單片機課程設計點陣漢字顯示.doc

武漢理工大學單片機原理及應用課程設計說明書摘 要單片機是計算機技術、大規(guī)模集成電路技術和控制技術的綜合產物。經過30多年的發(fā)展歷程，單片機應用已十分廣泛和深入。所以可以毫不夸張地說，任何設備和產品的自動化、數(shù)字化和智能化都離不開單片機。現(xiàn)在，凡是電腦控制的設備和產品，必有單片機嵌入其中。這一切表明，單片已成為人類生活中不可或缺的助手。隨著單片機應用的日益廣泛，利用單片機控制漢字顯示屏被廣泛地應用與汽車報站器，廣告屏等領域。本文詳細介紹了基于51單片機的LED顯示屏控制系統(tǒng)的顯示原理，對16*16點陣漢字進行顯示，顯示屏由4個8*8的LED點陣模塊組成一個16*16點陣LED。系統(tǒng)仿真利用PORTEUS仿真軟件和KEIL軟件的聯(lián)調對LED點陣顯示屏系統(tǒng)進行調試。關鍵詞： LED點陣顯示屏 單片機 PROTEUS仿真目 錄摘 要11 硬件設計11.1設計框圖及介紹11.2 51系列單片機簡介21.3 LED點陣介紹51.4 LED顯示方式61.5 硬件電路82 軟件設計102.1 程序流程圖102.2 程序代碼113主要芯片介紹143.1 8051系列的單片機143.2 74HC154164 PROTEUS仿真185心得體會20201 硬件設計1.1設計框圖及介紹 LED點陣總體框圖如圖1.1所示，點陣電路大體上可以分成微機本身的硬件、顯示驅動電路、控制信號電路三部分。控制電路部分包括一個51CUP和一些外圍電路。在整個電路當中此控制電路部分相當于一個上位機，它負責控制整個電路以及相應的程序的運行、與PC機的串行通訊、以及給屏體電路部分發(fā)送命令。點陣顯示屏體、以及它的行和列的各個驅動電路。由于兩部分的電路在制板時可以放到一起，所以可以將其字庫放到控制電路部分使用串行通訊方式來與屏體電路部分進行數(shù)據(jù)和命令的傳送。此顯示電路采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。由行譯碼器給出的行選通信號，從第一行開始，按順序依次對各行進行掃描(把該行與電源的一端接通)。另一方而，根據(jù)各列鎖存的數(shù)據(jù)，確定相應的列驅動器是否將該列與電源的另一端接通。接通的列，就在該行該列點燃相應的LED；未接通的列所對應的LED熄滅。可通過掃描輸出口的控制實現(xiàn)顏色的轉換。圖1.1 點陣顯示的總體框圖1.2 51系列單片機簡介單片機（Microcontroller，又稱微處理器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和多種I/O接口電路。8051單片機的基本結構見圖1.2。圖1.2 8051單片機的基本結構8051是MCS-51系列單片機的一個產品。MCS-51系列單片機是Intel公司推出的通用型單片機，8051單片機系列指的是MCS-51系列和其他公司的8051衍生產品。這些衍生品是在基本型基礎上增強了各種功能的產品。這些產品給8位單片機注入了新的活力，給它的開發(fā)應用開拓了更廣泛的前景。8051系列的內部結構可以劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷邏輯幾部分。（1）中央處理器8051的中央處理器由運算器和控制邏輯構成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。算術邏輯單元ALU能對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術運算；“與”、“或”、“異或”等邏輯運算以及位操作運算。ALU只能進行運算，運算的操作數(shù)可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，運算結果可以送回ACC或通用寄存器或存儲單元中，累加器ACC也可以寫為A。B寄存器在乘法指令中用來存放一個乘數(shù)，在除法指令中用來存放除數(shù)，運算后B中為部分運算結果。程序狀態(tài)字PSW是個8位寄存器，用來寄存本次運算的特征信息，用到其中七位。PSW的格式如下所示，其各位的含義是：CY：進位標志。有進位/錯位時CY=1，否則CY=0。 AC：半進位標志。當D3位向D4位產生進位/錯位時，AC=1，否則AC=0，常用于十進制調整運算中。F0：用戶可設定的標志位，可置位/復位，也可供測試。RS1、RS0：四個通用寄存器組選擇位，該兩位的四種組合狀態(tài)用來選擇03寄存器組。OV：溢出標志。當帶符號數(shù)運算結果超出-128+127范圍時OV=1，否則OV=0。當無符號數(shù)乘法結果超過255時，或當無符號數(shù)除法的除數(shù)為0時OV=1，否則OV=0。P：奇偶校驗標志。每條指令執(zhí)行完，若A中1的個數(shù)為奇數(shù)時P=1，否則P=0，即偶校驗方式?？刂七壿嬛饕ǘ〞r和控制邏輯、指令寄存器 、譯碼器以及地址指針DPTR和程序寄存器PC等。單片機是程序控制式計算機，即它的運行過程是在程序控制下逐條執(zhí)行程序指令的過程：從程序存儲器中取出指令送指令存儲器IR，然后指令譯碼器ID進行譯碼，譯碼產生一系列符合定時要求的微操作信號，用以控制單片機的各部分動作。