毕业设计说明书

基于单片机的LED点阵显示 电子钟设计

专业 电子信息工程
学生姓名
班级
学号
指导教师
完成日期 2013年5月31日

本科生毕业设计说明书（2013）

基于单片机的LED点阵显示电子钟的设计

摘 要 ： 毕业设计是基于AT89C51单片机的LED点阵电子显示器的设计，采用的 并行方式的显示方案来实现。该电子时钟由AT89C51，74LS373数码管等构成， 采用晶振电路作为驱动电路，由延时程序和循环程序产生的一秒定时，达到时 分秒的计时。用keil软件生成.hex文件，用Proteus的ISIS软件实现了单片机 LED点阵电子时钟系统的设计与仿真。单片机具有体积小，成本低，抗干扰能力 强，面向控制，可以实现分机各分布式控制等优点。电子显示器就是利用单片 机的上述优点，采用目前市场上性能价格比较高的AT89C51单片机设计而成的最 小系统。它在实际生活中具有广泛的应用。电子钟由显示电路，行驱动电路， 列驱动电路，中央控制器，按键电路和复位电路组成。

在毕设中，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动等。

关键词 ： 单片机；LED点阵；电子显示器

Design on Microcontroller-based LED dot matrix

基于单片机的LED点阵显示电子钟设计

display electronic clock

Abstract : Graduation design is based on AT89C51 microcontroller LED dot matrix design of electronic displays,We use the parallel display of programs to achieve.The electronic clock by the AT89C51, 74LS373 digital control constitutes,As a driver circuit using crystal oscillator circuit,Program and Cyclic Program by the delay of one second timer generates,Reached when every minute timer.Using keil software generates. Hex file,With the Proteus ISIS software of the microcontroller LED dot matrix electronic clock system design and simulation.Microcontroller with a small, low cost, anti-interference ability, control-oriented, can achieve an extension of the distributed control, etc.The electronic display is the use of the above advantages SCM,Using a high cost performance on the market today designed by AT89C51 microcontroller minimum system.In real life, it has a wide range of applications.Electronic clock by the display circuit, the line driver circuit, the column driver circuit, the central controller, key circuit and reset circuit.

In the complete set in, LED dot matrix display as an electronic clock, the biggest advantage lies in its diversity of content display to provide users with a flexible and interactive interface. As used here with the same single-chip crystal oscillator, making accurate electronic clock not only walk, but also can take advantage of single-chip high degree of flexibility for the electronic clock to expand significantly as many regular automatic alarm, automatic bell schedule, regular broadcasts, automatic lights from closed , oven timer switch, on-off power equipment, and even a variety of timing Electric start automatically, etc.

Key words: SCM；LED dot matrix；Electronic displays

目 录

1 概述..............................................................1
1.1 课题研究背景与意义..............................................1
1.2 课题设计内容....................................................1
2 方案的选择与论证..................................................1

本科生毕业设计说明书（2013）

2.1 设计任务与要求.................................................1
2.2 总体设计方案....................................................2
2.2.1 硬件部分的设计................................................2
2.2.2 软件部分的设计................................................3
2.3 元件选择........................................................3
2.3.1 AT89C51.......................................................3
2.3.2 74LS373.......................................................5
2.3.3 74LS138.......................................................7
2.3.4 LED点阵显示器.................................................8
3 系统硬件电路设计.................................................10
3.1 晶振电路设计...................................................10
3.2复位电路设计....................................................11
3.3 时分调节电路设计...............................................11
3.4 驱动电路设计...................................................12
3.5 显示电路设计...................................................12
3.6控制器件硬件原理图..............................................13
3.6.1 原理图绘制工具简介...........................................13
3.6.2 原理图绘制...................................................14
4 系统软件设计.....................................................14
4.1 软件流程图.....................................................14
4.2 软件程序内容...................................................15
4.2.1 编程软件简介.................................................15
4.2.2 定时器工作程序...............................................17
4.2.3 数字显示程序.................................................17
5 系统仿真与调试...................................................19
5.1 仿真软件简介...................................................19
5.1.1 Proteus软件介绍..............................................19
5.1.2 功能特点.....................................................20
5.2 系统调试.......................................................20
5.2.1 代码调试.....................................................20
5.2.2 电路连接.....................................................24
5.3 仿真结果与调试.................................................24
5.3.1 电路仿真.....................................................24
5.3.2 仿真图调试...................................................25
5.4 性能分析.......................................................26
6 结束语...........................................................27
参考文献...........................................................28
致 谢............................................................29

基于单片机的LED点阵显示电子钟设计

附 录............................................................30
附录1 程序代码.....................................................31
附录2 LED点阵电子钟仿真图..........................................38
附录3 LED点阵电子钟原理图..........................................39

本科生毕业设计说明书（2013）

基于单片机的LED点阵显示电子钟的设计

1 概述

1.1 课题研究背景与意义

自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广 泛的应用。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济的高速增长，对 公众场合发布信息的需求日益强烈。

而LED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,LED显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对 LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；LED显示屏经多 年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟。

现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上 了丰富多彩的LED电子产品，为城市增添了一道靓丽的风景。而且它采用低电压 扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角 大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制 灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。近年来LED显示屏市场得 到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、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、体育场等需要进行多种公告、宣传的场 合。

随着LED显示器在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋， 层出不穷。由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其 中也占有一席之地。此次毕业设计就是基于以上社会背景设计出一种简单的基 于单片机的LED点阵电子显示钟。

