摘要：随着电子技术和信息技术的迅速发展，LED的应用范围越来越广泛。它作为一个重要的宣传平台，已经受到全社会的普遍认可和广泛使用。如今，它几乎成为各个广场和大型超市的必备品。然而这些功能的实现离不开单片机的功劳。单片机是一种微型处理器，负责数据的接收、发送和处理的工作。LED显示屏则可以显示变化的数字、文字、图形和图像等。它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、液晶显示屏等无法比拟的优点。点阵显示器的特点是可以按照实物所需要的大小、形状和颜色进行组合，用单片机控制实行各种文字或图形的变化，达到广告宣传和提示的目的。
关键词：80C51；LED；点阵
中图分类号：TP338文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 22-0000-03
LED Dot Matrix System Based on MCU Control
Xie Dong
(The Far East Institute of Harbin University of Science and Technology,Harbin 150025,China)
Abstract:As the electronic technology and the rapid development of information technology,the application range of the LED more and more widely.It as an important platform for propaganda,has been widely accepted by the whole society and widely used.Now,it almost makes each square and large supermarket is necessary article.However,the function of single chip without credit.SCM is a micro processor,in charge of data receiving,send and processing work.The LED display may show that changes the Numbers,words,graphics and video.It not only can be used in indoor environment also can be used in outdoor environment,with a projector,TV wall,liquid crystal display screens,etc the incomparable advantages.Dot matrix display is characteristic of the real need can according to size,shape and color combination,with single-chip microcomputer control of a text or graphics changes to achieve the purpose of advertising and tips.
Keywords:80C51;LED;Dot matrix
一、AT89S51单片机的结构
AT89S51单片机的结构分为主控单片机模块、译码器选择数据模块、LED显示模块这三大模块。
（一）系统芯片的选择
80C51芯片内部有ROM，且片内ROM全部采用Flash ROM，它能够在3V的超低压工作，与51系列单片机完全兼容。因此，本设计选择80C51芯片。
（二）主控制单片机
80C51是一种高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机，它带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。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80C51是一种高效微控制器，80C2051是它的一种精简版本。80C51单片机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。80C51引脚即外观如图1所示。
图1：80C51引脚外观图
二、LED点阵制作
LED是英文Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，且抗震性能好。点阵式LED的显示采用逐列扫描方式。工作时，由单片机取出第一列需要显示的内容经延时一段时间后再进行下一列点阵数据的显示。需要注意的是，每次只能选通一列数据，即要通过不断的逐列扫描变换来实现汉字或字符的显示。
（一）显示模块的选择
采用点阵显示，点阵显示是由八行八列的发光二极管集成在一块电路上组成，主要用来显示汉字，同时也能显示数字和少量图像。而且程序简单，显示的效果比较清晰。
（二）LED驱动模块的选择
采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端（共阴极或共2端），LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源[10]。
（三）主要芯片74LS138的介绍
译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，芯片74LS138为3线8线译码器，74LS138译码器的引脚（管脚）如下图2所示。
图2：74LS138的引脚图
所谓译码，就是将每一组代码的含意翻译出来的过程。译码是编码的逆过程。广泛被使用的译码器是74LS138译码器，因此该设计中采用74LS138且其作用也就是将一组码转换为想要的确定的信息。
74LS138为3线~8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式。其工作原理：
当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（E1和E2）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平的方式译出。利用E1、E2和E3可级联扩展成一个24线的译码器；若外接一个反相器还可以级联扩展成为32线译码器。
在该设计中，由于单片机中的P2口只有八个数据线，显然不够三十二个数据使用。因此，74LS138译码器在此是用于扩展数据的输入端的。4个74LS138译码器正好一共有三十二个输出端口，于是就对应了LED显示屏中的三十二个列选端。满足了16*32点阵式LED显示屏的列需求。
（四）16*16 LED点阵显示制作
我们以Version1.0字模精灵为例，每一个汉字由一个16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。
