一、设计任务书
（一）实验目的
1、了解点阵式LED显示原理。 2、熟悉PROTEUS软件电路仿真的使用。
3、掌握单片机与16×16点阵块之间接口电路设计及编程。 4、掌握74HC154芯片工作原理及与单片机的接口电路设计。 （二）设计任务及要求
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利用已学单片机知识，根据点阵式LED显示器的显示原理，自行设计电路，进行PROTEUS软件仿真测试，焊接电路板，完成16×16点阵式LED的显示结果。
要求：在单片机的控制下点阵显示屏显示“电子设计”，显示方式分别为单字循环显示、左右滚动显示、上下滚动显示。
二、硬件电路设计
（一） 硬件电路框图如下：
图一、16×16点阵显示硬件电路图
本实验采用以AT89C51单片机为核心芯片的驱动电路和显示电路来实现，主要由AT89C51芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路(74HC154)、16×16LED点阵5部分组成，如图一所示。
时钟电路由AT89C51的18、19脚的时钟端(XTAL1及XTAL2)以及12MHz晶振X1、电容C2、C3组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1，R2，电容C1，开关K1组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。
列扫描驱动电路由74HC154芯片实现，其管脚及功能真值表如图二所示。74HC154是一个4-16线译码器，A、B、C、D是四个输入，Y0-Y15是十六个输出，且低电平有效。使能端口G1、G2全为低电平时，74HC154芯片方正常工作，产生输出。
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图二、74HC154芯片引脚说明及功能真值表
LED点阵显示屏采用 16×16共256个象素的点阵，通过万用表检测发光二极管的方法测试判断出该点阵的引脚分布，如图三所示。
图三、16×16点阵引脚排列图
16×16点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置0低电平，某一行置1高电平，则相应的二极管就亮。16×16点阵的列输入为C0-C15，行输入为A0-A15。要显示某一个字，首先要设计该字的点阵字形，编好行（或列）点阵码，然后在单片机的控制下对点阵进行逐行（或列）扫描。
本实验采用的是列扫描方式控制字符的显示。若将LED点阵的行列端口全部直接接入 AT89C51单片机，则需要使用32条IO口，这样会造成IO资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。因此，我们在实际应用中只是将LED点阵的16条行线直接接在P0口和P2口，至于列选扫描信号则是由4-16线译码器74HC154来选择控制，这样便大大节约了IO口资源。同时考虑到P0口必需设置上拉电阻，我们采用10KΩ排电阻作上拉电阻。
实验中，汉字字符的显示过程如下：在C2，C3，X1 以及单片机内部时钟电路的作用下，单片机AT89C51按照设定的程序在P0和P2接口输出与内部汉字对应的代码电平送至 IED点阵的行选线(高电平驱动)，同时在P1.0、P1.1、P1.2、P1.3接口输出列选扫描信号(低电平驱动)，从而选中相应的象素LED发光，并利用人眼的视觉暂留特性合成整个汉字的显示。
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(二)、汉字的点阵显示原理及字库代码获取方法
实验中，每一个汉字由16行16列的点阵组成显示。我们可以把每一个点理解为一个象素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字显示屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256象素范围内的任何图形。如图四所示。
图四、汉字的点阵显示原理
实验中通过列扫描方法获取汉字的代码，用AT89C51控制显示。由于单片机的总线只有8位，一个字需要拆分为2个部分。汉字被拆分为上部和下部，上部由8×16点阵组成，下部也由8×16点阵组成。如图四，本实验通过列扫描方法首先显示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P0.7-P0.0口，显示汉字“毛”时，为全灭，即二进制00000000B，转换为十六进制为00H；第一列的下半部分，P2.7灭，P2.6灭，P2.5亮，P2.4灭，P2.3灭，P2.2灭，P2.1亮，P2.0灭，即二进制00100000B，转换为十六进制为20H。如此，转向第二列、第三列， 直至第十六列的扫描，一共扫描32个8位，这样就可以得出汉字“毛”的扫描代码为：
