机电一体化毕业设计论文基于单片机的LED点阵显示设计.doc

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1、永城职业学院毕 业 设 计设计题目：基于单片机的LED点阵显示专 业：机电一体化班 级：学 号：学生姓名：指导教师： 2011年 09 月20 日第21页 共21页摘要单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展，目前单片机功能正日渐完善:单片机集成越来越多资源，内部存储资源日益丰富，用户不需要扩充资源就可以完成项目开发，不仅是开发简单，产品小巧美观，同时抗干扰能力加强,系统也更加稳定，使得它更加适合工业控制领域，具有更加广阔的市场前景；提供在线编程能力，加速了产品的开发进程，为企业产品上市赢得宝贵时间。此外单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强等突出优点。单片机的设计

2、目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制 的需要。本文的主要内容是掌握各种单片机的结构、接口、片上外设的特点，并用STC12C5410AD单片机的片上资源设计出适当的最小系统；并利用自行制作的单片机最小系统，完成一个简单应用（量程自动转换的电压表）的设计与软件及硬件设计制作，让读者掌握数字单片机最小系统的设计及单片机系统的应用方法。关键字：单片机 仿真器 LED点阵显示屏目录第一章 系统概述11.1单片机的发展11.2 MCS-51系列单片机介绍2第二章 单片机的配置及简介42.1单片机介绍42.2 MCS-51系列单片机的引脚功能52.3单片机系统设计6第三章 系统硬件设计与分析9第四章 硬

3、件及仿真104.1硬件设计104.1.1主控制单片机104.1.2 LED显示模块104.2计算机仿真114.2.1 电路图114.3总体设计电路图124.3.1外部电路连接图124.4流程图164.5程序源17总结与体会19参考文献20第一章 系统概述1.1单片机的发展单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单

4、片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动

5、滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之

6、别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：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。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。1.2 MCS-51系列单片机介绍单片机的全称是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）。为

7、了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用

8、程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。本书应用电路中采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它与MCS51单片机指令集兼容，同时它的内部包含用作程序存储器的

9、4KB的基于FLASH技术的只读存储器。采用这款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存储器导致电路复杂的缺点，又克服了采用8751导致电路制作成本高的缺点LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。本文将介绍一种采用单片机AT89S51进行控制的8*8LED点阵。该点阵可实现显示汉字的功能。第二章 单片机的配置及简介

10、2.1单片机介绍所谓单片机，就是将CPU,RAM,ROM,定时/计数器和多种I/O接口电路都集成在一块集成芯片上的微型计算机。MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的8位单片 微型计算机 ，包含51和52两个子系列。51子系列的典型产品有8031，8051和8751三种机型 52子系列包括8032，8052二种主要机型。 51子系列的配置如下：（1）8位CPU；（2）振荡频率1.212MHZ；（3）128个字节的片内数据存储器（片内RAM）；（4）21个专用寄存器；（5）4KB的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；（7）一个全双工串行

11、I/O口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级； 本系统选用ATMEL89S51系列单片机，由于它的模块化设计为适应具体的应用提供了极大的灵活性，便于扩展功能，有效的提高了系统的经济性。AT89S51是一种低工耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。2.2 MCS-51系列单片机的引脚功能 主电源引脚 Vss、Vcc Vss：接地，Vcc：接+5V电源外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2 XTAL1：片内反向放大器输入端，XTAL2：片内反向放大器输出端输入/输出引脚 P0、P1、

12、P2、P3P0.0P0.7：P0口的8个引脚，P0口是8位漏极开路型双向I/0端口，在接有片外存储器或I/0扩展接口时，P0.0P0.7分时复用，作低8位地址总线与双向8位数据总线P1.0P1.7：P1口的8个引脚，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，对于52子系列，P1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端2，1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2.0P2.7：P2口的8个引脚，P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口，在访问片外存储器或扩展I/O接口时，还用于提供高8位地址。P3.0P3.7：P3口的8个引脚，P3口也是一个带上拉电阻的I/O口，除可以作双

