王敏涛开题报告.docx
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王敏涛开题报告
毕业设计（论文）
开题报告
题目基于单片机的LED
点阵屏设计
专业测控技术与仪器
班级仪093班
学生王敏涛
指导教师华灯鑫
二零一三年
一、毕业设计（论文）课题来源、类型
LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成，广泛应用各个领域。
与传统光源相比，LED具有寿命长、显色性好、光效高、近似点光源、发光方向性强和无污染等优点，因而LED前景日趋广阔，技术也不断更新，且部分领域已趋近成熟，但其研究领域还相当宽广。
故这次毕业设计提出了基于单片机的LED点阵屏设计，来实现利用51单片机控制LED点阵的显示，并能对所显示的内容进行滚动播放。
本课题为老师指导分配，属应用基础型。
二、选题的目的及意义
半导体发光二极管（LED，LightEmittingDiode）是半导体光电子显示的核心器件，随着大功率LED照明效率不断提高、成本不断下降，随着电子技术的迅猛发展,点阵显示器件作为现代信息显示的重要媒体,在各个领域中得到了广泛应用。
因此点阵显示器件的研制、生产得到了迅速发展,并形成了光电子行业新兴的产业。
LED显示屏以其外形美观大方、显示内容信息量大、操作使用灵活方便著称，主要应用在金融证券、广告宣传、公交、车站、体育、军事等许多领域。
在各种公共场所，我们几乎都能看到LED显示屏，可见其在人们的日常生活中的重要性。
该设计广泛涉及到了单片机技术、硬件之间的数据通讯技术、显示存储技术、系统软件开发设计技术、以及硬件接口和驱动的技术。
由于我国的经济发展迅速，对信息传播要求越来越高，因此LED显示屏凭借其显示信息量大、寿命长、能耗小、重量轻、空间尺寸小、稳定性能高、便于维护和操作安装等特点，在社会中扮演着非同寻常的角色。
另外基于单片机设计有诸多好处：
便于操作，使用简单方便；便于控制，易于人机互动；功能强大，强大的编程功能使基于单片机的LED显示非常灵活，能够满足用户的各种要求；体积小，安装、携带方便；价格便宜，经济实惠。
本次毕设选用HT1632C芯片，不但可以节省单片机I/O口资源，而且电路简单，实现方便。
三、本课题在国内外的研究状况及发展趋势
1.国内现状：
我国LED显示屏的发展现状：
国内LED显示屏产品的技术水平可与国外同类产品抗衡,虽然产品生产制造的工艺水平与国外尚有较大差距,但控制技术是领先于国外的。
16级灰度256色双基色LED显示屏和64级灰度三基色全彩色LED显示屏等标志性产品均是由国内厂家独立开发研制并推向市场的。
在LED显示屏产品中,中国率先独创了非线性调灰控制等技术。
京九铁路、42届世乒赛体育中心、上海证券交易所新大厦和北京西安站等国内重大显示系统的国际招标项目,均由具备实力的中国企业中标承制。
在LED显示屏的可靠性及工作性能评定方面,中国科学院长春物理研究所进行了较深人的研究。
他们用元器件记数法对LED显示屏的可靠性进行预计;用重要度分配法对双基色LED图文显示屏的可靠性指标进行分配;利用模糊综合评价方法,从新的角度——模糊失效准则出发,对LED显示屏的工作性能进行模糊评价。
同时无锡东大先行微电子有限公司、南京洛普股份有限公司、上海交通大学光纤技术研究所、北京化工大学自动化系则通过集成化、模块一体化、结构化等方式来提高LED显示屏的可靠性和工作性能。
此外,还研究了反校正电路、非线性校正软件、彩色LED显示屏的校正方法等,以提高LED显示屏的图像质量。
LED显示屏存在显示刷新速度不够、传输数据量大等不足,为解决这些问题,对数据重构与存贮技术、数据压缩技术以及隔列传输等方面进行了研究。
湖北襄樊学院与华中理工大学提出了特殊的位平面存贮技术和扫描技术,可达到稳定的高速动画显示效果。
中国科学院长春物理研究所对于四色的文字动画屏采用游程编码+霍夫曼编码的MK编码对数据进行压缩,可以达到实时传输;对于图象屏采用隔列传输的方法,缓解了通讯压力,提高了长线传输的可靠性。
在2008年北京奥运会和2009年新中国成立60周年庆典等LED显示大规模应用之后，2010年上海世博会和广州亚运会等重大活动再一次全面展示了LED显示应用产品的光彩。
上海世博会众多场馆采用了形形色色的LED显示产品，为世博会增色不少。
据不完全统计，LED显示应用行业的20余家企业参与承建了世博会开闭幕式和各个场馆的LED显示系统建设。
此外，2010年度LED显示在各个应用领域完成了许多典型项目和重大项目。
如利亚德公司承建的大亚湾核电基地综合馆视频及图像显示工程、上海三思承建的深圳地铁2号线LED综合节能照明工程等，在综合技术创新水平和应用效果方面都有突出特点。
