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毕业论文网 > 毕业论文 > 电子信息类 > 信息工程 > 正文

基于单片机1616点阵广告牌的设计毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

本文设计内容的背景是当前信息传播的媒体越来越依赖显示设备,而作为户外显示设备的主力军——广告牌,被重点关注。因此改善广告牌的设计思路显得愈发重要。其中一种思路便是以单片机为核心,结合外围电路和点阵显示屏所构成的滚动显示系统。LED显示屏具有亮度高、寿命长、通透性好、密度高、便于修改和通透性好等优点,是众多场所用于显示媒体的绝佳选择。众多优点使得LED显示屏相对于传统霓虹灯有了更好的发展前景,从而得到大力支持而发展。本次设计主要对比了LED的两种显示方法:静态扫描显示和动态扫描显示,以及为何选择动态扫描方法来控制LED点阵屏显示滚动相应内容,并对如何控制和传输点阵屏的行列信号进行了研究,根据LED的显示原理,采用了74HC138译码器组成外围驱动电路来实现动态扫描,达到了理想的滚动显示,并且在此基础之上添加了简单的复位、暂停和变向等基础功能。最后经过Proteus的仿真和调试,成功设计出实物并且功能完善。

关键词:单片机;LED点阵屏;显示

Abstract

The background of the design content of this paper is that the media of current information dissemination is increasingly dependent on display devices, and as the main force of outdoor display devices - billboards, it is the focus of attention. Therefore, improving the design of billboards is becoming more and more important. One of the ideas is to use a single-chip microcomputer as the core, combined with the peripheral circuit and the dot matrix display to form a scrolling display system. LED display has the advantages of high brightness, long life, good permeability, high density, easy modification and good permeability. It is an excellent choice for many places to display media. Many advantages make the LED display have better development prospects than traditional neon lights, and thus have been strongly supported and developed. This design mainly compares two display methods of LED: static scan display and dynamic scan display, and why the dynamic scan method is selected to control the LED dot matrix screen to display the corresponding content, and how to control and transmit the matrix signal of the dot matrix screen. According to the display principle of LED, the 74HC138 decoder is used to form the peripheral drive circuit to realize dynamic scanning, which achieves the ideal scroll display, and adds simple reset, pause and change directions. Features. Finally, through the simulation and debugging of Proteus, the design was successfully designed and fully functional.

Keywords: SCM; LED lattice screen;display

目 录

第1章 绪论 1

1.1单片机的发展 1

1.2单片机的应用 1

1.3设计任务与目的 2

1.4方案论证 2

1.5论文研究内容 3

第2章 系统硬件设计 4

2.1总体结构 4

2.2单片机最小系统 4

2.2.1电源 4

2.2.2晶振 5

2.2.3复位电路 5

2.2.4数据储存器 5

2.3译码模块 6

2.4显示模块 7

2.5驱动模块 9

2.5.1列驱动 9

2.5.2行驱动 10

2.6 整体电路图 11

第3章 系统软件设计 12

3.1显示子程序 12

3.2移动子程序 13

3.3主程序 13

3.4定时器和中断 14

第4章 系统调试 16

4.1软件调试 16

4.2硬件调试 17

第5章 结论 22

参考文献 23

致 谢 24

附录 25

第1章 绪论

现代生活日新月异,生活中娱乐方式日益增加,宣传活动中,广告牌已经成为了不可或缺的一个元素。在火车站你能见到用广告牌来通知提示火车的具体信息,在医院能见到使用广告牌提示的挂号排队等信息,在学校也能见到使用广告牌通知成绩活动等信息。但是目前所广泛是同的霓虹灯广告牌也存在较大缺陷:耗电量大,显示效果一般。因此我们仍需要另辟蹊径或者加以改进。

而现代科学技术的不断发展,作为集成电路芯片的单片机的性能愈发强大,功能

日益完善,似乎为我们提供了另一种更为简便且成本低的方案——使用LED管作为显示屏的主体。与传统的霓虹灯广告牌相比,单片机与LED的组合具有修改方便、成本低、显示效果好等优点。另外,新兴的SMT技术得以大力发展,使得这一想法更有现实基础。

