LED点阵显示系统设计.pdf

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1、第 1 5卷第 4期 2 0 0 6年 1 0月 云南民族大学学报( 自然科学版 ) J o u r n a l o f Y u n n a n N a t i o n a l i t i e s U n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e s E d i t i o n ) V0 1 1 5 No 4 0c t 2 0 0 6 L E D点阵显示 系统设计 康志亮 廖 国刚 ( 1 电子科技大学 电子工程学院， 四川 成都 6 1 0 0 5 4； 2 四川农业大学 信息工程技术学院， 四川 雅安 6 2 5 0 1 4 ) 摘要L E

2、 D点阵显示器作为一种新兴的显示器件， 是由多个独立的 L E D发光二极管封装而成 以88 LED点阵显示 器为例， 单片机 A T 8 9 C 5 1 作控制器， 探讨简单的汉字、 英文字母和动态图象显示技术 ， 以及实时的温度测量显示 关键词点阵显示器； 单片机； 温度传感器； 数据表 【 中图分类号】 T P 2 7 3 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 6 7 2 8 5 1 3 ( 2 0 0 6 ) c L 4 0 2 9 7 0 5 De s i g n o f a Di s p l a y S y s t e m o f L ED Ma t r i x Ka n g

3、Z h i l i a n g - L i a o Gu o g a n g ( 1 F a c u l t y o f E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ， U n i v e r s i ty o f E l e c t r o ni c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h e n g d u 6 1 0 0 5 4 ， C h i n a ； 2 F a c u l t y o f I n f o r m a ti o n E n n e e ri n g ， S i c h u an

4、 A g ri c u l t u r e U n i v e rsi ty， Y a an 6 2 5 0 1 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A s a p o p u l a r d i s p l a y d e v i c e c o mp o n e n t 。 L E D m a t ri x c o n s i s t s o f s e v e r a l i n d e p e n d e n t L E D(1 i g h t e mi t ri n g d i o d e ) T a k i n g 88 L ED ma t ri x

5、 w i t h the c o n tr o l l e r o f s i n g l e c h i p mi n i c o mp u t e r AT 8 9 C 5 1 a s a n e x a mp l e ， we d i s c u s s t h e d i s p l a y t e c h n o l o gy o f Ch i n e s e c h a r a c t e r ， En g l i s h l e t t e r ，d y n a mi c i ma g e a n d r e a l t i me t e mp e r a t ur e m ea

6、sure Ke y wo r d s ： L ED ma t ri x； s i n g l e c h i p mi c r o c o mp u t e r ； t e mp e r a t u r e s e n s o r ； d a t a t a b l e L E D点阵显示器是 由多个独立 L E D发光二极 管封装而成的一种半导体显示器件 与传统 的单个 发光二极管组成的显示器相 比， 前者具有焊点少 ， 连 线少 ， 所有发光点在同一平面 ， 亮度均匀 ， 外形美观， 性价 比高等优点 不仅能用作数字 、 符号、 西文字母 显示 ， 还可以显示 中文汉字 本文以 8 8 L

7、 E D点阵 显示器为例 ， 采用 A T ME L公 司的高性能 8位单 片 机 ， 探讨简单 的汉字 、 英文字母 和动态 图象显示技 术 ， 同时引入总线型数字温度测量探头 D S 1 8 B 2 0完 成数据采集， A D转换 ， 数据处理 ， 实时温度显示功 能， 为大型系统的研发和生产提供思路 1 设计方案 本文设计的 L E D点阵显示系统主要实现的功 能是中文汉字和英文字符的逐个显示、 向上移动显 示和向左移动显示 ， 同时还能显示简单 的动态图象 ， 以及实时的温度测量显示 系统 由硬件和软件两大 部分组成 其中硬件部分在设计上采用 了单片机最 小化设计原理 ， 即整个系统涵

8、盖了输入设备7 1键盘 ， 中央处理器单片机 A T 8 9 C 5 1和输出设 备88 L E D点阵显示器 3部分 ， 符合最小微机 原理 系统处理器选用的是 A T M E L公司的 8位高性 能单 片机 A T 8 9 C 5 1 ， 显示器选 用的是 88的 LE D 红绿双色点阵， 可以实现简单的汉字和符号显示 ， 同 时可以配出红、 绿、 橙三种颜 色 另外本系统还配备 了先进的总线型数字温度传感器 D S 1 8 B 2 0 ， 它 只要 一 个端 口就可以完成数据的读 出和命令的写入 ， 并 且不需要对温度进行标定 ， 具有操作简单 、 工作可靠 的特点 整个 系统全 部硬件

