随着单片机的不断发展，应用于生活当中屡见不鲜。以其简单、便捷、低成本及低功耗的特点逐渐取代了以往中、小规模的集成电路产品。只要写入不同的程序，同一片单片机能够完成不同的工作。单片机极高的可靠性、微型性和智能性、需编写不同的程序后就能够完成不同的控制工作。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到日常生活当中。
1.1 单片机的发展历史和发展方向
单片机的历史并不长，然而发展却十分迅猛。自1971年美国Intel公司首先研制出4位单片机4004以来它的发展可粗略划分为4个阶段。
第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。
第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS–48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS–51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。 ③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 ④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
第三阶段（1982-1990：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。
第四阶段（1990至今）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机以及小型廉价的专用型单片机。
纵观各个系列的单片机产品的特性，可以看出单片机正朝两个方向发展。
一方面，单片机的性能不断提高，功能越来越强。该类产品可以满足各种复杂应用系列的要求。如INTEL公司的MCS-96系列、MO68HC11系列等。
另一方面，在中小型只能产品中，单片机则朝小型、超低功耗、多品种等发展方向。 从工业角度看，随着大规模继承电路技术的改进。单片机经历了PMOS、NMOS、CMOS等各阶段，现在正朝着改进型CMOS工艺的方向发展。
低电压化、低噪声与高可靠性 、大容量化及高性能化逐渐成为主导。
低电压化 ：几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性 ：为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
大容量化：以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的
工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。
高性能化：主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds）即兆指令每秒，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度就可以用软件模拟其I/O功能由此引入了虚拟外设的新概念。
单片机的控制性能和可靠性高，体积小，价格低，易于产品化。在现代的各种电子器件中，单片机具有良好的性能价格比。正是单片机得到广泛应用的重要原因。 1.2单片机的应用
在说单片机应用之前，首选来谈谈我们使用的电脑。我们使用的电脑属于通用计算机。现在普通PC机的运行速度就已经达到了3GB以上，拥有海量的硬盘空间，80GB、160GB甚至200G都很常见，内存普通的都有256M、512M甚至有1G内存，使用19\"大屏幕液晶显示器等等。正是这些电脑的高性能，为我们海量数值计算、信息处理、多媒体和网络应用、办公、家用等的实现成为可能。
相比之下，单片机的硬件配置就没有通用计算机那么高，单片机运算速度一般只有几兆至几十兆，如51单片机常用的晶振频率有6MHZ、11.0592MHZ和24MHZ等。单片机内部程序空间也比较小，一般在几KB到几十KB，单片机内存RAM一般几百字节到几KB。虽然单片机微型计算机的性能无法和电脑相比。但是单片机具有高可靠性、体积小、智能性、实时性、可塑性强等诸多特点，而且价格低廉，如一片89S51单片机才几块钱。正是这些特点使单片机成为工程师们开发嵌入式应用系统和小型智能化产品的首选
单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，已经深深地渗入到我们的日常生活当中-----小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等领域都可见到单片机的身影。以下是一些应用举例
1、智能产品：单片机微处理器与传统的机械产品相结合，使传统机械产品结构简化、控制智能化，构成新一代的机电一体化的产品。例如传真打字机采用单片机，可以取代近千个机械器件，缝纫机采用单片机控制，可执行多功能自动操作、自动调速、控制缝纫花样的选择。
2、智能仪表：用单片机微处理器改良原有的测量、控制仪表，能使仪表数字化、智能化、多功能化、综合化。而测量仪器中的误差修正、线性化等问题也可迎刃而解。
3、测控系统：用单片机微处理器可以设计各种工业控制系统、环境控制系统、数据控制系统，例如温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产线自动控制、汽轮机电液调节系统等。
4、数控型控制机：在目前数字控制系统的简易控制机中，采用单片机可提高可靠性增强其功能、降低成本。例如在两坐标的连续控制系统中，用805l单片机微处理器组成的系统代替Z-80组台系统。在完成同样功能的条件下，其程序长度可减少50，提高了执行速度。
5、智能接口，微电脑系统：特别是较大型的工业测控系统中，除外围装置(打印机、键盘、磁盘、CRT)外，还有许多外部通信、采集、多路分配管理、驱动控制等接口。如果采用单片机进行接口的控制与管理，单片机微处理器与主机可并行上作，大大地提高了系统的执行速度。
1.3 LED的定义和特点
Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为
光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位。另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 1、 LED特点和优点 ：
LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。 2、 体积小：
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 3、 耗电量低：
LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说，它消耗的电不超过0.1W。 4、 使用寿命长：
在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。 5、 高亮度、低热量 6、 环保：
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。 7、坚固耐用 ：
LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。
LED发光技术的原理是某些半导体材料在通以电流的情况下会发出特定波长的光，这种电到光的转换效率非常高，对所用材料进行不同的化学处理，就可以得到各种亮度和视角。 LED散发出电磁波，当这些波达到380nm以上及在780nm以下，在这中间的波长是可见光。LED是一种非常有用及有效率的光源，它的光学构造体实在已将发出的光几无损失的集合起来，经狭小的结构投射出来，它的颜色是根据它使用的半导体成份造成，目前大约有红、黄、绿及白光等等。 1.4 LED简介
LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，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、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳、立体感强、静如油画、动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高，生产也得到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显示屏的发展过程。
和很多应用术语一样，LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图形和/或文字的LED显示屏称为图文屏。这里所说的图形，是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便于不同亮度、灰度、点阵组成的图像相区别。图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断、发光或熄灭，而不控制LED的发光强弱。LED图文显示屏
的外观可以做成条形，叫做条形图文显示屏，简称条屏。也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理上并无区别。
从理论上说，不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1bit在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1，否则填0。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模。组成一个字的点阵，其大小也可以有8×8、16×16、24×24、等不同规格。汉字的点阵结构相应的显示数据是用16进制格式以字节为单位表示的。
用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。 LED显示屏的分类： 1、按颜色基色可以分为：
单基色显示屏：单一颜色（红色或绿色）。
双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。
2、按显示器件分类：
LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块适于播放文字、图像信息。 二 系统整体设计方案 2.1 需要实现的功能
设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 2.2显示模式方案论证
最简单的显示模式是静态显示。这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。例如：按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移，而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。其它模式的数据刷新，也可找到相应的算法。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，也可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著，刷新太快了，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果。这种同时控制LED显示屏的各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16×16的点阵共有256个发光二极管，显然
单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16×16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器，每行有一个行驱动器，具体就16×16的点阵来说，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起。先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭······第十六行之后，又重新燃亮第一行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快，每秒24次以上，由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳定的图形了。 2.3 显示数据传输方案论证
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。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输方式的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。 采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器。只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解列数据准备和列数据显示两个部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以至影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，准备下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能，对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
电源
显示屏电路框图
列驱动器 单片机行驱动器 LED显示点阵
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