XXX毕业设计LED点阵显示屏

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摘要

现代社会中各种信息时刻的出现在人们的生活视线中，想让大家更好的，方便的获得这样的信息，LED显示屏发挥了很大的作用，包括在商场门口、公交站台、会议室、商店、售票大厅、银行等场所，各种信息都可以通过led显示屏显示，让客户、路人、顾客更多的获取他们想要的信息。本文介绍了LED点阵汉字显示屏的设计与实现过程。文中从显示原理和显示屏驱动电路设计，到软件的全部过程都分别做了分析和阐述，并附加了明确的程序流程说明。

该系统以单片机为主来控制整个系统的运行，采用动态扫描方式驱动显示屏主要包括三大部分：底层硬件的设计、硬件驱动设计、显示程序设计等。显示屏的驱动电路设计是整个系统的关键，它的质量优劣直接关系到显示的效果和系统的稳定性。如何获得最优良的显示效果，如何降低硬件借口复杂度提高系统稳定性，如何降低硬件成本等一系列问题成为设计显示屏系统的重点。

关键字：LED点阵显示屏，驱动电路，接口，触发

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Abstract

All kinds of information in the modern society appear in people's life, want you to get better, convenient such information, the LED matrix display screen has played a large role in the bazaar, including public platform, conference room, hall, Banks stores, ticketing, etc all kinds of information can be displayed through the LED,make more customers, clients, stranger for the information they want. The paper introduces the characters of LED matrix display screen design and implementation. This shows principle and display driver circuit design, the entire process of software are analyzed and expounded respectively, and the specific processes.

This system mainly use MCU to control the operation of the system, the dynamic scanning mode driver display mainly includes three parts:the basic hardware designs,hardware bottom drive design, display program design. The display circuit design is the key of the whole system, its quality directly related to that effect and the stability of the system. How to get the most excellent display effect, how to reduce the complexity system hardware excuses, how to reduce the cost of stability ,these problems are the key to display system design.

Key words: LED matrix, driving circuit, interface, trigger

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目录

摘要 .................................................................................................................. 1 Abstract ............................................................................................................ 2 1 绪论 ............................................................................................................ 5

1.1 选题的目的和意义 ......................................................................... 6 1.2 国内外现状及研究 .......................................................................... 7 2 设计任务 .................................................................................................... 9

2.1 基本功能 .......................................................................................... 9 2.2 方案选取 .......................................................................................... 9 3 硬件设计 .................................................................................................. 13

3.1 硬件系统的总体设计 ................................................................... 13 3.2 单片机系统设计 ............................................................................ 13

3.2.1 AT89S52单片机 ................................................................. 13 3.2.2 复位电路设计 ...................................................................... 16 3.2.3 时钟电路设计 ...................................................................... 17 3.2.4 ISP连接线接口设计 ........................................................... 18 3.3 驱动电路设计 ................................................................................ 20

3.3.1 行驱动电路设计 .................................................................. 20 3.3.2 列驱动电路设计 .................................................................. 22 3.4 16*16点阵屏 ................................................................................ 23

3.4.1 点阵工作原理 .................................................................... 23 3.4.2 点阵屏分类 ........................................................................ 24

4 软件设计 .................................................................................................. 26

4.1 主程序设计思想及流程图 ............................................................ 26 4.2 显示驱动程序设计 ....................................................................... 27 5 制作与调试 .............................................................................................. 29

5.1 器件的选择与采购 ....................................................................... 29

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5.2 单片机的测试 ............................................................................... 30 5.3 硬件及软件的调试 ....................................................................... 31 参考文献 ........................................................................................................ 34 致谢 ................................................................................................................ 35

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1 绪论

单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。例如，本文所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。

LED是发光二极管英文Light Emitting Diode 的简称，是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、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。 2.5m宽茶色和透明磨砂树脂板已由无锡正成企业安装调试成功。大大改善了LED的整体效果，有效时间达20年之久。

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。

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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电子显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统，是目前国际上极为先进的显示媒体。由于它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富、工作性能稳定以及对室内室外环境适应能力强等优点而日渐成为显示媒体中的佼佼者。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众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形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显示屏的发展过程。

汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如16*16点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码。而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语言，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。具体显示技术和原理将会在正文中得到详细论述。

1.1 选题的目的和意义

LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众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形势，因而在LED显示屏

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的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。

随着信息产业的高速发展，LED显示屏作为信息传播的一种重要手段成为现代信息化社会的一个闪亮标志。近年LED显示屏已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如银行、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布，政府机关政策、政令，各类市场行情信息的发部和宣传等。目前，对于那些需要显示的信息量不是很大，分辨率不是很高，又需要制造成本相对比较低的场合，使用大、小屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的，它可以用单片机控制实现显示字符、数字、汉字和简单图形，可以根据需要使用不同字号、字型。

特别是在现代社会中各种信息时刻的出现在人们的生活视线中，想让大家更好的，方便的获得这样的信息，LED显示屏发挥了很大的作用，包括在商场门口、公交站台、会议室、商店、售票大厅、银行等场所，各种信息都可以通过LED显示屏显示，让客户、路人、顾客更多的获取他们想要的信息，这相对于传统的静态广告牌的来说无疑是一次质的跨越，它必将在人们的生活工作中发挥越来越重要的作用。

1.2 国内外现状及研究

LED显示屏的发展可分为以下几个阶段：

第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共 场所，作为公共信息显示工具。

第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。LED显示屏 控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。

第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的

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全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育 场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

LED电子显示屏是由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它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。

目前，我国半导体照明产业已初步形成了珠三角、长三角、闽三角、北方地区四大布局相对合理的集中区域，并建设了七个产业化基地。中国的LED应用市场十分光明，但就目前形势来说，LED室内照明还没有显示出想国外的那种狂热程度，国外对节能减排的提倡更加促使了LED的发展与应用，随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所 接受，国内市场面向的主要是室外广告、室内电子牌等，而室内照明应用就显得相对来说比较欠缺。

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2 设计任务

2.1 基本功能

本设计是以AT89S52单片机为核心，设计一个16*16点阵LED电子显示屏，可用于显示数字、汉字、字符或图形。 硬件设计任务：

（1）原理图设计：包括电源模块、单片机模块、ISP在线编程接口、LED点阵显示模块、行列译码驱动模块。

（2）实物制作与调试：包括元器件采购、单片机测试、电路焊接、通电调试、功能检测等。 软件设计任务：

（1）源程序设计：用C语言编写源程序。

（2）程序编译与下载：用编译器对源程序进行调试及编译，通过ISP接口将形成的二进制目标文件下载到单片机上。

（3）功能调试：用实物板运行程序，检查其功能是否达到设计要求。如没有达到设计要求，应修改源程序，重新编译、下载、调试，最后达到设计要求。 设计要求：

2.2 方案选取

方案一：无扩展口的的LED点阵屏

整个点阵显示屏由4块8x8的LED点阵拼合而成，所有的行线分别接所在行每个点阵的阳极。所有的列线分别接所在列每个点阵的阴极。单片机P2口和P3口的输出用于扫描16行。P0口和P1口的输出送显示数据到16列，由于单片机可以提供较大的灌入电流。故采用这种接法。但显示数据时必须取反后才能输出，这种动态显示方式使显示屏每一时刻只显示一行．即要完成一桢画面的显示。16行须逐行显示一次，也就

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是将16行依次扫描一次，只要扫描速度足够快，由于人眼的惰性就会使人感觉显示的是一幅完整的画面。例如，扫描到第三行时，该行的行线置高电平，其它15条的行线置低电平，这样当从列线送出数据后， 只有第三行的16个LED才能显示数据 。还可以外接行扫描驱动管，为每行的16个LED在显示不同内容时提供足够大的动态电流，但要注意加限流电阻，以防止过大的电流灌入单片机而损坏器件。

方案二：部分端口扩展的LED点阵屏，其连接如下图2.1所示。

图2.1 用74138进行列扩展的连接图

该方案只对列进行了扩展，行控制需要用到P0、P2两个端口，虽然总的来说也能较好的实现设计要求，但如果想实现后续功能的扩展，将会是比较麻烦的事。不易于单片机系统的功能扩展。

