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基于AT89S52的LED点阵系统的设计与实现
The design and implement of LED dop matrix system based on AT89S52SCM
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2009年06月
摘要
生活中可视广告随处可见，大多采用LED显示屏。随着商业社会的发展，LED点阵屏幕显示器的用途也越来越广泛。设计一种以单片机系统组成的8*8LED点阵显示屏。LED显示屏主要由电流驱动电路及LED点阵阵列、控制系统组成。在本系统中，由74HC154和74LS164构成驱动模块，其中74HC154进行列扫描，控制点阵的列显示，74HC164进行行扫描，控制点阵的行显示；8*8LED屏的显示电路和单片机AT89S52控制电路为核心，单片机将会控制点阵显示屏的显示内容和显示形式；音乐芯片增加设计的色彩，实现了简单的LED屏显示文字信息。点阵字模提取软件PCtoLCD2002提取到字模后，使用Keil软件编程，用SLISP下载到芯片上即完成了控制电路的设计部分。该系统具有运行可靠、安全、节能、成本低、使用方便等特点。
关键词：LED；点阵；单片机AT89S52；驱动。
ABSTRACT
In the life we can see visible advertisement everywhere, most of them adopt LED display screen. With the development of society, the use of LED dot matrix display screen more and more widely. The designing process of a 8*8LED dop matrix system based on single-chip microcomputer system. The LED display screen mainly contains the current drive circuit and array of LED dot matrix, the control system. In this system, the 74HC154 and 74LS164 as the drive module（74HC154 as the vertical part while 74HC164 as the horizontal part）8 * 8LED screen display circuit and AT89S52 SCM control circuit as the center (the SCM will control the content displayed and it’s displaying form)and the music chip adding the design color, realized simple LED display text messages. Bitmap font extraction PCtoLCD2002 software to extract font, Keil software programming, use SLISP download to chip in the control circuit is part of the design. This system has reliable operation, safety, energy saving, low cost and easy to use.
Keywords: LED, dop matrix, AT89S52 SCM, drive.
目录
1绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.1.1课题在国内发展状况 (1)
1.1.2LED显示屏的发展 (1)
1.1.3单片机的应用 (1)
1.2课题内容 (2)
1.3课题意义 (2)
2LED显示屏系统原理 (3)
2.1LED显示屏简介 (3)
2.1.1LED显示屏的分类 (3)
2.1.2LED显示屏技术特点 (4)
2.2点阵LED扫描方法介绍 (4)
2.3点阵屏原理 (5)
3单片机AT89S52介绍 (7)
3.1单片机的介绍 (7)
3.1.1单片机简介 (7)
3.1.2单片机的应用领域 (7)
3.2AT89S52单片机的功能特性 (9)
3.3AT89S52引脚说明 (10)
4系统硬件电路部分 (13)
4.1驱动模块 (14)
4.1.1列驱动器74HC154 (14)
4.1.2列驱动器74HC164 (15)
4.1.3驱动模块与单片机的连接 (17)
4.2电源层 (17)
5系统软件部分 (19)
5.1系统流程图 (20)
5.2所用软件简介 (22)
5.2.1Keil软件 (22)
5.2.2点阵字模提取软件PCtoLCD2002完美版 (22)
5.2.3Proteus仿真软件 (25)
5.2.4Protel DXP2004 (25)
结论 (29)
参考文献 (30)
致谢 (31)
附录一：程序 (32)
附录二：整体电路图 (36)
附录三：英文资料及中文翻译 (37)
1绪论
近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，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、医院、电力、海关、体育场等多种需要进行公告、宣传的场合。
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。随着社会经济的不断进步，以及LED显示技术的不断完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广。
1.1课题背景
1.1.1课题在国内发展状况
