单片机课程设计报告——16x16LED滚动显示

16x16LED滚动显示课程设计：单片机课程设计

专业名称：电气工程及其自动化

学号：

学生姓名：

同组人员：

指导教师：

2014年12月8日

课程设计任务书

2014 ～2015 学年第1学期

学生姓名：

专业班级：电气工程及其自动化2012级（2）班

指导教师：工作部门：

一、课程设计题目：16x16LED滚动显示

二、课程设计内容

1. 根据具体设计课题的技术指标和给定条件，以单片机为核心器件，能独立而正确地进行方案论证和电路设计，完成仿真操作。要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整；

2. 熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法；

3. 熟练使用单片机汇编语言或C51进行软件设计；

4. 熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试；

5. 熟练使用Protel软件设计印刷电路板；

6. 学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数；

7. 编写设计报告，参考毕业设计论文格式。

（1）根据课题要求确定系统设计方案；

（2）绘制系统框图、系统仿真原理图（印刷电路板图），列出元器件明细表；

（3）计算电路参数和选择元器件，画出软件框图，列出程序清单；

（4）打印仿真结果，根据测试结果进行误差分析与修改调整；

（5）对设计进行全面总结。

三、进度安排

2．执行要求

单片机应用课程设计共9个选题，学生可自选课题。每组不超过2人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不可一样。

四、课程设计考核办法与成绩评定

六、课程设计参考资料

[1]贺哲荣.AT89S51单片机硬件设计与编程实例.北京：中国电力出版社.2012

[2]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真.北京:北京航空航天大学出版社,2012.

[3]王平.单片机应用设计与制作.北京:清华大学出版社, 2012.

[4]彭为等.单片机典型系统设计实例精讲. 北京：电子工业出版社，2007

[5]王庆利等.单片机设计案例实践教程.北京：北京邮电大学出版社，2008

[6]韩志军等.单片机应用系统设计——入门向导与设计实例.北京：机械工业出版社，2005

[7]皮大能等. 单片机课程设计指导书. 北京：北京理工大学出版社，2010

指导教师：

2014年12月8日

教研室主任：

2014年12 月8 日

目录

摘要 (1)

引言 (2)

一16×16LED点阵的总体设计 (3)

1.1 设计的功能要求 (3)

1.2 设计论证 (3)

1.3 实验原理 (3)

1.4 总体设计框图 (4)

二硬件设计 (4)

2.1 主要芯片介绍 (4)

2.2 16×16LED点阵显示制作 (7)

2.3用4个8×8LED点阵构成16×16LED点阵 (8)

2.4实验电路及连线 (8)

三软件设计 (8)

3.1实验要求及程序流程图 (9)

3. 2 程序清单 (15)

四实验结果 (16)

五系统调试 (17)

六心得体会 (17)

七参考文献 (18)

摘要

本设计使用AT89C55系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16×16的点阵LED显示屏。利用AT89C55系列高速单片机本身强大的功能，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。

本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示4个8×8点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。设计中采用了SPI 接口的GB2312标准字库，支持所有的国标字符和ASCII标准字符的显示。因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。

本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。

关键词：LED动态显示 AT89C55 点阵汉字显示仿真

引言

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。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。

它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。当今社会在飞速发展无疑能源、健康、空间的利用，成了人们着重关注的对象。而在这个信息传递极速的社会，LED的出现给人们带来了希望之光。LED的特色之处一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三提高空间利用率。而这些特色又恰好解决了上述的三种问题。然而LED点阵显示屏的特点不仅仅于此LED点阵显示屏用的是数码管，而数码管具有实用,便宜等优点。做出来的LED点阵显示很耐用。LED点阵显示屏之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与LED显示屏本身所具有的优点分不开的。LED点阵显示屏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。本文要求设计一个能显示16X16点阵图文LED显示屏，要求能显示图文或文字，显示图文或文字应稳定、清晰，图文或文字显示，以卷帘形式向上下左右滚动显示。