方案三：行列全扩展的LED点阵屏

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。

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16*16的点阵共有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，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，先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第l行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭；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，就能看到显示屏上稳定的图形了。

采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。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行方式或串行方式。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，并行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。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

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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。对于列数据准备来说，它应能实现串人并出的移位功能；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。

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3 硬件设计

上一章中已经论证过不同的设计方案，针对本设计而言，第三种设计方案显然是比较合理的，因此本章就对第三种方案进行硬件的设计，本章设计包括单片机设计、显示驱动电路设计、ISP下载线接口设计等。

3.1 硬件系统的总体设计

本设计采用AT89S52单片机为核心控制器件，用四块8*8点阵相连组成16*16点阵屏，作为显示部分。用74HC595作为行驱动控制，控制点阵屏的行控制信号，有十六根数据线接在点阵屏的十六个行控制信号端上，用74LS154作为列驱动控制，控制点阵屏的列控制信号，同样有十六根数据线接在点阵屏的十六个列控制信号端。系统方框图如图3.1所示。

时钟电路 单 片 机 列驱动 复位电路 行驱动 点阵模块

图 3.1 系统方框图

3.2 单片机系统设计

3.2.1 AT89S52单片机

AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于

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常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗

定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。外部引脚如图3.2所示。

图3.2 AT89S52引脚图

P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也

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用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个

TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个

TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，端口引脚第二功能：P3.0 RXD(串行输入口)；P3.1 TXD(串行输出口)；P3.2 INTO(外中断0)； P3.3 INT1(外中断1)；P3.4 TO(定时/计数器0) ；P3.5 T1(定时/计数器1)； P3.6 WR(外部数据存储器写选通)；P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以

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上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平（接地）。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

3.2.2 复位电路设计

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般单片机正常工作所需要的供电电压为+5V，由于单片机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC在特定的工作电压范围内以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，单片机开始正常工作。

目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。

复位电路工作原理如图3.3所示，VCC上电时，C充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10k电阻上电流降为零，电压也为零，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下S、C放电。

S松手，C又充电，在10k电阻上出现电压，使得单片机复位。几个

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毫秒后，单片机进入工作状态。

图3.3 复位电路

3.2.3 时钟电路设计

内部时钟，是用芯片内部振荡电路，精度不高，温飘也较大，不需要外部振荡器件。

外部时钟，分RC振荡和石英晶振，RC精度不高，成本低，石英晶振，精度高，稳定性好，根据使用场合选择，适合的时钟方式

AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或搪瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体（或陶瓷）振荡器和两个电容就构成了一个稳定的自激振荡器。晶体振荡频率可在1.2MHz～12MHz之间选择。电容值无严格要求，但其取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2可在20pF～100pF之间取值。一般当外接晶体时，电容选为30pF。本设计采用内部时钟电路，电路图如图3.4所

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示。

图3.4 时钟电路

3.2.4 ISP连接线接口设计

一种无需将存储芯片（如EPROM）从嵌入式设备上取出就能对其进行编程的过程，缩略为ISP。在系统编程需要在目标板上有额外的电路完成编程任务。其优点是，即使器件焊接在电路板上，仍可对其（重新）进行编程。在系统可编程是Flash存储器的固有特性（通常无需额外的电路），Flash几乎都采用这种方式编程。

ISP部分是业界首创的具备传统编程器的可靠性与下载线的方便性于一身的前卫产品。将下载头的相关引脚引入目标板， 即可方便快速的对目标板在系统编程。

ISP的实现相对要简单一些，一般通用做法是内部的存储器可以由上位机的软件通过串口来进行改写。对于单片机来讲可以通过SPI（串行外围设备接口）或其它的串行接口接收上位机传来的数据并写入存储器中。所以即使我们将芯片焊接在电路板上，只要留出和上位机接口的这个串口，就可以实现芯片内部存储器的改写，而无须再取下芯片。

AT89S52单片机支持在线编程，方便了程序的快速、精确写入，本设计所需要的工具为AVR_fighter，AVR单片机所支持的ISP下载线接口

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完全符合AT89S52单片机。AVR_fighter烧写程序如图3.5所示。

