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1、 单片机液晶显示屏论文基于单片机的点阵式时钟电子显示屏设计与实现专业名称电子信息工程基于单片机的点阵式时钟电子显示屏设计与实现摘要：电子时钟，它最大的特点在于走时精确和功能的多样化，为我们带来了极大的方便。而LED点阵式显示屏，具有亮度高、功耗小、寿命长等优点。若以LED点阵来作为电子时钟的显示屏，则可实现远距离、大视角的时钟显示。从而非常适合于在公共场所中显示时间。本设计的重点在于对点阵式显示屏的显示研究。从宏观上来上，显示屏可分为两个部份：显示器件和微控制器。由微控制器控制显示器件的亮灭、颜色变化，从而组合出所需要的图相。在此次设计中，采用了16 x 64 个单色LED作为显示器件，用Me
2、ga8作为微控制器，以静止和左移的方式进行时钟显示。由于充分考虑了软硬件的易扩充性，用本设计的构架思想可很方便地进行点阵扩充和多个汉字或图形的显示。设计中所涉及的知识点主要有：点阵显示原理，字模提取，显示左移算法的实现，单片机Meg8和编译器IAR的使用。以及在软硬件设计调试过程中的各种现象及解决方案。关键词: 电子时钟；点阵显示原理； LED点阵；单片机； Mega8；IAR；74HC154；74HC595； Design and Implementation of Dot-matrix ClockDisplay ScreenAbstract: Electronic clock system
3、, which features that time is very accurate and function are diversity, brought us great convenience.otherwise,The LED dot matrix have advantage of high brightness, low power consumption, long lifetime etc. If use LED dot matrix as screen to display electronic clock, can achieve long-range, large an
4、gle of the clock display effect.Thus very suitable to display the time in public places. This design focuses on the display of dot matrix .Look from the macro, the design can be divided into two parts: the screen part and microcontroller part. The micro-controller control the Leds off and on. In thi
5、s design, using 16 x 64 monochrome LED as the display screen, using Mega8 as micro-controller,We can get an effect of static display and left-move display.As full consideration to the ease Expansion of hardware and software , the framework of ideas can be easily expanded to dispaly a large number of
6、 Chinese characters or expanded to more dot-matrix Led screen The knowledge involved in this design are: dot matrix display principle, font data extraction, left-move showe algorithm, Meg8 and the use of IAR compiler.And the solutions to problem Encountered in the process of debugging software and h
7、ardware.Keywords: electronic clock; dot matrix display principle; LED dot matrix; SCM; Mega8; IAR; 74HC154; 74HC595;目 录摘要Abstract引 言.1第1章 设计要求与总体方案.21.1 设计要求.21.2 设计目的.21.3 总体思路.21.4 方案.2第2章 单片机的相关介绍.42.1 单片机的发展历史.42.2 单片机的发展趋势.52.3 单片机的特点.82.4 单片机的应用.92.5 单片机的基本系统结构.10第3章 硬件设计.113.1 硬件部分总体框架.113. 2
