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基于MCS-51的16x16点阵LED电子显示屏的设计
1.背景介绍
1.1 LED及LED显示屏
LED 就是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管。在LED 的p - n 结附近,n 型材料中多数载流子是电子,p 型材料中多数载流子是空穴。p -n 结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p 区的空穴和n 区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p - n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν(h 为普朗克常数,ν为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev) ,其与发光波长λ(nm) 的关系为λ= 1239. 6PEg。
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。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。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。
1.2 MCS-51系列单片机简介
1.2.1 MCS-51系列单片机及其特点
①可靠性高：
因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。
②便于扩展：
片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。
③控制功能强：
具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。
④实用性好：
体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。
1.2.2 单片机的发展历史简介
①第1阶段(1971年—1978年)，以MCS-48系列为代表，称4位单片机。在片内：CPU有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口，无串行接口；只有1个8位的定时/计时器；中断源只有2个。在片外：寻址范围只有4KB；芯片引脚有40个。
②第2阶段(1978年—1983年)，以MCS-51系列为代表，称8位单片机。在片内：CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2个或3个16位的定时/计时器；中断源有5至7个。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有40个。
③第3阶段(1983年以后)，以MCS-96系列为代表，称16位单片机。在片内：CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4个16位的定时/计时器；中断源有8个；增加了D/A和A/D转换电路。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有48个或68个。
以上MCS-51系列以其优良的性价比，在我国得到了广泛的应用。
3.功能要求
设计一个室内用16x16的点阵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，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
4.方案实现
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16x16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16x16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16x16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，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，而采用另外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。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
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以传输到位之后，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）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，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。图1为显示屏电路实现的结构框图。
图1，显示屏电路框图
4.1 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。
4.1.1单片机系统及外围电路
单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。16x16的点阵显示屏的硬件原理图如图2所示（在附录A）。
4.1.2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。
QB 1 16 Vcc
QC 2 15 QA
QD 3 14 SI
QE 4 13 G
QF 5 12 RCK
QG 6 11 SCK
QH 7 10 SCLR
GND 8 9 QH
图3. 74HC595外形及引脚
4.1.3行驱动器
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20MA电流计算，16个LED同时发光时，需要320MA电流，选通三极管8550作为驱动管可满足要求。
4.2.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，可以把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。
