3264点阵式LED显示屏设计.docx

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3264点阵式LED显示屏设计

摘要

LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。

它是多个独立的LED发光二极管封装而成，LED点阵显示屏可以显示汉字、数字、符号等，通常用来显示文字、时间、速度、系统状态等。

由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，所以广泛应用于广告、证券、信息广播、新闻发布等方面，是目前国际上级为先进的显示媒体。

文章给出了一种基于AT89C52单片机的32x64点阵LED显示屏的设计方案。

包括系统具体的硬件设计方案，软件流程图和C语言程序等方面。

LED点阵显示屏是将要显示的汉字字模代码保存在某个存储空间，单片机通过读取字模并做相应的处理，然后以不同的显示方式显示在点阵屏上，主要适用于室内外汉字显示。

在负载范围内，只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展，是一种成本低廉的图文显示方案。

关键词：

LED点阵屏AT89C5274HC595行列驱动

Abstract

TheLEDdisplaymonitorisusesthelightemitterdiodelatticemoduleorthepictureelementunitcompositionplaneformulascreen.ItismadeofanumberofindependentLEDlight-emittingdiodepackage.LEDdotmatrixcandisplayChinesecharacters,numbers,symbols.Itusuallyusedtodisplaytext,time,speed,systemstatusandsoon.Becauseithastheluminosityfactorhigh,theservicelifelong,theconfigurationnimble,thecolorrichaswellastotheroominsideandoutsideenvironmentadaptivenessstrongandsoonthemerits,thereforewidelyappliesinaspectsandsoonadvertisement,negotiablesecurities,informationbroadcast,newsissue,isthepresentinternationalhigherauthorityfortheadvanceddemonstrationmedia.

Thispapergivesandotmatrix32x64LEDdisplaydesignbasedonAT89C52microcontroller.Thissystemincludespecifichardwaredesign,softwareflowchart.acodelanguageproceduresandsoon.LEDdotmatrixdisplayistoshowthecharacterfontcodestoredinastoragespace,MCUreadthefontcodesandmaketheappropriatetreatment,thenshowthefontcodesindifferentwaysonthedotmatrixdisplayscreen.Itismainlyusedsuitableforindoorandoutdoordisplay.Intheloadrange,thissystemcanbeexpandedthenumberofdot-matrixLEDdot-matrixLED.Sothisisalow-costgraphicsdisplayoptions.

Keywords:

LEDlatticescreen,AT89C52,74HC595,Lineandcolumndriver

前言

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。

它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面，是目前国际上极为先进的显示媒体。

与传统的显示设备相比，首先，LED显示屏色彩丰富，三基色的发光管可以显示全彩色，显示方式变化多样（文字、图形、动画、视频、电视画面等），是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。

其次，LED显示屏的像素采用LED发光二极管，将多个发光二极管以序列的形式构成LED显示阵列，这种显示屏具有耗电低、成本低、亮度和清晰度高、寿命长等优点，而且LED显示屏其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，是信息传播设施划时代的产品。

再次，LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，显示效果清晰稳定，越来越多的地方开始使用LED电子显示屏，有巨大的社会效益和经济效益。

它以其超大画面、超宽视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统。

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。

在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。

1绪论

1.1LED显示屏的研究背景及经历过程

在现代信息化社会的高速发展过程中，最具意义的莫过于大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。

随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。

1.1.1LED显示屏的优势

与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：

LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维、二维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。

LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。

以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。

LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。

在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体，比如阴极管、石英管大型电视、彩色液晶显示、影像影等等。

LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，用于显示文字、图案、图像动画、视频、录像号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。

1.1.2LED显示屏的发展经历

1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。

1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。

其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED。

这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。

1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。

1971，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。

到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。

事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。

80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。

这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯（CHMSL）设备。

1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

今天，效率最高的LED是用透明衬底AlInGaP材料做的。

在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。

1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。

1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。

20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。

随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。

1.2显示屏发展趋势

随着LED技术的不断发展以及LED在低功耗、长寿命、环保等方面的优势，LED应用领域逐渐增多。

同时，许多国家在看到LED巨大的市场潜力后，纷纷出台各项鼓励措施大力推动LED在各领域中的应用。

目前，LED的应用已经从最初的指示灯应用转向更具发展潜力的显示屏，景观照明、背光源、汽车车灯、交通灯、照明等领域，LED应用正呈现多样化发展趋势。

LED器件技术和性能不断提高，电子技术发展日新月异，这也为LED显示屏产品的技术深化和提高带来了良好的基础。

同时LED显示在社会生活的各个领域得到了广泛的应用，因此，LED市场发展前景乐观。

深化技术内涵，丰富产品体系，产品多元化，突出主导产品的优势将是LED显示屏产业发展的重要趋势。

LED点阵显示的应用甚为广泛，随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手段成为现代信息化社会的一个闪亮标志。

