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基于AT89C52单片机的LED显示控制系统设计

宋永贤

淮海工学院电子工程学院，连云港，中国，soyox@126.com

袁凤丽、张贤进

淮海工学院电子工程学院，连云港，中国，soyox@126.com

摘要：本文介绍了基于AT89C52单片机的led显示的软硬件设计过程。我们使用一个简单的外部电路来控制显示屏,尺寸是 32 x192。显示屏可以通过动态扫描显示6个32 x 32点阵大小的汉字, 并可分为两个小显示屏,可以显示二十四个大小为16times;16的汉字。我们可以通过修改代码来改变显示内容,字幕可以实现滚动功能，滚动速度可以根据要求调整。字幕也可以实现暂停功能。汉字码存储在外部数据存储器中, 数据存储容量根据我们想要显示的汉字的要求选择。本显示屏具有体积小、硬件少、电路结构简单等优点。

关键词：LED, 汉字显示, AT89C52

1. 引言

随着人们生活环境的不断改善和美化，LED显示器已成为城市照明、现代化和信息社会的重要标志[6]。LED灯在大型商场、火车站、码头、地铁站、各种管理窗口等都可以看到。LED业务已成为一个快速发展的新兴产业，一个巨大的市场空间，前景光明[9]。文本，图片，动画和视频显示在LED的灯光下，其内容可以改变。一些组件是模块化结构的显示设备， 它由显示模块、控制系统和电源系统组成。显示模块由发光二极管组成的点阵结构构成，负责发光显示； 屏幕可通过控制系统显示文字、图片、视频等，控制LED在相应区域的明暗；电力系统负责转换输入电压 将电流转换为屏幕所需的电压和电流。点阵显示器通过pc机提取显示字符字体，发送给单片机，然后显示在点阵屏幕上，主要用于室内和室外字符的显示。LED点阵显示按显示的内容可分为图形显示，图像显示和视频显示。与图像显示相比，无论是单色显示还是彩色显示，图形显示的特点是在灰度上没有差别。 因此，图形显示不能反映色彩的丰富性，而视频显示不仅可以显示练习、清晰、全彩色的图像，而且还可以显示电视和计算机信号，其有一些不同之处，但最基本的原理是相似的[6]。单片机具有成本高、体积小、可靠性高、控制能力强等优点，广泛应用于智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人，电器、模糊控制、通信系统等领域。本文介绍了LED显示屏的设计相关原理，并对其硬件和软件结构进行了详细的描述，最后对整个设计和分析进行了仿真并分析结果。

1. 系统总体结构设计

根据控制系统的目标、功能、可靠性、成本、精度和速度选择单片机模型。根据主体的实际情况，主要从以下两个方面考虑：第一，单片机具有较强的抗干扰能力；第二，单片机具有较高的成本效益。由于MCS-51在中国有着广泛的应用，拥有更多的信息，也可以兼容更多的外围芯片，特别是Atmel公司，在2003推出了新一代单片机，即89s系列，以及高性能、低成本的L系列产品AT89C52单片机。AT89C52是一种低电压、高性能的cmos8位微控制器，芯片包括8kb只读存储器(PEROM)，可重复擦除，256字节随机存取数据存储器(RAM)，采用高密度非易失性存储技术生产。使用标准MCS-51指令集和8052产品，而芯片内置通用8位中央处理单元(CPU)，闪存单元，可应用于更复杂的控制系统[10]。

该系统由AT89C52芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路、行扫描驱动电路和6个32times;32 LED点阵组成的电路实现。 LED字符的结构显示如图1所示。显示单元由点矩阵和两个74HC154芯片组成。将线路数据信号分为两部分，分别由两部分8255A给出。8255A的数据来自P0端口的主控制器AT89C52。每个字符的列扫描信号由两个74HC154，74HC154给出，并被分成6组。74HC154输入信号由AT89C52的P1.0~P1.3给出。外部数据存储器6264连接AT89C52的P0端口。

