89S51单片机的16×16点阵汉字显示的设计

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技术交流

89S51单片机的16×16点阵汉字显示的设计

汕尾市职业技术学校 张光建

针对LED点阵显示汉字需要占用单片机多个并行口的问题，提

出了基于89S51单片机的16×16点阵汉字显示设计，利用74HC138

和74HC595对单片机并行口进行扩展，从硬件设计、软件设计方案

等关键环节，分别进行了详细讨论。

随着单片机技术的发展，LED点阵屏作为文字和图形显示的新

型媒体，由于亮度高、耗能低、色彩鲜艳、寿命长等特点，迅速出

现在学校、医院、车站等场所。但LED点阵显示需要占用单片机多

个并行口，而通用移位寄存器74HC595T和译码器74HC138，可以实

现对单片机IO的扩展，从而节约了大量的并口资源。本设计详细介

绍了74HC138和74HC595芯片在1616×16点阵LED显示屏的应用。

1 电路总体设计

16×16点阵汉字显示电路如图1所示，它由一片16×16点阵

LED显示屏、两片74HC138构成的行控制单元、两片74HC595构成

的列控制单元及AT89S51单片机构成。列控制单元用于输入数据，

而行控制单元用于逐行扫描。

图1 系统总体结构

1.1 16×16点阵工作原理

本设计采用的是共阴16×16点阵显示模块。它由256只发光二

极管按一定规律安装成方阵，从内部结构如图2所示，可以看出，

总共有16行和16列，每行的发光二极管阴极相连，每列的发光二极

管阳极相连。在行和列的交叉处有一个发光二极管，要使其中任一

个二极管发光，则其对应行为低电位，而对应的列为高电位即可。

1.2 行控制单元

行控制单元的控制原理是：先使第一行

Y

0

为低电平，其余行为

高电平，显示第一行数据；然后第二行

Y

1

为低电平，其余行电平，

显示第二行数据。按照这个规律每行以较快的速度不断进行刷

新，由于发光二极管的余辉效应和人的视觉暂留现象两个因素，

给人的印象就是一组静态的数据，不会产生闪烁感。动态显示能

够节省I/O端口，且功耗低。

本设计采用74HC138三位译码器。此译码器的原理如图3所

示。由于该译码器仅有8个输出，而16×16点阵显示模块有16行，

故采用两片74HC138级联控制16×16点阵显示模块的行。

•

134

•

图2 共阴16×16点阵显示模块内部结构

图3 两片74HC138级联电路图

74HC138的控制端为、和

E

3

，输入端为

A

0

、

A

1

和

A

2

，输出

端为

到。其工作原理为：（1）当、为低电位，

E

3

为高电平

时，74HC138才能工作；（2）当每一组输入数码与它对应的输出

端中只有一位为0，其余各端为1。例如

A

2

A

1

A

0

=110时，代表十进数

6的数字信号，只有

Y

6

输出为0，译码器输出为低电平有效。

两片74HC138级联的方法是：（1）输入端的连接方法：

A

0

、

A

1

和

A

2

采用并联方式；集成电路

U

1

的和集成电路

U

2

的

E

3

并联作为

A

3

端；（2）控制端的连接方法：集成电路

U

1

的和集成电路

U

2

的

并联作为使能端

EN

，低电平有效；集成电路

U

1

的

E

3

接电源，集

成电路

U

2

的接地。其工作原理为：（1）

EN

=1时，高电平无效，

两个集成电路

U

1

和

U

2

的均为1，停止工作；

EN

=0时，低电平有

效，两个集成电路

U

1

和

U

2

的均为0，正常工作。（2）当

A

3

A

2

A

1

A

0

的组合为0000到0111时，

A

3

=0，集成电路

U

1

的=0，低电平有效，

U

1

正常工作；集成电路

U

2

的

E

3

=0，低电平无效，

U

2

停止工作；当

A

3

A

2

A

1

A

0

的组合为1000到1111时，

A

3

=1，集成电路

U

1

的=1，高电

平无效，

U

1

停止工作；集成电路

U

2

的

E

3

=1，高电平有效，

U

2

正常工

作。由分析可知，

U

1

控制上半屏，而

U

2

控制下半屏。

1.3 列控制单元

列控制单元采用两片74HC595级联，如图4所示。74HC595把

