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1、LED点阵屏摘要本文以LED半导体发光器件模块为显示介质，单片机8051和驱动电路进行控制，显示1616点阵的汉字，讨论其软件、硬件的设计思路。通过研究，了解LED点阵显示的基本原理和实现方法，掌握点阵汉字库的编码和从标准字库中提取汉字编码的方法，通过编程实现中文字符的显示。 关键词：单片机，74HC595，汉字点阵显示，LED LED Display ScreenAbstructs This article uses LED semiconductor as the showing medium for giving out light,microcontorller 8051,with u
2、rging the circuit to control ,to show chinese characters of 16*16 lattice.And discuss the mentality of designing of its software,hardware.Through study,understand LED basic principle and implementation method that showing lattice,know about the code of lattice of Chinese character base and method of
3、 drawing the Chinese character of code from standard word storehouse.Realise the display of the Chinese character through programming. Key words：microcontroller, 74HC595, The Chinese characters orders a manifestation, LED1引言近年来LED产业得到了迅猛的发展，已经广泛应用于银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等众多领域。我国作为全球轻
4、工产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需求。LED点阵屏是在充分利用发光二极管寿命长、可靠性高、低功耗、响应速度快、亮度高的优点下，结合视频技术、多媒体技术而发展应用的显示媒体技术。LED显示技术克服了CRT（阴极射线管）、液晶、等离子、投影等显示技术寿命短、功耗大、成本高、亮度低、规格单一的缺点。而在显示功能上又可和以上显示媒体同步。并可面向对象在功能和规格方面可根据不同的客户需要度身订做。在功能上LED点阵屏可显示各类中外文字体、动画、图片、影视节目等内容，及有多种内容显示方式。显示文字的大小可在屏控电脑上随意调节。操作上配备界面友好的控制软件，用户利用电脑可随时在LED点阵屏上发布
5、各类通知或其他文字信息。目前LED点阵显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。随着社会经济的不断进步，以及LED显示技术的不断完善，人们对LED点阵屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广。屏体是由微处理器（主要是单片机）和驱动电路控制运行的，而显示的图象或文字则是由计算机编程软件编辑获得的。 本课题将以LED半导体发光器件模块作为显示介质，单片机和驱动电路进行控制，显示1616点阵的汉字，讨论其硬件、软件的设计思路。在计算机中，汉字以机内码的形式进行表示、交换、处理。需要显示时，由机内码转换成区位码，利用区位码在字库中提取要显示汉字的字模，然后根据字模信息在
6、屏幕上以画点的方法显示出来。用LED点阵模块代替计算机屏幕，则每个LED对应字模中的一个位，在控制器的控制下，让LED根据字模信息亮或灭，就可显示汉字。在PC 机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的。每个汉字占用两个字节长度。为了和ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始小于80H的ASCII 码，将机内码每个字节的最高位屏蔽掉，再以十六进制的形式显示出来则为国标码。将机内码的每个字节各减去0A0H 后再以十进制显示出来，即为该汉字的区位码。所以，我们需要解决的问题是如何根据查表得到汉字的机内码，算出区位码，再从汉字字库中得到32个点阵数据，然后送显示。2课题的设计思想21 电路设计
7、概述89C51单片机，74HC373，EPROM27C040 和 RAM6264 构成了89C51的一个应用系统，通过 74LS373 作为此应用系统的接口，74LS138 译码器和 74HC595 则组成了显示屏的控制电路。89C51完成显示信息的组合、调用和输送，是系统的核心部分。UCDOS 软件中 HZK16文件即为1616的国际汉字点阵文件，其汉字区位码从小到大依次存放着国际区位码中的所有汉字，每个汉字占用32个字节，每个区为94个汉字，其大小为262kB。为了将1616点阵的宋体汉字字库烧录到存储器中，系统采用 512 KB 的 EPROM 存储器 AT27C040 。将 HZK16
8、 文件调入时，要使用二进制方式打开，再烧写到存储器。RAM6264 用做汉字代码暂存区及显示缓冲区，从 EPROM AT27C040 中读出的汉字代码暂存于 RAM6264 中，根据不同的显示方式，89C51对 RAM6264 中读出的汉字代码进行各种编排组合，然后送显示区。EPROM 的地址从0000H开始，RAM 的地址从8000H开始。74LS373 是单片机的一个扩展接口，具有读和锁存作用，锁存由 89C51 数据/地址口P0发出的低8位地址，该地址信息由单片机的 ALE 信号打入。74LS138 为3 8译码器，它们分别受到P1.5 P1.7的控制，分别产生8个行选通信号 Y0 Y7
