基於單片機的Led點陣廣告牌設計

07-22

基於單片機的Led點陣廣告牌設計

【摘要】本設計使用AT89C51系列高速單片機作為主控制模塊，利用簡單的外圍電路來驅動64×16的點陣LED顯示屏。利用AT89C51系列高速單片機本身強大的功能，可以很方便的實現單片機與PC機間的數據傳輸及存儲，並能利用軟體方便的進行顯示內容的多樣變化，另一方面點陣顯示屏廣泛的應用於醫院、機場、銀行等公共場所，所以本設計具有很強的現實應用性。

本LED顯示屏能夠以動態掃描的方式同時顯示4個16×16點陣漢字，並能通過上位機軟體修改顯示內容和顯示效果等等。把字元內碼存儲在空閑的單片機程序存儲器空間，使本LED顯示系統能掉電存儲1024個字元。設計中採用了SPI介面的GB2312標準字型檔，支持所有的國標字元和ASCII標準字元的顯示。因為採用串列傳輸方式，使本系統的可擴展性得到提升，便於多個顯示單元的級聯。

本文從LED的顯示原理入手，詳細闡述了LED動態顯示的過程，以及硬體電路的設計、計算和軟體的演算法。

【關鍵詞】動態顯示；單片機；點陣字型檔

Led dot matrix based on single chip design billboards

WEI Jia Feng

(Shaanxi Institute of Technology Computer Science and Technology, Department of Computer

Science and Technology 061 class, Shaanxi Hanzhong 723001)

Instructor: LI Jian Zhong

Abstract: This design uses STC12C series MCU as a main controller, and depends on a simple external circuit to drive 96×16 the lattice LED display. By using its own powerful functions and capacity of internal E2PROM, it is easy to accomplish the MCU and PC and E2PROM for internal storage, data transmission equipment ,and it also can be used conveniently to show a variety of content changes. The other dot matrix display is widely used in hospitals, airports, banks and other public places. Therefore, the design has a strong practical application.

The LED Display dynamic scan can show the way at the same time six 16 × 16 dot matrix Chinese characters, and PC software can modify the content and effect shows, and so on. IAP used in the application of programmable technology, the characters within the code stored in the SCM free program memory space, so that the LED display system can store 1,024 brown-out characters. SPI used in the design of the interface standard GB2312 character, to support all the GB2312 standard ASCII characters and characters of the show. Because serial transmission used, so that the system can be enhanced scalability, for a number of display units of the cascade.

This article from the start LED display principle, elaborated on the LED display dynamic process, as well as hardware circuit design, computing and software algorithms.

Key Words: MCU；Serial Data Transfer；Llattice Llibrary

1 LED概述 ........................................................................... 5

1.1 LED電子顯示屏概述 ....................................................... 5

1.2 LED電子顯示屏的分類 .................................................... 5 2 顯示原理及控制方式分析................................................... 6

2.1 LED點陣模塊結構 .......................................................... 6

2.2 LED 動態顯示原理......................................................... 6

2.3 LED常見的控制方式 ...................................................... 7 3 硬體電路設計 ................................................................... 9

3.1 系統硬體概述 ................................................................ 9

3.2 16×16LED點陣顯示製作 ............................................... 10

3.2.1 16×16LED點陣的內部結構及工作原理 ...................... 10

3.2.2 用8×8LED點陣構成16×16LED點陣 .......................... 11

3.3主控單片機的介面說明 ................................................... 13

3.4 LED顯示驅動電路 ........................................................ 13 4 字模生成 ......................................................................... 15

4.1 字模簡介 ..................................................................... 15

4.1.1 LED顯示屏領域字模實現技術 .................................... 15

4.1.2 軟體控制系統字模提取的分析與設計 .......................... 15

4.2 字模存儲技術 ............................................................... 16

4.3 字型檔生成 ..................................................................... 16 5軟體設計 .......................................................................... 18

5.1 程序設計總體思路和結構 ............................................... 18

5.1.1 程序設計總體思路 ................................................... 18

5.1.2 程序流程圖 ............................................................ 18

5.2 各模塊程序設計............................................................ 19

5.2.1 系統初始化 ............................................................ 19

5.2.2 LED動態顯示 .......................................................... 19

5.2.3 漢字顯示的原理 ...................................................... 19 6系統功能測試 ................................................................... 21

6.1 單元模塊電路測試 ........................................................ 21

6.2 系統整體功能測試 ........................................................ 21 總結 ................................................................................... 22 致謝 ................................................................................... 23 參考文獻 ............................................................................ 24 附錄 ................................................................................... 25

引言

LED（Light Emitting Diode），發光二極體，簡稱LED，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它裡面空穴佔主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個「P-N結」。當電流通過導線作用於這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴複合，然後就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。

多個 LED發光燈組成固定的字元或圖形進行顯示，即形成LED點陣圖文顯示屏。其主要特徵是只控制LED點陣中各發光器件的通斷（發光或熄滅），而不控制LED的發光強弱。LED點陣的漢字顯示方式是先根據所需要的漢字提取漢字點陣（如16×16 點陣），將點陣文件存入ROM，形成新的漢字編碼；而在使用時則需要先根據新的漢字編碼組成語句，再由MCU根據新編碼提取相應的點陣進行漢字顯示。

