点阵显示系统汇总

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毕业设计

16×16矩阵显示系统研究

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完成时间：二○一三年六月

目录

设计说明 .............................................................................................................III 第一章引言 . (1)

第二章设计思路 (3)

2.1 显示原理及控制方式分析 (3)

2.2方案选择 (8)

第三章系统的硬件设计与实现 (9)

3.1 设计原理及单元模块设计 (9)

3.2 硬件电路设计 (9)

第四章系统的软件设计 (13)

4.1 主程序设计流程 (13)

结论 (16)

致谢 (17)

附录一 (18)

附录二 (24)

参考文献 (25)

设计说明

电子技术的发展加快了电子产品更新的步伐，进一步推动了整个信息社会的发展，特别是电子设计自动化EDA（Electronic Design Automation,）技术的发展，推动了整个电子设计技术的飞速发展。电子设计中少不了的是电子线路的设计PCB(Printed Circuit Board)印刷版板的设计。目前人们在计算机上利用电子CAD(Computer Aided Design)软件来完成产品的原理图设计和印刷版设计。Protel系列软件以其功能强、界面友好和操作简便快捷等优点已成为EDA行业尤其是PCB设计中发展最快应用时间最长、运用范围最广的软件之一。Altium Designer 09则是Protel的最新推出版本，具有自动布线，自动布局，进行逻辑检测、逻辑模拟等强大功能。实现了与机械设计的协作，快速的交互式布线引擎，提高了电路板布线进程。这些功能可以帮助电子工程师们设计更加精密复杂的电路板。

本次设计选用Altium 公司的Altium designer09作为软件平台，设计一个16×16点阵显示屏电路，以AT89S52单片机为核心器件，主要包括串行输入转并行输出模块、单片机I/O扩展模块、点阵显示模块、电源供电模块等几大部分组成。能够实现16×16点阵汉字与图形的左右上下滚动显示，电路采用串行输入转并行输出芯片

74HC595，大大节约的单片机的I/O。

关键词电子设计，Protel， Altium designer，16×16点阵

16×16矩阵显示系统研究

第一章引言

在微型计算机技术使用上，单片机主要用与工业测控，如家用电器，计算机外围设备，工业智能化仪表，机器人，生产过程的自动控制，农业，化工，军事，航空航天等领域等，都有着巨大的作用。

作为21世纪的工科大学生，不仅要熟练地使用通用微机进行各种数据

处理，还要把计算机技术运用到本专业领域或相关领域，即具有“开发”能力。新世纪的工科大专院校的大学生既要掌握通用微机，又要掌握单片机，所以学习单片机这一门学科对我们的学习很重要。大家都知道，现在市面上已出现很多有关点阵显示器的商品，如广告活动字幕机、股票显示板、活动布告栏等。它的优点是可按需要的大小、形状、单色、或彩色来组合，可与微处理器连接，做各种广告栏文字或图形变化。因此可知汉字显示系统在人民的生活当中是何等的重要，也是研究的课题之一。

8×8点阵LED字符显示器系统在工业、各种比赛场合及日常生活应用中占有十分重要的地位，多年来，研究此项目的工程技术人员曾为简化电路、提高可靠性、降低成本，付出了很大的努力，做出不少成绩。如今，美观、价廉、体积小、高可靠性8×8点阵LED字符显示器的出现，为这一领域的技术打开了新的天地。

LED字符显示器发发展到今天已经从模拟化、分立化迈进数字化、集成化LED系统。它的最大优点在于采用AT89S52掉电工作方式构成高可靠、

低功耗系统方法。在单片机程序设计中，采用“模块化”思路，设计中大量硬件尽量用软件代替，从而简化了系统结构，减少电子元件虚焊，接触不良和漂移等引起的一些故障，而且使用方便，只须改变软件中几条伪指令即可。另外，本系统还可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性。系统的抗干扰设计，提高了系统的抗干扰能力。

在设计中重点要考虑单片机应用系统的设计。其中主要包括最小系统设计，系统扩展设计，信道与接口设计，系统抗干扰设计与应用软件系统设计等内容。这方面，本设计在系统硬件电路设计的选择上可略见一斑。为了不增大电路板的体积及减小功耗，本设计采用ATMEL公司的AT89S52单片机，体积小，工作电压范围宽，达到了设计最优化的目的。除此之外，一个实际的单片机应用系统还需要多种配置及其接口连接。单片机应用系统设计会涉及到更为复杂的内容和问题，如将会涉及到多方位接口和多种类型的电路结构，如模拟电路、伺服驱动电路、抗干扰隔离电路等。因此，单片机应用系统设计应遵循一些基本原则和方法。从一般应用角度，了解单片机应用系统的结构、设计的内容与一般方法，对于单片机应用系统的工程设计与开发有十分重要的指导意义。

第二章设计思路

2.1 显示原理及控制方式分析

1. LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。

根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图像等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。

图2.1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

图：2.1 18×8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号。如5×7点阵显示器用于显示西文字母，5×8点阵显示器用于显示中西文，8×8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。

2. LED动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。

最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样，竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上加高电平（用“1”表示），在某列线上加低电平（用“0”表示）。则行线和列线交叉点处的LED就会有电流流过而发光。

现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。其过程如

图2.2所示。

图：2.2 用动态扫描显示字符“B”的过程

3. LED常见的控制方式

目前常见的是并行传输方式如图2.3所示，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。但是这种

方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。

图：2.3 常见并行传输方式

随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。

（1）以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果

和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K 字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。

（2）以PIC单片机为控制器的LED显示屏。因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。

（3）以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。FPGA 以高速、并行著称。是近年来新兴的可编程逻辑器件。用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。因此被运用于双基色、三基色的显示系统。但是其成本较高，开发难度较大。