9、均采用 P r o t e 1 9 9 S E 专 业电路设计软件完成设计 ， 采用 M u l t i s i m 2 0 0 1 L 2 实 时仿真软件完成仿真 软件部分 的基本设计思路是 主程序加功能子程序， 再加判断程序组成 其中主程 收稿 日期 ： 2 0 0 6 0 3 2 8 作者简介： 康志亮( 1 9 7 6) ， 男， 四川雅安人 ， 助教， 硕士研究生， 主要从事自动控制和信息处理的学习与研究 2 9 7 维普资讯 http:/ 云南 民族 大学学报 ( 自然科学版) 第 1 5卷 序作为整个软件流程的指挥 ， 协调程序有序运行 ； 判 断子程序是功能选择的人 口， 为选

10、择相关功能程序 做准备； 功能程序则是系统 的灵魂所在 ， 因此采用了 模块化的设计思想 ， 将系统 的 7个功能全部分开封 装为模块 ， 作为子程序调用 这样编写的程序不仅代 码简单 ， 条理清楚 ， 而且易于读 写和修改 同时程序 编写采用汇编语 言 完成， 采用 K e i l u Vi s i o n 2完成 软件调试 ， 使得代码执行效率高 ， 可移植性好 2 设计 方法 2 1 系统硬件设计 2 1 1 总体设计 L E D点阵显示系统硬件部分采用了 A 9 C 5 l 单 片机最小化应用设 计 J ， 工作 时钟为 1 2 M H z ， 采 用 8 8 L E D点阵显示器动态

11、扫描实现红绿双色显示 整 个硬件系统主要分为 4个部分： 单 片机部分 ， 包括其 外围复位及时钟源电路 ； L E D点阵显示部分 ， 包括输 人限流和行扫描驱动电路； 温度测量 电路， 以总线型 温度探头 D S 1 8 B 2 0为主； 电源 电路 ， 整机 采用 9 V迭 层电池供电， 通过稳压集成 I C得到 +5 V电源为系统 供电 系统原理框图见 图 1 图 1 系统原理框图 从图中可以看出， 系统 的工作原理是 ： 由 5 V稳 压电源为整机提供标准供 电电源 ， 键盘作为功能选 择的输入， 当按下任意键时 ， 单片机内部键扫描程序 置某一标志位 ， 同时转相关功能程序 ， 在

12、 L E D点 阵 上时实显示 出来 其 中功能一到六均 由内部程序完 成显示功能， 而功能七对应的温度测量 ， 是 由温度传 感器 D S 1 8 B 2 0完成外界温度检测 ， 内部 A D转换和 数据输出， 再由单片机处理数据 ， 转换为时实温度值 显示输出 其 中单片机 A T 8 9 C 5 1的端 口定 义为 ： P 0 端 口定义为绿色列驱动输 出； P 1端 口定义为红色列 驱动输出； P 2端 口定义为行扫描输出； P 3口的 P 3 0 定义为温度传感器 的数据端 口； P 3 1 P 3 7定义为 功能选择键输人， 具体定义如表 1 整个系统 占用了 A T 8 9 C

13、5 1 所有端 口， 最大 限度 的利用了资源 2 9 8 表 1 功能键及端 口定义 2 1 2 主要元器件介绍 1 ) 单片机 A T 8 9 C 5 1 L E D点阵显示系统采用 的核心控制芯片为单 片机 A T 8 9 C 5 1 ， 它是美 国 A T ME L公司生产 的低 电 压， 高性能 C O MS 8位单片机，片内含 4 K B的可反 复擦写的只读程序存储器( P E R O M) 和 1 2 8 B的随机 存取数据存储器( R A M) ， 同时片 内置通用 8位 中央 处理器( C P U) 和 F L A S H存储单元 ，全面兼 容标 准 的 MC S - 5 1

14、指令 系统 ， 可适 用于众 多 的控 制领域 L E D点阵显示系统 的电源部分采用美 国国家半 导 体公司生产的 L M 7 8 0 5提供标准的 + 5 V电源 2 ) 8 8 L E D点阵显示器 L E D点阵显示系统采用 的显示输 出为 8 8红 绿双色共阳极 L E D点阵屏 它在每一个显示点均封 装了红绿两种发光二极管 ， 通过控制不 同的选通信 号即可操作到任意一个点 ， 实现红色、 绿色或红绿混 色成橙色显示 3 ) 温度传感器 D S 1 8 B 2 0 L E D点阵显示 系统采用 的温度传感器是美 国 D A L L A S公 司 生 产 的 总 线 型 数 字 温