LED點陣顯示具有如下特點：

（1）電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據產品不同而異，所以它是一種比使用高壓電源更安全的電源。

（2）效能：消耗能量比同光效的白熾燈減少80%。

（3）適用性：每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以製備成各種形狀的器件，並且適合於易變的環境。

（4）穩定性：10萬小時，光衰為初始的50%。

（5）響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。

（6）對環境污染：無有害金屬汞。

（7）顏色：改變電流可以變色，發光二極體方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現紅黃綠蘭橙多色發光。

由於LED的眾多優勢，在市場中得到了廣泛的應用，主要應用領域有：

（1）、信號指示應用：信號照明是LED單色光應用比較廣泛也是比較早的一個領域，約佔LED應用市場的4%左右。

（2）、顯示應用：指示牌、廣告牌、大屏幕顯示等， LED用於顯示屏幕的應用約佔LED應用的20%—25%，顯示屏幕可分為單色和彩色。

（3）、照明應用：便攜燈具，汽車用燈，特殊照明。由於LED尺寸小，便於動態的亮度和顏色控制，因此比較適合用於建築裝飾照明。背光照明：普通電子設備功能顯示背光源、筆記本電腦背光源、大尺寸超大尺寸LCD顯示器背光源等。以及投影儀用RGB光源。

1 LED概述

1.1 LED電子顯示屏概述

LED電子顯示屏（Light Emitting Diode Panel）是由幾百--幾十萬個半導體發光二極體構成的像素點，按矩陣均勻排列組成。利用不同的半導體材料可以製造不同色彩的LED像素點。目前應用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍色和純綠色LED的開發已經達到了實用階段。 LED顯示屏是一種通過控制半導體發光二極體的亮度的方式，來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。

LED顯示屏分為圖文顯示屏和條幅顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；而條幅顯示屏則適用於小容量的字元信息顯示。LED顯示屏因為其像素單元是主動發光的，具有亮度高，視角廣、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐衝擊和性能穩定等優點。因而被廣泛應用於車站、碼頭、機場、商場、醫院、賓館、銀行、證券市場、建築市場、拍賣行、工業企業管理和其它公共場所。

LED顯示屏的發展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高氣候耐受性、更高的發光密度、更高的發光均勻性，可靠性、全色化方向發展。

1.2 LED電子顯示屏的分類

按顏色分類：

單基色顯示屏:單一顏色（紅色或綠色）。

雙基色顯示屏：紅和綠雙基色，256級灰度、可以顯示65536種顏色。

全彩色顯示屏：紅、綠、藍三基色，256級灰度的全彩色顯示屏可以顯示一千六百多萬種顏色。

按顯示器件分類：

LED數碼顯示屏：顯示器件為7段碼數碼管，適於製作時鐘屏、利率屏等，顯示數字的電子顯示屏。

LED點陣圖文顯示屏：顯示器件是由許多均勻排列的發光二極體組成的點陣顯示模塊，適於播放文字、圖像信息。

按使用場合分類：

室內顯示屏：發光點較小，一般Φ3mm--Φ8mm，顯示面積一般零點幾至十幾平方米。室外顯示屏：面積一般幾十平方米至幾百平方米，亮度高，可在陽光下工作，具有防風、防雨、防水功能。

按發光點直徑分類：

室內屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm

室外屏發光的基本單元為發光筒，發光筒的原理是將一組紅、綠、藍發光二極體封在一個塑料筒內共同發光增強亮度。

2 顯示原理及控制方式分析

2.1 LED點陣模塊結構

八十年代以來出現了組合型LED點陣顯示器模塊，以發光二極體為像素，它用高亮度發光二極體芯陣列組合後，環氧樹脂和塑模封裝而成。這種一體化封裝的點陣LED模塊，具有高亮度、引腳少、視角大、壽命長、耐濕、耐冷熱、耐腐蝕等特點。LED點陣規模常見的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。

根據像素顏色的數目可分為單色、雙基色、三基色等。像素顏色不同，所顯示的文字、圖象等內容的顏色也不同。單色點陣只能顯示固定色彩如紅、綠、黃等單色，雙基色和三基色點陣顯示內容的顏色由像素內不同顏色發光二極體點亮組合方式決定，如紅綠都亮時可顯示黃色，如果按照脈衝方式控制二極體的點亮時間，則可實現256或更高級灰度顯示，即可實現真彩色顯示。

圖2.1示出最常見的8×8單色LED點陣顯示器的內部電路結構和外型規格，其它型號點陣的結構與引腳可試驗獲得。

圖2.1 8×8單色LED模塊內部電路

LED點陣顯示器單塊使用時，既可代替數碼管顯示數字，也可顯示各種中西文字及符號．如5x7點陣顯示器用於顯示西文字母．5×8點陣顯示器用於顯示中西文，8x8點陣可以用於顯示簡單的中文文字，也可用於簡單圖形顯示。用多塊點陣顯示器組合則可構成大屏幕顯示器，但這類實用裝置常通過PC機或單片機控制驅動。