00H,20H,44H,20H,44H,20H,44H,20H 44H,20H,44H,20H,7FH,0FCH,44H,22H 44H,22H,44H,22H,44H,22H,44H,22H 44H,22H,00H,22H,00H,2EH,00H,00H
依靠人工方法获取汉字代码是非常繁琐的事情，为此，我们采用点阵显示字库软件来直接提取字符代码。汉字点阵显示一般有点扫描、行扫描、列扫描3种。本实验采用行扫描软件提取汉字字符图面如下。
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图五、点阵显示字库软件提取程序
三、软件设计
（一）设计流程
软件程序主要由开始、初始化、主程序、字库组成，程序设计流程图如下所示。
开始 初始化 查汉字上部数据及显示 查汉字下部数据及显示 延时并调整指针 N 是否显示完 Y
图六、程序设计流程图
（二）汇编语言实现如下：
ORG 0000H;16*16点阵显示 AJMP MAIN
ORG 0030H;以下程序从空间地址0030H开始存放，腾出中断向量等所需空间 MAIN:MOV DPTR,#TAB;字码表初址赋值 ;以下字符单字循环 MOV R1,#00H;列控制码
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MOV R3,#16;列数
MOV R4,#7;循环单片机仿真7个字符 MMC1:MOV R5,#100;每屏反复显示10次 MOV R3,#16;列数
MMC2:MOV R2,#0;取码指针
MMC3:MOV P0,#00H;初始时关显示 MOV P2,#00H;初始时关显示 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第一个字节 MOV P0,A;送l-8行控制口 INC R2 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第二个字节 MOV P2,A;送9-15行控制口 INC R2
MOV P1,R1;送列控制码 INC R1
ACALL D1MS;调用一毫秒延时程序 DJNZ R3,MMC3;一屏16列是否显示完 MOV R3,#16
DJNZ R5,MMC2;未显示100次,继续 MOV P0,#00H;初始时关显示 MOV P2,#00H;初始时关显示 MOV R6,#32
MMC4:INC DPTR;一屏反复显示100次完,字码表初值加32,显示下一汉字 DJNZ R6,MMC4
DJNZ R4,MMC1;7个字符未循环完,继续 ;以下字符从右向左移动 MOV R1,#00H;列控制码 MOV R3,#16;列数
MOV R4,#208;移动单片机仿真13个字符,13*16=208列 MMC5:MOV R5,#10;每屏反复显示10次 MOV R3,#16;列数
MMC6:MOV R2,#0;取码指针
MMC7:MOV P0,#00H;初始时关显示 MOV P2,#00H;初始时关显示 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第一个字节 MOV P0,A;送l-8行控制口 INC R2 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第二个字节 MOV P2,A;送9-15行控制口 INC R2
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MOV P1,R1;送列控制码 INC R1
ACALL D1MS;调用一毫秒延时程序 DJNZ R3,MMC7;一屏16列是否显示完 MOV R3,#16
DJNZ R5,MMC6;未显示10次,继续
INC DPTR;一屏反复显示10次完,字码表初值加2,使之从右向左移动 INC DPTR
DJNZ R4,MMC5;208列未移动完,继续 ;以下字符从左向右移动 MOV R1,#0FFH;列控制码 MOV R3,#16;列数
MOV R4,#208;移动单片机仿真13个字符,13*16=208列 MMC8:MOV R5,#10;每屏反复显示10次 MOV R3,#16;列数
MMC9:MOV R2,#0;取码指针
MMC10:MOV P0,#00H;初始时关显示 MOV P2,#00H;初始时关显示 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第一个字节 MOV P0,A;送l-8行控制口 INC R2 MOV A,R2
