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1、汉字点阵系统的制作与应用摘 要本文介绍一个点阵LED显示系统，该系统以美国ATMEL 公司生产的40脚单片机AT89S51为核心，采用串行传输、动态扫描技术。以LED屏的显示电路和单片机控制电路为核心，采用C语言编程通过串行通信接口对LED显示系统显示参数的设定，实现点阵LED屏显示简单的数字、字母、汉字、图形等。该系统是通过S51芯片控制一个行驱动器74HC154和四个列驱动器74HC595来驱动显示屏显示。设计过程中综合应用了数字电路，模拟电路，单片机等方面的知识，并且还要学习protel软件和新的器件。 该系统特点是电路设计新颖、显示效果好、实用性强。理论与实际结合，本设计符合应用电子专
2、业的培养目标。关键字：AT89S51单片机； LED 点阵显示； 动态显示目 录引言11系统总体设计22系统硬件设计与制作22.1单片机的最小系统22.2系统总电路32.3 1632点阵屏42.4行驱动电路42.5列驱动电路42.6电源模块52.7系统PCB模块63程序流程图74结果调试与讨论8总结9致谢10参考文献11附 录12附件1实物照片12引言随着我国经济的高速发展，对公共场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场需求。目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。其已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场
3、、医院、电力、海关、体育场等多种需要进行公告、宣传的场所。由AT89S51为核心的点阵式LED汉字显示屏，在公共场所的应用也是非常广泛的。LED点阵显示器较为经济适用，它可以显示字符、数字、汉字和简单图形，可以根据需要使用不同字号、字型，显示亮度高低，并且对环境条件要求也比较低。LED显示又可以分为单色显示和双色显示，可以按照需要的大小、形状和颜色进行组合，并用单片机控制实现各种文字或图形的变化，达到宣传和提示的目的。本设计虽仅仅显示两个汉字，但通过扩展和程序编写，它可以显示8到10个，甚至更多。该LED显示屏用途广泛，一般用于各种公共场所，作为宣传和广告的工具。对于公共设施服务有着极为重要的
4、意义。1系统总体设计本系统由AT89S51、1个74HC154、4个74HC595及LED显示屏为核心组成的点阵式LED汉字显示屏，主要由24MHZ晶振电路、复位电路、51单片机、点阵阳极驱动电路、点阵阴极驱动电路、1632显示屏6部分组成。采用的AT89S51单片机最小化应用设计，P1口作为I/O口，输出行数据和控制信号，P2口作为I/O口，与“写”控制信号配合，输出列控制信号。LED显示采用动态扫描方式实现，控制电路部分由1片74HC154和4片74HC595传输信号，传输出来的信号通过74HC595输出。再通过编译最终达到依次显示汉字的目的。其系统设计框图如图1所示图1 系统设计框2 系
5、统硬件设计与制作2.1 单片机的最小系统AT89S51是一个低功耗，高性能8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供
6、了一种灵活性高且价廉的方案。若将LED点阵的行列端口全部直接接入89S51单片机，则需要使用32条I/O口，这样会造成I/O资源的耗尽，系统也再无扩充的余地，因此，我们在实际应用中只是将LED点阵的4-16线译码器74HC154来选择控制，至于列选扫描信号则是由74HC595译码器来选择，这样一来列选择控制只使用了单片机的4个I/O口，节约了很多I/O口资源，为单片机系统扩充使用功能提供了条件。该电路总共用到12个I/O口，采用P1口作为输出行数据和控制信号。P2口的4个口与“写”控制信号配合，输出列控制信号。P2口的另外4个I/O口是用作按键开关。单片机模块电路如图2所示。图2 单片机模块电
7、路2.2 系统总电路本系统采用AT89S51单片机最小应用系统作控制器，整个电路主要由单片机控制及其接口电路、驱动显示电路、电源电路等部分组成。总电路原理图如图3所示。图3 总电路原理图2.3 1632点阵屏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。驱动器采用74HC154。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。故在此我们采用74HC595作为列驱动。当74HC154扫描到某一行时，74HC595决
8、定哪一列该亮，就这样快速扫描，就形成了图像。2.4 行驱动电路此电路采用4/16译码器74HC154作为点阵的行驱动。将从RAM输出四个信号分别输入到74HC154译码器，然后输出16位行信号，经过16个1K的电阻，再输入16个PNP8550三极管的B极来进行对行信号的放大，其中所有的三极管的E极相连接+5V的电源，所有的C极接16个1K欧姆的电阻，得到的信号作为点阵LED的行输入信号，通过对154的四个输入信号进行控制，改变行信号。由154和595的信号，控制二极管的亮、灭来显示出所要求的字符、汉字。每个LED管亮需要7mA的电流，那么32个同时亮就需要224mA的电流，所以我们要对行进行驱