2.2 LED 動態顯示原理

LED點陣顯示系統中各模塊的顯示方式：有靜態和動態顯示兩種。靜態顯示原理簡單、控制方便，但硬體接線複雜，在實際應用中一般採用動態顯示方式，動態顯示採用掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈衝電壓驅動，從上到下逐次不斷地對顯示屏的各行進行選通，同時又向各列送出表示圖形或文字信息的列數據信號，反覆循環以上操作，就可顯示各種圖形

或文字信息。

點陣式LED漢字廣告屏絕大部分是採用動態掃描顯示方式，這種顯示方式巧妙地利用了人眼的視覺暫留特性。將連續的幾幀畫面高速的循環顯示，只要幀速率高於24幀/秒，人眼看起來就是一個完整的，相對靜止的畫面。最典型的例子就是電影放映機。在電子領域中，因為這種動態掃描顯示方式極大的縮減了發光單元的信號線數量，因此在LED顯示技術中被廣泛使用。

以8×8點陣模塊為例，說明一下其使用方法及控制過程。圖2.1中，紅色水平線Y0、Y1……Y7叫做行線，接內部發光二極體的陽極，每一行8個LED的陽極都接在本行的行線上。相鄰兩行線間絕緣。同樣，藍色豎直線X0、X1……X7叫做列線，接內部每列8個LED的陰極，相鄰兩列線間絕緣。

在這種形式的LED點陣模塊中，若在某行線上施加高電平（用「1」表示），在某列線上施加低電平（用「0」表示）。則行線和列線的交叉點處的LED就會有電流流過而發光。比如，Y7為1，X0為0,則右下角的LED點亮。再如Y0為1，X0到X7均為0，則最上面一行8個LED全點亮。

現描述一下用動態掃描顯示的方式，顯示字元「B」的過程。其過程如圖2.2

圖2.2 用動態掃描顯示字元「B」的過程

2.3 LED常見的控制方式

目前常見的是並行傳輸方式（見附錄1.1），通過8位鎖存器將8位匯流排上的列數據進行鎖存顯示，各8位鎖存器的片選信號由解碼器提供。此種方式的優點是傳輸速度快，對微控制器（MCU）的通信速度要求較低。但是這種方案最大的缺點是不便於隨意擴展顯示單元的數目。每增加一個16×16點陣的全形漢字顯示單元，就需要在之前的電路上多增加兩根地址線，這就要求在PCB布線的時候要留有充足的地址線冗餘量。再一個缺點是，每個單元的PCB隨著安放位置的不同，布線結構也不相同，不利於廠家批量生產。並行傳輸需要的晶元較多，因此市場上已經出現用FPGA,CPLD等高密度可編程邏輯器件（PLD）來取代傳統鎖存器IC的方案。成本有所下降，但可擴展性仍舊較差。因此，並行傳輸方式適用於顯示單元數目確定的條屏。

隨著廣告屏顯示內容的多媒體化，對控制器傳輸速度，運算能力的要求越來越高。因此控制器的種類也在不斷發展以適應要求，從最初的8051單片機，到PIC單片機，又到FPGA，直到現在的ARM處理器。不同功能檔次的廣告屏對應著不同的處理器。

一．以傳統8051單片機為控制器的LED顯示屏。因受到單片機運算速度及通信速率的限制，LED動態顯示的刷新率不可能做得太高。對顯示效果和移動演算法的處理也比較吃力，在實際顯示效果上有比較明顯的閃爍感。除此之外，傳統8051單片機的內部資源貧乏，僅128位元組的數據存儲器，幾K位元組的程序存儲器，無E2PROM，SPI

。這就需要對單片機擴展

外設，無疑增加了硬體成本。因此，8051控制的條屏只能用於顯示內容及其簡單，不需要經常更改顯示內容的場合。

二．以PIC單片機為控制器的LED顯示屏。因PIC單片機是RISC架構的工業專用單片機，處理指令的速度有所增加，抗干擾能力優秀，型號種類繁多。作為條屏的控制器，可以明顯的改善顯示效果，同時PIC單片機內部的資源較豐富，可節省外部電路設計難度，同時降低了硬體成本。因此，以PIC單片機為控制器的條屏目前仍是單色條屏市場的主流。

三．以FPGA（複雜可編程邏輯門陣列）為控制器的LED顯示屏。FPGA以高速、並行著稱。是近年來新興的可編程邏輯器件。用他作為LED顯示屏的控制器，能夠高速的處理色階PWM信號、高速的完成動態掃描邏輯、高速的完成字元移動演算法。因此被運用於雙基色、三基色的顯示系統。但是其成本較高，開發難度較大。

四．以ARM（32位RISC架構高性能微處理器）為控制器的LED顯示屏。ARM有著極高的指令效率，極高的時鐘頻率。因此其運算能力非常強大，內部資源也十分豐富，極大的簡化了硬體設計的難度，縮短了開發周期。在條屏的運用中，能用ARM來實現花樣繁多的顯示方式，以及高色階，多像素的全彩屏驅動。ARM與FPGA的組合更是功能強大，除了海量存儲技術，無線更新技術外，還能實時地顯示視頻信號。因此，以ARM為控制器的顯示屏常為視頻全彩屏。

