毕业设计点阵式LED汉字广告屏的设计与制作.docx

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毕业设计点阵式LED汉字广告屏的设计与制作

本科毕业论文（设计）

论文（设计）题目：

点阵式ＬＥＤ汉字广告屏的设计与制作

学院：

计算机科学与技术

专业：

电子科学与技术＿

班级：

电子科学与技术＿

学号：

＿＿＿＿＿＿＿

学生姓名：

＿＿＿＿＿

指导教师：

＿＿＿＿＿

2016年6月2日

本科毕业论文（设计）

诚信责任书

本人郑重声明：

本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：

日期：

中文摘要及关键词…………………………………………………...………

Abstract&Keywords………………….………………………….………

第1章前言……………………………………………………………….……1

1．1LED电子显示屏概述………………………………………………1

1．2LED电子显示屏的分类……………………………………………1

1．3LED显示屏的应用示例……………………………………………2

1．4设计任务…………………………………………………….………2

第2章显示原理及控制方式分析…………………………………...………3

2．1LED点阵模块结构…………………………………………………3

2．2LED动态显示原理……………………………………….………3

2．3LED常见的控制方式………………………………………………5

第3章总体方案设计与分析………………………………………...………7

3．1显示单元的考虑…………………………………………….………7

3．2滚屏的实现……………………………………………………….…7

3．3关于可扩展性………………………………………….……………7

3．4微控制器的考虑…………………………………….………………7

3．5关于点阵数据的存储方式……………….…………………………8

3．6关于显示内容的更新………………………….……………………8

3．7总体电路结构及工作原理…………………………….……………9

3．7．1硬件电路框图……………………………………….……………9

3．7．2工作原理………………………………………….….…………10

第4章硬件电路设计……………………………………………..…………12

4．1显示单元电路设计………………………………………………….12

4．1．1点阵LED模块的选择………………….…..……………………13

4．1．2列驱动电路设计……………………….……………...…………13

4．1．3行驱动电路设计……………………….……….………..………15

4．1．4行驱动电路元件参数计算……………….……….………………16

4．2单片机控制系统电路设计………………….………………………17

4．2．1单片机的选型……………………………..……………………17

4．2．2STC单片机在条屏运用中的优越性……….………………………17

4．2．3单片机系统电路设计…………………….………………………19

4．3字库与单片机的接口设计…………………….……………………20

4．3．1字库芯片选型………………………………………...…………20

4．3．2字库芯片的使用方法………………………….…………………20

4．3．3字库芯片的电气特性………………………….…………………21

4．3．4字库芯片与单片机的接口设计……………...……………………23

4．3．5字库芯片3.3V电源设计…………………………………………23

4．3．65V-3.3V的电平转换电路设计……………..……………………24

4．4与上位机的通信电路设计………………….………………………25

4．4．1通信协议的选择…………………………………………………25

4．4．2MAX232电平转换芯片特点……………………………………26

4．4．3单片机与PC间通信接口电路设计………….……………………27

4．5对于系统电源及通信电缆的选择……….…………………………27

4．5．1对于LED显示屏的电源要求…………….………………………27

4．5．2开关电源在条屏应用中的优势……………...……………………28

第5章单片机软件设计……………………………………..………………29

5．1开发工具及语言…………………………………….………………29

5．2单片机软件流程…………………………………….………………29

5．3单片机软件中几个重要算法的实现……………….………………30

5．3．1显示缓存技术与映射关系……………………...………………30

5．3．2LED点阵与显示缓冲区建立连续编址映射的算法…………………30

5．3．3实现动态显示的算法…………………………….………………31

5．3．4实现滚屏的算法…………………………………………………31

5．4下位机软件有关的计算……………………….…………………32

5．4．1UART异步串行口波特率计算……………………………………32

5．4．2SPI同步串行口波特率计算……………………...………………33

5．4．3汉字内码与点阵地址的换算………………………..……………33

5．5片上E2PROM的空间分配…………………………………………33

5．6单片机与PC机间的通信协议………………………..……………34

第6章上位机软件设计……………………………………..………………35

6．1上位机软件开发环境……………………………….………………35

6．2上位机软件流程……………………………………….……………35

6．3上位机软件界面设计………………………………….……………36

6．3．1控件布局…………………………………………..……………36

6．3．2MSCOMM控件属性……………………………....……………36

6．4上位机软件关键算法实现…………………………….……………37

6．4．1PC机串口操作………………………………..…………………37

6．4．2字符转为GB2312内码的算法………………………...…….……38

6．5上位机软件使用方法及运行环境…………………….……………39

6．5．1控件功能及使用方法……………………………….……………39

6．5．2运行环境………………………………………………..………40

第7章PCB结构设计………………………………………………..………41

7．1PCB设计平台………………………………………..……………41

7．2元件布局及PCB整体结构工艺…………………………….……41

7．3布线工艺与准则…………………………………………...………41

7．4PCB实物照片……………………………………..………………43

第8章使用说明与测试结果……………………………….………………44

8．1LED汉字显示屏使用说明………………………..………………44

8．1．1使用环境……………………………………..…………………44

8．1．2安装上位机软件…………………………………………………44

8．1．3更改显示内容……………………………...……………………44

8．1．4更换显示模式…………………………...………………………45

8．2测试结果………………………………….…………………………45

8．2．1软件测试……………………………..…………………………45

8．2．2实际刷新率测试…………………………………………………46

8．2．3实际移动速度测试…………………….…………………………46

8．2．4电气指标测试……………………………………………………47

8．3设计任务完成情况……………………….…………………………48

第9章总结………………………………………...…………………………49

参考文献…………………………………………...…………………………50

致谢……………………………………………………………………………50

附录……………………………………………………………………………51

附图1并行驱动方式电路图……………..………………………………51

附图2本设计完整电路图（串行传输方式）……..……………………52

附图3PCB元件布局…………………………...………………………53

附图4PCB顶层布线…………………………...………………………54

附图5PCB底层布线………………………...…………………………55

附图6元件清单………………………………..…………………………56

附图7本设计作品照片………………………..…………………………57

附图8本设计显示效果照片………………..……………………………58

清单1单片机程序清单……………………..……………………………59

清单2上位机软件VB程序清单………...……。