串行输入信号转换成并行输出信号，其引脚功能如下：（1）串行

输入端为

DS

；（2）8位并行输出端为

Q

0

-

Q

7

，SQ为串行输出端，它

把数据输出到另一片74HC595的串行输入端；（3）

为移位寄

存器清零端，当位低电位时能把移位寄存器的数据清零。一般接高

电平；（4）

RCK

为数据输入时钟端。当该引脚上升沿时移位数据寄

存器的数据移位，从

Q

0

移到

Q

1

，

Q

1

移到

Q

2

，最后

Q

6

移到

Q

7

。当为下

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降沿时移位数据寄存器的数据不变；（5）

RCK

为输出存储器锁存时

钟端。该引脚信号上升沿时移位寄存器的数据进入存储寄存器，下

降沿时存储寄存器数据不变：（6）

为使能端，一般接地。

74HC595的工作如下：当

SCK

引脚有一个上升沿脉冲时，DS的数

据送入移位寄存器一位，连续8个上升沿脉冲时，可以将一个8位数据

送入到移位寄存器。同时SQ也串行输出移位寄存器的高位值。当

RCK

引脚有一个上升沿脉冲时，移位寄存器中的值锁到锁存寄存器中。

当为低电平时，数据从

Q

0

-

Q

7

输出。

U

3

的

Q

0

-

Q

7

端控制16×16点阵

显示模块的

X

0

-

X

7

列，而U

4

的

Q

0

-

Q

7

端16×16点阵显示模块的

X

8

-

X

15

列。

图4 两片74HC595级联电路图

1.4 AT89S51的控制端口

AT89S51的P0.0-P0.4分别接行控制单元的

A

0

、

A

1

、

A

2

、

A

3

和EN四

个端口，而P0.5-P0.7分接列控制单元的

DS

、

RCK

和

SCK

三个端口。

2 用字模软件获取汉字点阵字模数据

任何一个汉字或字符号都是多个点组成的，汉字可以由16×16

点阵组成。目前点阵取模软件有多种，本设计采用PCtoL CD2002软

件。参数设置为：点阵格式为“阳码”，取模方式为“逐行式”，

取模走向为“顺向”，每行显示数据为“点阵16”。

3 绘制程序流程图

根据编程思路，该设计有四个模块：主程序模块、发送数据

字节模块、数据锁存模块和列控制模块。主程序不断循环控制上

半屏和下半屏的显示，实现汉字动态显示。剩下三个模块用于对

列的控制和数据的传送。程序流程图如图5所示。

参考程序如下：

#include

#include

#define uchar unsigned char //宏定义

#define uint unsigned int

sbit _595_SCK = P0^7; //串行数据输入

sbit _595_RCK = P0^6; //存储寄存器时钟端

sbit _595_SDI = P0^5; //移位寄存器时钟端

sbit _138_EN = P0^4; //行控制使能端

/*********定义变量、函数和数组**********/

uchar dot_row;

void Ser_IN(unsigned char Data); //串行数据输入函数

void Par_OUT(void); //并行数据输出函数

void Delay1ms(unsigned int t);

uchar code Digit_Tab1[2][16] ={

{0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xDE,

0xF7,0xDE,0xF7,0xC0,0x07},

{0xDE,0xF7,0xDE,0xF7,0xDE,0xF7,0xC0,0x07,0xDE,0xF5,0xF

E,0xFD,0xFE,0xFD,0xFF,0x01}

}; //汉字“电”取模，为二维数组，第一行为上半屏数据，

第二行为下半屏数据

/*********数据串行输入函数************/

void Ser_IN(unsigned char Data)

{

unsigned char i;

for(i = 0; i < 8; i++)

{

_595_SCK = 0; //当SCK上升沿到来时，数

据右移位一位数据到移位寄存器中

_595_SDI = Data & 0x01;

Data >>= 1;

_595_SCK = 1;

}

}

/*********数据并行输出函数************/

void Par_OUT(void)