3 硬體電路設計

3.1 系統硬體概述

整個電路由單片機89C51，8個74LS373，1個74HC154，1個74LS138,4個16×16的LED。該電路所設計的電子屏可顯示多個漢字，需要4個16×16 LED點陣模塊，可組成16×64的條形點陣。

AT89C51是一種帶4KB可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反覆擦除100次。該器件採用ATMEL高密度非易失存儲器製造技術製造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由於將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個晶元中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51引腳即外觀如圖3.1所示。

圖3.1 AT89C51的管腳圖

解碼器是組合邏輯電路的一個重要的器件，74LS138的輸出是低電平有效，故實現邏輯功能時，輸出端不可接或門及或非門，74LS138與前面不同，其有使能端，故使能端必須加以處理，否則無法實現需要的邏輯功能。發光二極體點亮只須使其正嚮導通即可，根據LED的公共極是陽極還是陰極分為兩類解碼器，即針對共陽極的低電平有效的解碼器；針對共陰極LED的高電平輸出有效的解碼器。

74LS373是低功耗肖特基TTL8D鎖存器，內有8個相同的D型(三態同相)鎖存器，由兩個控制端(11腳G或EN；1腳OUT、CONT、OE)控制。當OE接地時，若G為高電平，74LS373接收由PPU輸出的地址信號；如果G為低電平，則將地址信號鎖存。工作原理：74LS373的輸出端O0—O7可直接與匯流排相連。當三態允許控制端OE為低電平時，O0—O7為正常邏輯狀態，可用來驅動負載或匯流排。當OE為高電平時，O0—O7

呈高阻態，即不驅動匯流排，也不

為匯流排的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，O隨數據D而變。當LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數據電平。74LS373引腳即外觀如圖

3.2所示

圖3.2 74LS373引腳圖

74HC154為 4 線－12 線解碼器，當選通端（G1、G2）均為低電平時，可將地址端（ABCD）的二進位編碼在一個對應的輸出端，以低電平譯出。若將 G1 和 G2 中的一個作為數據輸入端，由 ABCD 對輸出定址，還可作 1 線－16 線數據分配器。工作環境溫度為0～70℃，對社會的要求非常適合。

LED,50年前人們已經了解半導體材料可產生光

線的基本知識，第一個商用二極體產生於1960年。LED是英文light emitting diode（發光二極體）的縮寫，它的基本結構是一塊電致發光的半導體材料，置於一個有引線的架子上，然後四周用環氧7樹脂密封，即固體封裝，所以能起到保護內部芯線的

作用，所以LED的抗震性能好該電路的顯示採用逐行掃描方式。工作時，由單片機取出第一行需要顯示的內容經延時一段時間後再進行下一行點陣數據的顯示。需要注意的是，每次只能選通一行數據，即要通過不斷的逐行掃描來實現漢字或字元的顯示。

3.2 16×16LED點陣顯示製作

3.2.1 16×16LED點陣的內部結構及工作原理

以UCDOS中文宋體字型檔為例，每一個字由16行16列的點陣組成顯示。即國家標準漢字型檔中的每一個字均由256點陣來表示。我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素範圍內的任何圖形。這裡我們以「高」字說明，如圖3.3所示。

圖3.3 16*16LED漢字顯示

用8位的AT89C51單片機控制，由於單片機的匯流排為8位，一個字需要拆分為2個部分。一般把它拆分為上部和下部，上部由8×16點陣組成，下部也由8×16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上半部分，即第0列的p00—p07口。方向為p00到p07 ,顯示漢字「高」時,p02點亮,由上往下排列,為p0.0 滅，p0.1 滅, p0.2 滅, p0.3 滅, p0.4 滅, p0.5 亮,p0.6滅,p0.7 滅。即二進位00000100，轉換為16進位為 04h。上半部第一列完成後，繼續掃描下半部的第一列，為了接線的方

便，我們仍設計成由上往下掃描，即從p27向p20方向掃

描，從上圖可以看到，這一列全部為不亮，即為00000000，16進位則為00h。然後單片機轉向上半部第二列，仍為p01點亮，為00000100，即16進位04h.這一列完成後繼續進行下半部分的掃描，p20點亮，為二進位00000010，即16進位02h.依照這個方法，繼續進行下面的掃描，一共掃描32個8位，可以得出漢字「高」的掃描代碼為：02h，00h，01h, 04h,0FFh,0FEh, 00h, 00h，1Fh,0F0h, 10h, 10h, 10h, 10h, 1Fh,0F0h，00h, 04h, 7Fh,0FEh, 40h, 04h, 4Fh,0E4h，48h, 24h, 48h, 24h, 4Fh,0E4h, 40h, 0Ch。

由這個原理可以看出，無論顯示何種字體或圖像，都可以用這個方法來分析出它的掃描代碼從而顯示在屏幕上。不過現在有很多現成的漢字字模生成軟體，就不必自己去畫表格算代碼了。

