基于單片機(jī)的LED漢字顯示屏的設(shè)計(jì)與Proteus仿真

摘 要：研究了基于AT89C51單片機(jī)16×16 LED漢字滾動顯示屏的設(shè)計(jì)與運(yùn)用Proteus軟件的仿真實(shí)現(xiàn)。主要介紹了LED漢字顯示屏的硬件電路、匯編程序設(shè)計(jì)與調(diào)試、Proteus軟件仿真等方面的內(nèi)容，本顯示屏的設(shè)計(jì)具有體積小、硬件少、電路結(jié)構(gòu)簡單及容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。能幫助廣大電子愛好者了解漢字的點(diǎn)陣顯示原理，認(rèn)識單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用方法，并提高單片機(jī)知識技術(shù)的運(yùn)用能力。
關(guān)鍵詞：單片；LED；點(diǎn)陣；漢字顯示

O 引言
??? LED顯示屏是利用發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并廣泛的用于公交汽車、商店、體育場館、車站、學(xué)校、銀行、高速公路等公共場所的信息發(fā)布和廣告宣傳。LED顯示屏發(fā)展較快，本文講述了基于AT89C51單片機(jī)16×16LED漢字點(diǎn)陣滾動顯示的基本原理、硬件組成與設(shè)計(jì)、程序編寫與調(diào)試、Proteus軟件仿真等基本環(huán)節(jié)和相關(guān)技術(shù)。

1 硬件電路組成及工作原理
??? 本產(chǎn)品采用以AT89C51單片機(jī)為核心芯片的電路來實(shí)現(xiàn)，主要由AT89C51芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、列掃描驅(qū)動電路(74HCl54)、16×16LED點(diǎn)陣5部分組成，如圖1所示。其中，AT89C51是一種帶4kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，F(xiàn)PEROM)的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS一5l指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，能夠進(jìn)行1 000次寫／擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年。他是一種高效微控制器，為很多嵌人式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。因此，在智能化電子設(shè)計(jì)與制作過程中經(jīng)常用到AT89C51芯片。時(shí)鐘電路由AT89C5l的18，19腳的時(shí)鐘端(XTAI l及XTAL2)以及12 MHz晶振X、電容C2、C3組成，采用片內(nèi)振蕩方式。復(fù)位電路采用簡易的上電復(fù)位電路，主要由電阻R，R2，電容C，開關(guān)K組成，分別接至AT89C51的RST復(fù)位輸入端。LED點(diǎn)陣顯示屏采用16×16共256個(gè)象素的點(diǎn)陣，可通過萬用表檢測發(fā)光二極管的方法測試判斷出該點(diǎn)陣的引腳分布。
??? 我們把行列總線接在單片機(jī)的I／0口，然后把上面分析到的掃描代碼送入總線，就可以得到顯示的漢字了。但是若將LED點(diǎn)陣的行列端口全部直接接入89S5 1單片機(jī)，則需要使用32條I／0口，這樣會造成I／0口資源的耗盡，系統(tǒng)也再無擴(kuò)充的余地。因此，我們在實(shí)際應(yīng)用中只是將LED點(diǎn)陣的16條行線直接接在P0口和P2口，至于列選掃描信號則是由4—16線譯碼器74HCl54來選擇控制，這樣一來列選控制只使用了單片機(jī)的4個(gè)I／O口，節(jié)約了很多I／O口資源，為單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充使用功能提供了條件?？紤]到P0口必需設(shè)置上拉電阻，我們采用4．7 kΩ排電阻作為上拉電阻。漢字掃描顯示的基本過程是這樣的：通電后由于電阻R，電容c1的作用，使單片機(jī)的RST復(fù)位腳電平先高后低，從而達(dá)到復(fù)位；之后，在C、C3、X以及單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路的作用下，單片機(jī)89C51按照設(shè)定的程序在P0和P2接口輸出與內(nèi)部漢字對應(yīng)的代碼電平送至LED點(diǎn)陣的行選線(高電平驅(qū)動)，同時(shí)在P1．1，P1．2，P1．3，P1．4接口輸出列選掃描信號(低電平驅(qū)動)，從而選中相應(yīng)的象素LED發(fā)光，并利用人眼的視覺暫留特性合成整個(gè)漢字的顯示。再改變?nèi)”淼刂穼?shí)現(xiàn)漢字的滾動顯示。