图 3.5 AVR_fighter

安装USBasp驱动如图3.6所示。

图 3.6 USBasp驱动安装

驱动安装成功后就可以打开AVR_fighter烧写主程序，然后ISP下载

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线一端接计算机的USB，另一端接制作电路板的ISP接口上，ISP接口可以用五列双排插针来做，电路连接图如图3.7所示：1针接89S52的P1.5，2针接VCC，3针悬空作备用扩展口，4、6、8、10针接地，5、7、9分别接89S52的RESET、P1.7、P1.6端口。

图3.7 ISP接口连接电路 ISP下载线如图3.8所示。

图3.8 ISP下载线

3.3 驱动电路设计

3.3.1 行驱动电路设计

本系统采用两块74HC595级联作为点阵屏的行控制信号，控制点阵

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屏的16行。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7'）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。这里用到2块74HC595，采用级联的工作方式可以组成16位移位寄存器，输出的16个数据端口来控制点阵屏的16行。74HC595引脚图如图3.8所示

图3.8 74HC595

74HC595各个引脚的功能：Q0-Q7是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口。SI：串行数据输入端。ST_CP：存储寄存器的时钟脉冲输入口。SH_CP：移位寄存器的时钟脉冲输入口。OE：输出使能端。MR：芯片复位端。Q0-Q7：八位并行输出端，采用级联方式可以输出16位控制信号。Q7':级联输出端。我将它接下一个595的DS端。

74595的控制端说明： MR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零，通常将它接VCC。SH_CP (11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。ST_CP(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。当移位结束后，在ST_CP端产生一个正脉冲，更新显示数据。OE(13脚): 高电平时禁止输出（高阻态）。

74595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出

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端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，LED显示器件没有闪烁感。

图3.9 74HC595级联

3.3.2 列驱动电路设计

本设计采用74LS154作为点阵屏列控制信号，因为154可以输出16位的控制信号，所以只要扫描频率可以，点阵屏就可以看成是稳定平滑过渡，没有闪烁的感觉，给人以正常的视觉效果。74LS154引脚图3.10如图所示。

图3.10 74LS154

74LS154可以将4 个二进制编码输入译成16 个彼独立的输出之一，

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还可以将数据从一个输入线分配到16 个输出的任意一个而实现解调功能。图3.11和3.12是74LS154内部逻辑连接图和管脚功能示意图。

图3.11 内部逻辑连接 图3.12 管脚功能

74LS154是此集成电路的TTL版本，其功耗更小，功能一样。译码器在单片机系统中一般起扩展I/O的作用，当外设比较多，单片机的引脚不够用的时候，就可以由74LS154把4个单片机I/O口扩展为16个。增强了单片机控制外设的能力。这种单片 4 线—16 线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。当两个选通输入E1 和E2 为低时, 它可将4 个二进制编码的输入译成16 个互相独立的输出之一。实现解调功能的办法是：用4 个输入线(A、B、C、D)写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。

3.4 16*16点阵屏

3.4.1 点阵工作原理

图3.13为8*8点阵LED等效电路，只要其对应的X、Y轴顺向偏压，即可使LED发亮。例如如果想使左上角LED点亮，则Y0=1，X0=0即可。

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应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。

一般我们使用点阵显示汉字是用的16*16的点阵宋体字库，所谓16*16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。也就是说得用四个8*8点阵组合成一个16*16的点阵。

图3.13 点阵原理图

3.4.2 点阵屏分类

（1）按颜色基色分：

单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。

双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。

全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显 示一千六百多万种色。 （2）按显示器件分：

LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。

LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。

LED视频显示屏：显示器件是由许多发光二极管组成，可以显示视

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频、动画等各种视频文件。 (3)按使用场合分类

室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般几至十几平方米。

室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 (4)按发光点直径及间距分类

室内屏（按直径分）：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏（按间距分）：PH10、PH12、PH14、PH16、PH20、PH25、PH31.25、PH37.5......