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，在国内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显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
1.1.2L ED显示屏的发展
LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。
1.1.3单片机的应用
科技的进步需要技术不断地提升。一块大而复杂的模拟电路花费了大量的精力，而且繁多的元器件也增加了成本。而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使以前的电路简单很多。单片机的出现让我们对一系列产品的
控制实现了智能化，在单片机外围接一点简单的电路，核心部分有人为地写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本降低了，长期使用也不用担心精度达不到了。因此，以单片机为核心的电子产品不仅在现在有着非凡的影响力，更在未来生活中被更多的人接受。
本设计采用的AT89S52单片机是ATMEL公司最近新推出的高档型AT89S系列单片机中的增强型产品。
1.2课题内容
本设计主要研究了LED显示屏显示汉字系统的设计与实现。主要方法为：以单片机AT89S52控制显示屏显示的内容及显示状态，这是电路的核心部分。在这一过程中，需要用到字模提取软件。对于外围电路，由74HC154实现列扫描，74HC164实现行扫描，共同组成电路的驱动模块。另外加入了一个小小的音乐芯片，即在实现显示汉字的同时会有音乐，增强了该设计的色彩。
1.3课题意义
LED点阵显示器具有亮度高、发光均匀、可靠性好、接线简单、拼装方便等优点，能构成各种尺寸的显示屏。而在当今时代背景的影响下，LED显示屏的研究意义也尤为明显：一是节能（直接功耗，间接耗能），二是基本无电离辐射，三是提高空间利用率。现代社会智能化日渐普遍，使用单片机实现对电路的控制是时代的要求。因此基于单片机的LED点阵系统不仅在当代社会有着非常大的用途，其应用前景也十分广阔。目前，LED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。
2LED显示屏系统原理
本设计的研究方向即为LED显示屏，因此，首先介绍一下LED显示屏的系统原理。
2.1LED显示屏简介
LED是发光二极管Light Emitting Diode 的英文缩写。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有如下优点：
1、耗电省、
2、使用寿命长、
3、成本低、
4、亮度高、
5、视角大、
6、可视距离远、
7、规格品种多。
LED显示产品系列 A、单色、彩色条形显示屏、B、计算机控制数码显示屏、C、单色图文显示屏、D、三色（红、绿、黄）图文显示屏、E、点阵和数码混合显示屏（证券屏）、F、双基色（红、绿）多媒体视频同步显示屏、G、三基色（红、绿、蓝）多媒体视频同步显示屏
2.1.1L ED显示屏的分类
1、按颜色基色可以分为
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颜色。
2、按显示器件分类
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、按发光点直径分类
室内屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、
室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ20mm、Φ21mm、Φ22mm、Φ26mm
室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发
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（或32X48点阵），是单块MAX7219（或PS7219、HD7279、ZLG7289及8279等类似LED 显示驱动模块）的12倍（或24倍）！可采用“级联”的方式组成任意点阵大显示屏。显示效果好，功耗小，且比采用MAX7219电路的成本更低。
2.1.2L ED显示屏技术特点
LED显示屏技术特点 A、效果卓越：采用动态扫描技术，画面稳定，无杂点，图像效果清晰，动画效果生动，多样；视频效果流畅；B、内容丰富：可显示文字、图表、图像、动画、视频信息；C、方式灵活：可由用户任意编排显示模式；D、质量保证：采用进口发光材料、高品质IC芯片、无噪声大功率电源；
E、信息量大：显示的信息不受限制；
F、维修方便：模块化设计，安装，维护方便；
2.2点阵LED扫描方法介绍
点阵LED一般采用扫描式显示，实际运用分为三种方式：
（1）点扫描；
（2）行扫描；
（3）列扫描。
若使用第一种方式，其扫描频率必须大于16×64=1024Hz，周期小于1ms即
可。若使用第二和第三种方式，则频率必须大于16×8=128Hz，周期小于7.8ms 即可符合视觉暂留要求。此外一次驱动一列或一行（8颗LED）时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。
2.3点阵屏原理
点阵内部结构及外形如下，8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；如要将第一个点点亮，则9脚接高电平13脚接低电平，则第一个点就亮了；如果要将第一行点亮，则第9脚要接高电平，而（13、3、4、10、6、11、15、16）这些引脚接低电平，那么第一行就会点亮；如要将第一列点亮，则第13脚接低电平，而（9、14、8、12、1、7、2、5）接高电平，那么第一列就会点亮。