15、度 传 感 器 D S 1 8 B 2 0 它是 D AL L A S公 司开发 的智 能温度传感 器 ，温度测量范围为 一 5 5 +1 2 5 ， 可编程为 9 位 l 2位 A D转换精度 ， 被测温度 串行输 出 C P U 只需一根端 口线就能与 D S 1 8 B 2 0 8通信 ， 适用于大 多数温度测量和控制场合 本文在设计温度传感器 部分由于只挂接 了一个 D S 1 8 B 2 0 ， 故直接与单片机 的 P 3 0端 口通信 ， 同时在编程时发送相应命令跳过 R O M匹配 ， 直接读取 温度值 D S 1 8 B 2 0与单片机 的 接 口电路见图 2 Vpu 丰 -7

16、 K l _w ire B 。 h a a 一 ： h 一 。 R。 。xffi。 。R。e。c。e。 。i。v。 。e。 图2 D S 1 8 B 2 0 接 口电路图 维普资讯 http:/ 第4期 康志亮等： L E D点阵显示系统设计 2 1 3 L E D点阵显示系统的硬件原理 ( 图 3 ) l V C C 图3 L E D点阵显示系统的硬件原理图 设计 中考虑到以下几点 ： 1 ) 改变 L E D驱动电阻大小可以改变显示字符 亮度 ； 2 ) 单片机 A T 8 9 C 5 1 第 3 1脚( E A) 不可悬空， 必 须接高电平 ， 否则程序无法正常运行 ； 3 ) 行扫描驱

17、动 电路是 由八组三极管 组成的开 关电路构成 ， 为保证 L E D点阵的显示亮度， 三极管 选用的是较大功率 的 2 S C 8 5 5 0 P N P管 当单 片机 的 P 2口任意端 口输出为低电平时 ， 对应的开关电路 中 三极管就会导通 ， 从而为某一行显示提供电流 2 2 系统软件设计 系统软件 的开发平台为 Wi n d o w s X P， 开发软件 为 K E I L C， 开发语言为 MC S - 5 1汇编语言 系统软件 编程的基本思路是将系统 7大功能分别封装为模块 F U N 0F U N 6 ， 同时设定好 每个模块 的人 口地址 以 便主程序调用 然后分配一个可

18、位寻址的判断地址 2 0 H， 把它的每一位对应于各个功能模块的人 口， 相 当于一个多位的拨动开关 ， 拨到哪个位置就转 相应 功能模块执行 最 后 由主程序 S T A R T来循环检测 2 0 H单元判断位 ， 控制功能模块 的正常运行 2 2 1 系统内存分配表 2 0 H单元为功能标 志位 ， 其 中任一位对应于一 个功能 2 0 H 0 对应功能 F U N O ， 逐个显示“ 四川 I 农业大学” 2 0 H 1 对应功能 F U N 1 ， 向上移动显示 “ 四 川农业大学” ； 2 0 H 2 对应功能 F U N 2 ， 向左移动 显示 “ 四川农业大学” ； 2 0 H

19、3 对应功能 F U N 3 ， 向左移动显示本文作者邮箱； 2 0 H 4 对应功能 F U N 4 ， 动 态 变 幻 显 示 光 柱 ； 2 0 H 6 对 应 功 能 F U N 6 ， 实时温度测量显示 表 2系统 内存分配 地址 定义 5 0 H- 7 F H单元 3 8 H单元 3 7 H单元 3 6 H单元 3 1 H单元 3 0 H单元 2 9 H单元 2 8 H单元 2 l H一 2 6 H单元 字符数据存储单元 D S 1 8 B 2 0的检测标志位 转换温度值十位存放地址 转换温度值个位存放地址 换帧跳转步距存放地址 1 帧显示时间控制 读出温度低 8位存储单元 读出温

20、度高 8位存储单元 向左移动显示时内存地址交换单元 根据模块化的设计思想 ， 整个软件可 以分为 3 个部分 J ： 2 2 2 主程序 主程序主要是负责 L E D点阵显示系统七 大功 能的选择 ， 数据处理和显示驱动 当系统上电时首先 调用初始化程序( C L E A R M E N) 对系统进行初始化 ， 将 P o 、 P 1 、 P 2 、 P 3端 口全部置 1 ， 同时关闭显示器 然 后调用键扫描程序( K E Y WO R K) 读一次按键开关状 态， 由键标志位值 2 0 H单元决定显示方式 当某一 位为 1时即转相应的功能程序执行 2 2 3 按键判断子程序 按键判 断 子

