基于STM32点阵电子显示屏毕业论文.docx

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基于STM32点阵电子显示屏毕业论文

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摘要

如今的社会技术和科技的发展日新月异。

LED点阵显示屏广泛应用于各种公共场合。

例如，在国防工业和国防系统的展示中，在商场、地铁、学校区域、城市交通平台等交通行业的车辆信息展示中，在工厂等行业的实时监控和通知应用中，还有大部分行业等，都可以见到点阵LED显示屏的存在。

本设计是基于stm32点阵电子显示屏的设计。

所使用的单片机是STM32F103C8T6单片机，过程主要介绍了单片机控制LED点阵电子显示屏的具体开发过程。

单片机是通过CPU来控制四个74HC595移位寄存器来驱动显示屏显示灯亮的，分别用其中的两个74HC595来用做列驱动器，剩下两个74HC595用来做行驱动器。

具体的显示分别用两种情况来表示，一种是静态的显示，如静止的图形或者中文，另一种是动态模式，效果是实现文字的移动，向左移或者像右移动的滚屏方式。

本文会详细介绍其中的设计思路和各个部分模块的功能以及使用原理和说明等。

LED显示屏之所以在社会中有如此广泛的应用，是因为它有比较多的优点，如组合拆分简单、兼容性强、能耗低、能在恶劣的环境下生存、成本底下等优点，使得LED显示屏在运动场所、交通枢纽站、政府机关、市场、公司、以及各种娱乐场所中都有广泛的应用。

这一广泛应用的现象，侧面反映了LED灯的生存寿命长和抗压能力强大。

本设计的软件部分是在keil软件中使用C语言来编辑完成的，通过编写的程序来控制点阵屏中的阳极和阴极端口，进而可以控制各个显示点的导通与截止。

所显示的点阵数据可以自行通过计算写入，但由于工作量庞大，一般都使用字摸软件来导出数据使用。

关键词：

STM32f103单片机；LED；点阵显示；动态显示。

BasedonSTM32dotmatrixelectronicdisplay

Abstract

Nowadays,thedevelopmentofsocialtechnologyandscienceandtechnologyischangingwitheachpassingday.LEDdotmatrixdisplayscreeniswidelyusedinvariouspublicoccasions.Forexample,inthedisplayofnationaldefenseindustryandnationaldefensesystem,inthedisplayofvehicleinformationinshoppingmalls,subways,schoolareas,urbantransportationplatformsandothertransportationindustries,inthereal-timemonitoringandnotificationapplicationsinfactoriesandotherindustries,andinmostindustries,wecanseetheexistenceoflatticeLEDdisplayscreen.

ThisdesignisbasedonthedesignofSTM32dotmatrixelectronicdisplay.Thesingle-chipmicrocomputerusedisstm32f103c8t6.Thedevelopmentprocessofsingle-chipmicrocomputercontrollingLEDdotmatrixelectronicdisplayscreenismainlyintroduced.Thesinglechipmicrocomputercontrolsfour74HC595shiftregistersbyCPUtodrivethedisplaylighton.Two74HC595areusedascolumndriversandtheothertwo74HC595areusedasrowdrivers.Thespecificdisplayisrepresentedbytwosituations,oneisstaticdisplay,suchasstaticgraphicsorChinese,theotherisdynamicmode,theeffectistorealizethescrollingmodeoftextmoving,leftmovingorrightmoving.Thispaperwillintroducethedesignidea,thefunctionofeachpartofthemodule,theuseprincipleanddescriptionindetail.

ThereasonwhyLEDdisplayscreenissowidelyusedinthesocietyisthatithasmanyadvantages,suchassimplecombinationandseparation,strongcompatibility,lowenergyconsumption,beingabletosurviveinabadenvironment,underthecost,etc.,whichmakesLEDdisplayscreenwidelyusedinsportsplaces,transportationhub,governmentagencies,markets,companies,andvariousentertainmentplaces.Thisphenomenon,whichiswidelyused,reflectsthelonglifeandstrongcompressionresistanceofLEDlamp.

ThesoftwarepartofthisdesigniseditedbyClanguageinkeilsoftware.Theanodeandcathodeportsinthelatticescreenarecontrolledbytheprogram,andthentheconductionandcut-offofeachdisplaypointcanbecontrolled.Thedisplayedlatticedatacanbewrittenbycalculation,butduetothehugeworkload,thewordtouchsoftwareisgenerallyusedtoexportthedata.