单片机即微控制器,相当于将计算机系统集成于一个芯片之上,因而具有体积小、质量轻、价格低等优点,所以被广泛应用于各式各样的电子产品和工业用途中。而LED显示屏在生活中同样应用广泛,在各种场合,如医院、商城、学校等公共场合,是信息传播的重要途径。顺应如今的信息化社会,结合单片机的的LED显示屏的作用便十分清晰。

1.1单片机的发展

1971年4月,为了能开发出种种计算器通用的IC,在嶋正利和特德霍夫的联手下,第一款单片机诞生了[1]。最早期的单片机是SCM,一般都是4位或者8位,而最成功且应用最多的就是Intel的8051.。之后的MCU则继承8051基础上得以发展而成的,到现在都被广泛使用。随着工业电子技术的日益精湛,单片机的发展速度也飞一般地加快。原本因为性价比较差而被弃用的16位单片机进入大众视线。电子消费水平的巨大提升,更是让单片机的发展获益匪浅。更高级的32位单片机逐渐取代16位单片机的统治地位,占据主流市场,其中最有名的便是INTEL i960系列。当然,传统8位单片机的性能也早就不可同日而语,不但处理性能提高了数百倍,且价格十分低廉。单片机的出现是一个划时代的新星,是计算机科学与技术史上的转折点。从此以后,近代计算机发展分为两大阶段:通用计算机系统和嵌入式计算机系统。

俗称的51单片机,实际上是对于Intel8031指令系统的单片机的统称,该系列单片机是从Intel8004发展而来,最为经典的型号就是AT89系列[2]。因为flash rom技术的快速发展,51单片机得以受益而广布市场,成为入门的基础单片机,并深受工业喜爱。

1.2单片机的应用

事实上,单片机早已充斥与我们生活中的各个角落。不论是工业自动化中的数据处理和智能控制,还是火车飞机的精密仪表控制,计算机的通讯传输,军事领域的导航设备,以及公共交通生活中的智能识别,日常出行所使用的机动车的保障系统,娱乐工具所用的简单控制,都完全离不开单片机的应用。在更高层次领域的智能仪表、医疗设备、人工智能设备,单片机显得更加不可或缺,因此单片机的学习、应用与开发,显得尤为重要。

单片机的利用大抵可分为智能仪器、产业节制、家用电器、收集和通讯、装备范畴、模块化体系和交通智能化等几个范畴[3]。具体从应用规模来分则可以分成简单应用系统,常规应用系统和高级应用系统。简单应用系统没有人机交互功能,程序和运行数据直接固化于ROM中,一般适用于家用仪表和电器。常规应用系统一般会有外设和I/O口输入输出设备来实现对控制变量的观察和控制,所以常常被用于过程控制。至于高级应用系统,则是需要分层的结构,高层需要系统层面的软件作为引导,底层以单片机系统作基础。

在不同系统中的,单片机的作用也截然不同。在直接数字控制系统(Direct Digital Control)中,单片机是整个系统的一部分或者一个环节,可以直接参与控制流程[1]。在提前给定调控法则的情况下,单片机通过输入输出端口检测目标指标数值,并将所得结果与预设值比较。以保持最佳状态位目的,将调整操作通过开关控制等执行机构来执行。DDC较为直白简单,所以在工业控制中应用最为广泛。而在分布式控制系统(Distributed Control System)中,因为DCS在结构上是一个分层的计算机系统,一般由数台计算机主机和若干干单片机构成,所以单片机在该系统中往往处在第一线,且范围广,使用量大,自动化程度高[2]。分布式控制系统相对于直接数字控制系统更加复杂,成本也更昂贵,因此应用程度不如前者。

1.3设计任务与目的

设计由4块8*8点阵组成16*16LED显示屏,并加74HC138译码器和上拉电阻驱动构成一套可以滚动的电子设计广告牌。广告牌在能滚动显示汉字的同时应该具有改变滚动方向、暂停、复原等基本功能。