基于重大项目的带动和典型工程的应用示范，LED显示工程项目在设计理念、技术创新、技术集成、工程规模、显示效果等方面都取得了显著的提升和发展
2.国外现状：
国外对LED显示屏的研究起步较早,20世纪80年代就开发出走字屏、大规模彩色LED显示系统。
目前,研究较多的集中于LED的色彩、亮度、材料及生产工艺等方面。
日本的Toshiha、sha甲、美国的Cree、德国的Aixtron等公司在此方面都有深入的研究。
美国是LED技术和产业的领军者，其高端技术、专利垄断和标准体系等让行业竞争者望其项背。
美国能源部预测，到2030年美国LED固态照明市场占有率将达到73.7%。
届时每年将节省297万亿千瓦时（折合现价300亿美元）的照明用电，约合45.8%的照明电力以及2.1亿吨的碳排放。
欧洲地区的LED产业发展则相对成熟，2011年欧洲照明市场已经持续稳定地成长到189亿美元，比2010年成长10%，预估市场将呈现大幅度成长的状况。
日本：
提前“退役”白炽灯泡时间，为应对电力不足的局面，各电器商必须立即停止生产、销售白炽灯泡，转而大力推广LED灯泡。
L.Svilainis介绍了一种能够控制视频装置发光亮度的二极管，利用的是调光脉冲宽度调制技术。
AndrewE.Moe介绍了基于LED的荧光分析系统的改进，通过一个接口大大提高了稳定性、输出功率。
LED对于传统的白色光源荧光分析来说，是一个很有竞争力的替代品，因为其能增强功效，减少光损失，在较低开销的情况下增加了光谱控制的灵活性。
Bin-JuineHuang等人在高功率LED照明灯具的系统动力学模型和控制研究中提出此项研究的目的是设计一个电流控制系统，使LED光输出不受系统动力学的不确定性与外界环境温度的干扰，以保证稳定的LED的光输出特性。
LiTianhua等人在基于LED的层照明管理技术中，通过分析层产品的光照强度、光 的波长、光照时间以及白光LED光源的特征，设计出一种由驱动控制芯片驱动的LED。
3.LED发展趋势：
LED显示屏发展经历了三个阶段：
（1）1990年以前LED显示屏的成长形成时期，这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本比较高。
（2）1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果，电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术。
这一阶段，LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
（3）1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期1995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。
目前国际上高档次的LED屏主要具备以下功能（以BARCO屏为例）：
（1）系统颜色确认，该技术能够确保逼真的色彩显示，可持续长达数年之久不变；
（2）真彩再现与色谱；（3）动作的再现；（4）环境亮度调节；（5）外壳防护等级标准——IP65
四、本课题主要研究内容
本设计利用单片机对整个系统进行控制,并将要显示的字符和汉字按照需求进行显示。
其中显示的内容由单片机输入,其中亮度以及稳定性主要由硬件电路完成。
点阵屏采用的是单色显示，显示器电路的特点是单片机控制硬件电路动态扫描发光二极管，因此频率越高其亮度也越亮，并且亮度可通过限流电阻来控制。
由于系统的设计要求其独立稳定地显示要求的内容，并且能控制LED汉字的动态显示，因此控制部分设计成为以单片机为核心，驱动电路为外围挂件形成了点阵显示屏的控制部分。
控制部分采用了价格低廉、扩展性强、功能强大的STC89C52单片机。
该单片机具有低功耗、高可靠、超低价、安全性能高、工作频率高等优点，其存储器大小满足设计所需。
大量的数据字库就可以存储在外围存储器上。
驱动部分采用适合单片机的扩展芯片（ht1632c）即可。
软件部分是用C语言编写程序来控制单片机数据的输入、处理、输出。
五、设计方案
1、硬件框图：
系统硬件电路主要由单片机、HT1632C、LED点阵单元构成。
硬件电路的组成框图如图1所示。
图1系统硬件电路框图
本次毕设单片机选用STC89C52，驱动芯片是HT1632C。
MCU与HT1632C通信只需要4根线便可。
/CS用来使能串行接口信号的传输以及终止其与外部MCU的通信。
如果/CS被置1，则数据和命令的传输被禁止。
DATA引线用来串行传输数据，/RD引线用来输入读时钟，数据在/RD的下降沿被读出，该数据将会在DATA引线上被传输。
