LED點(diǎn)陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個(gè)獨(dú)立的LED發(fā)光二極管封裝而成. LED點(diǎn)陣顯示屏可以顯示數(shù)字或符號(hào), 通常用來(lái)顯示時(shí)間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。
本設(shè)計(jì)是4個(gè)16×16點(diǎn)陣LED電子顯示屏的設(shè)計(jì)。整機(jī)以美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的40腳單片機(jī)AT89C51為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的LED點(diǎn)陣電子顯示屏的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。通過(guò)該芯片控制一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器74LS154和八個(gè)列驅(qū)動(dòng)器74HC595來(lái)驅(qū)動(dòng)顯示屏顯示。該電子顯示屏可以顯示各種文字或單色圖像，全屏能顯示4個(gè)漢字，采用16塊8 x 8點(diǎn)陣LED顯示模塊來(lái)組成4個(gè)16x16點(diǎn)陣顯示模式。顯示采用動(dòng)態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。文中詳細(xì)介紹了LED點(diǎn)陣顯示的硬件設(shè)計(jì)思路、硬件電路各個(gè)部分的功能及原理、相應(yīng)軟件的程序設(shè)計(jì)，以及使用說(shuō)明等。
設(shè)計(jì)一個(gè)能顯示4個(gè)16*16點(diǎn)陣圖文LED顯示屏，要求能顯示圖形或文字，顯示圖形或文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰，圖形或文字顯示有靜止、左移或右移等顯示方式。
從理論上說(shuō)，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在的位置相對(duì)應(yīng)的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示方式。16ｘ16的點(diǎn)陣共有256個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒(méi)有這么多的端口，如果我采用鎖存器來(lái)擴(kuò)展端口，按8位的鎖存器來(lái)計(jì)算，16ｘ16的點(diǎn)陣需要256/8=32個(gè)鎖存器。這個(gè)數(shù)字很龐大，因?yàn)槲覀儍H僅是16ｘ16的點(diǎn)陣，在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個(gè)很龐大的數(shù)字。因此在實(shí)際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計(jì)，而采用另外一種稱為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法。
動(dòng)態(tài)掃描的意思簡(jiǎn)單地說(shuō)就是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅(qū)動(dòng)電路就可以實(shí)現(xiàn)多行（比如16行）的同名列共用一套驅(qū)動(dòng)器。具體就16ｘ16的點(diǎn)陣來(lái)說(shuō)，把所有同1行的發(fā)光管的陽(yáng)極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽(yáng)極的接法），先送出對(duì)應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時(shí)間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時(shí)間，然后熄滅；以此類推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。
四個(gè)8×8的點(diǎn)陣構(gòu)成一個(gè)16×16的點(diǎn)陣。行和列的交叉處有一個(gè)LED，共由256個(gè)LED構(gòu)成，如果LED的陽(yáng)極與行相連，而陰極與列相連，那么只要給該LED對(duì)應(yīng)的行以高電平，列以低電平，那么對(duì)應(yīng)的LED就發(fā)光。
采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器。顯示數(shù)據(jù)通常儲(chǔ)存在單片機(jī)的儲(chǔ)存器中，按8位一個(gè)字節(jié)的形式順序排放。顯示時(shí)，要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)列的驅(qū)動(dòng)器上去，這就存在一個(gè)顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并行方式或串行方式。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅(qū)動(dòng)器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image001.giffile:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image003.jpg數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時(shí)，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹?/div>
采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐房梢灾挥靡桓盘?hào)線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動(dòng)器，在硬件方面無(wú)疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過(guò)程較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動(dòng)器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢螅@一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對(duì)于一行的顯示過(guò)程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對(duì)于串行傳輸方式來(lái)說(shuō)，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間可能相當(dāng)長(zhǎng)，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致影響到LED的亮度。
解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過(guò)上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動(dòng)器電路應(yīng)具有的功能。對(duì)于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來(lái)說(shuō)，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)串入并處的移位功能；對(duì)于列數(shù)據(jù)顯示來(lái)說(shuō)，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會(huì)影響本行的顯示。圖2-2為顯示屏電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image004.jpg
圖2-2 顯示屏電路結(jié)構(gòu)框圖
