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基于AT89C52单片机的LED显示控制系统设计

摘要：介绍了基于AT89C52单片机的硬件和软件的显示设计流程。我们使用简单的外部电路来控制显示屏，尺寸为32times;192。显示屏幕还可以通过动态扫描模式显示六个32times;32点阵汉字的大小，并可分为两个小 显示屏幕，可显示二十四个大小为16times;16的汉字。我们可以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进行调整，字幕也可以实现暂停功能。存储在外部数据存储器中的汉字代码，数据存储器的容量根据我们要显示的汉字要求进行扩展。该显示屏具有体积小，硬件少，电路结构简单等优点。

关键词：LED，汉字显示，AT89C52

1. 介绍

LED显示屏已成为城市照明，现代化，信息化社会的重要标志，不断改善和美化人们的生活环境。LED灯可以在大型商场，火车站，码头，地铁站，等各种管理窗口上看到。LED业务已成为快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景光明。文字，图片，动画和视频均由LED灯显示，内容可以更改。一些组件是模块化结构的显示设备，通常由显示模块，控制系统和电源系统组成。显示模块由LED组成的晶格结构构成，负责发光显示;屏幕可以通过控制系统显示文字，图片，视频等，也可以控制相应区域的LED的亮度或暗度;电力系统负责将输入电压和电流转换成屏幕所需的电压和电流。LED点阵显示通过PC提取显示字体，并发送到微控制器，然后显示在点阵屏幕中，主要用于显示室内和室外人物。LED点阵显示可以通过显示内容分为图形显示，图像显示和视频显示。与图像显示相比，无论是单色还是彩色显示，图形显示的灰色上没有多少差异。因此，图形显示也不能反映色彩的丰富性，视频显示不仅可以显示运动，清晰和全彩的图像，还可以显示电视和电脑信号。虽然三者之间有一些差异，但最基本的原则是相似的。

SCM具有出色的性价比，体积小，可靠性高，控制性强，广泛应用于智能仪表，机电一体化，实时过程控制，机器人，家用电器，模糊控制，通讯系统等。

本文介绍了LED显示屏设计的相关原理，并对硬件和软件结构的设计进行了详细的描述，最后，我们对整体设计进行了模拟和分析。

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微机（SCM）模型。根据实际情况，SCM模型的选择主要从以下两个方面考虑：一是SCM具有较强的抗干扰能力;第二，SCM具有更高的性价比。由于MCS-51在中国广泛应用，具有更多的信息，也可以兼容更多的外围芯片，特别是ATMEL公司在2003年推出了新一代微控制器，即89S系列，AT89C52是其典型的高性能低成本的微控制器。AT89C52是一款低电压，高性能CMOS 8位微控制器，该芯片包括8 KB只读程序存储器（PEROM），擦除可重复，256字节随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度非易失性存储器技术生产，兼容标准MCS-51指令集和8052产品，而芯片内置通用8位中央处理（CPU），闪存存储单元，可应用于更复杂的控制应用。

该系统由AT89C52芯片，时钟电路，复位电路，列扫描驱动电路，线路驱动电路和六个32times;32 LED点阵组成的电路实现，LED字符显示的整体结构如图1。显示单元由点阵和两个74HC154组成。线数据信号分为两部分，分别由两个8255A给出，但8255A数据来自主控制器AT89C52的P0口。每个字符的列扫描信号由两个74HC154，74HC154 12个片段给出，并分为六组。74HC154的输入信号由AT89C52的P1.0〜P1.3给出。外部数据存储器6264与AT89C52的P0端口相连。

3系统硬件电路设计

3.1 MCU控制系统的电路设计

汉字大小为32times;32，微控制器具有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。数据端口扩展如图2所示，74HC373是地址锁存器，并锁存低8位地址，6264由其提供低8位地址信号，而6264由P2.0〜P2.4提供高8位地址信号，8255A的内部端口由A0和A1选择。74HC139是2-4解码器，其输入信号由SCM的P2.6和P2.7提供，并为外部I / O设备提供闪光灯，因为系统有多个外部设备，为了确保它们不能被选中，他们的地址是唯一的,不能重复。