9、 。然后，行选通信号经驱动器接到显示屏的行上，其扫描频率由程序编程调节。列驱动则选用串行移位输入、八位并行带锁存输出的74HC595 ，该芯片内部由数据移位触发器和三态输出锁存组成。22 控制信号由于 AT27C040 的容量为512 KB，而 89C51 微控制器只能管理 64KB 的数据空间，故将 AT27C040 的 A16 A18 接P1口的 P1.0 P1.2 作页选择控制，分为8页，每页64KB（0000FFFFH）。采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。另一方面，根据各列锁存的数
10、据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。全部各行都扫过一遍之后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。只要一个扫描周期的时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁的现象。列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到全部列数据都传输完为止。只有当一行的各数据都已传输到位之后，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）和列数据显示两个部分。对于，串行传输方式来说，列数据准备
11、时间可能相当长。必须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，准备下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列显示就需要具有锁存的功能。 74HC595的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SER是串行数据的输入端。引脚SRCLK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCLK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器，也就是移位时钟脉冲的输入端。SRCLR信号是
12、移位寄存器的清零输入端，当其为低时，移位寄存器的输出全部为零。由74HC595组成的列驱动器，第一片列驱动器的SER端连接单片机输出的串行列显示数据，其 Q7 端连接着下一片的SER端，各片均采用同样的方法组成片与片之间的级联。各片相应的SRCLK、SRCLR、RCLK端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据清除信号和输出锁存器打入信号。这样，使得各片串行移位能把显示数据依次输入到相应的移位寄存器输出端。移位过程结束之后，控制器输出RCLK打入信号，各列的显示数据一起打入相应的输出锁存器。然后选通相应的行，该行的各列就按照显示数据的要求进行显示。3硬件的实现31 模块介绍311 89C
13、51 简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 系列指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）主要特性：与 MCS-51 兼容， 4K 字节可编程闪烁存储器 ；寿命 ：1000次写 / 擦循环；数
14、据保留时间 ：10年；全静态工作频率：0 Hz 24 Hz；三级程序存储器锁定 1288 位内部RAM ，32个可编程I / O线 ，两个16位定时器 / 计数器，5个中断源 ，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路。（2） 管脚说明：VCC：供电电压；GND：接地。P0口：P0口是一个8位漏级开路双向I / O口，每脚可吸收 8 TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P
15、1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I / O口，P1口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I / O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址 “1
16、” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I / O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流 （ILL） ，这是由于上拉的缘故。P3口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管脚 （备选功能）P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 / INT0（外部中断0）P3.3 / INT1
17、（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 / WR（外部数据存储器写选通）P3.7 / RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE / PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1 / 6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一