8051的控制器在單片機內部協(xié)調各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作，并對單片機發(fā)出若干控制信息。這些控制信息的使用專門的控制線，諸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他們的具體功能在介紹8051引腳是一起敘述。（2）存儲器組織8051單片機的存儲器結構特點之一是將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，并有各自的尋址機構和尋址方式，這種結構稱為哈佛結構單片機。這種結構與通用微機的存儲器結構不同，一般微機只有一個存儲器邏輯空間，可隨意安排ROM或RAM，訪存時用同一種指令，這種結構稱為普林斯頓型。8051單片機在物理上有四個存儲空間：片內程序存儲器和片外程序存儲器、片內數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。8051片內有256K數(shù)據(jù)存儲器RAM和4KB的程序存儲器ROM。除此之外，還可以在片外擴展RAM和ROM，并且各有64KB的尋址范圍。也就是最多可以在外部擴展2*64KB存儲器。8051的存儲器組織結構如圖2.3所示。圖 1.3 8051存儲器組織結構64K字節(jié)的程序存儲器（ROM）空間中，有4K字節(jié)地址區(qū)對于片內ROM和片外ROM是公用的，這4K字節(jié)地址是0000HFFFH。而1000HFFFFH地址區(qū)為外部ROM專用。CPU的控制器專門提供一個控制信號EA用來區(qū)分內部ROM和外部ROM的公用地址區(qū)：當EA接高電平時，單片機從片內ROM的4K字節(jié)存儲器區(qū)取指令，而當指令地址超過0FFFH后，就自動的轉向片外ROM取指令。當EA接低電平時，CPU只從片外ROM取指令。程序存儲器的某些單元是保留給系統(tǒng)使用的：0000H0002H單元是所有執(zhí)行程序的入口地址，復位以后，CPU總是叢0000H單元開始執(zhí)行程序。0003H002AH單元均勻地分為五段，用做五個中斷服務程序的入口。用戶程序不應進入上述區(qū)域。8051的RAM雖然字節(jié)數(shù)不很多，但卻起著十分重要的作用。256個字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00H7FH時真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)。而80HFFH是專門用于特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。對于8051安排了21個特殊功能寄存器，每個寄存器為8位，所以實際上128個字節(jié)并沒有全部利用。內部RAM的各個單元，都可以通過直接地址來尋找，對于工作寄存器，則一般都直接用R0R7，對特殊功能寄存器，也是直接使用其名字較為方便。8051內部特殊功能寄存器都是可以位尋址的，并可用“寄存器名.位”來表示，如ACC.0，B.7等。1.3 LED點陣介紹88單色點陣共需要64個發(fā)光二極管組成，且每個二極管是放置在行線與列線的叉點上。對于點陣型LED顯示可以采用共陰極或共陽極，本系統(tǒng)采用共陽極，其硬件電路如圖1.1所示。當行上有一正選通信號時，列選端八位數(shù)據(jù)為0的發(fā)光二極管便導通點亮。這樣只需要將圖形或文字的顯示編碼作為列信號跟對應的行信號進行逐次掃描，就可以逐行點亮點陣。只要掃描速度大于24Hz，由于掃描時間很快，人眼的視覺有暫留效應，就可以看到顯示的是完整的圖形或文字。88點陣LED結構下圖1.5所示。圖1.4 88點陣外觀及引腳圖 圖1.5 8*8 LED點陣結構 1.4 LED顯示方式漢字顯示屏用于顯示漢字、字符及圖像信息，在公共汽車、銀行、醫(yī)院及戶外廣告等地方都有廣泛的應用。下面是簡單的漢字顯示屏的制作，由單片機控制漢字的顯示內容。為了降低成本，使用了四塊88的LED點陣發(fā)光管的模塊，組成了一個1616的LED點陣顯示屏，如圖2.10所示。在這里僅做了四個漢字的顯示，在實際的使用中可以根據(jù)這個原理自行的擴展顯示的漢字，下面是介紹漢字顯示的原理。 圖1.6 四塊88的LED點陣組成1616的LED點陣LED驅動顯示采用動態(tài)掃描方法，動態(tài)掃描方式是逐行輪流點亮，這樣掃描驅動電路就可以實現(xiàn)多行的同名列共用一套列驅動器。以1616點陣為例，把所有同一行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同一列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽的接法），先送出對應第1行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定的時間，然后熄滅；再送出第2行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；.第16行之后，又重新燃亮第1行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形。該方法能驅動較多的LED，控制方式較靈活，而且節(jié)省單片機的資源。