3.2.2 用8×8LED點陣構成16×16LED點陣

Proteus中只有5×7和8×8等LED點陣，並沒有16×16LED點陣，而在實際應用中，要良好地顯示一個漢字，則至少需要16×16點陣。下面我們就首先介紹使用8×8點陣構建16×16點陣的方法，並構建一塊16×16LED點陣，用於本例的顯示任務。

首先，從Proteus7.1的元件庫中找到「MATRIX-8X8-RED」元器件，並將四塊該元器件放入Proteus文檔區編輯窗口中。此時需要注意,如果該元器件保持初始的位置（沒有轉動方向），我們要首先將其左轉90°，使其水平放置，那麼此時它的左面8個引腳是其行線，右邊8個引腳是其列線（當然，如果你是將右轉，則右邊8個引腳是行線）。然後我們將四個元器件對應的行線和列線分別進行連接，使每一條行線引腳接一行16個LED，列線也相同。並注意要將行線和列線引出一定長度的引腳，以便下面我們使用。連接好的16×16點陣如圖

3.4所示。

成如上圖的16×16點陣只是第一步，這樣分開的數塊並不能達到好的顯示效果,下面我們要將其進一步組合。組合實際上很簡單，首先選中如上圖中右側的兩塊8×8點陣，然後拖動並使其與左側的兩塊相併攏，如圖3.5所示。

圖3.4 點陣模塊組合

圖3.5

可以看到原來的連線已經自動隱藏了，至於線上的交點，我們不要去動。然後，我們再來最後一步，選中下側的兩塊點陣，並拖動使其與上側的兩塊併攏,最後的效果如圖3.6所示。看到,原來雜亂的連線現在已經幾乎全部隱藏了，一塊16×16的LED點陣做成了。需要注意，做成的LED點陣的行線為左側的16個引腳，下側的16個引腳為其列線，而且其行線為高電平有效，列線為低電平有效。然後，我們將其保存，以便以後使用。

圖3.6

3.3主控單片機的介面說明

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據匯流排複製用口，作為輸入口時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對埠寫入「1可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據匯流排復用，在訪問期激活內部上拉電阻。在Flash編程時，PO口接收指令節，而在程序校檢時，輸出指令位元組，校檢時，要求外接上拉電阻。 P1口：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩衝級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對埠寫「1」，通過內部的上拉電阻把埠拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。Flash編程和程序校檢期間，P1接收低8位地址。

P2口:P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩衝級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對埠寫「1」，通過內部的上拉電阻把埠拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流I。在訪問外部數據存儲器或16位地址的外部數據存儲（例如執行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執行MOVX@RI指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區中R2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。Flash編程和校檢時，P2亦接收高位地址和其他控制信號。

P3口：P3口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩衝級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入「1」時，它們被內部上拉電阻拉高並可作輸入埠，作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻，輸出電流I。P3口還接收一些用於Flash閃速存儲器編程和程序校檢的控制信號。

RST:複位輸入，當震蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機複位。

ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時,ALE(地址鎖存允許）輸出脈衝用於所存地址的低8位位元組。即使不訪問外部存儲器，ALE乃以時鐘振動頻率的1/6輸出固定的正脈衝信號，因此它可對外輸出時鐘或用於定時目的。要注意的是:每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈衝。

3.4 LED顯示驅動電路

LED顯示驅動電路如圖3.7所示。

圖3.7 顯示驅動電路圖

4 字模生成

4.1 字模簡介

文字的字模是一組數字，但它的意義卻與數字的意義有著根本的變化，它是用數字的各位信息來記載英文或漢字的形狀[1]。

在電腦硬體中，根本沒有漢字這個概念，也沒有英文的概念，其認識的概念只有——內碼(將ASCII表的高128個很少用到的數值以兩個為一組來表示漢字，即漢字的內碼。而剩下的低128位則留給英文字元使用，即英文的內碼)。如果你用啟動盤啟動系統後用DIR命令可能得到一串串莫名其妙的字元，但那確確實實是漢字，如果你啟動UCDOS或其他的漢字系統後，就會看到那是一個個熟悉的漢字。在硬體系統內，英文的字模信息一般固化在ROM里，即使在沒有進入系統的CMOS里，也可以讓你看到英文字元。而在DOS下，中文的字模信息一般記錄在漢字型檔文件里(將製作好的字模放到一個個標準的庫中，這就是點陣字型檔文件)。

4.1.1 LED顯示屏領域字模實現技術

在通過軟體實現的技術中，目前有許多字模生成軟體，軟體打開後輸入漢字，點「檢取」，十六進位數據的漢字代碼即可自動生成，把我們所需要的豎排數據複製到我們的程序中即可。在通過硬體實現字模提取的技術中，有在單片機系統中增加硬漢字型檔的方法，主控器發送的漢字是其機內碼，用兩個位元組來表示一個漢字。根據機內碼，顯示單元控制模塊從漢字型檔中查取顯示字模，實現漢字顯示。由於帶有硬漢字型檔，進行動態文字顯示時，通用智能顯示單元僅接受漢字的機內碼即可，這樣數據通訊量大大減少。因此，「動態文字顯示速度快」。