{

_595_RCK = 0; //当SCK上升沿到来时，数据锁存到到锁

存寄存器中

_nop_();

_595_RCK = 1;

}

/*********主函数************/

void main(void)

{

TMOD = 0x01; //定时器0工作方式1，定时时间为1us

TH0 = (65536-1000) / 256;

TL0 = (65536-1000) % 256;

TR0 = 1;

ET0 = 1;

EA=1;

while(1);

}

/**********定时器0中断服务函数*******************/

void Timer0(void) interrupt 1

{

uchar dot_row;

TH0 = (65536 - 1000) / 256;

•

135

•

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TL0 = (65536 - 1000) % 256;

for(dot_row=0;dot_row<8;dot_row++) //上半屏显示

{

Ser_IN(Digit_Tab1[0][2*dot_row+1]); //16位数据并行输出

Ser_IN(Digit_Tab1[0][2*dot_row]);

Par_OUT();

P0 = (P0&0xf0)|dot_row; //行控制输出

_138_EN=0;

_nop_();

_nop_();

}

for(dot_row=8;dot_row<16;dot_row++) //下半屏显示

{

Ser_IN(Digit_Tab1[1][2*(dot_row-8)+1]);

Ser_IN(Digit_Tab1[1][2*(dot_row-8)]);

Par_OUT();

P0 = (P0&0xf0)|dot_row;

_138_EN=0;

_nop_();

_nop_();

}

}

图6 调试后的效果图

图5 主程序点阵汉字显示流程图

经过调试，显示效果如图6所示，达到了设计效果。

作者简介：张光建（1973—），男，重庆，大学本科，电子技

术讲师，主要从事中职电子电工教学工作，研究方向：单片机。

（上接第133页）

IPAddress softGateway(192,168,4,1);

IPAddress softSubnet(255,255,255,0);

Config(softLocal,softGateway,softSubnet);

(softAPName,password);//创建AP网络

}

2.2.3 可移动终端APP软件设计

基于Android系统运行的APP为用户提供了查询温湿度数据的用

户交互界面、历史记录查询、终端节点设备管理等功能。

APP程序的使用多线程的编程模式创建一个网络线程专门负责

接收智能网关发送的节点数据，通过回调函数函数机制更新用户

界面。并保存温湿度的数据。APP界面基于Material Design的设计

风格增加界面的亲和性。使用第三方的MPAndroidChart图形库进

行界面的绘制，并通过SQLite数据库保存数据方便历史记录的查

询。APP与智能网关的数据包发送格式如表1所示。

表1 智能网关和APP协议格式

数据包头

FFFF

节点ID

2Byte

温度

2Byte

湿度

Byte

校验位

1Byte

束工作结束之后。首先对智能网关节点进行系统上电开始创建

Zigbee网络和WIFI网络，等待网络创建完成之后。启动终端设备

节点和设置可移动设备连接到WiFi网络，并运行APP程序。此时

通过APP可查看已经开始工作的终端节点采集的数据，为了更好

的标注每个终端节点，APP程序的节点管理功能可让用户给不同

节点编辑修改有意的备注名字，在APP显示数据时更能直观的确

定哪一个终端节点的数据设备。

结语：本文主要提出了一种在相对独立空间中基于无线传输

的温湿度采集的解决方案，通过CC2530芯片和Z-Stack协议构建

Zigbee网络，负责终端节点的数据传输，NodeMCU模块作为可

移动终端APP与Zigbee网络之间数据传递的桥梁，方便更多的可

移动设备查看数据创建了AP工作模式的WIFI网络。在可移动终

端的基于Android系统的APP程序和NodeMCU进行无线通信，获

取、保存温湿度数据并提供非常友好的用户交互界面。通过本解

决方案，可以有效的构建一个WSN网络，并且可进一步移植到其

它相关环境参数的采集和传输。

作者简介：李汉挺（1977—），男，山东济宁人，硕士，副

3 系统测试

将编写的代码程序下载对应的终端节点和智能网关的预备结

教授，济宁职业技术学院物联网研究所所长，主要研究方向：嵌

入式技术应用及物联网技术应用。

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136

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