第三章16*16點(diǎn)陣LED電子顯示屏軟硬件的設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路高的刷新頻率，時(shí)期顯示更穩(wěn)定。單片機(jī)的串口與列驅(qū)動(dòng)器相連，用來(lái)顯示數(shù)據(jù)。P1口低4位與行驅(qū)動(dòng)器相連，送出行選信號(hào)；P1.5～P1.7口則用來(lái)發(fā)送控制信號(hào)。P0口和P2口空著，在有必要的時(shí)候可以擴(kuò)展系統(tǒng)的ROM和RAM。16×16點(diǎn)陣顯示屏的硬件原理圖如圖3-1。
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image006.jpg
圖3-1 16ｘ16的點(diǎn)陣顯示屏的硬件原理圖3.2 行驅(qū)動(dòng)器由于4點(diǎn)陣顯示器有16行，為充分利用單片機(jī)的接口，本電路中加入了一個(gè)4-16線譯碼器74LS154，其輸入是一個(gè)16進(jìn)制碼，解碼輸出為低態(tài)掃描信號(hào)，單片機(jī)P1口第四位輸出的行號(hào)經(jīng)4/6線譯碼器74LS154譯碼器后生產(chǎn)16條行選通訊信號(hào)線，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的線。一條行線上要帶動(dòng)16列*4的LED器件5mA電流計(jì)算，128個(gè)LED同時(shí)發(fā)光時(shí)，需要640mA的電流，選用三極管8550作為驅(qū)動(dòng)管可滿足要求。
3.3 列驅(qū)動(dòng)器列驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595構(gòu)成。它具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，既達(dá)到重疊處理的目的。如圖3-3是集成電路74HC595的結(jié)構(gòu)圖。
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image007.gif
圖3-3 74HC595結(jié)構(gòu)圖將8片74HC595進(jìn)行級(jí)連，可共用一個(gè)移位時(shí)鐘SCK及數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)RCK。這樣，當(dāng)?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)8x8=64個(gè)SCK時(shí)鐘后便可將其全 部移入74HC595中，此時(shí)還將產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)RCK將數(shù)據(jù)鎖存在74HC595中，并在使能信號(hào)G的作用下，使串入數(shù)據(jù)并行輸出，從而使與各輸出位對(duì)應(yīng)的場(chǎng)驅(qū)動(dòng)管處于放大或截止?fàn)顟B(tài)；同時(shí)由行掃描控制電路產(chǎn)生信號(hào)使第一行掃描管導(dǎo)通，相當(dāng)于第一行LED的正端都接高，顯然，第一行LED管的亮滅就取決于74HC595中的鎖存信號(hào)；此外，在第一行LED管點(diǎn)亮的同時(shí)，再在74HC595中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，同時(shí)由行掃描控制電路將第一行掃描管關(guān)閉而接通第二行，使第二行LED管點(diǎn)亮，以此類推，當(dāng)?shù)谑袙呙柽^(guò)后再回到第一行，這樣，只要掃描速度足夠高，就可形成一幅完整的文字或圖像。
第四章16*16點(diǎn)陣LED電子顯示屏系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)顯示屏軟件的主要功能是向屏體提供顯示數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生各種控制信號(hào)，使屏幕按設(shè)計(jì)的要求顯示。根據(jù)軟件分層次設(shè)計(jì)的原理，可以把顯示屏的軟件系統(tǒng)分為兩層；第一層是底層的顯示驅(qū)動(dòng)程序，第二層是上層的系統(tǒng)應(yīng)用程序。顯示驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生行掃描信號(hào)和其他控制信號(hào)，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動(dòng)器程序由定時(shí)T0中斷程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。
從有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法（顯示效果處理）和有利于程序結(jié)構(gòu)化考慮，顯示屏程序適宜采用C語(yǔ)言編寫。
4.1 顯示驅(qū)動(dòng)程序顯示驅(qū)動(dòng)程序在進(jìn)入中斷后首先要對(duì)定時(shí)器T0重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩(wěn)定，1/16掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計(jì)算公式如下：
刷頻率（幀頻）=file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image009.gif×file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image011.gif溢出率=file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image009.gif×file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image014.gif （4-1）
其中f位晶振頻率，t為定時(shí)器T0初值（工作在16位定時(shí)器模式）。
然后顯示驅(qū)動(dòng)程序查詢當(dāng)前燃亮的行號(hào)，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)程序先要關(guān)閉顯示屏，即消隱，等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號(hào)，重新打開(kāi)顯示。圖4-1為顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖。
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| file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image015.gif |
圖4-1 顯示驅(qū)動(dòng)程序流程圖4.2 系統(tǒng)主程序本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件能使系統(tǒng)在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。
系統(tǒng)主程序開(kāi)始以后，首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，包括設(shè)置串口、定時(shí)器、中斷和端口；然后以“卷簾出”效果顯示圖形，停留約3s；接著向上滾動(dòng)顯示“上天下地”這4個(gè)漢字及一個(gè)圖形，然后以“卷簾入”效果隱去圖形。由于單片機(jī)沒(méi)有停機(jī)指令，所以可以設(shè)置系統(tǒng)程序不斷的循環(huán)執(zhí)行上述顯示效果。
單元顯示屏可以接收來(lái)自控制器（主控制電路板）或上一級(jí)顯示單元模塊傳輸下來(lái)的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示板可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。圖4-2系統(tǒng)主程序流程圖。