AT89C52的时钟电路由时钟侧(XTALI和XTAL)218和19脚,12MHz晶振X,电容C1和C2组成，并采用片内振荡器模式。

复位电路采用简单的上电复位电路，主要构成电阻R1，电容C3，连接到AT89C52的复位输入引脚。

3.2显示存储单元的电路设计

设计中汉字大小为32times;32，每个字符由(a)(b)(c)和(d)四部分组成，每部分由四个LED矩阵组成，8times;8，显示单元的电路分解图如图3所示。(a)~(b)的线路信号由两个8255A，1PA0〜1PA7和1PB0〜1PB7分别给出，8255A-1,2PA0〜2PA7和2PB0〜2PB7的PA端口为PA，PB端口为8255A-2 右图表示由74HC154给出的列扫描信号。分别由74HC154提供16列选通信号，(a)~(b)分别需要8个信号，所以(a)和(b)共享一个74HC154，(c)和（d）共享一个74HC154。显示一个字符需要两个74HC154，它们提供列扫描信号。 当电路工作时，（a）~（b）由扫描信号以适当的顺序选通，每次仅门控一个，其他列熄灭，显示的数据由两个8255A同时给出，人由于人眼暂留的效应，会看到稳定的图形。另外由于每个显示器的汉字需要128字节的存储空间，而AT89C52微控制器芯片只有256字节的数据存储器，远远小于设计要求，所以我们由8Ktimes;8外部数据存储器6264扩展存储空间。

3.3等级数据单元电路设计

Inte1 8255A是通用可编程并行输入/输出接口芯片。其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CPU数据总线连接到外部设备，易于使用和灵活。Inte18255A接口芯片具有三个8位并行输入和输出端口，编程方法可用于将三个端口设置为输入端口或输出端口。芯片工作具有基本的输入和输出，选通输入/输出和双向输入/输出。当数据由CPU的数据总线传输时，可以选择无条件传输，查询传输或中断传输。在Inte1 8255A芯片三端口中，端口C不仅可以用作数据端口，还可以用作控制端口。 当端口C作为数据端口时，它不仅可以用作8位数据端口，而且可以单独用作两个4位数据端口，并且端口C的每个位可以被操作，可以设置一个特定的 位输入或输出，因此为位控制提供了便利条件。在显示单元电路的设计中，线数据由两个8255A给出，如图4所示。该设计使用动态显示方式显示汉字，可以通过行或列扫描进行控制。 系统采用列扫描方式控制屏幕，具体列扫描电路如图5所示。列扫描电路由12个74HC154组成。两个74HC154提供了32个闪光灯来显示一个字符。74HC154的输入信号为AT89C52控制屏提供的P1.0〜P1.3，设计中使用了12个74HC154，按照顺序工作，另一块74HC154的输入为P1。 4〜P1.7由AT89C52提供控制画面。

3.4串行通信接口电路

PC和SCM通过串行通信接口链接。为了实现MCU和PC之间的串行通信功能，SCM的串行接口电平将变为标准的RS-232C电平。PC的RS-232C端口的输出电压为plusmn;12V。MCU和PC考虑到短距离通信，微控制器主要负责接收命令和数据，因此PC与微控制器直接相连，这是最简单的连接方式。来自PC的TXD侧的信号通过通信电路变为电流信号，当信号发生时，光耦合器的红外发光二极管具有电流，由二极管发射的光信号投射到光电晶体管上，并转换为电信号，然后输入到单片机RXD侧，因此实现光电转换，电气完全隔离，以避免由输出端产生的反馈和干扰，如图6所示。

4.软件设计

整个软件设计主要由显示程序和通讯程序组成。屏幕上显示的汉字，字符，用于传输控制和显示功能等数据，都是通过动态扫描实现。与PC通信的实时通信通过SCM串行中断接收数据信息，实现了与PC的实时数据信息传输。

软件由Visual Basic实现。在标准串行通信中，通过VB提供电力通信控制的MSCOMM，可以设置发送和接收的数据的串行通信，并设置串行通信端口状态，消息格式和协议，通过PC的RS-232 / RS-485串口直接发送数据。为了实现PC与SCM的可靠通信，并确保双方具有相同的数据格式和波特率，本设计采用RS-232通信，10位数据格式，9600bit / s波特率。

4.1汉字点阵显示原理及子代码

以UCDOS为例，以16times;16点阵为单位构成单词。也就是说，国家标准汉字库的每个字都由256个格子表示。我们可以将每个点理解为一个像素，并将每个单词的形状理解为一个图像。其实这个字符显示屏不仅可以显示汉字，还可以显示256个像素范围内的任何图形。由于微控制器的总线是8位，一个字需要分为两部分，如图7所示。