21、 程序 定 义 在 P 3端 口的 P 3 1至 P 3 7， 当某一个端 口为低电平 时( 有键按下) 将 2 0 H 内存单元相应的位置 1 ， 再 由主程序判 断执行相应 的操作 按键判断子程序采用的是简单的读端 口判 断方式 ， 其中按键 1程序如下 ： K E Y WOR K： MO V P 3 ， K ) F E H ； 置 P 3口为输入状态 J N B P 3 1 。 K E Y 1 ： P 3 1为O ( 键按下) 转 K E Y1 J NB P 3 7， KEY 7 KEYRE T： RE T KEY1：LCAL L DL1 0 MS J B P 3 1 KEYRE T S

22、 ET B o oH CLR CLR CLR CLR CI J CL R RET O 1 H O 2 H O 3 H 0 4H 0 5 H o 6H ； P 3 7为O ( 键按下) 转 K E Y ： 无键按下 ， 子程序返回 ； 延时 1 0 MS削抖动 ； 是 干扰转 K E Y R E T结束 ； 置功能显示方式 1标志 ( 2 0 H 0=1 ) ： 子程序返 回 程序首先调用 1 0 ms 的延时程序来消除按键抖 动 ， 然后用一句置位指令将 2 0 H单元 0 1位置 l即 可完成按键 1判断功能 2 9 9 维普资讯 http:/ 云南民族大学学报( 自然科学版) 第 1 5卷

23、 2 2 4 功能子程序 本文设计 的 L E D点阵显示系统共有 7个功能 ， 故有 7个功能子程序 ， 主要思想介绍如下 ： 1 ) 逐个 显示 “ 四川农业 大学” 程序 F U N 0和向 上显示 “ 四川农业大学” 程序 F U N 1 ， 两个程序原理 相似 ， 仅是显示帧时间和换帧步距不同 程序运行时先调用初始化程序 C L E A R将待显 示的字符数据从 R O M 表 中装人 内存单元 5 0 H到 7 F H中 每字占用 8个地址单元 然后设定一帧显示 的时间 3 0 H 单元 和显 示下 一 帧 的步 距值 存放 在 3 1 H单元 同时再 将显示 数据存放 地址送 B

24、寄存 器 ， 供显示程序调用 显示程序采用动态扫描方式编 写 ， 由显示主程序和显示子程序组成 程序如下 ： ； 显示主程序 DI S P1： M O V B ， # 5 0 H； 显示数据首址 MO V R 4 ， 3 0 H； 放入 1 帧显示 时间控制数据 MO V R 5 ， 3 1 H； 放入跳 转步 距控制数据 LOOP： LCAL L DJ NZ M0V M0V M0V M0V M0V M0V M0V DI SL 00P M0V M0V M0V M0V C J NE UMP CONT： ADD M0V A J MP DI SPL AY M0V LCALL I NC M0V RL

25、M0V 3 0 0 D I S P L A Y； 调用显示子 程序一 次 R 4 L O O P； 1帧显示时间未到再转 L O O P 循环 R 4， 3 0 H； 1帧显示时间到， 重装初值 P 0， A； P 1 ， A； 关显示数据 P 2 ， A； 关扫描 R 6 ， # O F E H； 赋 扫描 字 R 0 ， B； 赋显示 数据首地址 R 7 ， # 0 8 H； 一次扫描 8行 A， R 0 ； 取显示数据 P 1 ， A； 放入 P 1口 P 2 ， R 6 ； 扫描输出 A， B ； A， # 7 8 H， C O N T； 不是末地址转 C O N T S T A R

26、T 1 ； 是末地址 ， 一 次显示完跳回 S T A R T 1 A， R 5 ； 次帧扫描 首址调 整 B， A； L O O P； 转 L O O P进行次 帧扫描 ( 显示 子程序 ) A， # O F F H( 显示本行) D L 1 M S ； 亮 1 毫秒 R 0； 指 向下一行数据 地址 A， R 6 ； 扫描 字移入 A A； 循环 左移一位 R 6 ， A ； 放 回 R 6 D J N Z R 7 ， D I S L O O P ； 8行扫描未完 转 D I S L O O P继续 R E T ； 8行扫描结束 2 ) 向左显示 “ 四川农 业大学” 程序 F U N 2

27、和向 左显示本文作者邮箱程序 F U N 3 ， 二者程序完全一 样 ， 仅在读人数据表时不同 向左显示程序与逐个显 示和 向上 显 示 程序 的基 本 构 架 是类 似 的， 只 是 F U N 2和 F U N 3中增加 了一个显示数据 内存交换子 程序 MO V H1 程序流程图见图4 ( a ) ( a ) 动 态 光 柱显 示 开始 ( F UN4 ) R4 、R 2 赋 初 值 、 查表 将 显 示 数据 送P 口 I R 2 自 l 延 时 显 示一 段 时间 I N Y N = 、 ： ： ： 跳 回S T AR T1 循 ( b ) 图4程序流程图 维普资讯 http:/ 第