4.1.2 軟體控制系統字模提取的分析與設計

而在LED顯示屏控制系統具體應用的Windows操作系統下如何提取字模信息是設計的核心。軟體控制系統在實際編輯過程中，要求各種字體、字型大小的文字都能被編輯、保存。所以系統在設計時，把文本區理解為由眾多的象素點構成，而把不同字體、字型大小的文字理解為一幅圖像。因為所開啟的文本區大小與LED顯示屏的大小對應，所以採用16×16點陣為單位，把文本區內的每個像素點都看成一個二維數組，由於系統中各種顏色都有對應的值，賦予每個不同顏色的像素點不同的對應值，再把每個點賦予一個int型的值，這樣保存下來的信息就是二進位數據。通過這樣的設計，我們不僅可以把任何字型，任何大小的文字保存下來，還可以顯示以256個像素點陣為單位的任何圖形。在軟體控制系統中實現字模的提取，也就避免了在單片機中載入硬漢字型檔模塊，從而簡化了硬體模塊的設計。

以下以單色屏為例，介紹系統採用字模保存的演算法設計：

定義COLORREF zimo_ color為像素點的顏色，判斷某個點的顏色值。如果值為Oxffffff，說明此點為白色，賦予此點值0。由於單色屏只有紅色和不顯色兩種，所以可以簡單賦值為除白色外其餘點賦值為1

CClientDC dc(this);

CFile myfile;

unsigned int zimo[192] [384]={0};

unsigned char zimo_data[192][48]={0};

COLORREF zimo_color;

int row, col ;

this ->HideCaret();

for (row=0;row<192;row++){

for (col=0;col<384;col++){

zimo_color=do.GetPixel (col, row);

if (zimo color = =Oxffffff)

{zimo [row] [col]=0;}else

{zimo [row] [col]=1;}}}

定義unsigned int zimo[192][384]={0};//文本區像素點

以8位為一位元組(因為在隨後的串列通訊中，傳輸的數據是8位的二進位數據)

定義 unsigned char zimo_data[192][48]={0}

4.2 字模存儲技術

目前使用最廣泛的技術是，通過上位機軟體將待顯示的字元串轉換為對應的點陣字模數據，通過燒寫的方式將這些字模數據按一定的順序編址後存儲在E2PROM中。在條屏顯示的過程中按規定的方式取出E2PROM中的字模數據進行處理。對於一個16×16點陣的漢字字模數據，需要連續32位元組的E2PROM空間來存儲。照此計算，若有256個需要顯示的字元，則至少需要32B×256=8192位元組（8KB）的E2PROM存儲空間。通常的單片機內部沒有集成這麼

22大容量的EPROM。因此這種方案，需要在單片機外部擴展大容量的EPROM，增加硬體成本。上位機程序設計由於涉及到漢字取模，取模演算法的難度較大。在多字下載的時候傳輸時間也較長。諸多弊端使本設計放棄了傳統方案。而本設計創新使用了專用的點陣字型檔晶元，成本僅為8元，內含各種點陣規格的GB2312、ASCII等標準字型檔。專用字型檔晶元採用微型SO-8封裝，使用高速同步串列SPI介面進行讀寫操作，節省了控制器的I/O。在本設計中，單片機內部的小容量E2PROM，用於存儲待顯示漢字的GB2312標準機內碼，每個全形字元的內碼佔2位元組，則在同樣需要顯示256個漢字的情況下，這種方案僅佔用512位元組的E2PROM空間

4.3 字型檔生成

因為本設計中為行掃描，列輸入，所以「魏」的自摸代碼為：

DB 49H,40H,4AH,51H,4CH,6AH,7FH,0C4H,4CH,4AH,8AH,71H,88H,42H,3FH,84H

DB64H,98H,0A5H,0E0H,3EH,0BEH,24H,81H,24H,89H,7FH,81H,20H,07H,00H,00

「佳」字代碼為：

DB 01H,00H,02H,00H,04H,00H,1FH,0FFH,0E2H,02H,12H,22H,12H,22H,12H,22H DB

12H,22H,0FFH,0FEH,12H,22H,12H,22H,32H,62H,16H,26H,02H,02H,00H,00H

「鋒」字代碼為：

DB 01H,40H,02H,40H,0EH,40H,0F3H,0FEH,12H,44H,12H,48H,09H,00H,11H,28H

DB 0F2H,0A8H,2AH,0A8H,25H,0FFH,2AH,0A8H,32H,0A8H,23H,28H,02H,00H,00H,00H

5軟體設計

5.1 程序設計總體思路和結構

5.1.1 程序設計總體思路

用簡短的彙編程序設計，實現LED點陣顯示內容，並使顯示的內容在屏幕上從左到右的滾動顯示。系統採用模塊化結構，包括主程序、延時程序、顯示子程序和串列口中斷程序。用AT89C51、74LS373、74LS138、74HC154晶元和4個16×16LED點陣顯示器構成一個完整的16位點陣LED顯示系統。