MOVC A,@A+DPTR;取当前列显示字码的第二个字节 MOV P2,A;送9-15行控制口 INC R2
MOV P1,R1;送列控制码 DEC R1
ACALL D1MS;调用一毫秒延时程序 DJNZ R3,MMC10;一屏16列是否显示完 MOV R3,#16
DJNZ R5,MMC9;未显示10次,继续
INC DPTR;一屏反复显示10次完,字码表初值加2,使之从右向左移动 INC DPTR
DJNZ R4,MMC8;208列未移动完,继续
AJMP MAIN;16列移动完,返回,重新开始显示 D1MS: MOV R6,#50;50*10*2μs=1ms DELAY1: MOV R7,#10 DELAY2: DJNZ R7,DELAY2 DJNZ R6,DELAY1 RET RET TAB:
;单字循环字符
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DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H; DB 00H,00H,04H,04H,04H,08H,04H,10H DB 04H,20H,0FFH,0FEH,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,0FFH,0FCH,02H,02H,04H,02H DB 08H,02H,10H,02H,00H,1EH,00H,00H;北 DB 00H,00H,20H,04H,20H,08H,27H,90H DB 24H,0A0H,24H,82H,0A4H,81H,64H,0FFH DB 24H,80H,24H,80H,24H,0A0H,27H,90H DB 20H,08H,20H,04H,00H,00H,00H,00H;京 DB 00H,00H,10H,02H,11H,02H,12H,02H DB 16H,04H,99H,08H,50H,90H,30H,60H DB 10H,60H,10H,90H,19H,08H,16H,04H DB 12H,02H,11H,02H,10H,02H,00H,00H;交 DB 02H,02H,82H,04H,63H,0F8H,00H,04H DB 00H,02H,4FH,0FAH,4AH,42H,4AH,42H DB 6AH,42H,5FH,0FAH,5AH,52H,6AH,4AH DB 4FH,0FAH,00H,02H,00H,02H,00H,00H;通 DB 00H,00H,04H,02H,04H,04H,04H,08H DB 04H,10H,04H,20H,04H,0C0H,0FFH,00H DB 04H,0C0H,04H,20H,04H,10H,04H,08H DB 04H,04H,04H,02H,04H,02H,00H,00H;大 DB 02H,00H,0CH,40H,08H,40H,48H,40H DB 2AH,40H,1AH,40H,0AH,42H,4AH,41H DB 3AH,0FFH,0BH,40H,0AH,40H,18H,40H DB 2AH,40H,4CH,40H,08H,40H,00H,00H;学
;从右向左移动字符
DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H; DB 00H,00H,04H,04H,04H,08H,04H,10H DB 04H,20H,0FFH,0FEH,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,0FFH,0FCH,02H,02H,04H,02H DB 08H,02H,10H,02H,00H,1EH,00H,00H;北 DB 00H,00H,20H,04H,20H,08H,27H,90H DB 24H,0A0H,24H,82H,0A4H,81H,64H,0FFH DB 24H,80H,24H,80H,24H,0A0H,27H,90H DB 20H,08H,20H,04H,00H,00H,00H,00H;京 DB 00H,00H,10H,02H,11H,02H,12H,02H DB 16H,04H,99H,08H,50H,90H,30H,60H
- - - 8 -