一 16×16LED点阵的总体设计

1.1 设计的功能要求

设计一个能显示16X16点阵图文LED显示屏，要求能显示图文或文字，显示图文或文字应稳定、清晰，图文或文字显示，以卷帘形式向上滚动显示。

1.2 设计论证

1.图文显示采用动态扫描的显示方法，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。

2.采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

1.3 实验原理

16×16扫描LED点阵的工作原理同8位扫描数码管类似。它有16个共阴极

输出端口，每个共阴极对应有16个LED显示灯。所以其扫描译码地址需4位信号线。要使16点阵上某个点亮，如第10行第4列的LED点亮，只要让列选信号为“0100”，从而选中第4列，再给第10行一个高电平，即可点亮该LED。本实验通过74LS164和74LS595芯片写入字形，产生扫描信号。为了显示整个汉字，首先分布好汉字的排列，以行给汉字信息；然后以大于24HZ的频率扫描列，即每行逐一加高电平，根据人眼的视觉残留特性，使之形成整个汉字的显示。

1.4 总体设计框图

二硬件设计

2.1主要芯片介绍

1.AT89C55介绍

AT89C55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。

图2.1 AT89C55单片机引脚图

2. 74LS595介绍

74595的数据端：

Q1--Q7：八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。

Q7'：级联输出端。我将它接下一个595的SI端。

DS：串行数据输入端。

STcp：存储寄存器的时钟脉冲输入口

SHcp：移位寄存器的时钟脉冲输入口

OE：的非输出使能端

MR：的非芯片复位端

图2.2 74LS595芯片引脚图

3.74LS164介绍

清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。

引脚功能：

LOCK ：时钟输入端

LEAR：同步清除输入端（低电平有效）

1，2 ：串行数据输入端

8－Q15：输出端

7

图2.3 74LS164芯片引脚图

2.2 16×16LED点阵显示制作

以UCDOS中文宋体字库为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国家标准汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。这里我们以“魏”字说明，如下图所示：

图2.4为字模提取软件提取16x16LED汉字显示代码

2.3 用4个8×8LED点阵构成16×16LED点阵

Proteus中只有5×7和8×8等LED点阵，并没有16×16LED点阵，而在实际应用中，要良好地显示一个汉字，则至少需要16×16点阵。下面我们就首先介绍使用8×8点阵构建16×16点阵的方法，并构建一块16×16LED点阵，用于本例的显示任务。

从Proteus的元件库中找到“MATRIX-8X8-RED”元器件，并将四块该元器件放入Proteus文档区编辑窗口中。此时需要注意,如果该元器件保持初始的位置（没有转动方向），我们要首先将其左转90°，使其水平放置，那么此时它的左面8个引脚是其行线，右边8个引脚是其列线（当然，如果你是将右转，则右边8个引脚是行线）。然后我们将四个元器件对应的行线和列线分别进行连接，使每一条行线引脚接一行16个LED，列线也相同。并注意要将行线和列线引出一定长度的引脚，以便下面我们使用。连接好的16×16点阵如下图。

图2.5 16×16点阵图

2.4 实验电路及连线

电路主要由单片机和一些外部设备连接而成，利用4个8*8LED显示组装成16*16LED显示，2个74LS595和2个74LS164组成。该显示器采用AT89C55单片机作为控制器，12MHz晶振，其中P0口作为字符数据输出口，P2口作为显示器扫描输出口，第31管脚（EA）接电源。电路包括单片机、电源电路、时钟电路、复位电路、驱动电路和LED点阵电路等。本设计的核心是利用单片机读取显示字

型码，通过驱动电路对16×16LED点阵进行动态扫描，以实现汉字的滚动显示。

图2.6 总电路接线图

三软件设计

3.1实验要求及程序流程图

本软件要求实现如下要求：汉字要稳定、明亮并且文字要以一定速度上升滚动显示。

显示屏软件模块：初始化程序、主程序、多字滚动、显示程序、扫描程序。显示程序的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。软件设计中，显示屏的软件系统分为两层；第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，

并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：

刷频率（帧频）=1/16×T0溢=1/16×f/12（65536-t）其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。

