基于单片机的16×16LED点阵显示屏设计

编号

毕业设计（论文）

题目基于单片机的16×16LED点阵显示屏设计

二级学院电子信息与自动化学院

专业测控技术与仪器

班级测控一班

学生姓名丁徽徽

学号 11107030106

指导教师米曾真职称副教授

时间 2015年6月6日

目录

摘要 ................................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 第一章绪论. (1)

1.1 单片机的发展阶段 (1)

1.2 单片机的发展趋势 (1)

1.3 单片机的特点 (3)

1.4 LED简介 (4)

1.5 LED的特点 (5)

第二章功能要求及方案论证 (6)

2.1 功能要求 (6)

2.2 显示模块方案论证 (6)

第三章系统电路的硬件设计 (9)

3.1 设计框图 (9)

3.2 单片机的选择 (9)

3.3 AT89C51芯片简介 (10)

3.4 系统硬件电路的设计 (13)

第四章系统的程序设计 (22)

4.1程序的编写过程 (22)

4.2 程序设计流程图 (24)

第五章软件调试及硬件制作 (25)

5.1 软件调试及仿真 (25)

5.2 硬件制作 (28)

结束语 (29)

致谢 (30)

附录 (37)

附录A：16*16点阵显示屏设计程序 (37)

附录B：proteus ISIS 软件仿真图 (48)

附录C：供电以后16*16点阵实物效果图 (49)

附录D：元器件清单列表 (50)

摘要

本设计是基于单片机AT89C51为核心的由4个8×8的点阵显示屏形成的16×16点阵显示屏设计。系统的介绍了由AT89C51为控制系统的点阵显示屏动态设计过程。通过该芯片AT89C51控制一个行驱动器4-16线74HC154译码器和两个列驱动器74HC595级联成串行输入并行输出的移位寄存器来驱动显示屏，该显示屏能显示汉子、字符和图形等。通过按键控制汉字的滚动切换，能实现汉字的移入移出滚动显示。文中介绍了led点阵显示屏的设计思路，软件程序编写的过程、调试仿真以及硬件电路的各个部分电路的功能原理等。

单片机控制的系统程序采用的是C语言编写，通过行驱动电路和列驱动电路控制相应led阳极和阴极的电平，就可以有效的控led的亮和灭，所显示的点阵数据可以软件PCtolCD2002标准字库中提取代码。Led显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、价格低廉得到广泛的应用。文章主要从硬件设计和软件编程两个大的方面来对本次设计进行介绍。

关键词：AT89C51；单片机；LED；16*16点阵显示；动态显示

Abstract

This design is based on AT89C51 MCU as the core is formed by 4 8 * 8 16 * 16 dot matrix display screen design. The system introduced by it for the process design of dot matrix display dynamic control system. To drive the display through the chip controls good driver 74HC154 and two row driver 74HC595, the display can show the man and character, through the switch button control characters and Chinese characters, can achieve Chinese characters out rolling display. This paper introduces the design idea of LED dot matrix display, the function principle of each part of the hardware circuit, software design etc..

Single chip microcomputer control system program using the C language, the level of drive circuit to control the corresponding LED anode and cathode by driving circuit and column, can effectively control the LED on and off, as shown in the dot matrix data can be extracted from the standard font software code PCtolCD2002. Led stable display, low power consumption, long service life, mature technology, low price is widely used.

Keywords: AT89C51; LED; microcontroller; Lattice display; Dynamic display.

第一章绪论

1.1 单片机的发展阶段

单片机作为微型计算机（microcontroller unit）的一个重要研究领域，速度非常快，应用广泛。单片机发展到现在，已经有成千上万个机种。单片机进过几年飞速的发展，可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1973-1976）：单片机的初级阶段。受时代工艺发展的限制，此阶段的单片机功能简单，初级阶段的单片机应用领域相对窄，处理器速度慢，而且都采用的是双片的形式。

