16乘16点阵设计

16X16点阵设计

摘要

本设计使用简单单片机AT89C51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。在本设计中主要用两个74HC595来驱动16×16点阵显示屏的列，用AT89C51来驱动16×16点阵显示屏的行，可以最终实现——“十六乘十六点阵可调速显示屏设计” 十五个汉字的自动左移，而且它们的“进”和“出”是以滚动形式设计的。也就是说，硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。从而可以实现一个室内用的16×16点阵LED图文显示屏，在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰，图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。最后，利用烧录器可以很方便的实现单片机与PC机等外围存储设备的数据传输，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，它在实际生活中具有广泛的应用。

关键词：单片机，16x16点阵，滚动显示

目录

1 绪论 (1)

1.1课题描述 (1)

1.2功能要求 (1)

1.3 方案论证 (1)

2 系统总体方案及硬件设计 (2)

2.1 显示屏总体设计方案 (2)

2.2 AT89C51的原理及说明 (2)

2.3 列驱动电路 (3)

2.4 行驱动电路 (3)

3 系统硬件电路的设计 (7)

3.1AT89C51单片机 (8)

3.2单片机系统及外围电路 (9)

4 系统程序的设计 (9)

4.1系统主程序 (10)

4.2 显示驱动程序 (10)

4.3单片机汇编程序 (11)

总结 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录1.硬件原理图 (24)

附录2.元器件清单表 (23)

1 绪论

1.1课题描述

随着LED显示技术日趋成熟和普遍公共场合需求量增大，现代工业控制和一些智能化仪器仪表中，越来越多的场合所需要用点阵图形显示器显示汉字，广告屏等。所以研究LED显示有实用意义。

1.2功能要求

设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰，图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

1.3 方案论证

16×16的点阵显示屏共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16×16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大的多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套列驱动器。具体就16×16的点阵来说，我们把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；第十六行之后又重新燃亮第一行，这样反复轮回。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，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。

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，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显

示两个部分。

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，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；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。

2 系统总体方案及硬件设计

2.1 显示屏总体设计方案

图1 总体设计方案

2.2 AT89C51的原理及说明

AT89C51是美国Intel 公司生产的低电压，高性能CHMOS8位单片机，片内含4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM ）和蔼可亲128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），器件采用Intel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用4位中央处理器（CPU ）和Flash 存储单元，功能强大AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合[5]。

单 片 机

LED 显示点阵

行驱动器

列驱动器

图2 AT89C51引脚图

2.3 列驱动电路

列驱动电路有集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。

74HC595的外形及内部结构如图3所示。它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。

2.4 行驱动电路

由于4点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中运用了单片机AT89C51的P1口和P2口，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，单片机P1口和P2口输出生产16条行选通讯信号线，再经过驱动器驱动对应的线。

图3 74HC595的外形及内部结构如图

74LS241三态八缓冲器/线驱动器/线接收器(3S,两组控制)如图4

图4 74LS241引脚图

简要说明:

241为三态输出的八组缓冲器和总线驱动器,其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别)[1]:

型号t PLH t phl P D 54LS241/74LS241 12ns 12ns 110mW

引出端符号:

1A1~1A4,2A1~2A4 输入端

/1G, /2G 三态允许端(低电平有效)

1Y1~1Y4,2Y1~2Y4 输出端

逻辑图:

图5 双列直插封装

极限值:

电源电压………………………………………….7V

输入电压………………………………………….5.5V

输出高阻态时高电平电压…………………………. 5.5V

工作环境温度

54XXX ………………………………….-55~125℃

74XXX ………………………………….0~70℃

存储温度………………………………………….-65~150℃

功能表:

推荐工作条件:

54LS244/74LS244

单位

最小额定最大

电源电压Vcc 54 4.5 5 5.5

V 74 4.75 5 5.25

输入高电平电V iH 2 V

输入低电平电V iL 54 0.7

V 74 0.8

输出高电平电流

I OH 54 -12

mA 74 -15

输出低电平电流

I OL 54 12

mA 74 24

动态特性(T A=25℃)