/WR引线用来输入写时钟，数据在/WR的下降沿被读出，该数据将会在DATA引线上被输入。
LED点阵显示屏由32个8X8的LED点阵构成,每4个8X8LED点阵组成一个16X16的LED点阵，用来显示一个汉字。
2、单片机组成：
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域有广泛应用。
图2是单片机典型组成框图和引脚图，地址总线的作用是为进行数据交换时提供地址，CPU通过将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线用于在CPU与存储器或I/O接口之间或存储器与外设之间交换数据；控制总路线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU的应答线等。
图2单片机系统框图及引脚图
3、8X8LED点阵内部原理：
8X8的LED点阵实际上是由64个发光二极管组成的一个阵列,其内部接线如图2所示：
图3LED内部结构
由图3可见，8X8的LED点阵的行线是发光二极管的阳极,列线是发光二极管的阴极。
行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。
如果给行列赋不同的高低电平，LED就会显示不同的图案。
4.LED点阵屏扫描原理：
根据显示屏的原理图结构，分析LED点阵控制器的控制原理：
如显示10个汉字，先将这10个汉字的点阵从字库中读出，放到显示缓存,如果要实现左移或者其它的显示效果则将显示缓存中的每个位进行移位或者其它处理,然后再调用扫描显示函数就可以实现所规定的效果。
扫描显示函数的功能是显示缓存的内容，如果要显示不同的内容，比如说图片、汉字、英文等，只需要将这些内容引用到显示函数中，就可以显示出来。
对于显示屏来说，显示使能端是比较重要的，主要是因为送完一行后需要一个消隐的动作，所谓的消隐就是让显示屏黑屏一段时间，如果不做该动作，则在显示的过程中会有拖影的现象。
5、驱动电路：
由于51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达20ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μＡ甚至更小，基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示，因而在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大为目的的驱动电路[3]，主要芯片有HT1632C，TLC5941，MBI5028等，最简单的驱动方法如图4所示,可在74HC138和点阵的行接口接上一个PNP型8550三极管开关电路用来提供足够的电流,当74HC138发出低电平时,三极管Q导通,LED_H输出高电平。
此时I/O口只需要提供几毫安的灌入电流即可控制其通断。
图4译码器接三极管
HT1632C是一种memorymappingLED显示驱动器，它广泛应用在数字时钟、温度计、湿度计等工业仪器仪表显示中。
HT1632工作电压为2.4V~5.5V；多种显示方式，内建显示RAM；16级PWM亮度控制；内建256KRC振荡器；与MCU接口为串行接口方式；与MCU通讯有命令指令和数据指令；Common线可选为N-MOSOpenDrain输出驱动或P-MOSOpendrain输出驱动。
图5为HT1632C的功能引脚图：
图5HT1632C引脚图
主要引脚描述：
ROW0~ROW23：
行驱动；
ROW24/COM15~ROW31/COM8：
驱动LED输出端或者公共输出端；
COM0~COM7：
公共输出端，每个COM引脚是双键的；
SYNC：
频率震荡信号的输入输出；
OSC：
系统时钟的输入输出；
DATA：
通过拉高电阻来实现数据的输入输出；
/WR：
在/WR的上升沿DATA写入数据；
/RD：
在/RD的下降沿DATA读出数据；
/CS：
片选信号；
传统的点阵条屏单元板的缺点：
传统的点阵条屏单元板实现多采用行列扫描方式，其行扫描控制电路多采用2片74LS138、4片4953以及串入并出控制电路采用3片74HC595以及1片74HC245总线驱动芯片，这种传统的LED条屏显示对控制系统的速度要求很高，要保证一定的刷新速率，又要保持很高的亮度，势必对MCU要求很高，从而，普通的单片机例如51单片机往往不能胜任。
如果利用此显示模块，则其单元成本依然很高，首先是大量的串并转换芯片、选通芯片以及扩流芯片。
因此，元件数量众多，电路结构复杂，导致电路稳定度减低，加大了维修难度。
HT1632C驱动芯片的优点：