9、动，我们采用晶体管8550对行信号进行放大，使LED点阵能够正常显示。其行驱动电路如图4所示：图4 行驱动电路2.5 列驱动电路16行32列为一个基本单元，则列驱动需用4片74HC595，其工作原理为：将八片74HC595级连，共用一个串行时钟CLK及数据锁存信号STR。当第一行需要显示的数据经过84=32个CLK时钟后将全部移入74HC595中，此时产生一个数据锁存信号STR，使数据锁存在74HC595的后级锁存器中，同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高平，显然第一行LED管子的亮、灭取决于74HC595中所锁存的信号；在第一行LED管子点亮的同时，
10、在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，并同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管子点亮以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像，其列驱动电路如图5所示：图5 列驱动电路2.6 电源模块设计采用5V电源电压为其供电。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波器电路以及稳压电路所组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的值，然后经过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须经过滤波电路加以滤波（一般有10%左右的波动）负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤
11、波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。选用输出电压固定为+5V的三端集成稳压器7805.变压器将电网220V电压变为+6V电压，经桥式整流后，送入7805的输入端，电容C1和C2用来实现频率补偿防止稳压器7805产生高频自激和抑制电路引入的高频干扰，C3是点解电容，以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。其电源电路图如图6所示：图6 电源电路图2.7 系统PCB模块本作品采用通用的Protel 99SE版软件完成PCB图的设计。本设计用的元件数量不算多，用到2块集成块、一片单片机与多个电阻和三极管及16*32的点阵屏，但是他们
12、的连接却是相当复杂的，因此我们设计两块PCB图，即主控制电路图和点阵屏电路图。我们采用的是单面布线策略，多处还使用到跳线、排针与排线来连接。已设计好的PCB图如图7所示。图7 系统PCB图3 程序流程图程序在初始化后将存储在ROM内部的站点信息读出，送至单片机的RAM，初步的进行汉字点阵转换，转换后的数据处理送至行驱动和列驱动，一般行的用74LS154，列用74HC595控制，工作原理是当154扫描到某一行时，595决定哪一列该亮，就这样快速扫描，形成了图像了。它是用动态显示的原理工作的，即每个时刻只有一个LED被点亮,因为它的工作频率很高,所以人的眼睛看不出来它是动态的,LED点阵输入端有行
13、和列,在不同的行和列之间接入信号相应的LED就会被点亮,但同时只能有一个行和列被接入信号,否则会乱码. 为让人眼能看清楚字的显示，对它进行延时以控制显示效果，使其循环处理。当按下不同的按键时，即可让字不同的滚动，当显示完毕就可结束。其流程图如图8所示：图8 系统流程图4 结果调试与讨论根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对个电路模块功能进行逐级测试，LED驱动模块的调试，程序模块的调试等，最后将各模块组合后进行整体测试。点阵屏测试：用2节1.5V直流干电池串联的到3V电压，连接点阵屏测试各行各列点阵工作是否正常，显
14、示顺序是否正确。测试结果无误。主电路测试：将主电路连接到显示正常的点阵屏上，接上电源，结果点阵屏无法正常显示，点阵屏出现零散几个亮点。估计原因：（1）电路是否有出现断路现象。经万用表测试，各导线连接全部正常。（2）行驱动74HC154行驱动是否正常。我们换用另一块同样型号的74HC154，结果点阵屏还是无法正常显示。（3）晶振电路不起振。我们将原电路的12M晶振换为16M晶振。结果点阵屏能正常显示预期的字样，但闪烁感强烈。这时，我们估计是晶振频率不够，后相继换上24M个27M晶振，结果采用27M晶振点阵屏同样出现闪烁感，而采用24M晶振，点阵屏显示正常而且稳定，无闪烁感现象。最后测试：最后测试
15、左、右、上、下移动，移动正常。最后毕业设计实物调试成功。总结虽然本设计只是一块16*32汉字点阵电路的这几，但是通过这两个月的毕业设计，我受益匪浅，它是我大学三年所学知识很好的总结。它的制作过程使我认识到应用电子的重要性，让我知道时态的变化是多么的快，也让我知道应用电子在社会是处于一个什么样的地位。这些更让我坚定不移的继续学习应用电子技术，选择它是一个明确答案。以下是我在制作过程中，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，可显示文字，显示文字应稳定、清晰无串扰。文字显示有静止、左移、右移、上移、下移等显示方式。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 对电子专业的同学来说是一门非常重要且很有用的课程。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PCB版的制作过程。9