参数测试条件LS244

单位最大

t PLH输出由低到高传输延迟时间Vcc =5V

C L=45pF

R L=667 Ω18 ns

t PHL输出由高到低传输延迟时间18 ns t PZH输出由高阻态到高允许时间23 ns t PZL输出由高阻态到低允许时间30 ns

t PHZ输出由高到高阻态禁止时间Vcc=5V C L=5pF

R L=90 Ω 18 ns

t PLZ输出由低到高阻态禁止时间25 ns

静态特性（TA为工作环境温度范围）[1]

参数测试条件

LS244

单位最小最大

V IK输入嵌位电压Vcc=最小，I ik=-18mA -1.5 V △V T滞后电压Vcc＝最小0.2 V

V OH输出高电平电压Vcc＝最小，V IL＝最大，V IH=2V,

I OH＝－3mA

2.4 V

V OL输出低电平电压Vcc=最小，V IL＝最大，

I OL=最大

54 0.4

V

74 0.5

I I最大输入电压时输

出电流

Vcc＝最大，V I=7V 0.1 mA I IH输入高电平电流Vcc＝最大，VIH=2.7V 20 uA I IL输入低电

平电流

1A,2A Vcc＝最大，V IL=0.4V -0.2 mA I OS输出短路电流Vcc＝最大-40 -225 mA

I OZH输出高阻态时高

电平电流Vcc＝最大，V IH=2V

V IL=最大，V O=2.7V

20 uA

I OZL输出高阻态时低

电平电流Vcc＝最大，V IH=2V,V IL＝最大

，V O=0.4V

-20 uA

Icc电源电流Vcc＝

最大

1Y,2Y均为高电平27

mA 1Y,2Y均为低电平46

1Y,2Y均为高阻态54

测试条件中的“最小”和“最大”用推荐工作条件中的相应值。

3 系统硬件电路的设计

硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。

3.1AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。

（1）AT89C51引脚图如图所：

图6 AT89C51单片机引脚图

（2）AT89C51单片机P口的特点：

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收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。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外部必须被拉高。

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。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。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[3]。

3.2单片机系统及外围电路

单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24M或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。P1口与P2口为行驱动器，送出行信号；P3.5~P3.7口则用来发送控制信号[4]。P0口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。16×16点阵显示屏的硬件原理图如图7

图7 16×16点阵显示屏硬件原理图

4 系统程序的设计

显示屏软件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。根据软件分层次设计的原理，我们可把显示屏的软件系统

分成两大层：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它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动程序由定时器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。

4.1系统主程序

系统主程序开始以后首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。然后以“滚动出”效果显示一个字，停留约3秒，接着向左滚动显示“十六乘十六点阵可调速显示屏设计”十五个汉字，停留约3秒，再向左滚动显示“十六乘十六点阵可调速显示屏设计”这十五个汉字，循环重复，由于单片机没有停机指令，所以我们可以设置系统程序不断地循环执行上述显示效果。图9是系统主程序的流程图。

4.2 显示驱动程序

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扫描的显示屏的刷新率（帧频）的计算公式如下：

其中fosc 为晶振频率，t0为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）[2]。

定时器赋初值

读取行号并增送新行显示数

消隐 切换显示数据 送新行号、打开显

进入中断 退出中断

图8显示驱动程序流程图

系统初始化

“滚动出”显示效“加速”显示效果 “减速”显示效果 “默认”显示效果

开始

图9系统主程序流程图

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。

4.3单片机汇编程序

#include

sbit SET=P3^5;

sbit ADD=P3^6;

sbit SUB=P3^7;

sbit LOCK=P3^2;

sbit DAT=P3^0;

sbit CLK=P3^1;

unsigned char cnt,cnt2,line,xp,xold,shift,t[4];

char speed,i;

bit sec,key_mark;

unsigned char code Matrix001[32]=

{

/x---转换字符十---x/

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0xFF,0xFE,0x01,0x00 ,

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00, };

unsigned char code Matrix002[32]=

{

/x---转换字符六---x/

0x02,0x00,0x01,0x00,0x00,0x80,0x00,0x80,0x00,0x00,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00 ,