1.2 课题设计内容

基于单片机，设计一个LED电子显示器系统。可以通过按键对时间进行调整 和复位，并可以通过8*8的LED显示器显示出来，当按下按键1时分数增加1；当 按下按键2时，时数增加1。并且要将误差控制在1秒之内。设计好电路图后用 Altium Designer画出原理图，用Proteus软件完成电路的仿真图，并运行仿真 结果，对系统进行调试。

2 方案的选择与论证

2.1 设计任务与要求

1

基于单片机的LED点阵显示电子钟设计

a）采用LED点阵显示； b）可根据按键调整时间；

c）误差小于1S。

2.2 总体设计方案

2.2.1 硬件部分的设计

根据毕业设计任务书的要求，经过思考和筛选，选择并行方式显示，I/O口 通过锁存芯片来扩展，以此来控制LED点阵40个列线，双缓冲寄存器由5片锁存 器74LS373来组成，可以驱动LED点阵8组列线，并用3/8译码器74LS138对LED点 阵的8行进行扫描。在送每一行的数据到LED点阵时，先把数据分别送到5个 74LS373，然后再把数据一起输出到LED点阵列中，送出去的时间数据由AT89C51 来控制。电子钟由显示电路、行驱动电路、列驱动电路、中央控制器AT89C51、 按键电路和复位电路组成。系统框图如图2-1所示：

电源电路
复位电路 AT89C51 列驱动电路
控制器
行
显
驱
按键电路 示
动
电
电
路
路
图2-1 系统框图

a) 显示模块的选择

显示模块采用88的点阵LED数码管，它具有低功耗、小体积、高性能、低 价格等特点。这种模块由64个发光LED芯片以88的形式构成一个正方形模块， 然后用两列12针引脚将内部电路接口引出，供驱动电路使用。这种结构是市面 上最通用，也是现在应用最为广泛采用的形式。

• b) 时钟信号的选择

秒信号由单片机提供，使用程序由时、分、秒计数。采用这种方案的优点 在于，它可以有效减少电路的复杂程度，减少多余芯片的使用，节约成本。并 可以减少时间误差，以达到设计要求。

• c) 总体设计方案

根据以上方案所述本次毕业设计采取的总体方案如下：用锁存芯片来扩展

2

本科生毕业设计说明书（2013）

I/O口，控制LED点阵40个列线；5片锁存器74LS373组成双缓冲寄存器，驱动LED 点阵8组列线；采用8*8的点阵LED数码管组成显示模块，显示出运行调试结果； 主控系统由AT89C51组成，通过它的串行输出动态扫描来实现时和分的显示。

2.2.2 软件部分的设计

在这次毕业设计中，主要用到三款计算机软件来进行毕业设计的制作，分别 是Altium Designer、PROTEUS软件和Keil 软件。Altium Designer软件主要用 来进行元器件的绘制和原理图的绘制，PROTEUS软件对绘制好的原理图进行仿真 和调试，Keil 软件对写入单片机的代码进行编译和调试。

2.3 元件选择

2.3.1 AT89C51

AT89C51俗称单片机，是一种带4K字节的FLASH存储器，它具有低电压、高 性能的特点。片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Intel公司的高密度、非易失性 存储技术生产，片内置通用4位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大 AT89C51单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。AT89C51引脚图如图2-2所 示：

图2-2 AT89C51引脚图

它的主要特性有以下几点： a)与MCS-51 兼容； b)4K字节可编程FLASH存储器； c)寿命：1000写/擦循环；

3

基于单片机的LED点阵显示电子钟设计

d)数据保留时间：10年； e)全静态工作：0Hz-24MHz； f)三级程序存储器锁定； g)128×8位内部RAM；

h)32可编程I/O线；

i)两个16位定时器/计数器；

j)5个中断源；

k)可编程串行通道；

l)低功耗的闲置和掉电模式；

m)片内振荡器和时钟电路。 它各个引脚的功能如下：

Vcc(40)：电源电压 GND(20)：接地

P0口(32-39)：P0口是一个8位双向I/O接口，也即地址/数据总线复用口。 作为输出口用时，每位吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1” 时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时,这组口线分时转换地址 (低8位)和数据总线复用。

P1口(1-8)：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可 驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平时，此时可作输入口。作为输入品使用时，因为内部存在上 拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

RST(9)：复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以 上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG(30)：地址锁存有效信号输出端。当访问片外程序存储器或数据 存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，一般情 况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时 钟或用于定时目的，要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉 冲。

XTAL1(19)：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL1(18)：振荡器反相放大器的输出端。通过XTAL1、XTAL2外接晶振后， 即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。 AT89C51的原理图如图2-3所示：

4

本科生毕业设计说明书（2013）

图2-3 AT89C51原理图

2.3.2 74LS373

74LS373为三态输出的锁存器，共有54S373 和74LS373 两种线路结构型 式，其主要电器特性的典型值如下表2-1(不同厂家具体值有差别)：

表2-1 主要电器特性的典型值

型号	TDP	PD
54S373/74S373	7ns	525mW
54LS373/74LS373	17ns	120mW

373 的输出端Q0～Q7 可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时,Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载 或总线。当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负 载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时,Q随数据D而变。当LE为低电平时，D被锁存在 已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声 抗扰度被改善400mV。

5