图1 显示LED字符的总体结构

3.系统硬件电路设计

1. 单片机控制系统的电路设计

汉字大小为32times;32，单片机有32个I/O端口，不能满足设计要求，因此I/O端口必须扩展，数据端口扩展由两个8255A实现。T型数据端口扩展见图2，74HC373是地址锁存器，锁存低8个地址，它提供6264的低8个地址信号，而6264的高8个地址信号由P2.0~P2.4提供，8255A通过A0和A1选择。74HC139是2-4译码器，其输入信号由单片机的P2.6和P2.7提供，并为外部I/O器件提供选通。因为系统有一个以上的外部设备，请确保它们不能被同时选通，因此它们的地址是唯一的，并且不会重复。

AT89C52的时钟电路由时钟侧(XTALI和XTAL2)和12 MHz晶体X、电容C1和C2组成，采用片内振荡器模式。

复位电路采用简单的电源复位电路，主要由电阻R1、电容C3组成，连接AT89C52的复位输入引脚。

图2 单片机控制系统电路

1. 显示存储单元的电路设计

设计中汉字的尺寸为32times;32，每个汉字由四个部分组成，分别是(A)、(B)、(C)和(D)，每个部分由4个LED矩阵组成，大小为8times;8。显示单元的分解图如图3所示。(A)~(b)的线信号由两个8255A给出。1PA0~1PA7和1PB0~1PB7为PA，PB端口为8255A-1；2PA0~2PA7和2PB0~2PB7为PA，PB端口为8255-2，右图为74HC154所给列扫描信号。提供16个列选通到74HC154，(A)~(D)分别需要8个信号，所以(A)和(B)共用74HC154，(C)和(D)共用74HC154。显示字符需要两个74HC154，它们提供列扫描信号。当电路工作时，(A)~(D)用扫描信号按适当的顺序选通，每次只有一个门控，其他列关断，所显示的数据由两片8255A同时给出。因为人眼对视力的暂留效应，在人眼下会看到一个稳定的状态。另外，由于显示汉字需要128字节的存储空间，而AT89C52单片机芯片。 仅为256个字节的数据存储器，远远低于设计要求，因此我们以8Ktimes;8外部数据存储器6264扩展存储空间。

1. （b）

（c） （d）

图3 显示单元电路分解图

1. 秩数据单元电路的设计

Inte18255A是一种通用可编程并行输入/输出接口芯片。它的功能可以通过软件程序设置，具有很强的通用性。它可以直接通过一种连接到外部设备的总线连接到CPU，使用方便、灵活。18255A接口芯片具有三个8位并行输入输出端口，编程方法可以将三个端口设置为输入，RTS或输出端口。芯片工作具有基本输入输出、选通输入/输出和双向输入/输出。当数据通过CPU数据总线传输时，它可以选择取消传输、查询传输或中断传输。在Inte1 8255A芯片三个端口中，C端口不仅可以作为数据端口，也可以作为控制端口。当C端口被视为一个数据端口，它不仅可以作为8位数据端口使用，而且可以单独作为两个4位数据端口使用，并且C端口的每一位都可以被操作，可以设置一个特定的位来输入或输出，这样就提供了比特控制的方便条件。

图4 线数据单元电路

在显示单元电路的设计中，线路数据由两个8255A给出，如图4所示。本设计采用动态显示方式显示中文。该系统采用行扫描或列扫描的方式控制字符，采用列扫描的方法控制屏幕，具体列扫描电路如图5所示。由12块74HC154组成的列扫描电路，其中两块74HC154提供了32个led灯来显示字符。74HC154的输入信号为P1.0~P1.3，由AT89C52提供。控制屏采用12块74HC154，按顺序工作，另一片74HC154的输入为P1.4~P1.7，由AT89C52提供给控制屏。