Keywords:

STM32F103singlechipmicrocomputer;LED;latticedisplay;dynamicdisplay.

3.1单片机电源4

3.2单片机的介绍4

3.4驱动原理以及原理图8

3.516*16点阵显示汉字时间要求8

3.6点阵LED屏模块9

4.1系统主程序12

4.2软件调试12

4.3硬件调试12

5实物演示13

参考文献16

谢辞17

附录18

1前言

从20世纪70年代开始，单片机就被发明了出来，它凭借着拥有良好的集成度、机体自身体积小、自身运行的电压比较低、便于外出携带、同时性价比较高等优点，因此在生活和工业的领域有着广泛的普及，以至于到了随处可见的现状。

在当今社会，单片机与嵌入式已经深深地进入到了我们的生活之中，如智能家居、身边的手机、工控行业、汽车电子、安防、医疗、物流、航天、军事武器等各个方面，所以嵌入式技术和单片机给人们的生活带的改变是翻天覆地的，嵌入式技术凭借着高效、稳定、经济的特点一点一点地改善着我们生活。

随着时间的推移，单片机渐渐实现了更加便利和人性化的生活，逐渐改变了传统的落后的生活方式，以前使用硬件部分来实现控制功能的情况，已经逐渐改变成使用单片机，软件的方式来控制。

例如本文要论述的点阵电子显示屏的控制。

本设计使用的是LED的点阵屏幕，这种屏幕比普通的显示屏相比有着独特的优势，LED点阵显示屏是目前唯一可用于户外全天候的大型显示终端。

LED的寿命超过10万小时（10年）。

该参数一般指设计寿命，通观角度大。

室内观赏角度可大于160度，室外观赏角度可大于120度。

观看角度的大小取决于LED的形状。

屏幕区域可自由控制和选择。

它可以小到不足一平方米，也可以大到数百或数千平方米。

它很容易与计算机接口，并支持多种软件。

1.1目的、意义及应达到的技术要求

要求是使用stm32的单片机设计出一款可以室内使用的16*16的点阵显示屏，显示屏每个点阵能正常发亮，亮度温和统一，并且能显示稳定清晰无乱码的的图案和中文，而且可以静止显示和动态显示。

主要使用keil软件来编写程序。

1.2国内外的发展概况及存在的问题

国内的发展对led显示屏的需求每年都在增长，有许多国内的厂家在led屏显示行业已经竞争起来了，例如大家比较熟悉的品牌有康佳、海信、TCL、长虹等。

国外在led这个行业的发展就比国内早，他们主要研究的方向主要是led的使用材料、led发出的灯光颜色和亮度。

虽说国内对led的发展较晚，可是国内对大型的led显示需求并不少，所以我国的led发展还是很快的。

与国外的led技术比起来，国内的关键技术已几乎达到国外的关键技术水平，但是工艺方面还有进步空间。

与国外的产品设计方面相比，国内的产品规范、整体设计、可靠性等方面也有待提高。

与国外，自主研发和产量方面相比，虽然国内也实现了自主生产芯片和外部的器件，但是自产的芯片不完善的地方还有很多，外扩的部件也有限，所以以低档产品为主，高性能的产品还是需要依赖国外的芯片。

与此同时，另一个广受关注的焦点就是知识产权问题，因为led主流技术的专利已经被国外垄断了。

不过随着时间的推移，led屏在不断地发展与扩大，这是毋庸置疑的。

研究内容与技术要求：

（一）掌握led点阵模块的特性及原理;

（二）移位寄存器的芯片选择和了解;

（三）led点阵模块驱动电路设计；

（四）总电路原理设计；

2整体系统设计方案

2.1需要实现的功能

设计出一款是室内或者室外可用的16*16的点阵led显示广告屏，可以在普通的正常环境下，实现点阵led的正常发光发亮显示，亮度适中可以显示英文，中文，文字，图案，会滚屏移动的动态中文。

2.2LED屏显示特点

LED屏的种类繁多，通过灯色的多少就可以分为单色LED屏、双色LED屏、三色LED屏，通过灯亮度的强弱又可以分成普通亮度LED屏、高亮度LED屏和超高亮度LED屏。