(5)显示方式有静态、横向滚动、垂直滚动和翻页显示等。单块模块控制驱动12块（最多可控制24块）8X8点阵，共16X48点阵等类似LED显示驱动模块。可采用“级联”的方式组成任意点阵大显示屏。16*16点阵屏行列控制连接示意图如图3.14所示。

图3.14 点阵外部连接示意图

16*16点阵屏管脚连接示意图如图3.15所示。

图3.15 点阵管脚连接示意图

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4 软件设计

如果说硬件是一个人的身体躯干，那么，软件就是一个人的灵魂、思想。只有合理并且完美的程序才能使指导一个人成功地去完成一项任务。对于单片机来说更是如此，基础的硬件电路焊接好后，就需要从软件设计来下手，想要实现硬件电路的正常工作，往往需要对软件进行系统的设计，设计的思想、设计的目标、设计方案、代码的编写、软件的测试等对软件设计的成功有着非同一般的指导意义。

4.1 主程序设计思想及流程图

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。

本设计从单片机上电开始，先进行初始化操作，单片机执行显示程序后，点阵屏可以输出显示结果，此过程单片机要对74HC595的触发端进行调整，为下一次重新执行做好准备工作；数据在SCHcp的上升沿把单片机端口输出的8位串行数据输入移位寄存器中，在STcp的上升沿到来后再把数据输送到到存储寄存器中去。若显示程序成功执行一 个周期，则重新跳回到初始化状态进行下一周期的显示，若没有显示完全，则一直在显示程序内执行，直到本次显示完全实现。流程图如图4.1所示。

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图4.1 主程序流程图

N 是否显示完？ 调整数据指针 调用显示程序 系统初始化 开始 Y 4.2 显示驱动程序设计

显示驱动程序是显示部分的核心，想要实现点阵屏的完全显示，显示程序起到了至关重要的作用，而显示部分的核心部件又是74HC595，用本芯片实现从单片机传输过来的八位串行数据的并行输出，两片595级联所组成的级联形式可以输出十六位并行数据，从而对点阵屏实现行控制，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“卷帘入”效果显示图形，停留约1s；接着向左滚动显示“河南理工大学电信06王耀磊”这几个汉字及一个图形，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

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设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。图4.2是显示程序设计流程图。

图4.2 显示程序流程图

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。

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开始 N RCK=1 Y 移位数据存入存储寄存器 N SCK=1 Y 储存器数据移位 显示 返回 河南理工大学毕业设计（论文）说明书

5 制作与调试

在本设计中，元器件的选择、整机的安装及调试都起到了很重要的作用。特别是元器件的选择，这影响到硬件电路的可靠工作。再者，硬件电路的焊接及其各个元器件在整体的布局，直接影响到硬件电路的测试及检修。因此，合理的布局及细心的工作是必不可少的。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

系统的扩展和配置应遵循以下原则：

(1)尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。

(2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。

(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。

(4)系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。

(5)单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。

5.1 器件的选择与采购

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在元件的选择上首先我偏重于选择比较知名公司生产的电子元件

产品，它不仅在质量上有保证，而且平时的学习过程中也都大部分学过，对此产品有比较多的了解，避免了不同型号产品使用功能不相同而带来的麻烦。其次我看元器件的性价比如何，有些产品虽然价格稍微低，但是却用着不方便，这队做毕业设计的同学来说无疑是泼了一盆冷水，如在单片机型号选择上，我没有选用80C51而选择了89S52，这是因为80C51不支持在线编程，远没有89S52编程方便，89S52只要外接ISP现在线再配同相应的烧写软件就可以在任何一台计算机上实现程序的烧写，方便之处无可否认。

表5-1 器件清单

名称

AT89S52单片机 8*8点阵屏 74LS154 74HC595 12M晶振 30p陶瓷电容 10μF电解电容 常开动合按键 电阻 导线 芯片底座

个数 1 4 1 2 1 2 1 1 若干 若干 若干

5.2 单片机的测试

让其中的一个I/O口变化的输出高低电来,用一个LED来观察就。简单的用for,while等延时就行,注意时间要合适,不然,太快了看不出,太慢了会以为没工作,当然可以把其它特定的IO口设成高或低来验证。

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本机测试使用的测试端口是P0.0、P0.1 测试部分程序为： P0^0=0X00; P0^1=0X00; Delay(1000); P0^0=0X01; Delay(1000);