第二阶段（1976-1979）：低性能的单片机阶段。

第三阶段（1979-1982）：高性能的单片机阶段。此阶段的单片机大多有多级中断处理系统、片内ROM、RAM容量大，16位位定时系统，有的单片机还内置有A/D转换器而且寻址范围可达64KB，此阶段的单片机普遍带有串行I/O口，串行I/O口方便与外界进行数据交换。

第四阶段（1982至今）：早期的8位或4位微型处理器的发展以及16、32位单片机的退出阶段。此阶段的主要特征是：一方面因为单片机结构和系统更加完善，功能更加强大，能满足各种微控制要求。另一方面发展16位、32位微型处理器以及专用型计算机用来解决各种问题。16位单片机的产品有Intel公司生产的MCS-96系列单片机。其中32位单片机其震荡频率已达20MHz，除了具有很高的振荡频率而且具有更高的集成度，更高的震荡平率使得32位单片机的数据处理速度比16位单片机更快，性能以及处理速度同8位，16位单片机相比，具有优越性。

1.2 单片机的发展趋势

目前，单片机正在朝着多品种方向和高性能方向发展，并且进一步向着生产工艺CMOS化、功耗低、价格低、性能高、体积更小和外围电路内装化多个方向发展。以下是单片机的主要发展方向。

CMOS化。近些年， CHMOS技术的不断发展促进了单片机的CMOS化。CMOS 芯片除了低功耗特性外，还有功耗可控性，采用的是CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）使单片机的工作状态在功耗精细管理之内。这也是8051被80C51取代为标准微处理器芯片的原因。CMOS电路的主要特点是低价格、低功耗、低速度、高密度。因此单片机多数芯片采用的是金属栅氧化物半导体生产工艺。随着生产工艺的提高。HMOS和CHMOS工艺出现，使得CHMOS电路处理器的速度已经达到LSTTL的运算速度。因而CMOS电路将是未来主要的发展方向。

低电压化。低电压化指得是大部分单片机都有省电运行模式WAIT、STOP。当单片机处于待机状态时，运行模式为WAIT、STOP，耗能更低，发热更小。目前单片机压工作范围越来越宽，一般工作电压在3~6V范围。甚至有的单片机的工作电压的下线已经达到1~2V。目前0.8V供电的单片机已经产生。

高可靠性和低噪声。高可靠性和低噪声值得是单片机能在恶劣的环境条件下工作，电磁抗干扰能力强，噪声低。各大单片机生产公司改进微处理器内部电路采用新技术来改善芯片的可靠性和噪声。

串行扩展技术。近些年，单片机的半导体芯片技术迅速发展，单片机采用更多的串行拓展技术，串行拓展技术的目的是为了节约单片机的I/O口资源，用更少的数据线传输数据，使系统更加简洁，体积小可靠性高采用的技术。8051单片机的URAT既能作通用异步接受和发送器，又能作同步移位寄存器，接口电路能同时接收数据和发送数据。因此在单片机在构成多级应用系统的时候，单片机的I/O资源是不够用的，在实际开发中，我们要结合实际有效的采用串行通信和并行通信，其中各自有优缺点。

高性能化。单片机的高性能主要是指单片机的很高的运算速度以及系统的控制的可靠性。改进了单片机的中断和定时控制功能。

大容量化。大容量化指的是需要单片机ROM和RAM容量更大，能存储更多的数据。在很多工业控制领域，这些低存储容量是远远不够的，必须对单片机的容量进行扩充。为了扩大单片机的容量，采用新的技术新的工艺是单片机大容量化。

外围电路内装化。单片机集成度的不断提高，把众多的单片机的外围电路集成在一块很小的芯片内，使系统体积更小。一般的单片机除了具有CPU、定时器/计数器、ROM、RAM、中断等功能外，数模转换功能，声音发生器、液晶显示驱