顯示數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅動器，在硬件方面無疑是十分經濟的。但串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅動器，只有當一行的各列數(shù)據(jù)都已傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進行顯示。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能相當長，在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。采用串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。為了達到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要有鎖存功能。對于列數(shù)據(jù)準備來說，它應能實現(xiàn)串入并出的移位功能。這樣，本行已準備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進行顯示時，串行移位寄存器就可以準備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。LED點陣顯示模塊進行的方法有兩種：（1）水平方向（X方向）掃描，即逐列掃描的方式（簡稱列掃描方式）：此時用一個P口輸出列碼決定哪一列能亮（相當于位碼），用另一個P口輸出行碼（列數(shù)據(jù)），決定該行上那哪個LED亮（相當于段碼）。能亮的列從左到右掃描完16列（相當于位碼循環(huán)移動16次）即顯示出一個完整的圖像。（2）豎直方向（Y方向）掃描，即逐行掃描方式（簡稱行掃描方式）：此時用一個P口輸出決定哪一行能亮（相當于位碼），另一個P口輸出列碼（行數(shù)據(jù)，行數(shù)據(jù)為將列數(shù)據(jù)的點陣旋轉90度的數(shù)據(jù)）決定該行上哪些LED燈亮（相當于段碼）。能亮的行從上向下掃描完16行（相當于位碼循環(huán)移位16次）即顯示一幀完整的圖像。本設計應用的是第一種的掃描方法，即水平方向（X方向）掃描。每一個字由16行16列的點陣形成顯示，即每個字均由256個點陣來表示，我們可以把每一個點理解為一個像素。一般我們使用的1616的點陣宋體字庫，即所謂的1616，是每一個漢字在縱橫各16點的區(qū)域內顯示的。漢字庫從該位置起的32字節(jié)信息記錄了該字的字模信息。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素范圍內的任何圖形。我們以水平方向（x方向）掃描顯示漢字的“江”為例來說明其掃描原理，每一個字由16行16列的點陣組成顯示，如圖下的，如果用8位的AT89S51的單片機來控制，由于單片機的總線為8位，一個字需要拆分成兩個部分。一般我們把它分解成上部分和下部分，上部分由8*16的點陣組成，下部分也由8*16的點陣組成。在本例中單片機首先顯示的是左上角的第一列的部分，即第0列的P00P07口。方向為P00到P07，顯示漢字“江”的時候，P00到P04都是滅的，P05亮，即二進制00001000，轉換為16進制為08H，如圖2.11所示。上半部分第一列完成之后，繼續(xù)掃描下半部分的第一列，為了接線的方便，我們仍設計成由上往下的掃描方式，即從P27向P20方向掃描，從上圖可以看到，這一列所有的都不亮，所以代碼為00000000，16進制為00H，然后單片機轉向上半部的第二列，除了P05亮，其他的都不亮，即為00000100，16進制為04H，這一列掃描完成之后繼續(xù)進行下半部分的掃描，除了P21亮，其他的為不亮，為二進制00100000，即16進制20H。按照這個方法，繼續(xù)進行下面的掃描，一共掃描32個8位，可以得出漢字“江”的掃描代碼為 ：08H,20H,06H,20H,80H,7EH,63H,80H0CH,04H,00H,04H,20H,04H,20H,04H20H,04H,3FH,FCH,20H,04H,20H,04H20H,04H,20H,04H,00H,04H,00H,00H 圖1.7 點陣顯示原理圖由這個原理可以看到，無論顯示何種字體或圖像，都可以用這種方法來分析出它的掃描代碼從而顯示在屏幕上。1.5 硬件電路在proteus中連接硬件電路圖如圖1.8所示圖1.8 硬件電路圖2 軟件設計2.1 程序流程圖96列顯示完？送9-16行控制口取當前列顯示字碼第二個字節(jié)送列控制碼送1-8行控制口取當前列顯示字碼第一個字節(jié)取碼指針字碼表初址賦值開始NY 2.2 程序代碼ORG0000HAJMPMAINORG0030HMAIN:MOVDPTR,#TAB;字碼表初址賦值MOVR1,#00H;列控制碼MOVR4,#96;移動“ ”及“單片機仿真”6個字符，共96列CM:MOVR5,#5;每屏反復顯示5次MOVR3,#16;列數(shù)C1:MOVR2,#0;取碼指針C16:MOVP0,#00HMOVP2,#00H;關顯示CLRP3.0MOVA,R2MOVCA,A+DPTR;取當前列顯示字碼的第一個字節(jié)MOVP0,A;送18行控制口INCR2MOVA,R2MOVCA,A+DPTR;取當前列的顯示字碼的第二個字節(jié)MOVP2,A;送915行控制口INCR2MOVP1,R1;送列控制碼INCR1 