8、 单片机Mega8简介.11 3. 2. 1 AVR Mega8的主要性能参数.11 3.2.2 Mega8引脚说明.12 3. 2. 3 Mega8最小系统电路计.143.3 其它芯片简介.15 3. 3. 1 74HC595简介.15 3. 3. 2 74HC154简介.163. 4 汉字字模提取.16 3. 4. 1 16*16点阵汉字的字模提取.16 3. 4. 2 16*8点阵的数字字模提取.17 3. 5 16*64LED点阵的结构及显示原理.18 3. 6 16*64 LED点阵驱动原理.19第4章 软件设计.20 4.1编程语言选择.20 4. 2 程序设计与流程图.204.2
9、.1 主程序.204.2.2 中断处理程序.214.2.3 按键读取程序.234.3.4 按键处理程序.26 4. 2. 5 正常/调分/调时显示程序.28 4. 2. 6 调速显示、左移显示程序.30 4. 2. 7 时间处理程序.35第5章 调试过程及相关问题的处理.37 5.1 开发工具.37 5.1.1 IAR集成开发环境 .37 5.1.2 AVR_fighter编程下载软件和下载器的制作.41 5.1.3 Protenus单片机仿真软件.42 5.2 调试步骤.44 5.2.1 Proteus硬件电路图绘制.44 5.2.2 IAR avr程序设计流程.45 5.2.3 观察仿真结
10、果.45第6章 PCB设计.49 6. 1 Protel99 设计PCB的一般流程.49 6. 2 PCB相关设计图.49 6. 2. 1 PCB原理图.50 6. 2. 2 PCB图.51 6. 2. 3 PCB 3D图.52 小结.53致谢.54参考文献.55引 言 LED点阵显示屏作为信息传播的一种重要手段，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。再加上集成电路的使用，LED点阵显示屏的外围电路变得越来越简单，性价比不断攀升，使得LED点阵显示屏广泛运用于各行各业及公共场所，成为了信息化时代不可缺少的信息发布工具。例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引
11、导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息显示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰等。日前LED点阵显示屏正向着高亮度、全彩化、标准化的方向不断发展。在本次设计中，LED点阵作为电子时钟的显示屏，最大的优点在于其显示内容的多样性，为用户提供了灵活的人机交互界面。同时由于在这里采用带晶振的单片机，使得电子时钟不仅走准确，而且可以利用单片机的高度灵活性，为电子时钟扩充许多显来诸如定时自动报警、按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等。我们可以看到，着科学技术的不断进步，以及LED显示技术的不断完善，LED点阵显示屏的
12、应用领域将会越来越广。第一章 设计要求与总体方案 1.1 设计要求1 利用单片机设计一16*16点阵式时钟显示屏。滚动显示现在的时间，显示字 符：“现在时间：*小时：*分：*秒”； 2 电子钟有暂停、开始计时、“小时”调整、“分钟”调整功能(小时、分钟调整以1为步进)； 3 提交开题报告、毕业实习报告、绘出电路原理图、电路印制版图、电路仿真和调试、软件流程图、完成设计论文。1.2 设计目的1 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决一般控制的能力；2 培养针对课题需要、选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力、提高组成系统、编程、调试的动手能力；3 通过对课题设计
13、方案的分析、选择、比较、熟悉单片机应用系统的开发、研制的过程、软硬件设计的方法、内容及步骤；4 掌握KEIL C，Proteus，Protel等相关软件的应用。1.3 总体思路本次设计以单片机AVR Mega8为核心，利用416译码器74HC154和串入并出芯片（带锁存功能）74HC59516对单片机进行I/O扩展，去分别控制16*64点阵电子显示屏中每一个发光二极管的亮灭,从而在显示屏上组合出所需要的图像，实现设计所需要的功能。1.4 方案在方案的选取上，主要考虑了以下几个方面：1 单片机型号的选则。在这次设计中，首先自己选则了51单片机来对系统进行设计开发，并在Protenus中进行模拟仿
