所以,对于行和列电平进行扫描控制时,能够达成显示不一样字符目标。

图8 显示器组成原理图
图8为8×8点阵LED外观及引脚图,, 只要其对应X、Y轴顺向偏压,即可使LED发亮。比如假如想使左上角LED点亮,则电子模块中0口为1,A口为0即可。应用时限流电阻能够放在横轴或列轴。

图9 8×8点阵LED外观及引脚
(1)把“单片机系统”区域中P0端口用8芯排芯连接到“点阵模块”区域中“A~H”端口上; (2)把“单片机系统”区域中P1端口用8芯排芯连接到“点阵模块”区域中“0~7”端口上; 为了方便于单片机连接,我们在焊接过程中特意将0～7接口排列出来作为列,将A～H接口作为行,这么我们就能够直接将AT89C51单片机P0口和0~7接口一次连接,将AT89C51单片机P1口和A~H接口一次连接。要使LED发亮即使给数字端高电平,字母端给低电平, 就能使二极管发亮。

(3)8*8点阵LED显示器和单片机接口

8*8点阵LED引脚图图2-8所表示,当采取单片机进行控制时,

而共阴极c端需经限流电阻和单片机P0口相连。在编程控制时,将8*8点阵LED显示分成行和列两部分,字符数据从P0口输出,扫描控制字从P2
口输出每一列由一个字节数据组成,数据可一次送入,然后扫描一行,显示一个字需要扫描8次。

2.2.5 时钟电路

单片机时钟电路AT89C51单片机内部振荡电路是一个高增益反向放大器,引线X1和X2分别是放大器输入端和输出端。单片机内部即使有振荡电路,但要形成时钟, 外部还需附加电路。AT89C51时钟产生方法有两种:内部时钟电方法和外部钟方法。因为外部时钟方法用于多片单片机组成系统中,所以此处选择内部时钟方法。内部时钟方法:利用其内部振荡电路在X1和X2引线上外接定时元件,内 部 振 荡 电 激振 荡 。

2.3 字符点阵显示原理及字库代码获取方法
我们以UCDOS汉字宋体字库为例,每一个字由8行8列点阵组成显示。

我们能够把每一个点了解为一个象素,而把每一个字字形了解为一幅图像。实际上这个汉字屏不仅能够显示汉字,也能够显示在64象素范围内任何图形。

如查用8位AT89C51单片机控制,图所表示

图10 8×8点阵等效电路

为了搞清楚汉字点阵组成规律,首先经过列扫描方法获取汉字代码。

首先将8行分成4位上、下两部分,把发光象素位编为0不发光象素位为1十六进制代码。

0x00,0x1e,0x30,0x30,0x1c,0x06,0x06,0x3e,这么就把要显示“2”字编为以下代码:

上述方法即使能够让我们搞清楚字符点阵代码获取过程。字符点阵显示通常有点扫描、行扫描和列扫描3种。为了符合视觉暂留要求,点扫描方法扫描频率必需大于16×64—1024Hz, 周期小于1ms即可。行扫描和列扫描方法扫描频率必需大于16×8—128Hz, 周期小于7．8ms即可。

3 程序设计

3.1 程序步骤图

图12 主程序步骤图

3.2 程序设计

KeiluVision3 介绍

C语言是一个通用计算机程序设计语言,在国际上十分流行,

它既可用来编写计算机系统程序,也可用来编写通常应用程序[5]。

C语言既含有通常高级语言特点,又能直接对计算机硬件进行操作,

表示和 运 算 能 力 强 ,

很多以前只能采取汇编语言来处理问题现在全部能够改用C语言来处理。Keil

C5l是一个专为8051单片机设计高效率C语言编译器,符合ANSI标准,

生成程序代码运行速度极高,所需要存放器空间极小,完全能够和汇编语言相媲美。Keil软件是现在最流行开发MCS-51系列单片机软件,Keil提供了包含C编译器、宏汇编、 连接器、 库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案,经过一个集成开发环境（uVision3）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲硬盘空间、

掌握这一软件使用对于使用51系列单片机爱好者来说是十分必需,假如你使用C语言编程,那么Keil几乎就是你不二之选（现在在中国你只能买到该软件、而你买仿真机也很可能只支持该软件）,即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用集成环境、强大软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 PROTEUS软件介绍PROTEUS嵌入 式系 统 仿 真和 开 发平 台 由 美 国 LabcenterElectronic企业开发（授权风标科技企业为中国大陆总代理）,是现在世界上最优异最完整嵌入式系统设计和仿真平台。PROTEUS能够实现数字电路、模拟电路及微控制器系统和外设混合电路系统电路仿真、软件仿真、
真正实现了在没有目标原形时就可对系统进行调试、测试和验证。 PROTEUS软件包大大提升了企业开发效率,降低了开发风险。用EDA设计技术进行电路设计和实现。EDA技术设计思绪是:从元器件选择到连线,直到电路调试、 分析和软件编译,全部是在计算机中完成,

在原理图设计阶段就能够对设计进行评定,验证所设计电路是否达成设计要求技术指标,还能够经过改变元器件参数使整个电路性能达成最优化。这么就无须数次购置元器件及制板, 节省了时间和经费,提升了设计效率和质量。PROTEUS是一款新EDA软件。该软件能够对模拟电路、 数字电路、 模数混合电路、单片机及外围元器件进行系统仿真,并提供了简便易用印刷电路板设计工具。

