基于单片机的点阵式汉字电子显示屏的设计

2 核心元器件的选用

2.1 AT89C51单片机
AT89C51单片机具有快速8051内核、4KB Flash PEROM和128B IDATA RAM，完全符合该汉字显示的硬件要求[9]。芯片共有40个引脚，使用CMOS工艺制造的DIP技术进行封装，是电压控制型的8位单片微型计算机。

2.1.1单片机芯片内部结构
MCS-51系列单片机结构大致相同，它主要包括中断系统、I/O端口、定时器等。其内部结构框图如图1所示，主要包括内部储存器、定时/计数器、串行口、中断控制系统和时钟电路。

图1 MCS-51系列单片机内部结构框图

（1）内部储存器
储存器分程序储存器ROM和数据储存器RAM，二者之间的寻址是分开的。
（2）定时器/计数器
MCS-51系列单片机中T0和T1两种都是16位的定时器/计数器。
（3）并行I/O口
MCS-51单片微型计算机芯片中共有32根I/O口线，可以分为4个8位的输入/输出接口，分别是P0、P1、P2、P3。它们不仅可以用于并行8位数据的连接口，还可单独作为I/O端口使用。
（4）串行口
MCS-51系列单片机具备一个高度功能化的全双工串行口，这一特性极大扩展了其应用范围。该串行口不仅能够实现单片机与其他数据处理设备之间的数据传递，从而促进信息的流动和处理速度，还可以充当全双工异步通讯收发器，支持复杂的通信需求。此外，它也能作为同步移位器使用，适用于各种数据编码和解码过程。这些功能使得MCS-51在自动化设备、通信系统等领域的应用变得更为广泛和有效。
（5）中断控制系统
MCS-51设有五个中断源，分别是2个外部中断源、2个定时/计数中断源、1个串行中断源。
（6）时钟电路
MCS-51单片机的时钟电路可内置振荡或外部引入。通过内部时钟电路连接晶振和可调电容，即可构成自激振荡器，一般选择12MHz作为振荡频率。这种设置确保了单片机的精确和稳定运行。

2.1.2 引脚功能
AT89C51单片机的引脚图如图2所示。AT89C51单片机有两排共40个引脚，DIP封装，引脚按照功能可大致分成如下三类，分别是电源、时钟和控制线。
（1）电源
VCC：供电电压，接+5V。
GND：接地。
（2）时钟
XTAL1、XTAL2：XTAL1和XTAL2端子分别承担反向放大器的输入和输出功能。在这两个引脚接入晶振，可以实现内部振荡。
（3）控制线
：地址锁存允许端，在访问外部储存器期间时，用来锁存低8位地址。在FLASH编辑期间，其用作的输入端。
：外部程序储存器的选通信号，常用于片外储存器的访问操作。
：内外ROM选择端，若为高电平时，先访问片内ROM；当为低电平时，则执行片外ROM。
RST：复位端/备用电源。以此引脚连接外部电路实现复位。

图2 AT89C51单片机DIP封装图

3 仿真电路设计

3.1 Proteus仿真软件
Proteus是[12]嵌入式系统软硬件设计仿真平台，它能够把用户编写的应用程序下载到微处理器（MCU）中并结合外界连线及模拟、数字电路对微处理器进行系统逻辑功能的控制。该软件有众多元件库、可进行电路仿真、仪器仿真和原理图绘制等功能特点。

3.2 整体电路设计
硬件电路控制系统框图如图5所示。控制系统分为单片机控制电路，行控制和列控制电路，显示屏电路三个部分。

图5 硬件电路控制系统框图
3.3 时钟电路模块
时钟电路模块如图6所示。AT89C51单片机内置一个由反向放大器构成的振荡器，其中XTAL1和XTAL2端子分别承担输入和输出功能。该设备能通过内外部源产生时钟信号。连接石英晶体和电容器至这些引脚可以激活内部振荡机制。所选晶振频率为24MHz，电容值设为22PF，用以微调频率。因此，该单片机的外部时钟电路是其稳定运行的关键。

图6 时钟电路模块

3.4 复位电路模块
AT89C51单片机的外部复位电路模块是用来初始化单片机，确保其在开机或特定条件下能够以正确的状态开始运行。工作原理如下：
（1）在正常工作状态下，上拉电阻保持RST引脚处于高电平，单片机正常运行。
（2）按下复位按钮，使RST引脚处于低电平，电容开始充电并快速产生一次短暂的低电平脉冲。
（3）单片机检测到RST引脚的低电平信号后，开始复位操作，将所有寄存器和内存恢复到初态。
（4）释放复位按钮后，RST引脚恢复到高电平，单片机退出复位状态，重新开始正常运行。
总之，AT89C51单片机配备的外部复位电路模块，虽结构简单，却对确保单片机能在必要时进行正确初始化并启动至关重要。该系统实现了电平触发开关复位与上电复位的功能，具体电路设计如图7所示，在上电过程中，电容C3会短路，从而触发单片机的复位。同时，当复位键被按下时，也会导致单片机复位。这样的设计确保了单片机能够在各种情况下稳定复位。

图7 复位电路模块

5 硬件测试

5.1 元器件清单
所选用的元器件如表1所示。

表1 元器件清单
元器件 编号 型号 参数
单片机 U1 AT89C51RC-24PU AT89C51RC-24PU
陶瓷电容 C1-C2 0805CG220J500NT 22pF
陶瓷电容 C3 0805CG100J500NT 10pF
元器件 编号 型号 参数
晶振 X1 TAXM24M2QLFCDT1T 24MHz
厚膜电阻 R1 RC0603FR-071KL 1kΩ
厚膜电阻 R2 0603WAF2000T5E 200Ω
自锁开关 SW3 5.8 ZSGT 5.8 ZSGT
按钮开关 SW1-
SW2 TS342A2P-WZ TS342A2P-WZ
移位寄存器 U2-U7 74HC595D_C5451631 74HC595D
8*8位共阳极
红色LED点阵 LED1-
LED9 SLD1388DRA1GD_C2913075 SLD1388DRA1GD
DC电源插座 DC1 DC005 DC005

5.2 线路焊接
如图16所示，利用嘉立创EDA软件绘制出的PCB来焊接元器件。

图16 焊接完成后的24*24 LED点阵式汉字显示屏

5.3 小结
本小节主要介绍了2424 LED点阵式汉字显示屏的元器件选取和硬件焊接。
6 总结
本论文研究了基于单片机的2424 LED点阵式汉字显示屏的设计。通过对系统的硬件设计、软件编程以及实验验证，本研究取得了以下主要结论：
（1）硬件设计成功：通过合理选择和搭配AT89C51单片机、LED点阵模块以及其他辅助电路，成功构建了24*24 LED点阵式汉字显示屏的硬件平台。该平台具有稳定性高、成本低廉、易于扩展等特点，为后续的软件开发和功能实现提供了坚实的基础。
（2）系统功能验证：通过一系列的实验测试，验证了系统的稳定性和可靠性。实验结果表明，该系统能够准确地显示预设的图形和文字信息，满足了设计要求和预期目标。
（3）实用性和可扩展性：本研究不仅展示了一种基于AT89C51单片机的LED点阵式汉字显示屏方案，而且还探讨了系统的实用性和可扩展性。该系统可以应用于广告展示、信息发布等多个领域，且易于根据具体需求进行功能扩展和性能优化。

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