DB 10H,60H,10H,90H,19H,08H,16H,04H DB 12H,02H,11H,02H,10H,02H,00H,00H;交 DB 02H,02H,82H,04H,63H,0F8H,00H,04H DB 00H,02H,4FH,0FAH,4AH,42H,4AH,42H DB 6AH,42H,5FH,0FAH,5AH,52H,6AH,4AH DB 4FH,0FAH,00H,02H,00H,02H,00H,00H;通 DB 00H,00H,04H,02H,04H,04H,04H,08H DB 04H,10H,04H,20H,04H,0C0H,0FFH,00H DB 04H,0C0H,04H,20H,04H,10H,04H,08H DB 04H,04H,04H,02H,04H,02H,00H,00H;大 DB 02H,00H,0CH,40H,08H,40H,48H,40H DB 2AH,40H,1AH,40H,0AH,42H,4AH,41H DB 3AH,0FFH,0BH,40H,0AH,40H,18H,40H DB 2AH,40H,4CH,40H,08H,40H,00H,00H;学
DB 02H,20H,02H,20H,02H,20H,22H,20H DB 12H,20H,0AH,3EH,06H,20H,02H,20H DB 02H,20H,02H,20H,02H,30H,42H,28H DB 42H,24H,42H,22H,7CH,20H,00H,00H;北 DB 00H,40H,00H,80H,3FH,0FEH,00H,00H DB 00H,00H,0FH,0F8H,08H,08H,08H,08H DB 0FH,0F8H,00H,80H,04H,90H,08H,88H DB 10H,84H,20H,82H,00H,0A0H,00H,0C0H;京 DB 00H,20H,00H,40H,00H,80H,7FH,0FEH DB 04H,20H,08H,10H,18H,18H,24H,24H DB 02H,40H,01H,80H,01H,80H,02H,40H DB 04H,20H,08H,10H,70H,0EH,00H,00H;交 DB 00H,02H,1FH,0E4H,09H,04H,06H,00H DB 1FH,0E0H,12H,20H,1FH,0E7H,12H,24H DB 12H,24H,1FH,0E4H,12H,24H,16H,24H DB 1AH,24H,00H,0AH,7FH,0F1H,00H,00H;通 DB 00H,80H,00H,80H,00H,80H,00H,80H DB 00H,80H,7FH,0FEH,00H,80H,00H,80H DB 01H,40H,01H,40H,02H,20H,04H,10H DB 08H,08H,10H,04H,60H,02H,00H,00H;大 DB 00H,00H,20H,88H,11H,10H,09H,20H DB 7FH,0FEH,20H,02H,17H,0F1H,02H,00H DB 01H,00H,01H,00H,7FH,0FEH,01H,00H DB 01H,00H,01H,00H,01H,40H,01H,80H;学 ;从左向右移动字符
DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H,00H;
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DB 00H,00H,00H,1EH,10H,02H,08H,02H DB 04H,02H,02H,02H,0FFH,0FCH,00H,00H DB 00H,00H,00H,00H,0FFH,0FEH,04H,20H DB 04H,10H,04H,08H,04H,04H,00H,00H;北 DB 00H,00H,00H,00H,20H,04H,20H,08H DB 27H,90H,24H,0A0H,24H,80H,24H,80H DB 64H,0FFH,0A4H,81H,24H,82H,24H,0A0H DB 27H,90H,20H,08H,20H,04H,00H,00H;京 DB 00H,00H,10H,02H,11H,02H,12H,02H DB 16H,04H,19H,08H,10H,90H,10H,60H DB 30H,60H,50H,90H,99H,08H,16H,04H DB 12H,02H,11H,02H,10H,02H,00H,00H;交 DB 00H,00H,00H,02H,00H,02H,4FH,0FAH DB 6AH,4AH,5AH,52H,5FH,0FAH,6AH,42H DB 4AH,42H,4AH,42H,4FH,0FAH,00H,02H DB 00H,04H,63H,0F8H,82H,04H,02H,02H;通 DB 00H,00H,04H,02H,04H,02H,04H,04H DB 04H,08H,04H,10H,04H,20H,04H,0C0H DB 0FFH,00H,04H,0C0H,04H,20H,04H,10H DB 04H,08H,04H,04H,04H,02H,00H,00H;大 DB 00H,00H,08H,40H,4CH,40H,2AH,40H DB 18H,40H,0AH,40H,0BH,40H,3AH,0FFH DB 4AH,41H,0AH,42H,1AH,40H,2AH,40H DB 48H,40H,08H,40H,0CH,40H,02H,00H;学