5.1.2 程序流程圖

程序主要由開始、初始化、主程序、字型檔組成。其中主程序和子程序的流程圖如圖5.1所示。

圖5.1 單片機漢字顯示程序流程圖

5.2 各模塊程序設計

5.2.1 系統初始化

ORG 0000H

AJMP START

ORG 000BH

LJMP TIME0

ORG 0030H

START:MOV R1,#00H

MOV R2,#00H

MOV R3,#00H

MOV R4,#00H

MOV R5,#00H

5.2.2 LED動態顯示

顯示要求漢字在顯示屏上按從左到右的順序一個個的出現。設計時可採用如下方法：首先將LED顯示屏對應的顯示緩衝區全部清零，即 LED顯示空白，然後每間隔一個「軟定時器」設定的動態顯示時間，顯示緩衝區依次加入一個漢字點陣數據並進行掃描顯示，這樣就可達到動態顯示的效果。實現LED從左向右移動顯示程序：

TIME0:INC R5

CJNE R5,#3,NEXT

MOV R5,#0

INC DPTR

INC R1

CJNE R1,#144,NEXT

MOV R1,#0

MOV DPTR,#TAB

NEXT: MOV TH0,#3CH

MOV TL0,#0B0H

RETI

5.2.3 漢字顯示的原理

我們以中文宋體字型檔為例，每一個字由16行16列的點陣組成顯示。即國標漢字型檔中的每一個字均由256點陣來表示。我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256像素範圍內的任何圖形。LED點陣漢字顯示程序：

MAIN: MOV P1,R2

MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR

MOV P2,A

INC R3

MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

INC R3

MOV P3,R4

LCALL DELAY1MS

INC R2

CJNE R2,#16,MAIN

MOV R2,#0

INC R4

CJNE R4,#3,MAIN

MOV R3,#0

MOV R4,#0

LJMP MAIN

6系統功能測試

6.1 單元模塊電路測試

在proteus模擬軟體中運行測試AT89C51、74LS373、74LS138、74HC154等晶元和LED顯示器均能正常運行並完整的顯示出了我所要的效果。所以各個模塊功能正常。

6.2 系統整體功能測試

在模擬軟體proteus中運行測試系統整體功能，一切正常。實現了漢字的左移滾動顯示，完整的顯示出了「陝西理工學院」浮動漢字。

圖6.1 單片機漢字顯示系統測試圖

總結

在本設計中我用簡短的彙編程序在LED顯示屏實現了漢字的左移滾動顯示。在設計中採用的晶元有AT89C51、74LS373、74LS138、74HC154和4個16×16LED點陣顯示器。其特點：

1.內容能從右向左浮動顯示。2.硬體結構簡單，應用廣泛。3.LED數碼管動態掃描顯示，工作效率高，價格低廉等。

通過本次(64×16位點陣LED)的設計，理論知識學習和實際設計的結合鍛煉了我的綜合運用所學的專業基礎知識解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規範以及電腦製圖等其他專業能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取捨，以及對細節的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經驗得到了豐富。為後繼的學習和工作奠定的基礎。

致謝

在完成此設計過程中，我曾多次去找我的指導老師，李建忠老師，每次在遇到實驗中遇到困難或者程序看不懂的時候，我都去找李老師，不管上班下班時間，李老師每次都不厭其煩，不辭辛苦的給我細心講解指導，我才能在實驗室完成實驗，在寫論文過程中老師也給了我很大幫助，在此，我由衷的對李老師對我的指導和教育。

參考文獻

[1]李建忠編著.單片機原理及應用.西安：西安電子科技大學出版社，2002

[2]李群芳，肖看編著.單片機原理、介面及應用.北京：清華大學出版社，2005

[3]于海生編著.微型計算機控制技術.北京：清華大學出版社，2008

[4]戴梅萼，史嘉權編著.微型計算機技術及應用(第3版).北京：清華大學出版社，2008

[5]江曉安，董秀峰編著.數字電子技術(第二版).西安：西安電子科技大學出版社，2005

附錄

附錄：源程序代碼

ORG 0000H ;初始化

AJMP START

ORG 000BH

LJMP TIME0

ORG 0030H

START:MOV R1,#00H

MOV R2,#00H

MOV R3,#00H

MOV R4,#00H

MOV R5,#00H

MOV TMOD,#01H

MOV TH0,#3CH

MOV TL0,#0B0H

MOV IE,#82H

SETB TR0

MOV DPTR,#TAB

;================

MAIN: MOV P1,R2 ;單片機輸出

MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR

MOV P2,A

INC R3

MOV A,R3

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

INC R3

MOV P3,R4

LCALL DELAY1MS

INC R2

CJNE R2,#16,MAIN

MOV R2,#0

INC R4

CJNE R4,#4,MAIN

MOV R3,#0

MOV R4,#0

LJMP MAIN

;===============

TIME0:INC R5 ;移動顯示

CJNE R5,#3,NEXT

MOV R5,#0

INC DPTR

INC R1

CJNE R1,#144,NEXT

MOV R1,#0

MOV DPTR,#TAB

NEXT: MOV TH0,#3CH

MOV TL0,#0B0H

RETI

;================

DELAY1MS:MOV R7,#2 ;延時

DEL: MOV R6,#250

DJNZ R6,$

DJNZ R7,DEL

RET

;================

TAB:;DB

000H,000H,01FH,0FCH,010H,000H,025H,000H,03BH,004H,000H,048H,00AH,050H,009H,060H;陝

;DB

07FH,0C0H,010H,0A0H,012H,090H,014H,088H,000H,08CH,000H,004H,000H,004H,000H,000H

DB 00H,00H,7FH,0FFH,44H,20H,5AH,10H,61H,0E1H,10H,82H,14H,84H,12H,88H DB 10H,0B0H,0FFH,0C0H,10H,0B0H,12H,88H,34H,86H,11H,83H,00H,82H,00H,00H