图5 列扫描单元电路

1. 串行通信接口电路

PC机与单片机通过串行通信接口连接。为了实现单片机与pc之间的串行通信功能，将单片机的串行接口级别转换为标准的RS-232[11]。其中，PC机的RS-232C端口的输出电压为plusmn;12V。单片机和PC机，考虑到短距离通信，单片机为主，负责接收命令和数据，因此PC机直接与单片机相连，这是最简单的连接方式。光耦合器的红外发光二极管是通过通信电路产生的电流信号，当信号发生时,红外发光二极管会产生电流, 二极管发出的光信号投射到三极管上, 转换成电信号，再输入单片机rxd侧，实现光电转换，电气完全隔离，避免反馈，以及输出侧产生的干扰，如图6所示

图6 串行通信接口电路

1. 软件设计

整个软件设计主要由显示程序和通信程序组成。显示程序用于显示在屏幕上的汉字、字符和其他数据，用于传输控制。动态扫描实现播放功能。与pc通信的实时通信部分通过单片机串行中断接收数据信息，从而实现实时数据信息的传输。

上位机软件采用VISUALBASIC语言实现。在标准串行通信中，采用VB提供的电力通信控制MSCOMM，可以设置串行通信， 数据的发送和接收，以及串口状态、消息格式和协议的设置，直接通过PC机的RS-232/RS-485串口发送数据。为了实现对PC与单片机通信的可靠性，并保证双方数据格式和波特率相同[11]，本设计采用RS-232通信，一种10位数据格式，9600位/秒波特率。

1. 汉字点阵显示原理及子码

以中国Times New Roman字体为例，每个字由16times;16点阵。也就是说，标准表达国家标准汉字库的每一个字需要256格。我们可以将每个点理解为一个像素，而每个单词的形状被理解为一幅图像。事实上，这个字符显示屏不仅可以显示字母，还可以显示汉字。在256像素范围内放置任何图形。由于单片机的总线是8位的，一个字需要分成两部分，如图7所示。

图7.汉字显示原理

为了了解汉字点阵的组成规律，首先采用柱扫描法得到汉字码。汉字分为上、下两部分。上部由8times;16晶格组成，下部由8times;16晶格构成。左上角的第一列是上半部分，用柱扫描法显示。首先，P00~P07端口为0列，方向为P00~P07，汉字显示为“大”，P05为开启，另一个为关闭。也就是说，二进制为00000100，在上半部分的第一列结束后，继续扫描第一列的下半部分，从图7中可以看到，该列并不是全部，即二进制值为000000000，HEX为00h。根据该方法，第三列，第三列，直到第十六被依次扫描。

可以绘制字符“大”扫描代码：

04H, 00H, 04H, 02H, 04H, 02H, 04H, 04H

04H, 08H, 04H, 30H, 05H, 0C0H, 0FEH, 00H

05H, 80H, 04H, 60H, 04H, 10H, 04H, 08H

04H, 04H, 0CH, 06H, 04H, 04H ,00H, 00H

从这一原理可以看出，无论是哪种字体或图像显示，都可以用这种方法分析扫描代码并显示在屏幕上。

虽然上述方法允许我们计算出字符点阵的编码过程，但依靠人工方法进行字符编码是一件非常复杂的事情。为此，使用Font软件查找字符代码，在软件打开后输入要显示的内容，可以根据需要选择字体和大小，可以按行或按列选择模块。按MODU LUS按钮，可以自动生成十六进制数据字符代码，需要将数据复制到程序中。

表1 8255及6264地址分配表

1. 地址分配端口和数据存储器

在本设计中，我们使用了8255A、6264等外部设备，它们的选通方式不一样，因此需要对选通进行控制，这就涉及到地址分配问题。在系统中，8255A的地址码为3 FFCH~3FFFFH和7FFCH~7FFFH，6264的地址码为0A000H~0BFFFH。此外，内存6264被划分为四个区域，每个空间大小为2K，相应的地址码是0A000H~0A7FFH，0A800H~0AFFFH，0B000H~0B7FFH，0B800H~0BFFFH。表1和表2分别显示了8255A和6264的地址分配。

表2 6264内扩表