本测试主要是验证单片机P0口输出是否正常，把万能表调到DV10v档上，把万能表的黑表针接P0.1，红表针接P0.0，如果单片机能正常工作，那么可以看到万能表的指针每隔一秒钟就会往返一次，即开始工作时，指针指向5v，一秒钟后指针归位之零，然后再停留一秒钟回到5v，如此往返，重复执行。

经测试89S52单片机没有任何异常。

5.3 硬件及软件的调试

在对硬件电路进行焊接前比须要对其进行软件仿真，因此我在proteus仿真软件中对电路进行仿真。具体仿真结果如图5.1所示

图5.1 仿真结果

用keil3.0对源程序进行编译，用取模软件进行汉字的取模。部分汉

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字字模为：

0x04,0x40,0xFE,0x3F,0x08,0x10,0x08,0x00,0x48,0x80,0xE8,0x67,0x48,0x24,0x48,0x0C,

0x48,0x14,0x48,0x24,0xC8,0xE7,0x48,0x24,0x08,0x20,0x08,0x20,0x28,0x20,0x10,0x20，//河

0x00,0x01,0x04,0x01,0xFE,0xFF,0x00,0x01,0x04,0x01,0xFE,0x7F,0x24,0x48,0x44,0x44,

0xF4,0x5F,0x04,0x41,0x04,0x41,0xF4,0x5F,0x04,0x41,0x04,0x41,0x14,0x41,0x08,0x40，//南

0x08,0x00,0xFC,0x13,0x48,0xFA,0x48,0x22,0xF8,0x23,0x48,0x22,0x48,0xFA,0xF8,0x23,

0x40,0x20,0x50,0x20,0xF8,0x23,0x40,0x3C,0x40,0xE0,0x44,0x40,0xFE,0x0F,0x00,0x00，//理

0x00,0x00,0x08,0x00,0xFC,0x7F,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,

0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x04,0x01,0xFE,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x00，//工

我的设计硬件电路做好后一直不能正常显示，后经过不断的查找问题，原来问题出在了最小系统上，最小系统中有三出明显的错误，第一个是89S52的EA端没接高电平，因为单片机工作时要访问内部存储器EA端必须接高电平才有效，当我悬空的时候呈现高阻状态，所以，单片机处于停工状态。第二个是单片机的19引脚也就是外接晶振的一个引脚和20引脚在焊接时没注意到焊接到了一起，致使时钟电路没能正常工作。第三，复位电路中RST端外接的电容正极，和电源正极连接到一起，致使单片机开机就处于复位状态。经过仔细的排查和测试，终于把这些致命的低级错误给排查了，硬件电路才正常工作。最小系统和外围电路的焊接虽然管脚比较多，但我还是成功的完成了这项繁琐的工作，焊接好的硬件电路如图5.2所示。

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图5.2 硬件电路

在4块8*8点阵屏级联的焊接中，由于每块点阵屏有24个引脚，经过测试得出只有16个是有用的，第一次焊接的时候由于管脚太多工作粗心造成了两块点阵屏的行列引脚共32个焊接错误，后经软件测试发现，点阵屏不能按仿真进行，出现了实物测试中的错误，仔细检测后发现这个问题，重新焊接才使得4块8*8点阵屏连接正确，点阵屏的硬件焊接如图5.3和5.4所示。

图5.3 点阵正面 图5.4 点阵背面

点阵屏背面的线路连接我采用了8根一排的排线设计，使用排线可以做到整体布局一致，并且焊接出来后便于后续硬件电路的检测与线路错误排查。

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参考文献

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致谢

在学士论文完成之际，我衷心地感谢我的指导老师老师各个方面给予我的关怀和帮助。在我的学习和论文写作过程中，老师始终给予了我精心的指导和热心的帮助。同时，老师认真、严谨、敬业的科研态度，广博的知识使我受益匪浅。老师在日常的学习生活中给予我中肯的建议和指导，在我毕业设计过程中乃至今后的人生道路中都始终是一种激励。

感谢院长。他编写的《单片机及接口电路》通俗易懂，在设计过程中，对我起了很好的指导作用。

感谢我们专业的同学，特别是我们宿舍的成员，在你们身上我学到了不少新知识和新方法，你们在我学习和工作中提出的中肯的意见和建议使我能够更好更快地完成课题。

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