（4）以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更

新技术外，还能实时地显示视频信号。因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

2.2方案选择

基于系统功能与价格等多方面考虑，本次设计采用AT89S52单片机为核心控制器件，运用四个74HC573来控制四个点阵的1采用动态扫描的方式，巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性，来实现将连续的几帧画面高速的循环显示，从而显示出一幅图或一个汉字。通过移动行或列的扫描方向来实现上下左右滚动显示。

第三章系统的硬件设计与实现

3.1 设计原理及单元模块设计

硬件设计模块图根据设计任务的要求，经过分析可以将整个点阵显示屏电路系统分成七个模块，即为单片机小系统模块、I/O口扩展模块、16×16点阵显示模块以及串行输入转并行输出模块等。本设计的原理框图如下图3.1所示。

图：3.1 16×16点阵显示屏原理框图

3.2 硬件电路设计

1. 单片机主控制模块

本此设计综合考虑成本及功能，选择ATMEL公司的89系列单片机，它是具有卓越的性能、低廉的价格、完美兼容性、快捷便利的电擦除操作、低电压，低电源，低功耗的一款应用广泛的8位单片机。

如图3.2所示AT89S52是40脚双列直插封装的8位微处理器。

图：3.2 AT89S52引脚图

复位方式有两种：按键复位与软件复位。由考虑到程序的简洁、避免冗长，本设计采用按键复位，在芯片的复位端口外接复位电路，通过按键对单片机输入一个高电平脉冲，达到复位的目的。如图3.3为外接复位按键复位方式。

图：3.3 外接复位按键复位方式

2. 16×16点阵显示模块

考虑节约单片机的I/O口资源以及显示系统的可扩展性，本次设计采用串行输入转并行输出控制器74HC595分别来控制点阵的行和列。如下图3.4所示，控制四个点阵只需四个端口D1～D4即可，大大节约了单片机的I/O 口资源。

图：3.4 16×16点阵显示模块

第四章系统的软件设计

本次设计采用了C51语言编写程序。在程序设计过程中，为了有效的完成任务，把所有要完成的任务精心的分割成若干个相对独立的任务模块，这些模块是得任务便得相对简单，容易编写，容易检测，容易阅读和维护。这是所谓的模块化程序设计思想。

4.1 主程序设计流程

根据设计要求，本项目的软件工作应完成串行输入转并行输出、16×16点阵显示图形汉字、电源供电及ISP程序下载等功能。软件流程框图如图4.1所示。

图：4.1 主程序设计流程图

1. 电路的C语言源程序设计

根据点阵显示屏系统电路的软件流程图，可以得知最终要实现的功能是16×16点阵显示不同图形与汉字。能够实现图形或汉字的左右上下滚动显示，从而可以简单地将这几种显示用几个不同的显示函数来表示，即为：voiddisplayl(ucharcode*p)；//左移动显示函数

voiddisplayr(ucharcode*p)；//右移动显示函数

voiddisplayu(ucharcode*p)；//上移动显示函数

voiddisplayd(ucharcode*p)；//下移动显示函数

根据一般的显示函数的编法方法，要保证显示的持久性一般采用死循环语句来实现。因此显示程序不能单独执行太久，需要与其他指示程序分时执行。要求扫描速度很快才能稳定显示。为了使整个系统时间精确稳定，采用定时器中断处理变量。主要的函数如下所示：

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

sbitSHCP=P1^0; //Shiftregster

sbitSTCP=P1^1; //Storageregester

sbitDI=P1^2; //datein

voiddelay(uint); //delay函数

voidset(uchar); //串行输入函数

voiddisplayl(ucharcode*p)；//左移动显示函数

voiddisplayr(ucharcode*p)；//右移动显示函数

voiddisplayu(ucharcode*p)；//上移动显示函数

voiddisplayd(ucharcode*p)；//下移动显示函数

ucharcodetableh[]={}；//显示字符代码----C51取模软件

voidmain(){}

结论

在做本次毕业论文的过程中，我感触最深的当属查阅资料与软件学习了。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电子类书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。只有认真学好理论基础知识，再加以实践，才能学好一项技术。作为一名电子专业的学生掌握一种或几种仿真软件与绘图软件同样是必不可少的，Altium Designer就是其中的一种。

另外，课堂上学到的部分知识不太清楚或理解不深刻，于是通过实践来亲手操作一下，能够更好的理解与掌握所学知识，同样在实践中巩固了所学知识。这也是我作本次课程设计的第二大收获。由于现在还处于初学阶段，对好多所学知识理解不够深刻，尤其是软件运用方面还有待进一步提高。在调试中遇到了很多问题，但最重要的是要有耐心，一步步的排查。有时候善于向别人寻求帮助是很好的解决问题的方法，通过被人的讲解与讨论，你不仅可以解决问题，还可以学到一种解决问题的新思路。其实当真正掌握一门技巧时也觉得其实也不像想象的那么难，只要不怕失败，敢于尝试，就一定会成功的。

对于整个设计我基本上还算满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。由此我可用更好地了解到自己的不足，以便今后加以弥补。

致谢

大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。

首先诚挚的感谢我的论文指导老师唐天聪老师。唐老师学识渊博、思想活跃，对学生循循善诱、热情、耐心的帮助，激励着我努力学习，不断进取。在毕业设计期间，为了使我能如期按质量完成论文，老师给我提供了很多相关资料并提出不少宝贵的建议，严格要求，全力监督。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了三年的学习生活。同时，感谢重庆旅游职业学院的全体领导，感谢你们的辛勤培育，感谢你们这三年以来对我们的关心与教导！感谢这三年来曾给过我知识的各位老师，是你们治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人的品性感动了我，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则。这些都将使我终生受益。借此机会向各位老师表示衷心的感谢！