14、真，在进行了一周的编程验证后，发现51单片机128字节的RAM成为了软件编程的一个瓶颈，它会导致系统的软件编写过于复杂也及系统可扩充性能较差，为了解决这个问题，故选用了AVR系列单片机的Mega8，它具有1K的RAM，较好地解决了这个问题。2 单片机外围器件的选取。 Mega8只有28个引脚，由于16*64点阵需要16根行线和64根列线，用单片机的I/O端口去真接控制显然不可能，在这里，采用了416译码器74HC154，对16根行线的控制仅用了四个I/O端口，而对64根列线的控制，则采用了8块串入并出（带锁存功能）的74HC595串联来实现，这样，点阵显示的数据传输线一共才占用单片机的5个I/
15、0端口资源。 另外，这样做还有一个好处是，在我们要对加大点阵屏显示的汉字个数时，在硬件上只需向后串联74HC595和点阵屏即可以了。为了保证点阵亮度均匀，每根行线的需加一个PNP三极管做驱动。3 按键的人机交互。电子钟具有暂停、开始计时、“小时”调整、“分钟”调整，“移速”调整显示切换功能，这里使用了6个按键，它们分别是：SET、UP、DOWN、ENTER、CANCLE/DP_MODE、PAUSE/START 采用了每隔10ms定时扫描按键的方式实现了上面所述的人机交互，10ms定时扫描的另一个重要功能是去掉按键抖动。第2章 单片机的相关介绍2.1 单片机的发展历史1970年微型计算机研制成功
16、后，随着就出现了单片机。美国Intel公司在1971推出了4位单片机4004；1972年推出雏形8位单片机8008。特别是在1976年推出MCS-48单片机以后的30年中，单片机及其相关技术的发展经历了数次的更新换代。其发展大约每三、四年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻番。 尽管单片机出现的历史并不长，但以8位单片机的推出为起点，单片机的发展已经历了4个阶段。 第一阶段(1976-1978年)：初级单片机阶段。这个阶段的单片机以Intel公司的MC-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU、I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4KB，具有简单的中断功能，无串行接口。第二阶段(
17、1978-1982年)：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较大的增强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行I/O口，多级中断处理系统，16位定时器/计数器，片内集成的RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64KB。一些单片机片内还集成了A/D转换接口。这类单片机的典型代表有Intel公司的MCS-51、Motorola公司的6081和Zilog公司的Z8等。 第三阶段(1982-1992)：8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。在此阶段，尽管8位单片机的应用已广泛普及，但为了更好地满足测控系统嵌入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段的代
18、表为8051系列。许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051内核，推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。其主要技术发展如下： 1 外围功能集成。满足模拟量直接输入的ADC接口；满足伺服驱动的PWM；保证程序可靠运行的程序监控定时器WDT(俗称看门狗)。 2 出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线和接口，如SPI、I2C总线、单总线(1-Wire)等。 3 出现了满足分布系统并突出控制功能的现场总线接口，如CAN等。 4 在程序存储器方面广泛使用了片内程序存储器技术，出现了片内集成EPROM、EEPROM、Flash ROM、Mask ROM、OTP ROM等各种类型的单片机
19、，以满足不同产品开发和生产的需要，也为最终取消外部储存器扩展奠定了良好的基础。 与此同时，一些面向更高层次的应用，推出了16位单片机，典型代表有Intel公司的MCS-96系列单片机 第四阶段(1993-现在)：百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放和技术创新，以满足日益增长的广泛需要。其主要方面如下： 1 单片机嵌入式系统是面对最底层的电子技术应用，从简单的玩具、小家电到复杂的工业控制系统、智能仪表、电器控制，以及发展到机器人、个人信息终端、机顶盒等，因此，面对不同的应用对像，不断推出适用于不同领域要求的、从简易性能到多功能的单片机系列。 2 大力发展专用型单片机。早期的单片机以