28、4期 康志亮等： L E D点阵显示系统设计 3 ) 动态变换光柱显示程序 F U N 4 ， 它 的功能是 在 8 8 L E D点阵上显示柱形 ， 首先红色光柱从上到 下平滑移动 3次 ， 然后绿色光柱从下到上平滑移动 3次 ； 其次以橙色 ( 红绿混 色) 背景绿色光柱从右到 左平滑移动 3次， 然后以橙色 ( 红绿混色 ) 背景绿色 光柱为起点 ， 红色光柱从左到右平滑移动 3次； 最后 红色光柱从右到左 ， 绿色光柱 从左到右相向平滑移 动3次并在中间混色， 如此循环下去 。 程序流程图 见图 4 ( b ) 温 度测 量 程序 开 始F U N6 置P 3 0 为 l 准 备 测量

29、 复位 一 次 ( I NT T l 8 2 0 ) 检 测Ds l 8 B2 0 写 入# 0 CC H命 令 、跳过ROM匹配 写 温度 转 换 命 令# 0 4 4 H 写 入读 温 度 命 令# 0 BE H 调用 读 程序 读 出温度 并对 数据 处 理 图5 温度测量显示程序 4 ) 实时温度测量显示程序 F U N 6 本文设计 的 L E D点阵显示 系统要求温度测量 部分测量范围为 0 C 9 9 C， 测量精度为 1 o C 因 此在读 出温度并对数据处理部分先将保存温度低 8 位的2 9 H单元的低四位字节舍掉 ， 即不显示小数部 分 接着将保存温度高 8位 的 2 8

30、H单元的低 四位字 节移人 2 9 H单元 的高四位 ， 这样重组后的 2 9 H单元 即是实际的温度值 另外温度显示采用 8 8 L E D点 阵分屏显示 ， 个位和十位分别占用半个显示屏 ， 在程 序设计时将显示数字 09十个数字分别 编程为十 个显示子程序 ， 用一句 J MPA+D P T R散转指令来 查表显示相应的数字 程序流程 图见图5 3 设计成 果 本文设计的 L E D点阵显示系统附有样机 ， 系统 所有电路制作在一块 1 2 2 c m 7 9 c m 的双面电路 板 上 ， 共 安 装 L E D 点 阵 显 示 器 1个 ， 单 片 机 A T 8 9 C 5 1 一

31、个 ， D I P 4 0脚插座 1个 ， 三极管 2 S C 8 5 5 0 八个 ， 电阻 2 6个 ， 电容 7个 ， 1 2 MH z晶体 1 个 ， 温度 传感器 D S 1 8 B 2 0一个 ， 按键 开关 7个 ， 拨 动开关 1 个 总计 5 4个元器件 4 结语 本文设计的 L E D点阵显示系统实 现了包括温 度测量在 内的七大功能， 内容涉及单片机 ， 电路设计 以及汇编语言编程等诸多方面的知识 整个显示系 统设计完成后达到 了预期 的效果 ， 系统字符显示稳 定、 清晰、 无 闪烁 ， 动感显示新颖 ， 温度测量准确 但 由于本人专业知识有限 ， 特别是在软件编程方面

32、还 有不少的欠缺， 因此软件在运行中还有或多或少的 不足之处 ， 比如按键 扫描延迟 ， 温度显示亮度不高 等， 在将来的程序优化中还将有待完善 参考文献 ： 1 赵晶 P r o t e 1 9 9高级应用 M 北京： 人民邮电出版社， 2 0 0 0 2 郑步生， 吴渭 Mu l t i s i m 2 0 0 l电路设计及仿真入门与应用 M 北京： 电子工业出版社 ， 2 0 0 2 3 沈美明， 温冬婵 I B M P C汇编语言程序设计 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 1 4 张友德， 赵志英， 涂时亮 单片微型机原理、 应用与实验 M 上海： 复旦大学出版社 ， 2 0 0 0 5 楼然苗， 李光飞 5 1系列单片机设计实例 M 北京： 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 3 6 梁纯， 王军 基于 M C S 一 5 1 单片机的L E D点阵图文显示屏设计 J 工矿 自 动化 ， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 9 0 9 2 ( 责任编辑高飞) 3 0l 维普资讯 http:/