基于51单片机的4个16×16点阵LED电子显示屏的设计
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1.显示模块论证 点亮LED数码管的方式有静态和动态2种方法。本文以8段LED作为示例来
论证方案
如画出了室内直插式8×8点阵双基色 LED模块实物图。这种模块由64个发光LED 芯片以8×8的形式构成一个正方形模块， 然后用2列8针引脚将内部电路接口引出， 供驱动电路使用。
行对应的给LED的阳极，先给第一行以 高电平，如果送给16列的代码为EFFF，则 第一行的第4个LED被点亮，再给第二行以 高电平，如果送给16列的代码为EF07，则 第二行的第4、9、10、11、12、13个被点 亮，接着给第三行以高电平，同时给列以 驱动代码，这样不断地进行行行的扫描， 只要速度够快，由于人的视觉暂留作用， 就不会感觉到明显的闪烁感。点阵上会看 到一个清晰的“机”字
2.行驱动电路
由于16x64点阵显示器有16行，为充分 利用单片机的接口，本电路中加入了一个 4-16线译码器74LS154，其输入是一个16 进制码，解码输出为低态扫描信号，它们 的管脚示意图如图4所示。把74LS154的 G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四 脚为输入端。就会形成16种不同的输入状 态，分别为0000～1111，然后使每种状态 只控制一路输出，即会有16路输出
系统主程序
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“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上 滚动显示汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没 有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。
显示驱动程序流程图
系统主程序流程图
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所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具 有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；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。
T0初值 0xec7 0xf63 0xf83 0xf97 0xfa4 0xfb1 0xfbee
8
c
0
e
2
e
从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷 新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时 间越多。试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较 严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到 85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。
LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试 即可 正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两 部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定， 下表给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
刷新率 25
50
62.5 75
85
100 120
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，并列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以传输到位之后，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 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。
二. 数据传输论证
采用动态显示方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱 动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一Байду номын сангаас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列方式或串行方式。
❖功能要求和方案论证
一.功能要求
本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： 1.要求采用51单片机作为微控制器； 2.通过四个16ｘ16的点阵LED进行文字显示； 3.在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 4.文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式。
二. 方案论证 方案论证分为显示模块论证和数据传输论证两部分
基于51单片机的4个16×16点阵LED电子显示屏的设计
姓名： 学号： 学院： 班级： 指导老师：
问题陈述
LED具有：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等 优点，所以受到广泛重视而得到迅速发展，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。
随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不 穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席 之地。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆 盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用 高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不 能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其 设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。归根结底，LED显示屏控制卡的 设计中硬件是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方 法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本论文提出基于普通51系列单片机实现LED显 示屏控制的原理及方法。
列驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位 串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而 且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实 现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达 到重叠处理的目的。
系统程序的设计
❖ 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。
END
谢谢欣赏
显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏
刷新率的稳定，扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
t 刷频率（帧频）=1/16× 0
溢出率=1/16×
f osc
12(65536 t0 )
其中f位晶振频率，t0 为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行 的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的 时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入 输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
显示屏电路实现的结构框图
4个16×16点阵显示屏硬件原理图
系统硬件电路的设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列 驱动电路和行驱动电路三部分
1.单片机系统和外围电路
单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振， 以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连， 用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则 用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和 RAM。
项目概述
❖ 本设计是4个16×16点阵LED电子显示屏的设计。整机 以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍 了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开 发过程。通过该芯片控制一个行驱动器74LS154和八个列 驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显 示各种文字或单色图像，全屏能显示4个汉字，采用16块8 x 8点阵LED显示模块来组成4个16x16点阵显示模式。显示 采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出 等多种显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设 计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程 序设计，以及使用说明等。
1.静态显示方式
静态显示方式，即8段LED数码管在显示某一个数码时，加在数 码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。这样数码管的每一 段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N 位显示则需N×8根输出控制线。占用较多I/O资源。
2.动态显示方式
为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采 用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起， 由一个8位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控 制。显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。位线控制某位选通 时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一 位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上）， 由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时， 我们就能看到稳定的图像了