0x04,0x40,0x04,0x20,0x08,0x10,0x08,0x08,0x10,0x08,0x20,0x04,0x40,0x04,0x00,0x00,

};

unsigned char code Matrix003[32]=

{

/x---转换字符乘---x/

0x00,0xF8,0x3F,0x00,0x01,0x00,0x7F,0xFC,0x01,0x00,0x09,0x24,0xF9,0x38,0x09,0x22 ,

0x39,0x22,0xCB,0x9E,0x05,0x40,0x09,0x20,0x31,0x18,0xC1,0x06,0x01,0x00,0x01,0x0 0,

};

unsigned char code Matrix004[32]=

{

/x---转换字符十---x/

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0xFF,0xFE,0x01,0x00 ,

0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00, };

unsigned char code Matrix005[32]=

{

/x---转换字符六---x/

0x02,0x00,0x01,0x00,0x00,0x80,0x00,0x80,0x00,0x00,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00 ,

0x04,0x40,0x04,0x20,0x08,0x10,0x08,0x08,0x10,0x08,0x20,0x04,0x40,0x04,0x00,0x00, };

unsigned char code Matrix006[32]=

{

/x---转换字符点---x/

0x02,0x00,0x02,0x00,0x02,0x00,0x03,0xFC,0x02,0x00,0x02,0x00,0x3F,0xF0,0x20,0x10 ,

0x20,0x10,0x20,0x10,0x3F,0xF0,0x00,0x00,0x24,0x88,0x22,0x44,0x42,0x44,0x80,0x04,

};

unsigned char code Matrix007[32]=

{

/x---转换字符阵---x/

0x00,0x40,0x7C,0x40,0x44,0x40,0x4B,0xFE,0x48,0x80,0x50,0xA0,0x49,0x20,0x49,0xF C,

0x44,0x20,0x44,0x20,0x44,0x20,0x6B,0xFE,0x50,0x20,0x40,0x20,0x40,0x20,0x40,0x20 ,

};

unsigned char code Matrix008[32]=

{

/x---转换字符可---x/

0x00,0x00,0x7F,0xFE,0x00,0x10,0x00,0x10,0x1F,0x10,0x11,0x10,0x11,0x10,0x11,0x10, 0x11,0x10,0x11,0x10,0x1F,0x10,0x11,0x10,0x00,0x10,0x00,0x10,0x00,0x50,0x00,0x20, };

unsigned char code Matrix009[32]=

{

/x---转换字符调---x/

0x00,0x00,0x47,0xFC,0x24,0x44,0x24,0x44,0x05,0xF4,0x04,0x44,0xE4,0x44,0x27,0xF C,

0x24,0x04,0x25,0xF4,0x25,0x14,0x2D,0x14,0x35,0xF4,0x24,0x04,0x04,0x14,0x08,0x08 ,

};

unsigned char code Matrix010[32]=

{

/x---转换字符速---x/

0x00,0x40,0x20,0x40,0x17,0xFC,0x10,0x40,0x03,0xF8,0x02,0x48,0xF2,0x48,0x13,0xF 8,

0x10,0xE0,0x11,0x50,0x12,0x48,0x14,0x44,0x10,0x40,0x28,0x00,0x47,0xFE,0x00,0x00

,

};

unsigned char code Matrix011[32]=

{

/x---转换字符显---x/

0x00,0x00,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1F,0xF0,0x10,0x10,0x10,0x10,0x1F,0xF0 ,