ACALLD1MS;顯示2MSACALLD1MSDJNZR3,C16;一屏16列是否顯示完MOVR3,#16DJNZR5,C1;未顯示5次，繼續(xù)INCDPTR;一屏反復顯示5次完，字碼表初值加2INCDPTRDJNZR4,CM;96列未移動完，繼續(xù)AJMPMAIN;96列移動完，返回，重新從“ ”開始顯示D1MS:MOVR6,#2MOVR7,#248DJNZR7,$DJNZR6,$-4RETTAB:DB 000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ;DB 000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ; , DB 000H ,000H ,000H ,008H ,000H ,008H ,0E0H ,008H ,0F4H ,00DH ,054H ,005H ,0F4H ,07FH ,0F8H ,07FH ;DB 01EH ,005H ,0FEH ,005H ,0FAH ,006H ,010H ,002H ,000H ,006H ,000H ,004H ,000H ,000H ,000H ,000H ;單,0DB 000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,010H ,000H ,01CH ,0FCH ,00FH ,0FCH ,003H ,040H ,002H ,040H ,002H ;DB 07EH ,07FH ,03EH ,07FH ,020H ,000H ,020H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ;片,1DB 000H ,008H ,040H ,00CH ,040H ,006H ,0DCH ,03FH ,0FEH ,03FH ,022H ,011H ,020H ,01DH ,0F0H ,00FH ;DB 0F0H ,003H ,0F0H ,00FH ,0F0H ,01FH ,010H ,010H ,000H ,01CH ,000H ,01CH ,000H ,010H ,000H ,000H ;機,2DB 000H ,001H ,080H ,001H ,0C0H ,000H ,0F0H ,03FH ,0FCH ,03FH ,04CH ,018H ,040H ,00CH ,040H ,027H ;DB 0CCH ,063H ,0ECH ,079H ,028H ,01FH ,020H ,007H ,020H ,000H ,020H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ;仿,3DB 000H ,000H ,000H ,010H ,000H ,098H ,000H ,0C8H ,0E8H ,06FH ,0E8H ,03FH ,07CH ,01BH ,07EH ,00AH ;DB 0E6H ,03FH ,0E4H ,07FH ,004H ,06CH ,000H ,004H ,000H ,004H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ,000H ;真,4END3主要芯片介紹3.1 8051系列的單片機AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖片見下圖附錄1。圖3.1 89S51管腳圖（1）管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出3.2 74HC154（1）74HC154功能簡介: 74HC154 為 4 線16 線譯碼器，當選通端（E1、E2）均為低電平時，可將地址端（ABCD）的二進制編碼在一個對應的輸出端，以低電平譯出。 如果將E1和E2中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端，由ABCD對輸出尋址，74HC154還可作1線-16線數(shù)據(jù)分配器。（2）引腳功能介紹A、B、C、D 譯碼地址輸入端(低電平有效)G1、G2 選通端(低電平有效) 015 輸出端(低電平有效)（3）74HC54真值表圖3.2 74HC54真值表4 PROTEUS仿真Proteus仿真時，單片機需要加載程序，加載程序為.HEX文件。本設計利用Keil Vision2， 在新建Keil項目時選擇AT89C52單片機作為CPU，將源程序導入，在“Options For Target”對話窗口中，選中“Output”選項中的“Create HEX File”，編譯鏈接后就可以生成.HEX文件。在Proteus ISIS中，選中AT89C51并單擊鼠標左鍵，對AT89C51進行設置，設置單片機時鐘頻率為12MHz，按照正確的文件路徑加載.HEX文件。對單片機設置完畢后就可以開始仿真了。仿真過程中如有硬件問題可在Proteus ISIS中直接修改，如有軟件問題可在Keil Vision2中直接修改，通過Keil與Proteus的聯(lián)合調試就可以得到滿意的結果。利用Proteus實現(xiàn)了對點陣式LED滾動漢字顯示屏的仿真,說明程序和電路圖都沒有問題。仿真電路圖：仿真結果：