13、向的输入输出口外，还具有第2功能。见表2-2引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器0的外部中断）T1（定时器1的外部中断）WR（片外数据存储器写控制信号）RD（片外数据存储器读控制信号） 表2-2 P3口第二功能表控制线ALE/PROG：双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储

14、器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE脉冲会跳空1个。对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲PROG的输入端。 PSEN： 片外程序存储器读选通信号输出端，在CPU从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过P0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。EA/Vpp： 双功能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即EA/Vpp=1时，访问片内程序存储器。 对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v的编程

15、电压。RST/VPO： 双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。 在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中的信息。2.3单片机系统设计按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统和典型应用系统等。（1）最小应用系统：能维持单片机运行的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入/输出控制等。对于片内有ROM/EPROM/FLASH RAM的单片机，构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路、复位电路和电源即可，如图1 图2所

16、示。XTAL1 P2.72.0XTAL2 89S51 RST ALE P0.70.0地址锁存EPROMXTAL1 P0 P1XTAL2 P2 P3RST 89S51 图1时钟电路 图2复位电路由于集成度的限制，这种最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点是：有可供用户使用的大量I/O口线，P0、P1、P2、P3都可用作用户I/O口用。由于没有外部存储器扩展，应接高电平。内部存储器容量有限（只有4KB地址空间）。应用系统开发具有特殊性。由于这类应用系统应用程序量不大，外电路简单，因而采用模拟开发手段较好。对于片内无ROM/EPROM/FLASH RAM的单片机，其最小系统除了外部配置时

17、钟电路、复位电路和电源外，还应在片外扩展EPROM、EEPROM作为程序存储器用，如图3（b）所示，应接地。（2）最小功耗应用系统最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功率消耗最小。这是单片机应用系统中的一个引人入目的构成方式。在单片机芯片结构设计时，一般为构成最小功耗应用系统提供了必要条件，例如，各种系列的单片机都有CMOS工艺类型，而且在这类单片机中都设置了低功耗运行的WAIT和STOP方式。设计最小功耗应用系统时，必须使系统内的所有器件、外设都有最小的功耗，而且能充分运用WAIT和STOP方式运行。最小功耗应用系统常用在一些袖珍式智能仪表、野外工作仪表以及在无源网络、接口中的单片机

18、工作子站。单片机的特点1）小巧灵活，成本低，易于产品化。它能方便的组合成各种智能化的控制设备及各种智能仪器与仪表。2）面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的价格性能比。3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣环境下都能可靠性工作，这是其它机种无法比拟的。 4）可以很方便的实现多机和分布控制。使整个控制系统的效率和可靠性大幅度提高。单片机具有体积小、功耗低，价格便宜等优点，近年来还还开发了一些以单片机母片为核（如80C51），在 片中嵌入更多功能的专用型单片机（或者叫专用微控制器），因此单片机在计算机控制领域中应用越来越广泛第三章 系统硬件设计与分析一个单片机应

19、用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则： 1、尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会

20、产生相互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。4、系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。6、单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。第四章 硬件及仿真4.1硬件设计方案一中系统电路图可知系统整体由两大部分构

21、成： 以单片机AT89S51为核心的模块；由1块8*8的LED点阵显示屏组成的显示模块；以下是各单元电路的具体设计： 4.1.1主控制单片机 本次设计使用的是AT89S51的最小系统电路，包括：电源、时钟脉冲、复位电路和程序存储器设定电路，只是接受少量的数字和字符，不用外接存储扩展。时钟脉冲：AT89S51单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了24MHz，它内部已经具备了振荡电路，只要在AT89S51的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡晶体的2个管脚即可，同时晶体的2个管脚也要用30pF的电容耦合到地。复位电路：89S51的复位引脚（RESET）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器

22、周期，即可产生复位的动作。以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为0.5S，两个机器周期为1S，因此，在第9脚上连接一个2S的高电平脉冲，即可产生复位动作。最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可可靠复位的电路，电阻一般选择10K，电容一般选择10F。程序存储器设定电路：31脚接VCC，默认采用内部程序存储器。4.1.2 LED显示模块 本次设计中8*8的LED电子显示屏的制作。相对而言是比较简单的。4.2计算机仿真4.2.1 电路图图3电路图(1) 打开Keil uVision3，新建Keil项目，选择AT89S51单片机作为CPU，新建C语言源文件，编写程序，并将其导入到“Source G