18、个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0 。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/ PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/ PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，
19、此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反相放大器的输入和输出。该反相放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。312 AT27C040简介AT27C040芯片是一种低功耗，高性能的，容量为4,194,304 bit 的由512K8位组成的可编程只读存储器。在正常的读模式操作下
20、，AT27C040只需要5V的电源供应。在高性能的微处理器系统中，任何字节都可以在70ns内输入，随之而来的是减少对速度的要求，减少了等待状态。表3.1 27C040的性能参数参数说明描述可擦可编程只读存储器字数位数512K8大小(bits) 4M存取时间(nS)70ns编程电压14Vpp工作电压(Vcc)5V封装格式32根/双列直插式封装图3.1 AT27C040封装图313 RAM6264 简介6264是一个 8K 8 bit静态随机读写存储器芯片，其引脚包含地址线13条，数据线8条，2个片选端，CS1=0，CS2=1才能选通芯片。一个写允许WE端和一个输出允许OE端。该芯片功耗极低，在未
21、选中时仅10w，工作时也仅15 mw 。表3.2 RAM6264封装图WECS1CS2OED0-D7 001写 入1010读 出*011010*三 态（高 阻）真值表（注：* 不考虑）写入数据的过程是：在芯片的A0 A12上加入要写入的单元地址；在D0-D7上加上要写入的数据；使CS1和CS2同时有效；在WE上加上有效的低电平，此时OE可为高也可为低。这样就将数据写到了地址所选中的单元中。从芯片中某单元读出数据的过程就是：A0 A12加上要读出单元的地址；使CS1和CS2同时有效；使OE有效（为低电平）；使WE为高电平，这样即可读出数据。314 74HC373 简介74HC373是一种高速的门
22、控硅CMOS设备，而且是与LSTTL（肖特基晶体管-晶体管逻辑电路）互相兼容的引脚，它是根据电子设备工程联合委员会第7A号标准来严格制定的。74HC373是八位D类型锁存器，它的特性是对于每个锁都有单独的D类型输入而且对于总线导向的应用都有三态输出。“373”由八位D类型锁存和三态真实输出组成。当LE为高电平时，靠D类型输入方式的信息进入锁中，在这种情况下，锁是透明的。例如，当与锁的输出信息相对应的D类型信息改变时，输出信息就会改变状态。当LE为低电平时，之前锁存的D类型信号将使得LE从高电平转变为低电平。当OE为低电平时，将输出8位可用的锁存内容。当OE为高电平时，输出将呈高阻抗状态。此时O
23、E的任何操作将都不会影响锁存状态。图3.2 74HC373 逻辑图 315 74 LS138 简介 在高速运行的解码存储器或数据选择请求下，这些Schottky（肖特基晶体管）的工作周期被设计成只需要很短的延迟时间。在高速运行的存储系统中，这些解码器能使系统受到解码的影响降到最小。当使用高速存储时，这些解码器的延迟时间通常是少于传统的通路延迟时间。这意味着由解码器引发的有效系统延迟是negligible。在3个二进制的选择输入端和3个使能输入端有效的前提下，LS138译码出输出端8条线中的任一条。要进行扩展时，两个低电平有效的使能端和1个高电平有效的使能端输入减少了所需的外部门电路或反相器件。
24、一个24线的解码器不需要外部反相器，而且一个 32 个线的破码器也只需要一个反相器。一个使能端能被用来当作一个数据输入端（demultiplexing 申请）。图3.3 74HC138封装图316 74HC595 简介这种高速的移位寄存器利用了先进的门控硅CMOS技术。与标准CMOS集成电路相比，这种设备不仅具有相同强的抗干扰能力和低能耗，而且能够驱动15 LS-TTL（肖特基晶体管-晶体管逻辑电路）负载的能力也毫不逊色。这种设备包含一个8位的连续输入及相应输出的移位寄存器，而且它能适应一个8位的D型存储寄存器。这种存储寄存器有8位的三态的信号输出。移位寄存器和存储寄存器都有各自独立的时钟。这
25、种移位寄存器有专门针对层叠而设计的可直接复位，连续输入和输出（标准）的保险锁。移位寄存器和存储寄存器都使用了上升沿触发时钟。如果两个时钟连接起来，则移位寄存器会比存储器提前一个时钟脉冲。由于二极管有单向导通的特性，可使输入信息免于受损。图3.4 74HC595封装图3.5 显示接口电路317 显示接口电路简介采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。当
26、一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。全部各行都扫过一遍之后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。32 电路工作过程利用单片机中RXD，TXD与PC机进行通信。汉字在PC中以机内码的形式存在，并通过机内码查找烧写在AT27C040中1616的汉字字模。89C51完成显示信息的组合、调用和输送，是系统的核心部分。AT27C040容量为512KB，用来存储1616点阵的汉字库。89C51只能管理64KB的数据空间，故将AT27C040分成8页，每页64KB（0000FFFFH）。ROM的地址从0000H开始，RAM地址从8000H开始。由74HC373锁存器锁存89C
