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基于AT89C52单片机LED显示控制系统设计
摘要: 本文介绍了基于AT89C52单片机的硬件和软件显示设计过程。 我们使用一个简单的外部电路来控制显示屏幕，显示屏幕大小为32times;192。显示屏幕还可以通过动态扫描模式显示六个32times;32点阵大小的汉字，并且可以分为两个小的显示屏幕,它可以显示24个大小为16times;16的汉字。 我们可以通过修改代码来改变显示内容。字幕可以实现滚动功能，滚动速度可以根据需要进行调整，字幕也可以实现暂停功能。 汉字代码存储在外部数据存储器中，外部数据存储器的存储数据的能力能根据我们要显示的汉字的要求而扩展。这个显示屏幕的优点是体积小，硬件少和电路结构简单。
LED显示屏已成为城市照明，社会的现代化和信息化不断发展和美化人们的生活环境的重要标志。在大型商场，火车站，码头，地铁站，各种管理窗口等都可以看到LED灯。LED业务已经成为一个快速发展的新兴产业，它具有巨大的市场空间和广阔的前景。文字，图片，动画和视频都能通过LED灯显示，显示内容可以更改。有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组成的网格结构构成，负责发光显示;屏幕可以通过控制系统控制相应区域LED的亮或暗来显示文字，图片，视频等。电力系统负责将输入电压和电流转换为屏幕所需的电压和电流。 LED点阵显示器通过PC提取显示字符字体，并发送给单片机，然后显示在点阵屏幕上，主要用于显示室内外的人物角色。LED点阵显示可以按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，图形显示的特征在灰度上都没有差别。因此，图形显示也不能反映色彩的丰富程度，而视频显示不但可以显示运动，清晰和全彩色的图像，还可以显示电视和电脑信号。尽管三者之间有一些差异，但最基本的原则是相似的。单片机有性价比高，体积小，可靠性高，控制力强等优点，它被广泛应用于智能仪表，机电一体化，实时过程控制，机器人技术，家用电器，模糊控制，通信系统等领域。本文详细描述了LED显示屏设计的相关原理，详细描述了硬件和软件结构的设计，最后对整体设计进行了仿真，并对结果进行了分析。
根据控制系统的目标，功能，可靠性，成本，准确性和速度选择单片机模型。根据该课题的实际情况，单片机模型的选择主要从以下两个方面考虑：第一单片机具有较强的抗干扰能力;第二，供应链管理具有较高的成本效益。由于51单片机在中国被广泛应用，有更多的信息，也能与更多的外围芯片兼容，特别是ATMEL公司在2003年推出了新一代微控制器，即89S系列，它高性能低价格的微控制器典型产品是AT89C52。 AT89C52是一款低电压，高性能的CMOS 8位微控制器，该芯片包括可重复擦除的8 KB只读程序存储器，256字节随机存取数据存储器，器件采用高密度非易失性存储器技术生产，与标准的MCS-51指令集和8052产品兼容，而芯片内置的通用8位中央处理，闪存单元，可应用于更复杂的控制应用。
系统由AT89C52芯片，时钟电路，复位电路，列扫描驱动电路，行驱动电路和6个32times;32 LED点阵组成的电路实现。 一个显示单元由点阵和两个74HC154组成。 线路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端口。 每个字符的列扫描信号由两个74HC154，74HC154 12个片段给出并分成六组。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连接的P0口。
图1 LED字符显示的整体结构
汉字大小为32times;32，但单片机有32个I / O口，不能满足设计要求，所以I / O口必须扩展，数据口扩展由两个8255A实现。74HC373是地址锁存器，获取由6264提供的低八位地址信号。但是由6264从P2.0~P2.4提供的高八位地址，8255A的内部端口由A0和A1选择。 74HC139是2-4解码器，其输入信号由单片机的P2.6和P2.7提供，并为外部I / O设备提供选通，因为系统有多个外部设备，要确保它们不能被门控，所以他们的地址是唯一的，不能重复。
AT89C52的时钟电路由18,19脚的时钟端和12MHz的晶体X，电容器C1和C2组成，并采用片内振荡器模式。复位电路使用一个简单的上电复位电路，主要由电阻R1，电容C3组成，连接到AT89C52的复位输入引脚。
图2 单片机系统的外围电路
在设计中每个汉字的大小为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，大小为8times;8。a~d的线路信号由两个8255A给出，1PA0~1PA7和1PB0~1PB7的信号由PA和PB端口给出，2PA0~2PA7和2PB0~2PB7为8255A-2的PA和PB端口，右边的数字代表74HC154给出的列扫描信号。74HC154提供16列选通，a~d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提供列扫描信号的74HC154。 当电路工作时a~d通过扫描信号按照适当的顺序进行门控，每次只有一个门控，其他列都不起作用，显示的数据同时由两个8255A给出。由于人眼的视觉持久性，人们会看到一个稳定的角色。另外，由于汉字每个显示器需要128个字节的存储空间，而AT89C52单片机芯片只有256个字节的数据存储空间，远远小于设计要求，所以我们通过8个8K的外部数据存储器6264 扩展存储空间。
a b c d
图3 显示单元的电路分解图
Inte18255A是一款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定，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，使用方便灵活。 Inte18255A接口芯片有三个8位并行输入和输出端口，可以使用编程方法将三个端口设置为输入端口或输出端口。芯片工作有基本的输入和输出，选通输入/输出和双向输入/输出。当数据通过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芯片三端口期间，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，不仅可以作为8位数据端口使用，也可以分别作为两个4位数据端口使用，并且可以对端口C的每一位进行操作，可以设置特定位输入或输出，为位控制提供了便利条件。