23、roup”中。在“Option for Target”对话窗口中，选中“Output”选项卡中的“Create HEX”选项和“Debug”选项卡中的“Use：Proteus VSM Simulator”选项。编译源程序，改正程序中的错误。(2) 在Proteus ISIS中，选中AT89S51并单击鼠标左键，打开“Edit Compoment”对话窗口，设置单片机晶振频率为12MHZ，在此窗口中的“Program File”栏中，选择先前用Keil生成的.HEX文件。在Proteus ISIS的菜单栏中选择“File”-“Save Design”选项，保存设计。在Proteus ISIS的菜

24、单栏中，打开“Debug”下拉菜单，在菜单中选中“Use Remote Debug Monitor”选项，以支持与Keil的联合调试。(3) 在Keil的菜单栏中选择“Debug”-“Star/Stop Debug Session”选项，或者直接单击工具栏的“DebugStar/Stop Debug Session”图标，进入程序调试环境。按“F5”键，顺序运行程序。4.3总体设计电路图4.3.1外部电路连接图图4 外部电路连接图点阵LED显示器是将许多的LED类似矩阵一样排列在一起组成的显示器件，当单片机输出的控制信号，使得点阵中的LED有发光，有些不发光，即可显示出特定的信息，包括汉字，图

25、形符号等。有微机控制点阵的LED大屏幕广告宣传牌随处可见。试验仪上深有一个阳极的8*8的点阵LED显示器，；点阵结构如图所示。该点阵对外引出8条行线，八条列线。若使某一个Led发光，只要将与其LED连接的行线加高电平，列线加低电平;若是某一列LED发光，只要将八根行线全加高电平，此列线加低电平；若使某一列LED部分发光，只要将需要发光的行线加高电平，此列线加低电平图5 点阵LED试验仪上的点阵LED 及驱动电路如下一页图所示（与单片机之间有实验者自连）。单片机P2口（实验时可自定）输出的数据通过行驱动器（7407）加值至点阵的八条行线上，单片机P1口输出的数据通过列驱动器（ULN2003A）反

26、向后加至点阵的八条列线上。若要使该点阵显示某一信息，只要通过P2口P1口输出特定的数据，控制点阵LED逐环活逐列换发光即可。例如欲显示汉字“年 华”，采用逐列循环发光。首先由“年”点阵轮廓。确定点阵代码。根据 “年”的点阵代码，确定逐列循环发光的时序如下：P2口输出24H；P1口输出80H；第7列的2个LED发光。P2口输出44H；P1口输出40H；第6列的2个LED发光。P2口输出DCH；P1口输出20H；第5列的5个LED发光。P2口输出54H；P1口输出10H；第4列的3个LED发光。P2口输出7FH；P1口输出08H；第3列的7个LED发光。P2口输出54H；P1口输出04H；第2列的

27、3个LED发光。P2口输出54H；P1口输出02H；第1列的3个LED发光。P2口输出44H；P1口输出01H；第0列的2个LED发光。步骤之间可插入1ms 左右的延时。重复进行，即可在LED 上稳定地显示出“年”。P2口输出10H；P1口输出10H；第7列的1个LED发光。P2口输出24H；P1口输出24H；第6列的2个LED发光。P2口输出DCH；P1口输出74H；第5列的4个LED发光。P2口输出54H；P1口输出84H；第4列的2个LED发光。P2口输出7FH；P1口输出0FH；第3列的4个LED发光。P2口输出54H；P1口输出F4H；第2列的5个LED发光。P2口输出54H；P1口

28、输出34H；第1列的3个LED发光。P2口输出44H；P1口输出54H；第0列的3个LED发光。步骤之间可插入1ms 左右的延时。重复进行，即可在LED 上稳定地显示出“华”。这里P2 口先后输出的8 字节数据： 24H,44H,DCH,54H,7FH,54H,54H,44H,为“年”的代码。10H,24H,74H,84H,0FH,F4H,34H,54H,为“华”的代码。4.4流程图开始清屏100ms置码指针初值每个字停留时间每个字8个码扫描指针置第一位取码指针存入R0扫描输出扫描下一个取代码输出到P2取下一个码扫描1ms8个码完成?每个字扫描时间到了?8个字48个码是否完成NYYNN 图6