000H,000H,003H,000H,002H,0F8H,022H,010H,022H,050H,03FH,090H,022H,010H,022H,010H DB

07FH,090H,044H,090H,044H,090H,004H,00CH,004H,030H,007H,0C0H,000H,000H,000H,000H

000H,010H,011H,010H,011H,020H,01FH,0E0H,022H,048H,000H,048H,038H,008H,027H,048H DB

025H,048H,03FH,0F0H,04AH,090H,042H,090H,07EH,010H,000H,010H,000H,000H,000H,000H

000H,000H,000H,010H,000H,010H,000H,010H,008H,010H,008H,010H,008H,010H,00FH,0E0H DB

010H,020H,010H,020H,010H,020H,000H,020H,000H,020H,000H,020H,000H,000H,000H,000H

000H,000H,003H,020H,00EH,020H,044H,020H,024H,020H,005H,020H,04AH,024H,02AH,0C2H

00BH,07CH,01AH,040H,0E8H,040H,008H,040H,00CH,040H,008H,000H,000H,000H,000H,000H

000H,000H,03FH,0FCH,022H,000H,02DH,004H,033H,008H,004H,010H,018H,0A0H,00AH,0C0H

052H,080H,035H,0F8H,015H,004H,011H,004H,018H,004H,000H,038H,000H,000H,000H,000H

DB 02H,00H,02H,00H,42H,00H,33H,0FEH,00H,04H,02H,08H,02H,10H,02H,00H DB 02H,00H,0FFH,0FFH,02H,00H,02H,00H,02H,00H,06H,00H,02H,00H,00H,00H

DB 10H,10H,20H,10H,0C0H,11H,5FH,0D2H,75H,7CH,55H,50H,55H,50H,35H,50H DB 0D5H,50H,55H,50H,75H,7FH,5FH,0D0H,40H,10H,40H,30H,00H,10H,00H,00H

DB 08H,20H,08H,0C0H,0BH,00H,0FFH,0FFH,09H,01H,08H,82H,00H,04H,3FH,0F8H DB 20H,00H,20H,00H,20H,00H,7FH,0FCH,20H,02H,00H,02H,00H,0EH,00H,00H

DB 24H,08H,24H,10H,24H,60H,25H,80H,7FH,0FFH,0C5H,00H,44H,80H,00H,40H DB 24H,40H,12H,40H,00H,40H,0FFH,0FFH,00H,80H,01H,80H,00H,80H,00H,00H

DB 02H,20H,0CH,20H,88H,20H,69H,20H,09H,20H,09H,22H,89H,21H,69H,7EH DB 09H,60H,09H,0A0H,19H,20H,28H,20H,0C8H,20H,0AH,60H,0CH,20H,00H,00H

DB 00H,10H,00H,10H,00H,10H,0FFH,10H,11H,10H,11H,10H,11H,10H,11H,10H DB 11H,10H,11H,32H,11H,11H,11H,02H,33H,0FCH,11H,00H,00H,00H,00H,00H

DB 08H,20H,08H,22H,08H,41H,0FFH,0FEH,08H,80H,08H,01H,11H,81H,11H,62H DB 11H,14H,0FFH,08H,11H,14H,11H,64H,31H,82H,10H,03H,00H,02H,00H,00H

DB 04H,08H,04H,08H,04H,10H,04H,20H,04H,40H,04H,80H,05H,00H,0FFH,0FFH DB 05H,00H,44H,80H,24H,40H,34H,20H,04H,10H,0CH,18H,04H,10H,00H,00H

DB 49H,40H,4AH,51H,4CH,6AH,7FH,0C4H,4CH,4AH,8AH,71H,88H,42H,3FH,84H DB 64H,98H,0A5H,0E0H,3EH,0BEH,24H,81H,24H,89H,7FH,81H,20H,07H,00H,00H

DB 01H,00H,02H,00H,04H,00H,1FH,0FFH,0E2H,02H,12H,22H,12H,22H,12H,22H DB 12H,22H,0FFH,0FEH,12H,22H,12H,22H,32H,62H,16H,26H,02H,02H,00H,00H

DB 01H,40H,02H,40H,0EH,40H,0F3H,0FEH,12H,44H,12H,48H,09H,00H,11H,28H

DB 0F2H,0A8H,2AH,0A8H,25H,0FFH,2AH,0A8H,32H,0A8H,23H,28H,02H,00H,00H,00H

END