2 漢字的點(diǎn)陣顯示原理及字庫代碼獲取方法
??? 我們以UCDOS中文宋體字庫為例，每一個(gè)字由16行16列的點(diǎn)陣組成顯示。即國標(biāo)漢字庫中的每一個(gè)字均由256點(diǎn)陣來表示。我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)象素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256象素范圍內(nèi)的任何圖形。如查用8位的AT89C51單片機(jī)控制，由于單片機(jī)的總線由8位，一個(gè)字需要拆分為2個(gè)部分，如圖2所示

為了弄清楚漢字的點(diǎn)陣組成規(guī)律，首先通過列掃描方法獲取漢字的代碼。漢字可拆分為上部和下部，上部由8×16點(diǎn)陣組成，下部也由8×16點(diǎn)陣組成。本例通過列掃描方法首先顯示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00～P07口，方向?yàn)镻00到P07，顯示漢字“我”時(shí)，為全滅，第一列的下半部分也為全滅。第二列的上半部分P06、點(diǎn)亮，由上往下排列，為：PO．0滅，PO．1滅，P0．2滅PO．3滅，PO．4滅，P0．5滅，P0．6亮，P0．7滅。即二進(jìn)制00000010，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為02h。上半部第二列完成后，繼續(xù)掃描下半部的第二列，為了接線的方便，我們?nèi)栽O(shè)計(jì)成由上往下掃描，即從P27向P20方向掃描，從圖3可以看到，這一列P23亮，即為00001000，十六進(jìn)制則為08h。依照這個(gè)方法轉(zhuǎn)向第三列、第四列，……，直至第十六列的掃描，一共掃描32個(gè)8位，可以得出漢字“我”的掃描代碼為：
??? 00H，02H，08H，06H，28H，02H，24H，22H
??? 0FCH，3FH，24H，2 1H，20H，10H，3CH，08H
??? 0E2H，07H，20H，0AH，0E4H，11H，0A8H，20H
??? 20H，30H，00H，00H，00H，00H，00H，00H
??? 由這個(gè)原理可以看出，無論顯示何種字體或圖像，都可以用這個(gè)方法來分析出他的掃描代碼從而顯示在屏幕上。上述方法雖然能夠讓我們弄清楚漢字點(diǎn)陣代碼的獲取過程，但是依靠人工方法獲取漢字代碼是一件非常繁瑣的事情。為此，我們經(jīng)常采用字庫軟件查找字符代碼，軟件打開后輸入漢字，點(diǎn)“檢取”，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的漢字代碼即可自動生成，把我們所需要的豎排數(shù)據(jù)復(fù)制到程序中即可，如圖3所示。

??? 可見，漢字點(diǎn)陣顯示一般有點(diǎn)掃描、行掃描和列掃描3種。為了符合視覺暫留要求，點(diǎn)掃描方法的掃描頻率必須大于16×64—1 024 Hz，周期小于1 ms即可。行掃描和列掃描方法的掃描頻率必須大于16×8一128 Hz，周期小于7．8 ms即可，但是一次驅(qū)動一列或一行(8顆LED)時(shí)需外加驅(qū)動電路提高電流，否則LED亮度會不足。

3 在Keil環(huán)境中程序設(shè)計(jì)與調(diào)試
??? 軟件程序主要由開始、初始化、主程序、字庫組成。其中主程序的流程圖如圖4所示。下面的程序能夠用來實(shí)現(xiàn)滾動顯示“我愛你一一祖國”。漢字的顯示。程序清單如下：

???

??? 在keil軟件中完成程序編寫、調(diào)試和編譯之后，生成能讓單片機(jī)運(yùn)行的Hex文件，如圖5所示。

4 元器件選擇
??? 本設(shè)計(jì)所需元器件如表1所示。

5 運(yùn)用Proteus軟件仿真LED漢字顯示屏
??? Proteus與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況，也能仿真單片機(jī)CPU的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。從某種意義上講Proteus仿真，基本接近與工程應(yīng)用。本次基于AT89C51單片機(jī)16×16LED漢字滾動顯示屏的設(shè)計(jì)已運(yùn)用Proteus軟件仿真實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

??? 雖然本設(shè)計(jì)只使用了一塊16×16LED點(diǎn)陣，電路簡單，但是已經(jīng)包涵了LED漢字滾動顯示屏的電路基本原理、基本程序和Proteus軟件仿真，只要擴(kuò)展單片機(jī)的10接口，并增加一些LED點(diǎn)陣和相關(guān)芯片，就能設(shè)計(jì)出更大面積、更多花樣的LED顯示屏。因此本文對同類設(shè)計(jì)具有一定的理論和實(shí)踐參考價(jià)值。