0x04,0x40,0x44,0x44,0x24,0x44,0x14,0x48,0x14,0x50,0x04,0x40,0xFF,0xFE,0x00,0x00 ,

};

unsigned char code Matrix012[32]=

{

/x---转换字符示---x/

0x00,0x00,0x3F,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF,0xFE,0x01,0x00 ,

0x01,0x00,0x11,0x10,0x11,0x08,0x21,0x04,0x41,0x02,0x81,0x02,0x05,0x00,0x02,0x00,

};

unsigned char code Matrix013[32]=

{

/x---转换字符屏---x/

0x00,0x00,0x3F,0xF8,0x20,0x08,0x20,0x08,0x3F,0xF8,0x24,0x10,0x22,0x20,0x2F,0xF8 ,

0x22,0x20,0x22,0x20,0x3F,0xFC,0x22,0x20,0x42,0x20,0x44,0x20,0x84,0x20,0x08,0x20 ,

};

unsigned char code Matrix014[32]=

{

/x---转换字符设---x/

0x00,0x00,0x21,0xF0,0x11,0x10,0x11,0x10,0x01,0x10,0x02,0x0E,0xF4,0x00,0x13,0xF8 ,

0x11,0x08,0x11,0x10,0x10,0x90,0x14,0xA0,0x18,0x40,0x10,0xA0,0x03,0x18,0x0C,0x0 6,

};

unsigned char code Matrix015[32]=

{

/x---转换字符计---x/

0x00,0x40,0x20,0x40,0x10,0x40,0x10,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0xF7,0xFE,0x10,0x40 ,

0x10,0x40,0x10,0x40,0x10,0x40,0x10,0x40,0x14,0x40,0x18,0x40,0x10,0x40,0x00,0x40, };

unsigned char code Matrix016[32]=

{

/x---转换字符代---x/

0x08,0x90,0x08,0x88,0x08,0x88,0x10,0x80,0x10,0xBE,0x37,0xC0,0x30,0x80,0x50,0x4 0,

0x90,0x40,0x10,0x40,0x10,0x20,0x10,0x22,0x10,0x12,0x10,0x0A,0x10,0x06,0x10,0x02 ,

};

unsigned char code Matrix100[32]={0};

unsigned char code end;

void SendData(unsigned char xq)

{

unsigned char i,t;

t=xq;

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

{

if(i==8)

t=x(q+1);

if(t&1)

DAT=1;

else

DAT=0;

CLK=0;

CLK=1;

t>>=1;

}

LOCK=0;

LOCK=1;

}

void t0() interrupt 1 {

TH0=-50000>>8; TL0=-50000;

if(++cnt2>speed)

{

cnt2=0;

sec=1;

}

}

void t1() interrupt 3 {

TH1=-1000>>8; TL1=-1000;

if(++cnt>=0)

{

cnt=0;

if(++line>15)

line=0;

P1=P2=0xff;

t[0]=x(p+(line<<1));

t[1]=x(p+1+(line<<1));

t[2]=x(p+32+(line<<1));

t[3]=x(p+33+(line<<1));

if(shift<=7)

{

t[0]=(t[0]<>(8-shift));

t[1]=(t[1]<>(8-shift));

}

else

{

t[0]=(t[1]<<(shift-8))|(t[2]>>(16-shift));

t[1]=(t[2]<<(shift-8))|(t[3]>>(16-shift));

}

SendData(t);

if(line<8)

P1=~(1<

else

P2=~(1<<(line-8));

}

}

void delay()

{

unsigned char i,j;

for(i=0;i<4;i++)

for(j=0;j<100;j++)

;

}

void key()

{

if(!SET)

{

p=Matrix001;

shift=0;

}

else if(!ADD)

{

speed+=4;

}

else if(!SUB)

{

speed-=4;

if(speed<=1)

speed=1;

}

}

void init_t0()

{

TH0=-50000>>8; TL0=-50000;

TMOD|=0X01;

IE|=0X82;

}

void init_t1()