所以不同的屏幕与不同的亮度都会应用在不同的场合，如：

单种颜色的亮度的灯屏一般会被用来用作指示灯如马路红绿灯、警报灯、电源指示灯、安全出口指示灯等。

多种颜色的灯屏一般都会用来用作装饰显示或者招牌来用当然灯光的强弱也影响着使用的场合和时间点的不同。

LED的图文显示在社会上并没有一个统一的规定，普通情况下，都把能显示文字和图案的LED屏幕统称为图文屏。

图文屏最主要的特点就是仅仅只能控制屏幕中显示的内容，即控制屏幕内每个二极管的导通或截至，却不能控制每个二极管亮度的强弱。

大概了解理论知识后，可以知道无论是先实现显示图案还是文字，都是控制具体的每一个二极管器件的导通发亮，而具体控制的过程，都需要提前把想要显示的图形或文字转换成点阵图，再通过显示数据需要的要求和格式来发送才会显示出来。

所以想要控制其中的某一个二极管发亮，只需要在该二极管对应的数据位中发送高电平即可，同理想要关闭某个导通的二极管在对应的位置给予一个低电平即可。

因此，如果想要显示自定义的图案，只需要顺着显示屏的每行每列的点中分别点亮或关闭就可以构成一个图形，相对来说比较自由，但需要自行算出数据。

如果想显示中文就无须那么做，因为有前辈已经做过中文的字模，所以只需要下载一个字模软件，提取出需要的字模数据即可。

不过组成字模数据也有不同的规格，有16*16的、24*24的、32*32的，需要自行选择自己所需要的格式，再导出模板。

中文的点阵结构都统一以16进制格式为单位的。

所以只要提前准备好自己所需要的数据文件，就可以根据自己的需求灵活的组合点阵的显示，达到自己想要的显示效果。

因此使用点阵LED屏显示可以自由地更改切换屏幕上显示的信息。

点阵显示适应信息变化的优势在于点阵显示的价格及其复杂的控制电路。

LED设备布置在点阵显示整个显示单元的所有位置，而LED设备仅布置在数码管等显示设备需要照明的七个位置，其余空间为空白。

因此，在显示面积相同的情况下，点阵显示的价格相对较贵。

可是由于价格的不同，相对的数码管可以显示的信息就没有那么多了，只可以显示0到9或着单个的英文字符，可以自由组合显示的字符也不是很多，所以它对应的控制电路和显示效果都很简单。

LED点阵显示器就不同了，它需要控制的点阵就比较多，而且可以生成所有需要的效果图案和文字，这样要显示的数据和连接的电路必然要比别的复杂。

因此，根据不同的场合，可以使用相对应的方便的显示方式，甚至可以视情况需要用两种一起混合搭配显示的情况也可以。

通过颜色分类图文显示屏能分成单色、双色和多种色等种类。

而市面上应用最广泛最常用的类型，就是红色的LED点阵电子屏了。

双色和多种色的LED显示屏与单色的区别就是：

多色的LED屏的每一个点阵上的发光器件有多个发光的颜色，简单来说，多色的LED屏对应的每个点阵都有对应的颜色信息。

想要实现对应的颜色效果，就要分开设置灯的亮灭和颜色数据，然后输送到对应的点阵位置去显示就可以达到需要的效果了。

控制单色显示屏和多色显示屏的原理大致相同，所以只要学会了控制单色图文显示，双色和多色的屏幕显示也是很容易学会的。

2.3主要显示方案设计

显示模式

本设计使用的是4个8x8的点阵LED模块排列组合成16x16的LED点阵显示屏，点阵屏幕中的每一个二极管的导通就可以显示最简单的显示模式——静态显示。

每个8x8点阵就需要16个IO口看去驱动每个二极管，因此驱动16x16的点阵屏就一共需要4x16=64个IO口，但是stm32单片机中并没有那么多的IO口，所以为了减少IO口的数量，借用了四个移位寄存器74HC595，来减少对单片机IO口的占用。

一个74HC595寄存器可以寄存8个IO口的数据，由4个74HC595驱动的16x16点阵的过程是先发送16位阳极列选信号，再发送16位的阴极字节模数据来实现二极管的导通与显示。

CPU数据传输过程

传输数据的过程采用循环扫描的方式进行，首先把需要传输的数据准备好，因为中文是由一个字节构成的，一个字节由八个位组成，所以是分别发送16位阳极信号到两个列驱动和16位阴极信号到行驱动来实现，本设计的寄存器都是使用74HC595来驱动的，大致的显示电路框图如图2.1显示电路框图。