图3.1系统主程序流程图

3.2 程序清单

#include

#include

#define DATAOUT P2 //P2 use as data

#define SPEED 13

void ymove(char dir,unsigned char *ptr,char speed);

void xmove(char dir,unsigned char *ptr,char n,char speed); void delay(unsigned int a);

void display();

void displaytime(char time);

void init164();

sbit ADATA= DATAOUT^0;

sbit ASCK= DATAOUT^1;

sbit LATCH= DATAOUT^2;

sbit BDATA= DATAOUT^3;

sbit BCLK= DATAOUT^4;

code unsigned char xin[32]={

0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x0E,0x38, //心

0x1F,0x7C,0x3F,0xFE,0x3F,0xFE,0x3F,0xFE,

0x1F,0xFC,0x0F,0xF8,0x07,0xF0,0x03,0xE0,

0x01,0xC0,0x00,0x80,0x00,0x00,0x00,0x00}; code unsigned char zhong[32]={

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x04,0x7F,0xFE, //中

0x41,0x04,0x41,0x04,0x41,0x04,0x41,0x04,

0x7F,0xFC,0x41,0x04,0x01,0x00,0x01,0x00,

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00}; code unsigned char guo[32]={

0x00,0x04,0x7F,0xFE,0x40,0x24,0x5F,0xF4, //国

0x41,0x04,0x41,0x04,0x41,0x44,0x4F,0xE4,

0x41,0x04,0x41,0x44,0x41,0x24,0x41,0x04,

0x5F,0xF4,0x40,0x04,0x7F,0xFC,0x40,0x04}; code unsigned char dui[32]={

0x7C,0x40,0x44,0x40,0x48,0x40,0x48,0x40, //队

0x50,0x40,0x48,0x40,0x48,0x40,0x44,0xA0,

0x44,0xA0,0x44,0xA0,0x69,0x10,0x51,0x10,

0x42,0x08,0x44,0x06,0x48,0x04,0x00,0x00}; code unsigned char jia[32]={

0x10,0x00,0x10,0x00,0x10,0x04,0x12,0x7E, //加

0xFF,0x44,0x12,0x44,0x12,0x44,0x12,0x44,

0x12,0x44,0x22,0x44,0x22,0x44,0x22,0x44,

0x22,0x44,0x4A,0x7C,0x84,0x44,0x00,0x00}; code unsigned char you[32]={

0x00,0x40,0x40,0x40,0x30,0x40,0x10,0x44, //油0x87,0xFE,0x64,0x44,0x24,0x44,0x0C,0x44,

0x14,0x44,0x27,0xFC,0xE4,0x44,0x24,0x44,

0x24,0x44,0x24,0x44,0x27,0xFC,0x24,0x04 }; code unsigned char gth[32]={

0x00,0x00,0x01,0x80,0x03,0xC0,0x03,0xC0, //!

0x03,0xC0,0x03,0xC0,0x03,0xC0,0x01,0x80,

0x01,0x80,0x01,0x80,0x00,0x00,0x01,0x80,

0x03,0xC0,0x01,0x80,0x00,0x00,0x00,0x00};

unsigned char idata buffer[32];

void main(void)

{

unsigned char i;

init164();

while(1)

{

for(i=0;i<32;i++)

buffer[i]=xin[i];

displaytime(1);

xmove(1,zhong,3,SPEED);

displaytime(1);

ymove(1,0,SPEED);

ymove(1,jia,SPEED);

ymove(1,you,SPEED);

ymove(1,0,SPEED);

xmove(0,jia,3,SPEED);

ymove(0,gth,SPEED);

ymove(0,0,SPEED);

xmove(1,xin,1,SPEED); }

} /************* 子函数******************/ void delay(unsigned int a)

{ while(a--); }

void display()

{ unsigned char hang,ib,k,tmp;

DATAOUT= 0x0;

BDATA = 0;

for(hang=0;hang<16;hang++)

{ ASCK =0;

LATCH=0;

BCLK =0;

for(ib=0;ib<2;ib++)

{ tmp = buffer[hang*2+ib];

13

for(k=0;k<8;k++)

{ tmp <<=1;

ASCK =0;

ADATA =CY;

ASCK =1; } }

DATAOUT|=0x14;

//LATCH=1;

//BCLK=1;

BDATA=1; }

delay(64);