29、流程图4.5程序源ORG 0HSTART0:MOV R3,# 78HSTART1:MOV DPTR,#DATA1 ;指向点阵代码首址MOV R2,#80H;80H ;使第7 列（最左一列）阴极为低电平CLR CDISP: MOV A,#0MOVC A,A+DPTR ;取一列点阵代码MOV P2,A ;加至阳极MOV P1,R2 ;使一列阴极为低电平CALL DELAY ;延时INC DPTR ;指向下一列代码MOV A,R2 ;R2 右移一位，为下一列阴极输出低电平作准备RRC AMOV R2,AJNC DISP ;8 列未完,转DJNZ R3 ,START1AJMP START2DATA1:

30、 24H,44H,DCH,54H,7FH,54H,54H,44H,为“年”的代码START2:MOV R4,# 78HSTART3:MOV DPTR,#DATA2 ;指向点阵代码首址MOV R5,#80H ;80H使第7 列（最左一列）阴极为低电平CLR CDISP1: MOV A,#0MOVC A,A+DPTR ;取一列点阵代码MOV P2,A ;加至阳极MOV P1,R5 ;使一列阴极为低电平CALL DELAY ;延时INC DPTR ;指向下一列代码MOV A,R5 ;R5 右移一位，为下一列阴极输出低电平作准备RRC AMOV R5,AJNC DISP1 ;8 列未完,转DJNZ R

31、4 ,START3AJMP START0DATA2: 10H,24H,74H,84H,0FH,F4H,34H,54H,为“华”的代码。DELAY: MOV R1,#0 ;延时子程序DELY0: DJNZ R1,DELY0RETEND总结与体会通过这次设计使我了解到单片机的应用面广，功能强大，使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的各个方面。仍然处于不断的发展之中其功能不断增强，更为开放。编程软件技术更是工业设计领域不可缺少的一部分，单片机仍然处于不断的发展之中其功能不断争强，更为开放，它不但是单机自动化中应用最广泛的控制设备，在大型工业网络控制系统中也占有不可动摇的地位。使我对单片机

32、的应用有了更好的了解和认识，在课程设计过程中不仅巩固了我们的基础理论知识，而且使我们各个方面的能力都有很大的提高。从一开始的无从下手，资料的整理，在老师的帮助下，无疑是对我们查阅资料的能力、设计报告的能力、电脑绘图等能力的进一步提高。很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合，开发、设计产品的能力的进一步在课程设计中使我学会了很多，也对自己的能力有了进一步的提高，为以后的学习和工作加强。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。为以后的工作积累了经验，增强了信心。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的

33、问题怎样用理论去解决，它更是自己综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节。参考文献1周越.单片机技术实验实训教程.江海职业技术学院. 2李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社. 3张大明,刘振鹏.单片微机控制应用技术实操指导书.机械工业出版社4钟富昭,张晨.8051单片机典型模块设计与应用.人民邮电出版社.5李全钊.单片机原理技术与应用技术.机械工业出版社.6李全利单片机原理及应用技术.高等教育出版社.7其他.专业班级姓 名论文题目基于单片机的LED点阵显示指导教师初审成绩评定内容论文选题资料利用学术造诣知识掌握科研能力论文完成情况写作能力写作规范总成绩成绩评分标准10分10分20分20分10分10分10分10分100分实际评分评阅教师评阅成绩评定内容论文选题资料利用学术造诣知识掌握科研能力论文完成情况写作能力写作规范总成绩评分标准10分10分20分20分10分10分10分10分100分实际评分答辩成绩评定内容仪态仪表语言答辩效果知识掌握科研能力论文完成情况写作能力写作规范总成绩评分标准10分10分20分20分10分10分10分10分100分实际评分评语指导教师评语评阅教师评语答辩小组评语指导教师： 年 月 日评审教师： 年 月 日答辩负责人： 年 月 日