动器、录像机用的锁相电路、DMA控制器等也将集成在单片机芯片内部是未来的发展方向。

单片机从出现发展到现在，已经走过了将近几十年的发展历史。单片机的发展是以微处理器技术发展为先导，推动电子技术的发展，小到冰箱空调大到工业控制领域的大型机器都离不开单片机。单片机的发展速度是以时钟频率的快慢为标志。单片机在提高时钟频率追求处理速度的同时，单片机的低噪声、抗干扰能力也是单片机技术发展所追求的。在不提高时钟频率的条件下，一些单片机的生产商改善了单片机的内部时序，使用变频技术提高处理器的运算速度。在单片机的众多家族中，80C51单片机已经成为单片机的发展主流。虽然世界上微处理器的种类繁多，内部装置不兼容，但是客观事实表明，80C51可能事实上标准的单片机芯片。

1.3 单片机的特点

单片机作为微型机的一个重要分支，单片机把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度非常高，体积非常小。按照功能和组成而言，单片机芯片就是一台计算机。单片机主要有以下几个特点：

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、可靠性高、体积小。单片机尽可能把各个功能部件集成在一块体积小的晶体芯片上，实现了高集成度。体积小有利于抗电磁干扰能力和抗干扰能力增强。芯片本身的设计按工业要求设计的，抗干扰能力都由于一般的CPU，这种优势是其他一般CPU无法相比的。

（3）控制功能强、易于拓展。单片机的逻辑功能强，单片机有丰富的逻辑指令系统，可以对I/O口进行拓展，可以对比较复杂的系统进行控制，非常适用专门的控制功能。

（4）低功耗、低电压、便携式的产品。

（5）具有通信功能，很容易实现分布式和多机控制，形成远程控制和控制网络。

1.4 LED简介

LED是放光二极管的简称，发光二极管应用领域非常广泛，人类生活已经离不开LED。LED发光能产生绿，红，兰三种颜色，根据光的分解合成原理，这种三原色的色光加以不同比例相加，从而可以混合成所有的颜色，到后期发展成为一种半导体显示器件。已经着生产工艺的提高，以及半导体材料合成技术的研究发展，这种半导体显示器件已经随成为最广泛的显示器件，小到冰箱洗衣机LED 显示屏、大到电脑、电视机以及广场的大型LED显示屏，人类生活中已经LED 显示屏。LED显示屏是根据半导体放光二极管像素点阵排列，点亮LED的方式是通过单片机控制的，通过编写程序，烧进单片机，从而就可以得到我们想要的显示效果，可以显示文字、图像、图形、动画、视频等各种视觉信息，形成丰富多彩的视频。

LED显示屏是集计算机技术、光电子技术、信息处理技术等各种电子技术于一体的高技术的屏幕产品。采用动态扫描技术，显示效果好，图像效果清晰，无杂点，画面稳定，动画效果逼真；显示内容丰富，可显示文字、图像、视频等各种视觉信息；显示方式灵活，可以由用户采取任意编排方式显示；显示的信息量大，显示的信息不受限制。维修方便、稳定可靠、稳定可靠这些都是其他显示屏无法比拟的优势，因此使之应用的到社会经济等各个领域，主要包括证券交易金融信息显示、机场航班动态显示、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、显示广告媒体新产品等诸多领域。

通过单片机控制点阵的行列可以显示所需要的图形和文字，显示方式灵活。可以根据需要设计程序，将设计好的程序烧到单片机里，就可以得到满意的显示效果。在对单片机进行设计的时候，可以对点阵进行动态显示也可以进行静态显示，静态显示可以克服占用单片机I/O资源多的问题。随着技术的发展，单片机的时钟速度已经达到20M，由于人眼的视觉暂留，使用动态扫描可以克服占用I/O 口资源较多的问题。

1.5 LED的特点

LED电子显示屏具有亮度高、视角大、绿色环保、安全系数高等众多优点。应用于家庭，银行，医院，饭店等各种公共场所长时间照明以及视觉信息传递工具。LED发光二极管众多优点满足各种不同应用场景的需求，发展前景非常广阔，因此得到了广泛的应用。

（1）亮度高：LED显示屏的亮度可调，有户外的LED显示屏便于在白天人们接受显示屏信息，相比于其他显示屏，LED显示屏是目前唯一能够在户外适用全天候的大型显示屏幕，而户内LED显示屏的亮度则大于2000md/m2就可以达到要求便于人们接受视觉信息。