PROTEUS软件提供了三十多个元器件库、数千种元器件。 元器件包含电阻、 电容、

二极管、三极管、 MOS管、变压器、 继电器、 多种放大器、 多种激励源、

在PROTEUS软件包中提供仪表有交直流电压表、交直流电流表、 逻辑分析仪、

定时/计时器和信号发生器等。而且PROTEUS还提供了一个图形显示功效,

能够将线路上改变信号,以图形方法实时显示出来,其作用和示波器相同。

PROTEUS提供了丰富测试信号用于电路测试,这些测试信号包含模拟信号和数字信号

打开keil软件,编写程序以下:

#include "REG51.H"
voiddelay1ms(); //延时约1ms函数申明

void main()
{
unsigned char codeled[]={0x18,0x24,0x24,0x24,0x24,0x24,0x24,0x18, //0
0x00,0x18,0x1c,0x18,0x18,0x18,0x18,0x18, 0x00,0x1e,0x30,0x30,0x1c,0x06,0x06,0x3e, //1 //2

0x00,0x1c,0x06,0x1e,0x36,0x36,0x36,0x1c, //6 0x00,0x3f,0x30,0x18,0x18,0x0c,0x0c,0x0c, //7 0x00,0x1c,0x36,0x36,0x1c,0x36,0x36,0x1c, //8 0x00,0x1c,0x36,0x36,0x36,0x3c,0x30,0x1c}; //9unsigned char w;
unsigned int i,j,k,m;
while(1) {
for(k=0;k<10;k++) //字符个数控制变量

{
for(m=0;m<400;m++) //每个字符扫描显示400次,控制每个字符显示时间 {
w=0x01; //行变量w指向第一行

j=k*8; //指向数组led第k个字符第一个显示码下标

for(i=0;i<8;i++)
{
P1=w; //行数据送P1口

P0=led[j]; //列数据送P0口

delay1ms();
w<<=1; //行变量左移指向下一行

j++; //指向数组中下一个显示码

}
}
}
}
}
//函数名:delay1ms

//函数功效: 采取软件实现延时约1ms

//返回值: 无//形式参数: 无

voiddelay1ms()
{
unsigned char i;
for(i=0;i<0xf0;i++);
}

4 调试及性能分析4.1 系统调试

4.1.1 软件调试
首先依据各单元电路模块,利用Proteus软件将总硬件原理图绘制好,设计好各模块要使用I/O口,如: 8×8点阵LED显示器时候插反,先检测下, 无硬件错误后,再进行程序编程。 利用C语言编程方法,将系统要求基础功效,和创新功效依据程序步骤图编写出来,
用Keil软件调试无误后,生成Hex文件。

经调试后所编写程序能够完美实现系统所需多种功效。

4.1.2 硬件调试

硬件调试关键是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。具体步骤及测试结果以下:

用万用表对照电路原理图测试各导线是否完全连接,对未连接进行修复。

(2)参考原理图,检验各个器件之间连接是否连接正确,是否存在虚焊,经测试,各连接不存在问题。

(3)以上两项检验并修复完后,给该硬件电路上电,电源指示灯点亮。

(4) 将烧录好程序最小单片机系统接入各模块后,各模块能过正常工作, 如:数码管正常发光。

4.2 性能分析
将烧录好程序最小单片机系统和各模块连好后,8×8点阵LED显示器显示初始值。经软件调试和硬件调试,所设计系统完美实现所需控制要求和创新要求。

此次系统设计结果很好,LED显示器能很好显示信息。LED显示器由4块8×8LED小模块组成,整个显示器能够显示8×8“8051”字型。这个方案设计8ｘ8点阵LED图文显示器,电路简单,成本较低,且较易扩展;显示器各点亮度均匀、充足;显示图形或文字稳定、清楚无串扰。

4.3 实物效果图

5 设计总结

而且表现出了相对于传统基于8位/16位一般单片机显示系统优越性,但因为本组组员水平和设计时间有限,离一个完全实用、能够完全符合市场需求LED显示系统还有一定差距。

所以,在以后研制过程中,还需要在以下多个方面做大量工作:
(1)在系统抗干扰方面,
不管是硬件部分还是软件部分,全部还必需在工作现场依据实际情况进行大量试验,调试工作,才能最终实现LED显示系统可靠工作。

(2)在增强图文屏显示效果上,可使用双色屏或多色屏,双色(或多色)屏所使用LED点阵单元在同一点阵位置上安装了两个(或多个)不一样颜色LED发光灯,对不一样颜色显示控制方面进行深入设计,以满足显示愈加丰富多彩图形和文字。

(3)因为ARM微处理器强大运算能力和丰富片内外围,可将LED显示器方便地接入以太网络,每一个LED显示控制器可作为一个网络节点,方便组成基于工业以太网LED显示网络,

心得体会

本文设计一个8×8点阵LED图文显示器。经过测试,LED各点亮度均匀,

可显示图形和文字,且稳定清楚无串扰。本系统含有硬件少、结构简单、轻易实现,

了解了LED发光原理和LED显示技术原理和现实状况。在LED点阵显示器设计过程中,