DB 04H,40H,04H,40H,04H,40H,04H,44H DB 04H,48H,7CH,50H,04H,60H,04H,40H DB 04H,40H,04H,40H,0CH,40H,14H,42H DB 24H,42H,44H,42H,04H,3EH,00H,00H;北 DB 02H,00H,01H,00H,7FH,0FCH,00H,00H DB 00H,00H,1FH,0F0H,10H,10H,10H,10H DB 1FH,0F0H,01H,00H,09H,20H,11H,10H DB 21H,08H,41H,04H,05H,00H,03H,00H;京 DB 04H,00H,02H,00H,01H,00H,7FH,0FEH DB 04H,20H,08H,10H,18H,18H,24H,24H DB 02H,40H,01H,80H,01H,80H,02H,40H DB 04H,20H,08H,10H,70H,0EH,00H,00H;交 DB 40H,00H,27H,0F8H,20H,90H,00H,60H DB 07H,0F8H,04H,48H,0E7H,0F8H,24H,48H DB 24H,48H,27H,0F8H,24H,48H,24H,68H DB 24H,58H,50H,00H,8FH,0FEH,00H,00H;通 DB 01H,00H,01H,00H,01H,00H,01H,00H DB 01H,00H,7FH,0FEH,01H,00H,01H,00H DB 02H,80H,02H,80H,04H,40H,08H,20H
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DB 10H,10H,20H,08H,40H,06H,00H,00H;大 DB 00H,00H,11H,04H,08H,88H,04H,90H DB 7FH,0FEH,40H,04H,8FH,0E8H,00H,40H DB 00H,80H,7FH,0FEH,00H,80H,00H,80H DB 00H,80H,00H,80H,02H,80H,01H,80H;学 END
在Keil软件中完成程序编写、调试和编译之后，生成最终的可支持单片机工作的HEX文件，如图六所示。经过不断调试和修改，以上程序可以实现预定的功能和要求。
图七、Keil软件程序编写、调试和编译
四、Proteus软件仿真
Proteus软件不仅能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况，也能仿真单片机CPU的工作情况。因此在仿真和程序调试时，是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。从某种意义上看，Proteus仿真基本接近于工程应用。事实上，为完成本实验，实验过程中，我首先是通过Proteus软件仿真设计了电路图，并进行了大量的修改和调试，才确定了实验的最终的电路图和设计程序。由此，才开始购买元器件并焊接电路板，最终成功在电路板上显示点阵式汉字，实现了本实验的目的和要求。Proteus软件仿真图如下所示。
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图八、Proteus软件电路仿真
需要说明的是，Proteus软件仿真中，单片机无需连接时钟电路和复位电路，软件默认单片机已具备正常工作的条件。同时，Proteus软件中，并未提供16×16点阵，实际电路设计中采用了4个8×8点阵合并而成。图中点阵中间显示中多余的红色和蓝色竖线是8×8点阵的管脚高低电平显示所致，并不影响实际的电路仿真结果。其中，红色代表管脚处为高电平，蓝色代表管脚处为低电平。
五、电路板元器件选择
实验所用电路板焊接元器件清单如下： 元件编号 U1 LED1 IC2 IC3,IC4 R2 C1 K1 X1 C2,C3 电路板 规格参数 AT89C51 16×16LED点阵 74HC154 10KΩ排阻 1KΩ 22μF/16V 按键开关 12MHz晶振 20pF 15cm*10cm电路板 使用个数 1 1 1 2 1 1 1 1 2 1 时钟电路 元件承载体 复位电路 作用说明 核心控制芯片 组成汉字显示屏 4线-16线译码器 上拉电阻 六、实验体会