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。要显示“你”则相应的点就要点亮，由于我们的点阵在列线上是低电平有效，而在行线上是高电平有效，所以要显示“你”字的话，它的位代码信息要取反，即所有列（13~16脚）送(1111011101111111，0xF7，0x7F)，而第一行（9脚）送1信号，然后第一行送0。再送第二行要显示的数据（13~16脚）送(1111011101111111，0xF7，0x7F)，而第二行（14脚）送1信号。依此类推，只要每行数据显示时间间隔够短，利用人眼的视觉暂停作用，这样送16次数据扫描完16行后就会看到一个“你”字；第二种送数据的方法是字模信号送到行线上再扫描列线也是同样的道理。同样以“你”字来说明，16行（9、14、8、12、1、7、2、5）上送（0000000000000000，0x00，0x00）而第一列（13脚）送、“0”。同理扫描第二列。当行线上送了16次数据而列线扫描了16次后一个“你”字也就显示出来了。
图2-1 8*8点阵的等效电路、外观及引脚
3单片机AT89S52介绍
科技的进步需要技术不断的提升。一块大而复杂的模拟电路花费了巨大的精力，繁多的元器件增加了成本[1]。而现在，只需要一块几厘米见方的单片机，写入简单的程序，就可以使以前的电路简单很多。单片机AT89S52是本设计的核心部分，控制着点阵显示屏的具体显示内容[2]。
3.1单片机的介绍
3.1.1单片机简介
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择[3]。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可。用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的[4]。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
3.1.2单片机的应用领域
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机
的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了[5]。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴[6]：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化
应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
3.2AT89S52单片机的功能特性
AT89S52的主要性能：
1. 与MCS-51单片机产品兼容
2. 8K字节在系统可编程Flash存储器
3. 1000次擦写周期
4. 全静态操作：0Hz～33MHz
5. 三级加密程序存储器
6. 32个可编程I/O口线
7. 三个16位定时器/计数器
8. 八个中断源
9. 全双工UART串行通道
10. 低功耗空闲和掉电模式
11. 掉电后中断可唤醒
12. 看门狗定时器
13. 双数据指针
14. 掉电标识符
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[7]。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。
3.3AT89S52引脚说明
图3-1 AT89S52引脚图
VCC : 电源
GND: 地
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）。在访问外部程序存储器或用16
位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2 口送出高
八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8
位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的
内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 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。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
引脚号第二功能
P3.0 RXD（串行输入）
P3.1 TXD（串行输出）
P3.2 INT0(外部中断0)
P3.3 INT0(外部中断0)
P3.4 T0（定时器0外部输入）
P3.5 T1（定时器1外部输入）
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器写选通)
RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。
否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。
4系统硬件电路部分
本设计的硬件电路部分包括列驱动器74HC154以及行驱动器74HC164，电源部分以及音乐芯片。总体设计思路为由单片机的输出与74HC154以及
74HC164的输入连接，经过解码和译码，输出连接到点阵上，从而实现显示屏上显示内容。该电路需要5V的直流电压，所以电源部分为220V的交流电经过一系列的变压以及整流最终得到稳定的5V直流电。总体电路图见附录二。设计框图如下：
图4-1 设计框图
4.1驱动模块
4.1.1列驱动器74HC154
图4-2 74HC154引脚图
74HC154为4线——16线译码器，可以实现地址的扩展。
该译码器采用先进的硅结构CMOS技术，并适合内存地址译码和数据路由应用。它抗噪声能力强，低功耗，并与低电压TTL电路兼容。
功能特性：传输延迟：21ns
电源提供静态电流：80μA
电源电压范围：2―6V
低电平输入电流：最大1μA.
引脚功能说明：
1-11 13-17 ：输出端。（outputs (active LOW)）
12：Gnd电源地（ground (0 V)）
18-19：使能输入端 (enable inputs (active LOW))
20-23地址输入端 (address inputs)
24：VCC电源正 (positive supply voltage)
地址/全能输入对应输出表