采用HT1632C驱动16X24点阵模块省去了行列扫描（HT1632C负责），只要写入显示数据便可以轻松显示。
不仅节约了成本，降低了模块对MCU的要求，而且降低了电路的复杂度，提高了电路的稳定性，从而维修更加简便,而需要显示信息较多时，则可以用多个单元板级联应用。
HT1632C是存储器交换LED显示控制驱动芯片，可以选择多重的ROW/COM模式，利用串行接口串行输入，可以方便的进入命令模式COMMANDMDOE和数据模式DATAMODE，只需要四五行的命令就可以建立起主控芯片和HT1632C的通信，通过HT1632C便可以进行持续的输出显示。
因而本次实验选择HT1632作为LED的驱动芯片。
6、仿真软件Proteus简介：
Proteus软件是由英国LabCenterElec-tronics公司开发的最新版本EDA工具软件,它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身,是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。
它是一种可视化的支持多种型号单片机（如51、PIC、AVR、Motorolahcll等）,并且支持与当前流行的单片机开发环境（Keil、MPLAB、IAR）连接调试的软硬件仿真系统。
针对微控制系统与外设的混合电路的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真,做到了一体化和互动效果。
Proteus包含以下应用软件:
1）智能原理图输入系统,系统设计与仿真的基本平台。
2）高级PCB布线编辑软件。
在Proteus中,从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成。
真正实现了从概念到产品的完整设计。
KeilLVision3是单片机源程序设计与编译软件，它支持汇编与C语言,能够对程序进行调试并转换成其它形式的文档格式。
六、完成论文的条件和采用的研究手段（途径）
本设计的理论基础是单片机技术基础，微机原理，模拟和数子电路等。
要求为：
掌握LED的工作原理、LED点阵的内部结构,了解LED显示屏的显示原理；熟练掌握51单片机最小系统，熟悉各个引脚功能；能熟练应用C语言对单片机进行编程。
具体课题研究步骤:
第一、理论准备阶段，理解题目，研究题目所涉及到的内容，能够较好的掌握有关题目知识。
第二、确定系统各个模块，理清各个模块之间的关系。
并开始进行相关硬件电路的资料收集。
第三、规划课题，确定组成结构，提出大体系统框架并在结构框架的基础上提出原理图。
第四、完成硬件设计部分并画出各部分电路图，将系统部件通过接口电路集合在一起，并画出电路图。
第五、根据系统控制过程绘制出流程图完成软件设计部分。
第六、检查是否可以实现要求，能够按照要求实现控制功能。
整理论文，准备答辩。
七、本课题进度安排、各阶段预期达到的目标：
月
日
周次
任务阶段名称及详细项目
3
2.27~3.2
1
查阅相关资料，了解课题的内容及要求
3.5~3.9
2
了解LED的优缺点和本课题的发展状况
3.12~3.16
3
了解LED显示屏的基本原理
3.19~3.23
4
完成开题报告和毕业设计（论文）进度表
3.26~3.30
5
掌握51单片机的工作原理和编程方法
4
4.2~4.6
6
深入阅读与课题相关的外文文献，并完成翻译
4.9~4.13
7
广泛查阅资料，完成本次毕业设计的文献综述
4.16~4.20
8
方案论证及方案选择
4.23~4.27
9
硬件设计
5
4.30~5.18
10~12
软件编程
5.21~5.25
13
进一步实验，确定最佳设计方案
5.28~6.1
14
撰写论文，完成毕业设计论文初稿
6
6.4~6.8
15
整理资料，完成毕业论文
6.11~6.15
16
上交毕业论文并修改论文
6.17~6.21
17
准备毕业论文答辩
参考文献
[1].靳桅，邬芝权，李骐，刘全等编著；基于51系列单片机的LED显示屏开发技术；北京航空航天大学出版社，2011年4月出版。
[2].陈传虞，刘明，陈家桢编著；LED驱动芯片工作原理与电路设计；人民邮电出版社，2011年2月出版。
[3].陈永真，陈之勃编著；实用LED驱动电路的设计详解；机械工业出版社；2010年10月出版。
[4].刘同法编著；单片机C语言编程基础与实践；北京航空航天大学出版社，2009年2月出版。
八、指导教师意见
对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
指导教师：
九、所在专业审查意见
负责人：
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