图2.1显示电路框图

3系统硬件部分内容

3.1单片机电源

电源是由stm32单片机通电后产生的3.3V电源，把来自电网的220V交流电压通过MircouUSB线接到stm32单片机中，单片机自带稳压芯片并提供2.0-3.6V电效果。

但由于16*16的点阵led屏是由5V电源驱动，所以需要额外准备一个5V的电源。

并且通信时需要做电平转换才可以实行驱动led屏，现今普通的数据线的通电电压就是5V的，所以可以利用废弃的数据线做一个简易的5V电源。

3.2单片机的介绍

单片机类型

本文选择了用stm32f10xx单片机的芯片进行控制，它可以实现对整个电路的控制和所有程序的运行，以及对具体的模块发送指令的功能。

之所以选择stm32单片机，是因为随着时代的发展，51芯片已经逐渐淡化开始退出这个单片机的产业，取而代之的是stm32单片机，芯片功能强大，成本低，而且可以实现更加强大的功能，更有利于以后的就业与市场前景。

stm32f103芯片介绍

STM32系列基于ARMCortex-M3内核，专为要求性能高、成本低、功耗低的嵌入式应用而设计的。

时钟频率最高可达72MHz,在同类产品中，STM32F103序列是性能最高的。

ST代表意法半导体，是一个公司的名字。

M是Microelectronics的缩写，表示微控制器，要注意微控制器和微处理器的区别。

32是32bit的意思，表示这是一个32位的微控制器。

ARM是英国的一家芯片设计公司，其最成功的产品莫过于32位嵌入式CPU核——也就是我们现在介绍的ARM系列，而且最常用的是ARM7和ARM9，ARM公司主要提供IP（IntellectualPropertycore知识产权的核心）核，就是CPU的内核结构，只包括最核心的部分，而不是完整的处理器。

ARM把这个核卖给各大半导体公司，如飞利浦、三星、ATMEL，甚至Intel等许多公司。

ARM为了提高对于8位机市场的竞争力，推出了一系列Cortex-M核，STM32就是将Cortex-M作为内核，通过一些外设等组合封装在一起就成了如今流行的32位嵌入式处理器。

本设计使用的是STM32F103芯片，也就是M3内核。

Cortex-M3采用ARMv7-M架构。

stm32f103芯片包含以下一些功能及部件：

（1）一个CPU,芯片的工作频率有72MHz，在存储器的周期访问可达到1.25Mips/MHz

（2）64K闪存程序存储器

（3）I/O口引脚，且每个引脚可提供2v到3.6v的供电

（4）4至16MHz晶体振荡器

（5）内嵌经过出厂调校的8MHz的RC振荡器

（6）内嵌带校准的40KHzRC振荡器

（7）2个12位模数转换器

（8）一共有37个I/O端口和16个外部中断，I/O端口不仅可以映像到任何一个中断中还可以承受最高5v的信号电压

（9）2个SPI,2个I2C，3个USART,1个USB

（10）拥有一个系统定时器和三个通用定时器

STM32系列芯片有一个突出的特点，即内部集成度高，而且还提供了高质量的固件库，使开发人员的开发和调试非常方便。

基于STM32，系统组件的最少数量可以减少到至少7个，这大大简化了嵌入式系统的设计，降低了生产成本。

STM32还有其他独特的外围设备。

GPIO（通用I/O接口）提供带缓存功能的输入和带锁存功能的输出。

GPIO一般有三种状态，即高阻状态、0态和1态。

本设计使用的芯片信号为stm32f103c8t6，它有48个引脚。

除电源输入、开机引脚和晶体振荡器输入外，其余37个引脚为GPIO。

每个GPIO端口有两个32位数据寄存器、两个32位配置寄存器、32位锁寄存器、一个16位复位寄存器和一个32位复位寄存器。

他们被分为五组:

gpioa~gpioe。

每个组共有16个I/O端口。

每个引脚可以配置成8种模式:

模拟输入、浮动输入、上拉输入、下拉输入、开路漏输出、推挽输出、推挽输出、开路漏输出。

该芯片的GPIO模块不仅具有功耗低、封装体积小、成本低等优点，而且通过软件编程支持IO端口的重映射，实现I/O端口的功能复用。

图3.1是STM32F103C8T6引脚图

图3.1STM32F103C8T6引脚图

3.3行和列驱动电路

列和行驱动电路是由4个74HC595模块来组成的，而每个74HC595模块分别由一个8位输出锁存器和一个8位并行输出移位寄存器来分开控制并且组成的。

寄存器与锁存器之间没有直接关系的情况，所以可以分开执行与启动，从而达到更快处理数据的情形。

单片机分别控制8个阳极和8个阴极，就能控制64个点，显示不同图案。

在8*8点阵的拉线方式之上，把4个8*8点阵拼接起来，做成16个阳极和16个阴极，来控制256个点。

这就是16*16点阵。

取模方式也是上高位，扫描顺序,一般习惯上都是从左到右边。

直接用单片机控制16+16个10口，比较浪费。

所以才特意设计了以74HC595为驱动芯片的点阵模块。

通过数据移位，用三个l0口来控制16*16的点阵。

都是16*16为一个控制单元，单元板可以级联拼接。

这样方便安装与维护!

图3.174HC595引脚图

图3.1就是74HC595引脚图，由图中信息可以知道74HC595一共拥有16个引脚，其中14引脚DS是用来表示串行输入数据的引脚。

Qx引脚是并行输出引脚。

13引脚OE是输出使能控制的引脚，一般情况下该引脚都低电平来表示使能输出。

存储寄存器的时钟输入引脚是12,引脚，作用是当时钟引脚检测到上升沿时会把数据从移位寄存器内转移到存储寄存器内。

移位寄存器时钟引脚是11引脚，作用是当引脚检测到上升沿时，移位寄存器中的位数据会向后推移一位并接受一位新的位数据。

10引脚MR是用来清空移位寄存器内的位数据，一般都接高电平表示禁用。

9引脚是串行数据出口引脚，作用是当移位寄存器中已有8个位的数据并且又有新的位数据要储存时，已有的8个数据位中最后的一个位的数据会从这个引脚输出去，这样就会有多一个数据位来存储新数据，因此这个引脚都是74HC595模块级联时使用的。

注意事项:

引脚的英文名称上如果有一条横线，表示该引脚在低电平的时候会工作。

相反，没有横线的引脚就表示高电平工作。

3.4驱动原理以及原理图

图3.274C595连接原理图

上图3.2是原理图，单片机先发送U4寄存器中的8位数据给U1,然后，然后再发送U3寄存器中的8位数据给U1,因为U1收到了2次的8位数据，一共是16位，但是U1寄存器并不能一次性存储16位数据，所以就把原来U1寄存器里面第一次接收到的8位数据推挤到U2寄存器。

以此类推4次之后，一共32位数据就分别对应发送到每个74C595寄存器里面，这样每一个寄存器就已经准备好数据了。

最后ST线给一个脉冲信号,4个74C595寄存器就输出数据到32个管脚上。

每个二极管阳极阴极的正向交叉点，就会被点亮，反向交叉点则不会被点亮。

3.516*16点阵显示汉字时间要求

只要点阵的扫描次数够多就可以欺骗人眼。

经过专家研究，人的眼睛在不同的状态下看到的帧数也是不一样的,眼睛在放松的状态下大约每秒看到24帧画面，在集中、紧张的状态下每秒最多能看到30帧画面，那么只要每秒钟里内刷新的帧数超过30帧，也就是刷新30张图片以上，人眼所看到的图像就是静止的图像，每张图片16列，也就是每秒钟传输800次数据给点阵。

而且通过修改每列的数据可以修改显示的内容，也可以显示不同的图案或者卷屏，也可以通过不同时间显示不同的列，这样能实现左右移屏的效果。

现在单片机是列循环+行数据，也可以改成行扫描+列数据。

两者控制原理一样，只是位置不同。

3.6点阵LED屏模块

由多个二极管按顺序排列拼凑而成的显示屏就是LED点阵显示屏，本次的器件就是使用4块8*8的788共阳1.9mm的点阵显示屏级联而成的16*16的点阵显示屏，因为最小需要16*16的屏幕才可以满足显示一个汉字的需求。

驱动此器件时可以根据自己的需要，选择行扫描驱动控制或者列扫描驱动控制。

大概了解了8*8的点阵结构和运行原理就基本掌握了点阵显示屏的具体操作。

以下有两个图，图3.3是8*8的点阵LED结构，图3.4是点阵LED的等效电路图

图3.38*8点阵LED结构图