从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。
4.2.1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扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频）=1/16×T0溢出率
=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4为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。
图 4 显示驱动程序流程图
4.2.2系统主程序
本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
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“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上滚动显示“我爱单片机”这5个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，
所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。
单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。
图5是系统主程序流程图。
图 5 系统主程序流程图
5性能分析与总结
5.1 性能分析
LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可 正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表5.1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
表5.1 显示平刷新率与T0初值关系表（24MHz晶振）
刷新率 25 50 62.5 75 85 100 120
T0初值 0Xec78 0Xf63C 0Xf830 0xF97E 0XFA42 0XFB1E 0xFBEE
从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。
显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者可以照源程序自行分析。
这个方案设计的16x16的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。
5.2 总结
本文设计的一个室内用16x16的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。
总结本文的研究工作，主要做了下面几点较突出的工作：
一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED显示屏与其它显示屏相比较有那些
优点，明确了研究目标。
二，本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
三，文章给出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。
四，在这次毕业设计的过程中学会了 Protel 99se 的基本使用，感到Protel 99se 对自动化专业的同学来说是一门很有用的课程。
五，通过这次毕业设计，重新复习并进一步学习了MCS-51；熟练掌握了WORD软件的使用。
六，存在缺陷：没有考虑抗干扰的问题。
致谢
本文是在黄金明老师的悉心指导下完成的。从课题的立项、选题到课题的开发与研究，再到本论文的撰写到定稿的每一步工作都倾注着黄老师的心血和汗水，同时得到同学们相助，并提供了大量的资料. 在此，对于老师和同学们的帮助表示忠心的感谢。
参考文献
[1] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计与接口技术 .北京航空航天大学出版社，1990
[2] 任涛等.闪速存储器数据及应用简明速查手册.电子工业出版社，1997
[3] 何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社，2000
[4] 张毅刚等.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业电子出版社，1996
[5] 邬宽明.单片机外围器件实用手册.北京航空航天大学出版社，1998
[6] 张凯.LED介绍完全手册.北京航空航天大学出版社，2000
[7] 张友德等.单片微型机原理应用与实验，复旦大学出版社，1996
附录A 16x16的点阵LED图文显示屏的硬件原理图
附录 B 主要汇编程序清单
以下是16x16的点阵LED电子图文显示屏的源程序采用汇编语言编写（也可采用C语言编写，C程序KeiluVision2 V2.30环境下调试通过。
以下为用汇编语言编写的字符显示控制程序：
； ***************************************
； * *
； * 单个16x16的点阵电子屏字符显示器 *
； * ATA89C52 12MHz晶振 *
； * 2004.2.11 LRM *
； ***************************************
；显示字用查表法，不占用内存，字符用16x16共阳LED点阵，
；效果：向上滚动显示5个字，再重复循环。
；R1：查表偏址寄存器，B：查表首址，R2：扫描地址（从00～0FH）。
；R3：滚动显示时控制移动速度，单字显示可控制静止显示的时间。
；*************；
；中断入口程序 ；
；*************；
；
ORG 0000H
LJMP START
ORG 0003H
RETI
ORG 000BH
LJMP INTTO
ORG 0013H
ERTI
ORG 001BH
ERTI
ORG 0023H
RETI
ORG 002BH
RETI
；
；***********；
；初始化程序；
；***********；
；
；
；***********；
； 主程序 ；
；***********；
；
START: MOV 20H,#00H ；清零标志，00H为第16行开始扫描标志，01为1帧
；扫描结束标志
MOV A,#0FFH ；端口初始化
MOV P1,A
MOV P1,A
MOV P3,A
MOV P0,A
CLR P1.6 ；串行寄存器输入打入输出控制位
MOV TMOD,#01H ；使用T0做16位定时器，行扫描用。