为了理解汉字点阵构图法，首先通过列扫描法获得字符代码。汉字分为上下两部分，上部为8times;16格，下部为8times;16格。左上角第一列为第一列列扫描法，即0列的P00〜P07端口，方向为P00〜P07，显示“大”汉字，其他是关闭的。也就是说，二进制是00000100，并转换为十六进制为04h。上部第一列结束后，继续扫描第一列的下半部分，从图7可以看出，该列不是全部点亮，也就是二进制是00000000，十六进制是00h。根据该方法，第二列，第三列，直到第十六列依次扫描。字符“大”的扫描码为：

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

从这个原理可以看出，无论什么字体或图像显示，我们可以使用这种方法分析扫描码并出现在屏幕上。

虽然上述方法可以让我们找出字符点阵处理的代码，但依靠手动对编写字符代码来说是一件非常复杂的事情。为此，可以使用Font软件来查找字符代码，软件打开后输入显示的内容，可以根据需要选择字体和大小，逐行或逐列选择。按模式按钮，十六进制数据字符代码可以自动生成，我们需要将数据复制到程序中。按下按钮，就能自动生成十六进制数据字符代码，我们只需要将数据复制到程序中就可以了。

4.2地址分配端口和数据存储器

在这个设计中，我们使用了8255A，6264等外部设备，它们的所需要的程序不一样，这涉及到地址分配问题。在系统中，8255A的地址码为3FFCH〜3FFFH，7FFCH〜7FFFH，6264的地址码为0A000H〜0BFFFH。另外，存储器6264分为四个区，每个空间大小为2K，相应的地址码分别为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。

4.3软件过程

软件程序由开始，初始化，显示程序等组成，主程序和子程序流程图如图8图9所示。字符代码存储在静态存储器6264中，SCM将等待信号的给出，即SCM引脚P3.0的输入信号。 当P3.0从低电平变为高电平时，显示程序开始运行。首先，控制字写入8255A控制端口，8255A工作在模式0的设计中。控制字完成后，从6264传输到8255A的数据将显示，显示数据输出四次，因为字符屏幕的行宽为32，一行数据输入并从顶部传输到底部，数据传输结束后，由SCM控制的第一行的信号被选通，所以显示第一列数据，然后调用延迟程序来显示稳定的内容。在延迟程序结束后，下一列数据被读取，下一行被选通，从而也显示第二列数据，依此类推，因为屏幕尺寸为32times;192,显示192行并构成图像。然后，扫描从第一列开始，并且显示数据的起始地址基于原始地址进行向后移位，其具有地址溢出问题，当数据地址溢出时，将向地址指针分配起始地址，显示器数据内容将不断重复。

与PC和SCM的通信流程图如图10所示。与PC通信的实时通信部分通过SCM串行中断接收数据信息，实现了与PC的实时数据信息传输。

5模拟结果与分析

硬件和软件设计完成后，由Proteus模拟设计内容，根据仿真结果修改电路或优化程序。作为EDA工具软件的Proteus软件由英国Labcenter电子公司发布（中国软件代理商是广州电子科技有限公司）。它不仅具有其他EDA工具的仿真功能，还可以模拟微控制器和外设。它是微控制器和外部器件的最佳仿真工具。虽然Proteus刚刚开始在国内发展，但SCM的爱好者，SCM教学的老师和从事SCM的科技工作者都非常喜欢这个软件。Proteus是世界领先的EDA工具（仿真软件），从原理图布局，调试代码到MCU和外部电路协同仿真，一键切换PCB，从概念到产品都实现了完整的设计。它只是由电路仿真软件，PCB设计软件和虚拟模型组成的仿真软件平台，处理器型号支持8051，HC11，PIC10 / 12/16/18/24/30 / DsPIC33，AVR，ARM，8086，和MSP430等。2010年，增加了Cortex和DSP系列处理器，并将增加了其他系列处理器型号，在编译方面，它还支持IAR，Keil和MATLAB等。

5.1 PCB设计和组件组装

考虑到在这个设计中使用的组件数量并不是太多，我们使用单路由策略，并且在顶层使用少量跳线。电路对组件参数没有严格要求，只要组件选择正确，无损坏，良好的电路板制造工艺，所有电子元件都可以组装成功能正常的成品，并下载程序和调试程序。当PCB板生产和调试时，IC应为20针，并安装在AT89C52的位置，以便微控制器可以从电路板上取下并写入程序。

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