（2）视角大：人在注视显示屏的时候，可以从各个角度观看显示屏，不影响人接受显示屏显示的画面质量，户外视角范围可大于160°。而视角范围的大小取决于发光二极管的形状。

（3）绿色环保：不含汞氙等对环境有污染的元素，有利于回收利用处理，而且抗电磁干扰能力强。

（4）安全系数高：由于所需电压低，发光效率高，发热小，不产生安全隐患，适用于煤矿等危险地方。

第二章功能要求及方案论证

2.1 功能要求

本方案设计的是由4个8×8组成的16×16的点阵显示屏，具体满足要求如下：

（1）要求AT89C51单片机作为芯片

（2）通过4个8*8的点阵led进行滚动显示

（3）要求led显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰

（4）按键控制文字的滚动显示切换

2.2 显示模块方案论证

4个8*8的点阵组成的16*16的点阵显示屏，组成256个led点阵显示屏，如果将led的点阵显示屏的阳极与列驱动器相连，而阴极与行驱动器相连，我们通过控制单片机AT89C51驱动行列驱动器，给行相应的高电平，给列低电平，那么相应的led就会发光，得到我们想要的发光图形。

本章介绍led数据显示方式，这种显示方式使用8段led点阵显示屏。在实际应用中点亮led的方式有静态显示方式和动态显示方式两种显示方法。

1、静态显示方式

一般来讲，静态显示方式是通过编写程序烧进单片机，通过控制单片机控制驱动器驱动LED点阵，无论是显示图形还是文字，只要点亮所组成的文字图形相应的LED发光点就可以得到我们想要的显示效果，这种同时控制各个LED放光二极管的亮灭的方法称之为静态显示方式。静态点亮LED显示屏的显示方式LED 亮度均匀、稳定、清晰等优点，但是静态显示存在很大的缺陷，由于单片机的I/O口资源少，当LED点阵显示屏庞大时，单片机没有那么多的I/O口同时控制可取。此课题设计的是基于单片机的16*16点阵显示屏设计，共有256个发光二极管，如果不采用其他芯片来扩展单片机的端口，16行点阵需要单片机16个端口，16列点阵需要单片机16个端口，按照8位的移位寄存器来计算，16*16的点阵需要32个锁存器，占用单片机太多的I/O口，这个显然设计不可取，现在

仅仅是16*16的点阵，在实际生活着的显示屏往往大很多，这样在锁存器上的成本就是一个很大的数目，因此在实际应用中一般我们不采用这种设计，而是采用动态扫描的方法。

2、动态显示方式

当LED点阵数目很多时，使用芯片拓展单片机的端口。动态扫描可以解决静态扫描占用较多I/O口资源的问题，就是快速的对点阵每行进行循环点亮，采用这样的扫描方式就可以实现点阵共用行驱动器和列驱动器。具体16*16的点阵来说，把LED点阵的列与列驱动器相连，点阵的行与行驱动器相连。使用4-16线74HC154译码器作为列译码器，通过译码器选中其中一列的点阵有效，再使用两个74HC595级联而成的移位寄存器作为行驱动器，行驱动驱动译码器选中的这一列中点阵的16个发光二极管亮灭情况。当下一个程序语句到来时，4-16线74HC154译码器选中下一列有效，行驱动器驱动译码器选中的这一列16个发光二极管的亮灭情况，以此类推。这样反复点亮，由于人眼视觉暂留现象（每秒24次以上），只要速度够快，我们就能看到显示屏显示的稳定清晰的图像了。由于单片机的工作特性，时钟速度达到20M，我们将采用动态显示方式方式，把设计好的程序烧进单片机。显示数据存储在单片机AT89C51的存储单元中，显示时把一列中各行的数据都传送到相应的驱动器中，这就存在一个显示数据传输的问题。数据传输时是采用串行方式还是采用并行方式？