（五）16*16 LED点阵的内部结构及工作原理
我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏幕不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。这里我们以“尚”字说明，如图3所示。
图3：“尚”字显示图
用8位的80C51单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分。在此我们把它拆分为上部和下部，上部由8*16点阵组成，下部也由8*16点阵组成。
在本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00~P07口。方向为P00到P07，显示汉字“尚”时，由上往下排列，为P00亮，P01灭，P02灭，P03灭，P04灭，P05灭，P06灭，P07灭。即二进制10000000，转换为16进制为80H。
第一列的上半部完成后，继续扫描第一列的下半部，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，从上图可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，16进制则为00H。
然后单片机转向第二列的上半部，P01点亮，为01000000，即16进制40h.这一列完成后继续进行下半部分的扫描，P20点亮，为二进制00000001，即16进制01H。依照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描32个8位，可以得出汉字“尚”的扫描代码为：
080H，000H， 040H，001H， 067H，0FFH，034H，004H
01CH，008H， 015H，0FCH，007H，030H，0FDH，050H
005H，090H， 00DH，050H， 017H，0F8H，064H，012H
02CH，009H， 017H，0FEH， 020H，002H，040H，001H
由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。不过现在有很多现成的汉字字模生成软件，就不必去画表格算代码了。
打开字模精灵软件，设定一下输出方式，输入汉字后，再单击“取模”。十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要汉字代码复制到我们的C程序中即可。
（六）硬件系统的整体设计图与原理分析
硬件系统的整体设计图如下图4所示。
图4：硬件系统的整体设计图
原理分析：
Proteus 7.4软件中只有8*8和5*7等LED点阵，所以需要由小的LED屏拼接成一个大的LED显示屏。上图的LED显示部分是由8个8*8的点阵构成整体的16*32点阵屏，可以同时显示两个汉字（或4个英文字母）。要注意的是：在Proteus7.4软件中，由于点阵块数太多，所以其接线比较的复杂。此处采用以上接线方式，把8个LED点阵屏以“一共两行，每行4个”的方式紧凑连接在一起，隐藏了那些错综复杂的连线，使我们在视觉上觉得更清新，更一目了然。
原理图中，拼接后的点阵式LED显示屏采用的是逐列扫描的工作方式。将事先已经编写好的C语言程序输入到单片机中，80C51单片机的P2口的P2.0口至P2.2口连接4个74LS138（3线~8线）译码器的输入端，再由4组8个相应的输出端，与连接LED显示屏对应的列端相连，用来选中所要显示的字符的列。单片机的P0口负责输入所要显示的第一个字的代码信息，P1口负责输入所要显示的第二个字的代码信息。然后又由P0口负责输入所要显示的第二个字的代码信息，P1口负责输入所要显示的第三个字的代码信息，这样在我们的视觉上就感觉字是在连续着在向左移动了。这样依次类推，所有的字都能连续的左移着显示出来。另外，在对单片机进行校验时，P0口须接上10K左右的上拉电阻，就是上图中的RP1电阻。
对于74LS138译码器U2来说，其中E1端必须为高电平才能有效，也就是说此时译码器才能正常工作。E2和E3端是低电平有效，用来接地端。其余的3个译码器的原理都是这样。
（七）驱动方式的选择
所谓串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点（列）驱动电路。其特点是单元内的线路连接简单，这给印刷电路板的设计带来了方便。同时也减少了印刷电路板的布线密度，从而为生产和调试带来了有利的一面。然后，单元的可靠性也相应的提高了。串行控制驱动方式可选用的芯片有：MC409474LS595、74HC595、6B595、9094等等。在本次设计中我们采用的芯片是74HC595、74LS38。
三、设计目的
（1）能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识有进一步的认识，立对其进行测试与检查。（2）熟悉80C51单片机的内部结构和功能，合理使用其内部寄存器，能够完成相关软件编程设计工作。（3）为实现预期功能，能够对系统进行快速的调试，并能够对出现的功能故障进行分析，及时修改相关软硬件。（4）对软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。（5）完成硬件电路图的设计，并且学会使用PROTEL软件画出系统硬件连接电路图。（6）对软件和硬件进行调试，完成整个系统的设计。
（一）总体设计
LED点阵总体框图如图5所示，点阵电路大体上可以分成微机本身的硬件、显示驱动电路、控制信号电路三部分。控制电路部分包括一个51CPU和一些外围电路。在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通信、以及给屏体电路部分发送命令。点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。由于两部分的电路在制板时可以放到一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通信方式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。
此显示电路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（把该行与电源的一端接通）。另一方而，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。
图5：点阵显示的总体框图
四、设计总结
（1）在Proteus软件中画出原理图，并确定作品的功能。（2）确定元器件及购买。（3）根据功能来编写软件程序。（4）在计算机里面进行硬件和软件的调试。（5）用protel进行电路板面的原件分布，做到美观。（6）PCB板中对放置好的元器件进行布线。（7）制作实际电路板。（8）钻孔，焊接。（9）实际硬件、软件调试。
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