MOV TH0,#0FCH ；1ms初值（12MHz）
MOV TL0,#18H
MOV SCON,#00H ；串口0方式传送显示字节
MOV IE，#82H ；T0中断允许，总中断允许
MOV SP，#70H
MAIN： LCALL DISI ；显示准备，黑屏，1.5s
MOV DPTR,#TAB
LCALL MOVDISP ；向上滚动显示一页（8个字）
INC DPH
LCALL MOVDISP ；向上滚动显示一页（8个字）
INC DPH
LACLL MOVDISP ；向上滚动显示一页（8个字）
AJMP MAIN
；
；
；***********************；
； 多字滚动显示程序 ；
；***********************；
；每次8个字，入口时定义好DPTR值
；
MOVDISP: MOV B,#00H ；向上移动显示，查表偏值暂存（从00开始）
DISLOOP: MOV R3,#07H ；移动速度
DISMOV： MOV R2,00H ；第0行开始
MOV R1,B
SETB TR0 ；开扫描(每次一帧)
WAITMOV: JBC 01H,DISMOV1 ；标志为1扫描一帧结束（16ms为1帧，每行1ms）
AJMP WAITMOV
DISMOV1: DJNZ R3,DISMOV ；1帧重复显示(控制移动速度)
INC B ；显示字的下一行（每行2字节）
INC B
MOV A,R1 ；R1为0，8个字显示完
JZ MOVOUT
AJMP DISLOOP
MOVOUT: RET ；移动先是结束
；
；
；****************；
； 单字显示程序 ；
；****************；
；显示表中某个字；
；****************；
DIS1: MOV R3,#5AH ；静止显示时间控制（16ms*#=1.6s）
DIS11: MOV R2,#00H ；一帧扫描初始值(行地址从00～0FH)
MOV DPTR,#TAB ；取表首址
MOV R1,#00H ；查表偏址(显示第一个字)
SETB TR0 ；开扫描（每次一帧）
WAIT11: JBC 01H,DIS111 ；为1，扫描一帧结束
AJMP WAIT11
DIS111: DJNZ R3,DIS11
RET
；
；
；************；
； 扫描程序 ；
；************；
；1ms刷新一次，每行显示1s
INTT0： PUSH ACC
MOV TH0,#0FCH ；1ms初值重装
MOV TL0,#18H
JBC 00H,GOEND ；16行扫描标志为1，结束
INC R1 ；取行右边字节偏址
MOV A,R1
MOVC A,@A+DPTR ；查表
MOV SBUF,A ；串口0方式发送
WAIT： JBC TI,GO ；等待发送完毕
AJMP WAIT1
GO: DEC R1 ；取行左边字节偏址
MOV A,R1
MOVC A,@A+DPTR
MOV SBUF,A
WAIT1: JBC T1,GO1
AJMP WAIT1
GO1: SETB P1.7 ；关行显示，准备刷新
NOP ；串口寄存器数据稳定
SETB P1.6 ；产生上升沿，行数据打入输出端
NOP
NOP
CLR P1.6 ；恢复低电平
MOV A,R2 ；修改显示行地址
ORL A,#0F0H ；修改显示行地址
MOV R2,A ；修改显示行地址
MOV A,P1 ；修改显示行地址
ORL A,#0FH ；修改显示行地址
ANL A,R2 ；修改显示行地址
MOV P1,A ；修改完成
CLR P1.7 ；开行显示
INC R2 ；下一行扫描地址值
INC R1
INC R1 ；下一行数据地址
MOV A,R2
ANL A,#0FH
JNZ GO2
SETB 00H ；R2为01H，现为末行扫描，置标志
GO2： POP ACC
RETI
GOEND: CLR TR0 ；一帧扫描完毕，关扫描
SETB 01H ；一帧扫描完毕，置结束标志
POP ACC
RETI ；退出
；
；
；***************；
； 扫描文字表 ；
；***************；
；
TAB:DB 0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,00FFH,0FFH,0FFH ；黑屏
DB
0F9H,0BFH,0C7H,0AFH,0F7H,0B7H,0F7H,0B7H,0F7H,0BFH,000H,001H,0F7H,0BFH,0F7H,0B7H ；我
DB
0F1H,0D7H,0C7H,0CFH,037H,0DFH,0F7H,0AFH,0F6H,06DH,0F7H,0F5H,0D7H,0F9H,0EFH,0FDH ；
DB
0FFH,007H,0C0H,06FH,0EDH,0EFH,0F6H,0DFH,0C0H,001H,0DDH,0FDH,0BDH,0FFH,0C0H,003H ；爱
DB
0FBH,0FFH,0F8H,00FH,0F3H,0DFH,0F4H,0BFH,0EFH,03FH,09CH,0CFH,073H,0F1H,0CFH,0FBH ；
DB
0F7H,0DFH,0F9H,0CFH,0FBH,0BFH,0C0H,007H,0DEH,0F7H,0C0H,007H,0DEH,0F7H,0DEH,0F7H ；单
DB
0C0H,007H,0DEH,0F7H,0FEH,0FFH,000H,001H,0FEH,0FFH,0FEH,0FFH,0FEH,0FFH,0FEH,0FFH
DB
0FFH,0BFH,0EFH,0BFH,0EFH,0BFH,0EFH,0BBH,0E0H,001H,0EFH,0FFH,0EFH,0FFH,0EFH,0FFH ；片
DB
0E0H,00FH,0EFH,0EFH,0EFH,0EFH,0EFH,0EFH,0DFH,0EFH,0DFH,0EFH,0BFH,0EFH,07FH,0FFH
DB
0EFH,0FFH,0EFH,007H,0EFH,077H,001H,077H,0EFH,077H,0EFH,077H,0C7H,077H,0CBH,077H ；机
DB
0ABH,077H,0AFH,077H,06EH,0F7H,0EEH,0F5H,0EDH,0F5H,0EDH,0F5H,0EBH,0F9H,0EFH,0FFH ；
DB
0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH ；黑屏
DB
0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH ；
END
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