图4 线路数据单元电路
在显示单元电路的设计中，线路数据由两个8255A给出,如图4所示。这种设计使用动态显示装置来显示汉字，这可以通过行或列扫描来控制,系统采用列扫描的方式来控制屏幕，具体的列扫描电路如图5所示。列扫描电路由12个74HC154组成。两个74HC154提供32个选通信号来显示字符。 74HC154的输入信号是由AT89C52提供的P1.0~P1.3来控制屏幕，但设计中使用了12片74HC154，它们按顺序工作，另一片74HC154的输入是由AT89C52提供的P1.4~P1.7信号来控制屏幕。
图5 列扫描单元电路
图6 串行通信接口电路
PC和SCM通过串行通信接口连接。为了实现MCU与PC之间的串行通信功能，将单片机的串行接口电平转换为标准的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，而单片机主要负责接收命令和数据，所以PC直接与单片机连接，这是最简单的连接方法。来自PC的TXD侧的信号通过通信电路转换成电流信号，光耦合器的红外发光二极管在出现信号时具有电流，由二极管发射的光信号投射到光电晶体管上并转换到电信号，然后输入到微控制器RXD端，实现光电转换，电气完全隔离，避免了输出端产生的反馈和干扰。如图6所示
整个软件设计主要由显示程序和通讯程序组成。 通过动态扫描实现屏幕上显示的汉字，传输控制和显示功能的字符等数据。 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。
主计算机软件由Visual Basic实现。 在标准串行通信中，作为电力通信控制的MSCOMM由VB提供，它可以设置发送和接收数据的串行通信，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串行端口直接发送数据。 为了实现PC与单片机的可靠通信，并确保双方具有相同的数据格式和波特率，本设计使用10位数据格式，9600bit / s波特率的RS-232通信格式。
汉字点阵显示原理及子码
以中国古代的UCDOS新罗马字体为例，每个单词由16times;16点阵组成。 也就是说，国家标准汉字库的每一个字都用256格表示。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。实际上，这个字符显示屏不仅可以显示汉字，还可以显示256像素范围内的任何图形。由于微控制器的总线是8位的，并且一个字需要分成两部分，如图7所示。
图7 汉字显示原理
为了理解汉字的点阵组成规律，首先通过列扫描方法获得字符编码。汉字分为上下两部分，上部由8times;16格构成，下部由8times;16格构成。上方左上角的第一列首先用列扫描方式显示，即0列的P00~P07端口，方向为P00~P07，显示汉字为“大”，P05打开，另一个关闭。也就是说，二进制是00000100，并将其转换为十六进制为04h。上半部分的第一列结束后，继续扫描第一列的下半部分，从图7可以看出，该列并非全部，即二进制为00000000，十六进制为00h。根据这种方法，第二列第三列依次扫描到第十六列。可以绘制字符“大”的扫描码。
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，无论是什么字体或图像显示，我们都可以使用这种方法分析扫描码并出现在屏幕上。虽然上面的方法可以让我们弄清楚字符点阵过程的代码，但是依靠手动方法来进行字符代码是一件非常复杂的事情。为此，使用Font软件查找字符代码，打开软件后输入要显示的内容，可以根据需要选择字体和大小，可以按行或按列选择模式。按下模数按钮，可以自动生成十六进制数据字符代码，我们需要将数据复制到程序中。
地址分配端口和数据存储器
在这种设计中，我们习惯于8255A，6264等外部设备，其门控不一样，所以选通是受控的，这就涉及到地址分配问题。 在系统中，8255A的地址码为3FFCH~7FFCH和7FFCH~7FFFH,地址码6264为0A000H~0BFFFH。另外，存储器6264被划分为四个区域，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的地址分配情况。
软件程序
软件程序由开始，初始化，显示程序，前端等组成，主程序和子程序流程图如图8所示。和图9.字符代码存储在静态存储器6264中，而单片机将等待给出的信号，即单片机引脚P3.0的输入信号。当P3.0由低到高时，显示程序开始运行。首先，写入8255A控制端口的控制字，8255A在设计中以模式0的形式工作。控制字起作用后，将显示从6264传输到8255A的数据，由于字符屏幕的行宽为32，因此显示数据输出四次，一行数据输入后，从顶部到底部传输，在数据传输结束后门控每个由单片机控制的第一行信号，显示第一列数据，然后通过延时程序显示稳定的内容。在延迟过程结束后读取下一列数据，并且下一行被选通，以便还显示第二列数据，依此类推，因为屏幕尺寸是32times;192，显示了192行，并且192行构成图像。然后，从第一列开始扫描，并且显示数据的起始地址在原来的基础上向后移位，这具有地址溢出问题。当数据地址溢出时，它将分配起始地址给地址指针，显示器数据内容将不断重复。
与PC和单片机通信的流程图如图10所示。与PC通信的实时通信部分通过单片机串行中断接收数据信息，从而实现与PC的实时数据信息传输。
图8 主程序流程图
图9 子程序的流程图
图10 与PC和单片机通信的流程图
仿真结果分析
硬件和软件设计完成后，Proteus模拟设计内容，根据仿真结果修改电路或优化程序。EDA工具软件Proteus软件由英国Labcenter电子公司出版。它不仅具有其他EDA工具的仿真功能，而且还可模拟微控制器和外围设备。它是微控制器和外部设备的最佳模拟工具。虽然Proteus刚刚起步于国内，但是SCM的爱好者，SCM的教学老师和从事SCM的科技工作者都非常喜欢这款软件。 Proteus是世界领先的仿真软件，从原理图布局，调试代码到MCU和外部电路协同仿真，是PCB设计的关键转换，从概念到产品实现了完整的设计。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
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