论证方案
如画出了室内直插式8×8点阵双基色 LED模块实物图。这种模块由64个发光LED 芯片以8×8的形式构成一个正方形模块， 然后用2列8针引脚将内部电路接口引出， 供驱动电路使用。
行对应的给LED的阳极，先给第一行以 高电平，如果送给16列的代码为EFFF，则 第一行的第4个LED被点亮，再给第二行以 高电平，如果送给16列的代码为EF07，则 第二行的第4、9、10、11、12、13个被点 亮，接着给第三行以高电平，同时给列以 驱动代码，这样不断地进行行行的扫描， 只要速度够快，由于人的视觉暂留作用， 就不会感觉到明显的闪烁感。点阵上会看 到一个清晰的“机”字
2.行驱动电路
由于16x64点阵显示器有16行，为充分 利用单片机的接口，本电路中加入了一个 4-16线译码器74LS154，其输入是一个16 进制码，解码输出为低态扫描信号，它们 的管脚示意图如图4所示。把74LS154的 G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四 脚为输入端。就会形成16种不同的输入状 态，分别为0000～1111，然后使每种状态 只控制一路输出，即会有16路输出
系统主程序
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“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上 滚动显示汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没 有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。
显示驱动程序流程图
系统主程序流程图
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所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具 有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；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。
T0初值 0xec7 0xf63 0xf83 0xf97 0xfa4 0xfb1 0xfbee
8
c
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从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷 新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时 间越多。试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较 严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到 85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。
LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试 即可 正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两 部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定， 下表给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
刷新率 25
50
62.5 75
85
100 120
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，并列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以传输到位之后，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 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。
二. 数据传输论证
采用动态显示方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱 动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一Байду номын сангаас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列方式或串行方式。
❖功能要求和方案论证
一.功能要求
本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： 1.要求采用51单片机作为微控制器； 2.通过四个16ｘ16的点阵LED进行文字显示； 3.在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 4.文字显示具有每排字有滚动和逐排等显示方式。
二. 方案论证 方案论证分为显示模块论证和数据传输论证两部分
基于51单片机的4个16×16点阵LED电子显示屏的设计
姓名： 学号： 学院： 班级： 指导老师：
问题陈述
LED具有：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定等 优点，所以受到广泛重视而得到迅速发展，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。
随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不 穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席 之地。但是，由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆 盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快、执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用 高端嵌入式系统进行设计。这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不 能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其 设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。归根结底，LED显示屏控制卡的 设计中硬件是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方 法才能设计出一款性价比较高的控制卡。本论文提出基于普通51系列单片机实现LED显 示屏控制的原理及方法。
列驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位 串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而 且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实 现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达 到重叠处理的目的。
系统程序的设计
❖ 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。
END
谢谢欣赏
显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏
刷新率的稳定，扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
t 刷频率（帧频）=1/16× 0
溢出率=1/16×
f osc
12(65536 t0 )
其中f位晶振频率，t0 为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行 的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的 时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入 输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
显示屏电路实现的结构框图
4个16×16点阵显示屏硬件原理图
系统硬件电路的设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列 驱动电路和行驱动电路三部分
1.单片机系统和外围电路
单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振， 以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连， 用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则 用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和 RAM。
项目概述
❖ 本设计是4个16×16点阵LED电子显示屏的设计。整机 以美国ATMEL公司生产的40脚单片机AT89C51为核心，介绍 了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开 发过程。通过该芯片控制一个行驱动器74LS154和八个列 驱动器74HC595来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显 示各种文字或单色图像，全屏能显示4个汉字，采用16块8 x 8点阵LED显示模块来组成4个16x16点阵显示模式。显示 采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出 等多种显示方式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设 计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程 序设计，以及使用说明等。
1.静态显示方式
静态显示方式，即8段LED数码管在显示某一个数码时，加在数 码管上的段码保持不变，直至换显其他数码为止。这样数码管的每一 段均应由一条输出线来控制，每显示以为数码需要8根输出线，当N 位显示则需N×8根输出控制线。占用较多I/O资源。
2.动态显示方式
为解决静态显示占用较多I/O资源的问题，在多位显示时通常采 用动态显示方式，动态显示是将所有数码管的段码线对应并联在一起， 由一个8位的输出口控制，每位数码管的公共端分别出一位I/O线控 制。显示不同数码时，由位线控制各位轮流显示。位线控制某位选通 时，该位应显示数码的段码同时加在段码线上，即每一时刻仅仅有一 位数码管是被点亮的，当轮流显示的速度较快（每秒24次以上）， 由于人眼的视觉暂留现象，看起来就像所有位同时显示一样，这时， 我们就能看到稳定的图像了