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本次实验前后共耗时两周有余。前期首先确定实验课题，并对课题进行探讨研究和资料搜索。中期，则在确定点阵式显示器设计的课题基础上，了解点阵式显示器的显示原理，设计实验电路原理图，并编写程序在Keil软件中编译和调试，随后根据已编写的汇编程序，在Protues软件中仿真实现模拟显示结果。在仿真过程中，随时根据仿真的显示结果，修改和调整原汇编程序。后期，根据完整的实验汇编程序和合理的实验电路原理图，焊接电路板，并不断检查焊接错误，最终物理实现16×16点阵式LED显示器的全部设计。
实验中遇到了很多问题和疑惑，通过翻阅书籍、查看网上资料，这些都得到了很好的解决。
前期，在实验室实验电路箱简单测试了8×8点阵式显示。由于实验电路箱IO口资源有限，仅有P1八个口和P3.2、P3.3、P3.4、P3.5四个口共十二个端口可用，故需扩展。实验电路箱提供了8155 并行接口芯片、74LS377、74LS244等芯片，可用来扩展所需IO端口。在仿真模式下，跳线选择器JP2中的P3.0、P3.1必须置A位。
中期，16×16点阵式LED显示器的引脚排列是相当重要的，它的三十二个引脚分别接至P0口、P2口和列驱动电路芯片74HC154的输出端口。为此，我查阅了相关的网上资料，并实际用万用表一一测试了点阵的三十二个引脚，最终得出了16×16点阵式LED显示器的引脚排列，如图三所示。其中1-8、9-16代表点阵的列，2 4 3 1、7 5 6 8、9 11 12 10、16 14 13 15代表点阵的行。当点阵的列引脚为低电平，行引脚为高电平时，所对应的列和行确定的二极管被点亮。在实验电路箱上用Keil软件硬件调试时，需设置调试环境。地址空间的设置尤为重要，其值必须从4000H开始（如图九所示），因为MON51监控调试程序已占用4000H之前的地址空间。在硬件调试界面，可设置断点，只需在对应程序所在行最前端双击鼠标即可，这样便能够根据需要调试某一段程序。
图九、Keil软件硬件调试地址空间设置
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Protues软件仿真过程中，16×16点阵有四个8×8点阵组合而成。上部的两个8×8点阵的行均依次接P0口的P0.7-P0.0管脚，下部的两个8×8点阵的行均依次接P2口的P2.7-P2.0管脚，左侧的两个8×8点阵的列均依次接74HC154芯片的Y0-Y7输出口，右侧的两个8×8点阵的列均依次接74HC154芯片的Y8-Y15输出口，如图十所示。双击电路图中的单片机芯片即可添加由Keil软件生成的KEX文件，然后便能够实现Protues软件仿真。
图十、Protues软件仿真中16×16点阵组成
后期，电路的焊接则出现了一些问题。在单片机时钟电路中，焊接之初将电容错误的焊接为102即1000pF，使得整个单片机无法正常工作。由于检查电路连接无错误，而点阵却无任何显示，这样便反而误导以为程序烧写存在错误。通过不断反复检查电路焊接，并用万用表检测单片机各引脚电平值，终于发现电容值有误，更改为22pF后单片机成功工作，点阵有效果显示。由于P0口内部无上拉电阻，欲使用它必须外接上拉电阻。实验电路图中，采用10KΩ排阻作上拉电阻。但点阵实际显示中，发现P0口连接的点阵所在行显示亮度明显高于P2口连接的点阵所在行。认真比较P0口和P2口电路连接后，才注意到P0口和P2口唯一的区别在于P0口接了上拉电阻，P2口未接上拉电阻。于是，在P2口焊接上10KΩ排阻。这样，点阵显示亮度均匀，效果明显。
本次试验收获很大，我不仅熟悉了51系列芯片的工作原理，掌握了单片机的基本电路设计，了解了点阵显示字符的显示原理，同时熟练了Keil软件和Protues软件的使用，为
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以后单片机设计的程序编写、编译、调试及电路仿真奠定了扎实的基础。这次实验自己感觉很满意。确定实验课题时，朋友的支持和自己的执着让我对本次实验信心十足，最终的实验结果非常好，整个试验过程值得回忆。同时使得我对以后的各类实验和课程设计有了极大的兴趣和充足的信心。
七、参考文献
[1]戴胜华,等.单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2005． [2]杭和平,等.单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2008． [3]龙安国.基于单片机的LED汉字显示屏设计与制作[J].现代电子技术,2007.
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