3、数据传输方式的论证

很显然，采用并行传输数据的方式，行驱动器和列驱动器的线路数量庞大，相应需要更多硬件，增加了设计成本，所以并行传输的方式不可取。

为了解决并行传输数据带来的问题，采用串行传输数据方式。根据74HC595特点，串行传输数据方式只要用一根线，单片机的某个I/O口就可以将数据一位一位的传送到行驱动器中，当上升沿到来时，行驱动器74HC595对16位数据一次性输出，驱动16*16的LED点阵显示屏，所以硬件方面很经济。串行传输数据的缺点是串行传输过程较长，数据只能一位一位地输出到驱动器中，只有当这一行的数据全部传送完毕，才能对驱动器进行显示。这样传输过程分为数据传输的准备过程和数据的输出两个部分。在串行传输过程中，由于数据的准备时间较长

的时候，再编写程序的时候，扫描周期和延时程序给的的情况下，串行传输数据会影响到led显示屏的亮度。

为了解决影响显示屏亮度的问题，即数据传输的准备过程和数据显示的时间较长的问题，我们可以采用重叠处理的方法。在本行驱动器在点亮显示屏的同时，我们传送下一行数据，这样就可以解决传输数据时间较长的问题。为了达到重叠处理的目的，我们需要的列驱动器必须要有锁存器的功能。这样我们可以解决列驱动器可以选用74HC595是一个串行输入并行输出的移位寄存器，具有锁存功能。这样本列数据在点亮显示屏的时候，74HC595就已经在准备下一行的列数据，不会影响上一行的数据显示。

第三章系统电路的硬件设计3.1 设计框图

图3-1 点阵显示的总体框图3.2 单片机的选择

单片机采用AT89C51。AT89C51单片机的外形如下：

图3-2 AT89C51

3.3 AT89C51芯片简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的一款8位微处理器芯片，具有高性能低功耗特点，应用领域广泛。芯片作为仪器的大脑，它负责整个程序的运行以及给部分电路部分发送命令。

1、主要性能

◆4/8可程序设计的Flash内存

◆32个可程序设计I/O口线

◆5个中断源

◆可编程的串行通道

◆2个16位定时/计数器

◆1000次擦写周期

2、AT89C51系列单片机的基本组成

◆片内Flash内存，用来一些原始数据表格和程序

◆片内RAM,用来存放经常读、写的数据

◆1个8位中央处理单元

◆多个优先级的嵌套中断结构，并可实现多个优先级的嵌套

◆1个全双工口UART的串行接口，通过它可以和计算机或其他外设进行通信

◆2个16位的计数/定时器，对外部事件进行计数，I/O口置成定时器或者置

成计时器，并根据计数或定时的结果对单片机实时进行控制。

数器入

外部

P0P1P2P3TX D RX D

图3-3 AT89系列单片机的基本结构框图

3、单片机的内部组成

AT89系列单片机的内部结构主要是由CPU 、定时器/计数器、串行口、存储器、中断逻辑/并行口几部分组成。

(1)CPU

CPU 是由运算器及控制器组成，作为控制中心和指挥中心，决定单片机的主要功能。

ACC 是一个累加器，简称累加器A ，8位寄存器，当进行逻辑和算术运算时，累加器存放操作数，运算的结果还是存放在累加器中。

寄存器B 也是一个8位寄存器，寄存器B 用于乘法和除法指令中。在除法中，除数取自B ，被除数取自ACC ，商数放在ACC 中，而余数则放在B 中。在乘法运算中，乘数的操作指令来自ACC 和B 中，而乘积的结果放在AB 寄存器中，B 寄存器是作为中间结果寄存器使用的。

PSW 是一个8位的寄存器，作为一个标志寄存器，用来存放各种程序状态执行的信息，供程序判别和查询。PSW 的标志和格式如下：

表3-1

D7

D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 此寄存器各位的含义如下：

CY（PSW.7）:进位标志。执行算术运算指令时，最高位D7位有进位或者借位时，CY=1，最高位D7位没有进位或者借位，CY=0。CY作为位累加器，可以被硬件或者软件职位或清零，起作用相当于中央处理器中的累加器A，进位操作和执行比较指令也会影响CY标志位。