通过该次设计,了解点阵的显示原理,掌握行列扫描方式以及驱动方式,并学习了解74HC138译码器等元件的功能特性,加以利用来设计电路。

1.4方案论证

发光二极管点阵显示屏的表现方法,目前主要有两大类,前者为静态驱动显示,后者为动态驱动显示。

方案一:静态驱动显示方法十分简单直白,因为想让LED点阵显示特定的文字或者图案,只需要将该特定文字或图案的设计成若干个点的组合,再将这些点对应发光二极管,通过程序赋值将其同时点亮即可,所以被称为静态显示。但在简单易懂的同时,弊端也十分明显。本次设计需要16*16点阵,即共有256个的发光二极管,而单片机显然没有这么多的端口可以与各个二极管一一对应。不过我们还可以在此基础上再采取8位锁存器来拓展端口的数量,但是与此同时增加了设计难度与实际成本。特别是我们如果考虑到应用到实际产品中时,可能远远不止我们现在所考虑的16*16了,哪怕是64*64都无法负担这么高昂的成本和电路复杂程度,因此这个方案不予采用。

方案二:相对静态,即为动态显示。该方案就是利用了人眼的视觉暂留现象(余晖效应),以极短暂的间隔轮流点亮数码管,就可以让人看起来以为是全部数码管在亮,因此被称为动态扫描。动态扫描里又分为列扫描和行扫描,两种思路殊途同归,因此不加以更详细的介绍。本方案不需要太多的单片机端口,也无需添加太多额外的元件,电路简单,成本较低,所以最后本次设计采用该方案。

1.5论文研究内容

全文共为5章,结构如下:

第一章为绪论,主要介绍论文选题背景以及当前LED广告牌的发展水平,说明了其应用领域。讨论和对比了方法思路,阐述了任务内容和目的。

第二章是系统的硬件设计,分模块地讲解了各个部分的原理和作用,并给出了详细的电路图,在末尾给出了完整的电路仿真设计。

第三章是系统的软件设计。先是设计出整个系统的软件结构,主要使用C语言来编写程序,再根据前面硬件设计来分部分实现特定的功能。

第四章是系统的调试。软件的调试是Proteus上的仿真电路运行和Keil的程序调试,硬件的调试则是实物的制作,然后结合软件部分,将程序烧录到实物中进行整合调试。

第五章是结论。对整个设计的过程遇到的问题,以及最后实物完成的情况进行总结和归纳。

第2章 系统硬件设计

2.1总体结构

整个设计应该分为下面几个模块:MCU最小系统模块,发光二极管显示模块,74HC138解码模块和驱动模块。从功能上来解读系统,则大致分为单片机与外围电路、行驱动和列驱动以及LED点阵显示屏,如图1所示

图2.1 总体硬件框图

2.2单片机最小系统

单片机最小系统,也称为单片机最小应用系统,是指用最少的元件组成单片机可以工作的系统。再细分可分为三个关键要素:电源,晶振和复位电路。本仿真中采用的芯片是AT89C51,单片机最小系统如图2.2所示

图2.2 单片机最小系统电路图

2.2.1电源

电源最好理解,一切的电子设备都需要电力的支撑,一般的单片机都使用3.3V或5V标准进行供电,也存在一些电压更低的电源应对一些特殊场景。

2.2.2晶振

晶振又叫晶体振荡器,顾名思义,该元件必须保持振荡来维持正常的工作。众所周知,一个系统要保持精准的运行,得需要一个稳定且准备的基准作为对照,其他的所有工作都在这个基调的基础上不断调整来维持自己的精度。晶振存在的目的在于为单片机系统提供参考时钟来校准。

在本51单片机芯片中设有一个振荡器,由逆向放大器所构成,其最高时钟频率达到24MHz。该单片机的振荡电路的输入端和输出端为19、18脚(即XTAL1和XTAL2),需要连接到石英振荡晶体的两个管教,并且这两个管脚需要和30Pf的电容耦合到地。

2.2.3复位电路

复位电路又分为三种:上电复位、手动复位和程序自动复位。其目的是一致的,就是为了保证单片机在无论何种情况下,都能每次从同一个固定的、相同的状态开始工作。芯片的第9个端口便是所谓的重置引脚。要产生重置动作,需要此引脚连接电压电源,并且要超过两个机器时间。用一个电阻,一个电容和一个开关就可以构成最简单可靠的复位电路。