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image016.gif
file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtml1/01/clip_image017.gif
圖4-2 系統(tǒng)主程序流程圖
4.3 單片機(jī)匯編程序 ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
RETI
ORG 000BH
LJMP INTT0
ORG 0013H
RETI
ORG 001BH
RETI
ORG 0023H
RETI
ORG 002BH
RETI
START: MOV 20H,#00H
MOV A,#0FFH
MOV P1,A
MOV P2,A
MOV P3,A
MOV P0,A
CLR P1.6
MOV TMOD,#01H
MOV TH0,#0FCH
MOV TL0,#18H
MOV SCON,#00H
MOV IE,#82H
MOV SP,#70H
LCALL DIS1
MAIN: MOV DPTR,#TAB
LCALL MOVDISP
MOV DPTR,#TAB
LCALL MOVDISP1
AJMP MAIN
MOVDISP:MOV R1,#6
DISLOOP:MOV R3,#100
DISMOV:MOV R2,#00H
SETB TR0
WAITMOV:JBC 00H,DISMOV1
AJMP WAITMOV
DISMOV1:DJNZ R3,DISMOV
MOV A,#128
ADD A,DPL
MOV DPL,A
MOV A,#0
ADDC A,DPH
MOV DPH,A
DEC R1
MOV A,R1
JZ MOVOUT
AJMP DISLOOP
MOVOUT:RET
MOVDISP1:MOV R1,#255
DISLOOP1:MOV R3,#10
DISMOV2:MOV R2,#00H
SETB TR0
WAITMOV1:JBC 00H,DISMOV3
AJMP WAITMOV1
DISMOV3:DJNZ R3,DISMOV2
INC DPTR
INC DPTR
DEC R1
MOV A,R1
JZ MOVOUT1
AJMP DISLOOP1
MOVOUT1:RET
DIS1: MOV R3,#5AH
DIS11: MOV R2,#00H
MOV DPTR,#TAB
SETB TR0
WAIT11:JBC 00H,DIS111
AJMP WAIT11
DIS111: DJNZ R3,DIS11
RET
INTT0: PUSH ACC
MOV TH0,#0FCH
MOV TL0,#18H
MOV A,#97
ADD A,DPL
MOV DPL,A
MOV A,#0
ADDC A,DPH
MOV DPH,A
MOV A,#0
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
WAIT: JBC TI,GO
AJMP WAIT
GO: MOV A,DPL
SUBB A,#1
MOV DPL,A
MOV A,DPH
SUBB A,#0
MOV DPH,A
MOV A,#0
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
WAIT1: JBC TI,GO1
AJMP WAIT1
GO1: MOV R0,#03H
MLOOP:MOV A,DPL
SUBB A,#31
MOV DPL,A
MOV A,DPH
SUBB A,#0
MOV DPH,A
MOV A,#0
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
WAIT2: JBC TI,GO2
AJMP WAIT2
GO2: MOV A,DPL
SUBB A,#1
MOV DPL,A
MOV A,DPH
SUBB A,#0
MOV DPH,A
MOV A,#0
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
WAIT3: JBC TI,GO3
AJMP WAIT3
GO3: DJNZ R0,MLOOP
SETB P1.7
NOP
SETB P1.6
NOP
NOP
CLR P1.6
MOV A,R2
ORL A,#0F0H
MOV R2,A
MOV A,P1
ORL A,#0FH
ANL A,R2
MOV P1,A
CLR P1.7
INC R2
INC DPTR
INC DPTR
MOV A,R2
ANL A,#0FH
JNZ GO4
SETB 00H
MOV A,DPL
SUBB A,#32
MOV DPL,A
MOV A,DPH
SUBB A,#0
MOV DPH,A
CLR TR0
GO4: POP ACC
RETI
TAB:DB FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF
DB FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF
DB FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF
DB FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF,FFFF
DB FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FC07,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,0000
DB 0000,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,0000,FDFF,FDFF,FDFF,FBFF,F78F,EFBF,DFDF,BFEF,7FF0
DB 0000,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,F8FF,FDBF,FDDF,FDCF,FDF8,FDFB,FDFF,FDFF,FDFF,FDFF,FFFF
DB EFF7,EFF7,EFB7,EFB7,EFB7,EE00,EFB6,01B6,EFB6,EFB6,EBB4,E7BF,EFBF,DFBF,BFBE,7F80
END
第五章 總結(jié)本文設(shè)計(jì)的是4個(gè)16*16的LED圖文顯示屏，能夠在目測(cè)的條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形和文字穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。本系統(tǒng)具有硬件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定可靠，成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然本設(shè)計(jì)只使用了一塊16*16LED點(diǎn)陣，電路簡(jiǎn)單，但是已經(jīng)包涵了LED顯示屏基本原理個(gè)基本程序。
在此次設(shè)計(jì)中通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，詳細(xì)了解LED的發(fā)光原理和LED顯示屏的原理，了解了LED的現(xiàn)狀，清楚的了解LED顯示屏與其他顯示屏相比較的那些優(yōu)點(diǎn)，明確了研究目標(biāo)。遺憾的是由于軟件自身的缺陷原因無(wú)法完成設(shè)計(jì)的仿真試驗(yàn)，無(wú)法直觀看到程序的可行性，對(duì)于程序中存在的問(wèn)題無(wú)法直接暴露出來(lái)。
通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，重新學(xué)習(xí)并進(jìn)一步復(fù)習(xí)了89C51：熟練掌握word軟件的使用。進(jìn)一步提高了自己在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中研究問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力但從中也發(fā)現(xiàn)自己存在一些不足之處：對(duì)知識(shí)的積累還不夠，有些問(wèn)題自己不能夠獨(dú)立解決，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作還要進(jìn)一步熟練，只有這樣才能讓自己在在不斷的學(xué)習(xí)中提高自己。
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