AC（PSW.6）：辅助进位标志。辅助进位标志指的是当执行加减运算指令时，低四位向高四位有进位借位时，AC会被置成1，否则就会被清零。在进行十进制加减运算时，需要进行十进制调整，需要用AC位进行判断，详见指令系统中的DAA指令。

F0（PSW.5）:用户标志位。F0是状态标记位，根据用户自己的需要通过软件来置位和复位。设定标志位状态以后，通过软件测试F0来控制程序的流向。

RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）:8051有4组8个8位工作寄存器，每组命名R0~R7。通过控制这两位的值就可以控制哪一组寄存器作为工作寄存器，这是通过软件来改变RS1、RS0的值进行选择的。RS0、RS1与寄存器区的对应关系见表3-2：

表3-2

OV（PSW.2）：溢出标志。在进行带符号位加减运算指令中，运算结果超过累加器的有效范围时，累加器A就会溢出，溢出即产生运算错误的结果，溢出标志位PSW.2=1。如果没有超过累加器的有效范围，溢出标志位PSW.2=0就表示运算结果正确。在进行乘法运算时，如果累加器A溢出，标志位PSW.2=1表示乘积的结果超过255，乘积分别在累加器A与寄存器B中；乘积结果没有超过255，标志位PSW.2=0，这时乘积只在累加器A中。在除法运算指令中，标志位PSW.2=1，就表示除数等于0，所以不能进行除法运算，反之表示除数不为零，可以进行运算。

P（PSW.0）：奇偶标志。奇偶标志位PSW.0表示累加器A中1的个数，累加器A中1的个数为偶数P=0，1的个数为奇数P=1。

(2)存储组织

AT89系列单片机的内存结构如下：

0000H

（a ）

FFH

80H

7FH

2FH

20H

00H 区

（b ）

FFFFH

00FFH

0000H 区

(c)

图3-4 AT89系列单片机内存的结构

3.4 系统硬件电路的设计

本设计的硬件电路可以分成单片机系统及外围电路、列驱动器和行驱动器电路三部分。

1、单片机系统及外围电路

单片机采用AT89C51，时钟频率为采用24M的晶振，高的晶振频率能获得较高的刷新频率，可以使显示更加稳定。P0口的低四位与4-16线译码器相连用来发送行数据，P0.4~P0.6口与两片级联的74HC595组成的16位输出的移位寄存器相连，用来发送列数据。单片机的外围震荡电路：

图3-5 单片机的振荡电路

2、行驱动电路

行驱动电路是由两片74HC595级联而成，74HC595具有8位串入并出移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，两片级联的74HC595具有16位串入并出移位寄存器和一个16位输出锁存器的结构，用来驱动led点阵的行。74HC595具有独立的输出锁存器个和独立的移位寄存器，在输出本行数据驱动点阵的同时，单片机已经为驱动器传输下一行的数据，能达到重叠处理的目的，缩短数据传输时间。图3-6是由两个74LS595级联成的16位输出的列驱动器：

图3-6 列驱动器

74HC595的外形及管脚说明图如图3-7和表3-3所示。74HC595有8个串行移位寄存器，每个串行移位寄存器连接着一个输出锁存器，当8位数据全部传输完毕保存在输出锁存器中，当上升沿到来时，进行数据输出。DS是串行数据输入端，Q0~Q7是并行数据输出端，作为LED点阵驱动端，控制LED的点亮。Q7’是芯片拓展端口，与下一个74HC595的串行数据输入端相连，形成16位串入并出移位寄存器和一个16位输出锁存器的结构驱动LED。SH_CP是移位寄存器时钟输入端，每来一个上升沿，Q0中的数据移动到Q1中，Q1中的数据移动到Q2 中，这样循环往复。下降沿移位寄存器中的端口数据保持不变。ST_CP是存储寄存器中的时钟输入口。下降沿到来时，存储器中的数据保持不变，上升到来时，移位寄存器中的数据存储到存储器中。通常将ST_CP拉到低电平，移位结束后再将ST_CP端移位寄存器中的数据清零。OE为输出允许高电平禁止输出。

图3-7 74HC595外形图