2.2.4数据储存器

由于单片机本身内部的数据存储器大小十分有限,仅有128Byte,若要运行稍大一些的程序都会力有不逮。哪怕是程序存储器空间也十分小,只有4KB的容量。如果想运行更大的程序那么就不得不外接存储器来进行扩展。AT89C51单片机则是通过31脚所接内容来判断使用的是内部程序存储器还是外部程序存储器来避免造成混淆。如果21脚所接的是VCC,那么采用的便是默认的内部程序存储器。如果31脚接地,那么采用的便是外部程序存储器。因为本设计仅仅是需要使用几个至几十个的字符,所以使用默认的内部存储器的4KB大小空间足够了。

以本文中采用的AT89C51为例,,从端口上来统计共有P0~P3四个部分。XTAL1和XTAL2引脚负责提供外部时钟信号,其中XTAL1是内置时钟电路和逆向震荡放大器的输入,XTAL2是逆向震荡器的输出。RST是重置输入端,在振荡器重置、初始化单片机时钟时,需要保持RST端口两个机器时间的高电平时间。

P0口是一个8位开漏通路双通I/O,每脚可以吸收8TTL门电流。使用FLASH的不同功能时,P0口的作用也不相同。在编写程序的时候,P0一般作为源代码的输入端口;校验时,必须外部拉高。另外在内部存储器空间不足的情况下,可以充作外部的拓展。定义作A/D的第八位。P1、P2和P3口则都是8位双向I/O口,且内部自带上拉电阻,缓冲器都可以接收输出4TTL门电流。借用外部电源将P1口管脚抬高后可以作为输入,拉低时将正好相反。使用flash编写和校准时,P1口作为第八地址来接收。

P2口与P1也很类似,当想选择输入功能时,必须要内部的电阻将管脚抬高。相反,想要输出电流,则需P2口被外部拉低。P2口的另一用途就是以补充存储器使用,且当被当作十六位的外部ROM存取时,高8位才是P2口的输出内容。输入高电平“1”时,内部上拉使得P2口能够在对外部的8位地址数据存储器进行读取和修改,输出其SFR的内容[3]。P2口在FLASH变成和校验时接收高八位ADDRESS/CONTROL信号。

P3口同样也是在写入“1”时,内部上拉使其高电平,用作输入[4]。在输入时正好相反,借助外部条件将端口改为低电平,从而有电流产生。另外,P3口可用于一些特殊用途,如表2.1所示

表2.1 P3口特殊功能表

2.3译码模块

C:\Users\Gu\Desktop\QQ截图20190515212540.png74HC138是一款高速CMOS器件,可以接受3位二进制加权地址输入,可以在使能时提供8个互斥的低有效输出。管脚图如2.3所示,真值表如表2.1所示

图2.3 74HC138管脚图

表2.1 74HC138真值表

输入

输出

E3

A0

A1

A2

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2.4显示模块

任务要求为16*16点阵,而实际可用的LED点阵实际为8*8,因此采用4块8*8显示屏。LED点阵屏由发光二极管LED组成,通过LED灯的亮灭来显示文字、动画和图片等等[5]。因为制作简单、安装和操作方便,被广泛应用于各种场合。它具有几个显著的优点,如下所示:

  1. 亮度较高:LED相较于其他的显示器,能够反射更多的光通量。
  2. 适应性强:更加耐冷热、耐潮湿、耐侵蚀。
  3. 抗静电性强:比其他材料有着明显优越的绝缘性。
  4. 通透性高:新一代点阵技术本身具备的高纯度性能加上高通透率的环氧树脂材料。
  5. 混色好:利用发光器件本身的微化处理和光波粒二相性,使得三原色光粒子得到充分的混合。
  6. 密度高:室内密度可达到P4。

LED点阵又可以分成共阴极和共阳级两种类型。8*8点阵,即有8行8列,共64个处于行线和列线交叉点上的LED管。对于行线来说,高电平有效,对列线则相反,低电平有效。所以若想要某个指定的发光二极管点亮,需要该发光二极管所在的行置1电平,该列置0电平

想要显示特定的汉字以及其他字符,必须有该文字的图案所对应的点阵代码,而这些文字的代码的集合便是字库。16*16即字面意义上的每个汉字需要在长宽均为16的方块区域内显示(除汉字外的其他字符可能只有一半区域大小)。所以首先需要将8*8点阵两两对应,把行列接口分别对应相连,拼接成了所需要的16*16LED点阵屏。8*8点阵原理图如图2.4所示。

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