20、通用型为主。由于单片机设计、生产技术的提高，周期的缩短，成本的下降，以及许多特定的电子产品，如家电类产品的巨大市场需求能为，推动了专用型单片机的发展。在这类产品中采用专用型单片机，具有成本低、资源利用率高、系统外围电路少、可靠性高的优点。因此，专用单片机也是单片机发展的一个主要方向。 3 致力于提高单片机的综合品质。采用先进的技术来提高单片机的综合品质，如提高I/O口的驱动能力，增强抗静电和抗干扰措施，加宽(降低)工作电压，降低功耗。2.2 单片机的发展趋势 综观30多年的发展过程，作为嵌入式系统的核心-单片机，正在朝着多功能、多选则、高速度、低功耗、低价格、大容量及加强I/O功能等方向发展。
21、其进一步的发展趋势是多方面的。 1 全盘CMOS化 COMS电路具有许多优点，例如极宽的工作范围、极佳的低功耗管理特性等。CMOS化已经成为目前单片机及其外围器件及其外围器件流行的半导体工艺。 2 采用RISC体系结构 早期的单片机大多采用CISC体系结构，指令复杂，指令代码、周期数不统一；指令运行很难实现流水线操作，大大阻碍了运行速度的提高。例如，MCS-51系列单片机，当外部时钟为12MHz,其单周期指令运行速度仅为1MIPS。采用RISC体系结构和精简指令后，单片机的指令绝大部分成为单周期指令，而且通过增加程序储存器的宽度(8位增加到16位)实现了一个地址单元存储一条指令。在这种系统结构
22、中，很容易实现并行流水线的操作，大大提高了指令的运行速度。目前一些RISC体系结构的单片机，如美国ATMEL公司AVR系列单片机已实现了一个时钟周期执行一条指令。与MCS-51相比，在相同的12MHz外部时钟下，单周期指令运行的速度可达12MIPS。这样，一方面可以获得指令的高速运行，另一方面，在相同的运行速度下，可大大降低时钟的频率，有利于获得良好的电磁兼容效果。 3 多功能集成化 单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件不仅包括一般常用的电路，例如定时器/计数器、模拟比较器、A/D转换器、串行通信接口、WDT电路、LCD控制器等，有的单片机为了构成控制网络或形成局部网络，内部含有局部网
23、络控制模块CAN总线，以方便地构成一个控制成一个控制网络。为了能在变频控制中方便地使用单片机，形成最具有经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部清空设置了专门用于变频控制的脉宽调制电路PWM。 4 片内存储器的改进与发展 目前新型单片机一般在片内集成了两种类型的存储器：随机读/写存储器SRAM，作为临时数据存储器用于存放工作数据；只读ROM，作为程序存储器用于存放系统控制程序和固定不变的数据。片内存储器的改进与发展方向是扩大容量，以及提高ROM数据的易写和保密性等。 1) 片内存储容量的增加。新型单片机一般在片内集成的SRAM 128字节1KB，ROM的容量一般为48KB。为了适应网络、音视频
24、等高端产品的需要，高档单片机在片内集成了更大容量的RAM和ROM存储器。例如ATMEL公司的ATmega16片内的SRAM为1KB，Flash ROM为16KB。而该系列的高端产品ATmega256片内集成了8KB的SRAM、256KB的Flash ROM 和4KB的EEPROM。 2) 片内程序存储器由EPROM型向Flash ROM发展。早期单片机在片内往往没有程序存储器或片内集成了EPROM型的程序存储器。将程序存储器集成在单片机内，可以大大提高单片机的抗干扰能力，提高程序的保密性，减少硬件设计的复杂性和空间等许多优点，因此片内集成程序存储器已成为新型单片机的标准方式，但EPROM具有须
25、用12V高压编程写入。紫外线光照擦除以及重写入次数有限等缺点，这给使用带来了不便。新型单片机则采用Flash ROM、Mask ROM、OTP ROM 作为片内程序存储器，Flash ROM在通常(如5V/3V)下就可以实现程序的写入和擦除操作，重写次数在10 000次以上，并可实现在线编程写入的ISP技术优点，为使用带来了极大的方便。采用Mask ROM的微控制器称为掩膜芯片，它在芯片制造过程中就将程序“写入”其中，并永远不能改写。采用OTP ROM的微控制器，其芯片出厂时片内程序存储器是“空的”，它允许用户将自己编写好的程序一次性地编程写入，之后再已无法更改了。Mask ROM 和OTP