ASCK =0;

ASCK =1; }

void displaytime(char time)

{ unsigned char i;

while(time--)

{ i=130;

while(i--)

display(); } }

void init164()

{ char i;

BDATA=1;

for(i=0;i<16;i++)

{ BCLK =0;

BCLK =1; } }

void xmove(char dir,unsigned char *ptr,char n,char speed)

{ /*方向n是要移动的汉字个数移动速度*/

unsigned char i=0, ib=0;

unsigned int tmp=0, speedm=0;

unsigned char buffer2[16]; //半个汉字的缓存

n*=2; //左半字和右半字，所以要x2

for(i=0;i<16;i++) //清零

buffer2[i]=0;

if(dir == 1)

{ /**** 向左移动****/

for(n;n>0;n--)

{ if(ptr != 0)

{ tmp = n%2; //判断是左半字还是右半字

for(i=0;i<16;i++)

buffer2[i]=ptr[i*2+tmp];

if(tmp) //tmp为1时，将地址指向下一个汉字

ptr+=32; }

for(tmp=8;tmp>0;tmp--) //要移动8列

{ ib=0;

14

for(i=0;i<16;i++)

{ //要移16行，共16个字节

buffer[ib] <<=1; //移第一个半字

if(buffer[ib+1] & 0x80)

buffer[ib]++;

ib++;

buffer[ib]<<=1; //移后半字

if(buffer2[i] & 0x80)

buffer[ib]++;

ib++;

buffer2[i]<<=1; //缓冲左半字向左移一位}

speedm=speed; //更新点阵

while(speedm--)

display(); }

}

}

//-------------------------------------------------//

else {

/****** 向右移动******/

for(n;n>0;n--)

{ if(ptr != 0)

{ tmp = (n+1) % 2 ; //判断左半字还是右半字

for(i=0;i<16;i++)

buffer2[i]=ptr[i*2+tmp];

if(tmp == 0) //tmp为0时，将地址指向下一个汉字

ptr+=32; }

for(tmp=8;tmp>0;tmp--) //要移动8列

{ ib=0;

for(i=0;i<16;i++)

{ //要移16行，共16个字节

buffer[ib+1] >>= 1; //移右半字

if(buffer[ib] & 0x01)

buffer[ib+1] |=0x80 ;

buffer[ib] >>= 1; //移左半字

if(buffer2[i] & 0x01)

buffer[ib] |= 0x80;

ib+=2;

buffer2[i] >>=1; //下个汉字的右半字向右移一位}

speedm=speed;

while(speedm--) //更新点阵

display(); }

}

}

}

void ymove(char dir,unsigned char *ptr, char speed)

{ //dir=1上移动，dir=0为下移动

char i=0, j=0, ib=0;

unsigned int tmp=0, speedm=0;

if(dir==0)

{ /**** 向下移****/

ib=31;

for(i=16;i>0;i--) //下移16行

{ for(j=29;j>-1;j--)

buffer[j+2]=buffer[j]; //将上一行的内容复制到下一行if(ptr==0)

{//移空时，buffer的首行用0移入

buffer[0]=0;

buffer[1]=0; }

else

{ //否则，处理buffer的首行元素

buffer[1]=ptr[ib];

buffer[0]=ptr[ib-1];

ib=ib-2 }

speedm=speed;

while(speedm--) //更新点阵

display(); }

}/****** 向上移*******/

else

{ ib=0; //数组元素序号

for(i=0;i<16;i++) //上移16行

{ for(j=0;j<30;j++) //将下一行的内容复制到上一行

buffer[j]=buffer[j+2];

if(ptr==0) //移入为空，buffer的末行用0移入

{ buffer[30]=0;

buffer[31]=0; }

else

{ //否则，处理buffer的末行元素

buffer[30]=ptr[ib];

buffer[31]=ptr[ib+1];

ib=ib+2; }

speedm=speed; //更新点阵

while(speedm--)

display(); }

}

}

四实验结果

五系统调试

软件调试：软件为网络所提供，其原理在上一模块已作说明，在这里再作说明，软件经调试无误，直接将其下再到单片机中，看是否达到所要的效果软件部