近年LED显示已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公共场所如电信、邮政大厅、营业部、车站、机场、港口、体育场等信息的发布，政府机关政策，政令的发布，各类市场行情信息的发布和宣传等。

而且随着科学技术的发展LED点阵显示被应用到大、中、小屏幕显示器：

各种广告牌、体育记分牌、金融、交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏。

目前LED电子显示屏的显示更高亮度、更高耐气候性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运作，操作与维护也向网络化、智能化方向发展。

2011年，国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发了《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》。

决定从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。

中国2012年10月起禁售100瓦以上普通白炽灯

《公告》明确中国逐步淘汰白炽灯路线图分为五个阶段：

2011年11月1日至2012年9月30日为过渡期；

2012年10月1日起禁止进口和销售100瓦及以上普通照明白炽灯；

2014年10月1日起禁止进口和销售60瓦及以上普通照明白炽灯；

2015年10月1日至2016年9月30日为中期评估期；

2016年10月1日起禁止进口和销售15瓦及以上普通照明白炽灯，或视中期评估结果进行调整。

1.3论文主要研究内容

设计一个32x64点阵式LED显示屏，具有动态显示功能；显示屏亮度能在正常光照下能看得清。

鉴于此，本毕业设计师设计与实现一个以单片机AT89C52为控制器的点阵LED显示屏控制系统，该系统采用单片机硬件以及软件程序结合的方式，以硬件电路作为驱动电路。

1.4论文的主要工作

论文主要介绍了系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计三大部分。

在各章节分别对其进行了较为详细的介绍。

本章节详细的介绍了LED显示屏的经历过程、发展趋势以及论文研究内容。

第二章节将会介绍发光二极管（LED）和点阵LED显示屏工作原理等。

第三章节主要介绍系统基本组成及工作原理，对系统选用的部分主要元器件进行了适当的介绍。

第四章节介绍系统硬件电路设计，先叙述8x8LED点阵模块工作原理和内部电路图。

在大致的讲述了驱动电路，即行列驱动。

第五章节详细叙述了软件设计，程序设计包括的一些主要程序。

还对编写完成以后的程序进行调试，在Keil下进行编译、连接，形成单片机可执行的文件。

第六章节主要是仿真原理图及仿真效果图。

2LED和LED显示屏

2.1LED

2.1.1LED简介

图2.1LED

LED英文单词的缩写，主要含义：

LED=LightEmittingDiode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。

发光原理:

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，是负极，另一端连接电源的正极，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。

而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

2.1.2LED优点

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，所以它非常小，非常轻。

耗电量低：

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。

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，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

使用寿命长：

有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

高亮度、低热量：

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

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。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

坚固耐用：

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

多变幻：

LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

技术先进：

与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。

它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点

2.1.3LED分类

按发光管发光颜色：

可分成红色、橙色、绿色、蓝光等。

另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。

按发光管出光面特征分：

分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。

国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。

按发光二极管的结构分：

分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

按发光强度和工作电流分：

分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。

一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下。

2.2LED显示屏

2.2.1LED显示屏简介

LED显示屏（LEDdisplay,LEDScreen）：

又叫电子显示屏或者飘字屏幕。

是由LED点阵和ledpc面板组成，通过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。

传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。

显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

2.2.2LED显示屏分类

LED显示屏分类多种多样，大体按照如下几种方式分类：

1.境分为户内,户外及半户外；

2.分为单色，双基色，三基色（全彩）；

3.或使用方式分同步和异步；

4.密度或像素直径划分；

可以按照其性能划分，这里不再叙述。

3系统基本组成及元器件

3.1系统基本组成

硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路以及LED点阵阵列三大部分。

如下图：

图3.1硬件总体框图

在实际应用中的大屏幕LED点阵显示屏，都是采用很多的显示模块组成，每个模块一般是有32*64个点阵组成，每个模块负责自己那部分LED的显示；有电脑通过统一的协议发送数据到每个控制单片机，行选是统一的；而且控制模块也是分开的，一个控制模块上面有很多的RAM芯片，控制芯片接收从主控电脑发送过来的数据，并将其保存在RAM中，之后不需要电脑控制即可自己循环控制显示。

而且一个模块控制几个至几十个32X64的点阵模块。

3.2系统的主要元器件介绍

3.2.1AT89C52单片机简介

图3.2AT89C52

AT89C52是51系列单片机的一个型号。

它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

兼容MCS51指令系统8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

32个双向I/O口·256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz

2个串行中断·可编程UART串行通道

2个外部中断源·共6个中断源

2个读写中断口线·3级加密位

低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。

P0口：

它是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

P1口：

它是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：

它是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

它是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2振荡器反相放大器的输出端。

3.2.274HC595简介

图3.374HC595

74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。

具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。

移位寄存器和存储器是分别的时钟。

数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。

如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。

移位寄