27、51数据 / 地址口P0发出的低8bit地址，该地址信息由单片机的ALE信号打入。89C51的接口P2为高位地址输出口。RXD和TXD端为89C51的串行通信输入输出口，与上位机（普通PC机）相连。89C51的通用I / O口P1的低三位P1.0 P1.2作为AT27C040的页选择控制；P1.4用来实现74HC595中“移位时钟脉冲” RCLK的打入信号；P1.5P1.7作为74LS138的译码输入端信号，实现对各行的扫描。P0口作为列数据的输出端，P0.0 P0.7分别将各行列数据一位一位地传往列驱动器。根据 “ MOVX DPTR ，A” 的时序图，可以看出执行 “ MOVX A ，DP
28、TR ” 时，从机器周期2开始到S3状态，RD（即P3.7）出现低电平。此时允许将片外数据存储器的数据送上P0口，在RD的上升沿将数据读入累加器A，数据为输入。执行 “ MOVX DPTR ，A ” 时，从机器周期2开始到S3状态，WR（即P3.6）出现低电平。此时P0口上送出累加器A的数据，在WR的上升沿将数据写入片外数据存储器中，数据为输出。用P3口中的P3.6 ( W R ) 和 P3.3 （INT1） 实现对 74HC595 中 “锁存时钟脉冲” SRCLK的控制。列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到全部列数据传输完毕为止。只有当一行的各列数据都已传输到
29、位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。P3.2（INT0）用来实现对LED点阵屏的清零。采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。全部各行都扫过一遍后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。值得一提的是，采用译码器的方案，可以保证同一时刻只选通一条行线，从而达到显示的稳定性。图3.6 74HC595中SRCLK的控制电路图3.7“ MOVX A，DPTR”和“ MOVX DPTR，A”的操作时序4 软件的实现 41 软件设计思想 在PC 机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的。每
30、个汉字占用两个字节长度为了和ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H 开始小于80H 的为ASCII 码，将机内码每个字节的最高位屏蔽掉，再以十六进制的形式显示出来则为国标码。将机内码的每个字节各减去0A0H 再以十进制显示出来，即为该汉字的区位码。设汉字的十六进制内码为XXYY区位码=(XX-A0H，YY-A0H)汉字库的首地址=（XX-A1H）5EH + （YY-A1H） 20H汉字内码(H)区位码(H)汉字库的首地址(H)漳D5C6352426760州D6DD464D27640师CAA62A061E260范B7B6171610520学D1A73107234C0院D4BA341A25A6
31、0物CEFF2E4F21A80电B5E71547F3C0系CFB52F1521F00利用单片机中RXD，TXD与PC机进行通信。汉字在PC中以机内码的形式存在，并通过机内码查找烧写在AT27C040中1616的汉字字模。软件的主要功能是接收上位机（即PC机）下载的显示数据，向屏体提供显示数据和各种控制信号。软件主要是由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序主要负责进行显示，按要求读出显示数据并产生需要的控制信号。中断服务程序解决与上位机进行通信的问题。其中中断服务程序在处理串行通信的过程中，每从上位机收到一个字节数据之后，都要再把它传回给上位机，由上位机进行校验看是否出错。在中断服务程序中，数
32、据的接收和发送都是采用程序查询方式完成的，而不是通过中断方式处理的。只是在主程序处理显示过程中，上位机需要下位机下载时，由上位机直接发数据，引发下位机中断主程序，转而进行中断服务。主程序框图初始化 根据机内码，取AT27C040字模的字节，送RAM对用于显示的列数据进行存储和编排送列数据调用显示子程序送汉字显示子程序框图向显示RAM送入汉字显示指针移动显示RAM指针在LED点阵屏相应位置上显示从EPROM中读取32个字节汉字显示是否结束？入栈保护下一个汉字送字模的初始地址返回出栈保护置显示屏的行、列、页指针 Y5结论和讨论 在这个课题的研究过程中，查阅了许多LED显示技术的相关资料，了解了LE
33、D点阵显示的基本原理和实现方法，掌握了点阵汉字库的编码和从标准字库中提取汉字编码的方法，并通过编程实现中文字符的显示，此外还对LED显示技术的应用领域有所了解。在研究过程中，还对过去学习的单片机技术做了全面的复习，巩固了单片机的知识，提高了单片机软、硬件的设计的水平。课题研究的结果达到当前已有的研究结果。在研究中发现，LED显示模块在显示技术中还有更高级的应用，如有的系统能脱机和连续长期运行，具有结构简单、显示刷新速度快、成本低等特点。这些技术相对较复杂，难度较大，在LED模块的原理中是可以实现这些复杂的应用的。6致谢大学四年的学习生活即将结束，在此，我要感谢所有曾经教导过我的老师和关心过我的同学，他们在我的成长过程中给予了我很大的帮助。本文能够成功的完成，要特别感谢我的导师*老师在论文写作给予的帮助和指导。最后还要感谢我的父母，是他们一直在背后支持着我。谨以此文献给他们！参考文献1 何立民.单片机应用技术选编(1).北京航空航天大学出版社.1993.-135-1382 李凡，自制带汉字库的LED点阵屏，电子报，2004合订本 下3 白志明、孙建宏，LED智能显示系统，河北轻化工学院学报，1995，第35 期4 王宏民，LED点阵显示屏驱动方案，黑龙江电子技术，1999，第5期5 点阵式汉字LED显示屏的原理与制作， 51测试网6 7 8 9.10.附录：