26、ROM适用于大批量产品的生产，而EPROM和Flash ROM则适用于产品的设计开发及学习培训时使用。 3) 程序保密化。一个单片机嵌入式系统的系统程序是系统最重要的部分，是知识产权保护的核心。为了防止片内程序被非法读出复制，新型单片机往往对片内程序存储器进行加锁加密。当系统程序写入片内程序存储器后，可以再对加密保护单元编程，使芯片加锁。加锁加密后，从芯片外部则无法读取片内系统程序代码。若将加密单元擦除，则片内程序也同时被擦除掉，这样便达到了程序保密的目的。 5 ISP、IAP及 ISP、IAP技术的开发和应用 ISP(In System Programmable)称为在线系统可编程技术。随着
27、微控制器在片内集成EEPROM、Flash ROM的发展，推动了ISP技术在单片机中的应用。在ISP技术的基础上立首先实现了系统程序的串行编程写入，使得不必将焊在PCB印刷电路板上的芯片取下，就可直接将程序下载到单片机的程序存储器中，淘汰了专用程序下载写入设备。其次基于ISP技术的实现，使得模拟仿真开发技术重新兴起。在单时钟、单指令运行的RSIC结构的单片机中，可实现PC机通过串行电缆对目标板系统的在线仿真调试。在ISP技术应用的基础上，又发展了IAP(In Application Programmable)技术，也称在应用可编程技术。利用IAP技术，实现了用户可随时根据需要对原有系统方便地在
28、线更新软件、修改软件，还能实现对系统软件的远程诊断、远程调试和远程更新。 6 实现全面的功能管理 采用CMOS工艺后，单片机具有极佳的低功耗和功耗管理功能，它包括 传统CMOS单片机的低功耗运行方式，即休闲方式(Idle Mode)、掉电方式(Power Down Mode)。双时钟技术。配置高速(主时钟)和低速(子时钟)两个时钟系统。当不需要高速运行时，转入子时钟控制下，以降低功耗。片内外围电路的电源管理。对集成在片内的外围接口电路实行供电管理，当外围电路不再运行时，关闭其供电。低电压节能技术。CMOS电路的功耗与电源电压有关，降低系统的供电电压，能大幅降低器件的功耗。新型单片机往往具有宽电
29、压(35V)或低电压(3V)运行的特点，低电压、低功耗是手持便携式系统重要的追求目标，也是绿色电子的发展方向。 7 以串行总线方式为主的外围发展 目前，单片机与外围器件接口技术发展的一个重要方向是由并行外围总线接口向串行外围总线接口的发展。采用串行总线方式扩展的外围扩展技术具有方便、灵活、电路简单及占用I/O资源少的特点。采用串行总线虽然比采用并行接口数据传输慢，但随着半导体电路技术的发展，大批采用标准串行总线通信协议(如SPI、I2C、1-Wire等)的外围芯片器件的出现，使传输速度不断提高(可达到110Mb/s)。采用片内集成程序存储器而不必外部并行扩展程序存储器，加之单片机嵌入式系统有限
30、速度的要求，使得串行总线方式为主的外围扩展方式能够满足大多数系统的需求，成为流行的提扩展方式，而采用并行接口的扩展技术则成为辅助方式。 2.3 单片机的特点单片机芯片作为控制系统的核心部件，它除了具备通用微机CPU的数值计算功能外，还必须具有灵活，强大的控制功能，以便实现实时监测系统的输入量，控制系统的输出量，实现自动控制。由于单片机主要面向工业控制，工作环境比较恶劣，如高温，强电磁干扰，甚至含有腐蚀性的气体，因而单片机控制系统还必须具有抗辐射能力。单片机CPU与通用微机CPU相比，具有以下的特点：1 抗干扰性强，工作温度范围宽。通用微机CPU一般要求在室温下工作，抗干扰能力较低。2 可靠性高
31、。在工业控制中，任何差错都有可能造成极其严重的后果。3 控制功能很强，数值计算能力较差。而通用微机CPU具有很强的数值运算能力，但是控制能力相对较弱，将通用微机用于工业控制时，一般需要增加一些专用的接口电路。4 指令系统比通用微机系统简单。2.4 单片机的应用目前单片机的应用已经深入国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用，其应用领域主要有智能仪器表，机电一体化，实时控制，民用电子产品及国防工业等。其主要体现在以下几个方面：1 单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地应用于实验室，交通运输工具，计量等各种仪器仪表中，可使用仪器仪表智能化，提高了它们的测量精度，加强
32、了它们的功能，简化了它们的结构，便于使用，维护和改进。例如：电度表校验仪，电阻，电容，电感测量仪器，船舶航行状态记录仪器，烟叶水分测试器，智能超声波测厚仪器等。单片机在智能仪表中的应用，不仅使传统的仪器仪表发生了根本性的变化，也促进仪器仪表行业的发展。2 单片机在机电一体化中的应用机电一体化是机械工业发展的重要方向。机电一体化产品是指集机械技术，微电子技术，自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。例如：微机控制的数控机床等。单片机的出现促进了机电一体化的进程，它作为机电产品中的控制器，能充分发挥它的体积小，可靠性高，控制功能强，安装方便等优点，大大提高了机器的功能，提高了机器的自动化，智能化程度。3 单片机在实时控制中的应用单片机也可广泛地应用于各种实时