………………………79

点阵式LED汉字广告屏的设计与制作

摘要

本设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动96×16的点阵LED显示屏。

利用STC12C系列高速单片机本身强大的功能和内部E2PROM，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。

本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示六个16×16点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。

采用IAP在应用可编程技术，把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。

设计中采用了SPI接口的GB2312标准字库，支持所有的国标字符和ASC

标准字符的显示。

因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。

本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。

关键词动态显示DdynamicDisplay

单片机MCU

串行传输SerialDataTransfer

点阵字库LlatticeLlibrary

TheDesignandMakingof

ChineseCharactersLatticeLEDDisplay

Abstract

ThisdesignusesSTC12CseriesMCUasamaincontroller,anddependsonasimpleexternalcircuittodrive96×16thelatticeLEDdisplay.ByusingitsownpowerfulfunctionsandcapacityofinternalE2PROM,itiseasytoaccomplishtheMCUandPCandE2PROMforinternalstorage,datatransmissionequipment,anditalsocanbeusedconvenientlytoshowavarietyofcontentchanges.Theotherdotmatrixdisplayiswidelyusedinhospitals,airports,banksandotherpublicplaces.Therefore,thedesignhasastrongpracticalapplication.

TheLEDDisplaydynamicscancanshowthewayatthesametimesix16×16dotmatrixChinesecharacters,andPCsoftwarecanmodifythecontentandeffectshows,andsoon.IAPusedintheapplicationofprogrammabletechnology,thecharacterswithinthecodestoredintheSCMfreeprogrammemoryspace,sothattheLEDdisplaysystemcanstore1,024brown-outcharacters.SPIusedinthedesignoftheinterfacestandardGB2312character,tosupportalltheGB2312standardASCIIcharactersandcharactersoftheshow.Becauseserialtransmissionused,sothatthesystemcanbeenhancedscalability,foranumberofdisplayunitsofthecascade.

ThisarticlefromthestartLEDdisplayprinciple,elaboratedontheLEDdisplaydynamicprocess,aswellashardwarecircuitdesign,computingandsoftwarealgorithms.

KeywordsDdynamicDisplay动态显示

MCU单片机

SerialDataTransfer串行传输

LlatticeLlibrary点阵字库

第1章前言

1．1LED电子显示屏概述

LED电子显示屏（LightEmittingDiodePanel）是由几百--几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。

利用不同的半导体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的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。

LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。

因而被广泛应用于车站、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。

LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

1．2LED电子显示屏的分类

按颜色分类

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。

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。

按使用场合分类

室内显示屏：

发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。

室外显示屏：

面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。

按发光点直径分类

室内屏：

Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏：

Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm

室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。

1．3LED显示屏的应用示例

见图1.1左：

图文屏右：

条幅屏

图1.1LED电子显示屏应用示例

其中的LED点阵单色图文动态条幅屏（下文中简称条屏），因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良，所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品。

1．4设计任务

本设计的任务就是完成一个可以随意扩展显示单元数目的单色动态条幅屏。

任务要求：

（1）能同时显示六个简体汉字

（2）能实现汉字在屏幕上的移动

第2章显示原理及控制方式分析

2．1LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。

这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。

LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。

根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。

像素颜色不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。

单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。

图2.1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

图2.18×8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号．如5x7点阵显示器用于显示西文字母．5×8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。

用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。

2．2LED动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式：

有静态和动态显示两种。

静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。

将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。

最典型的例子就是电影放映机。

在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。

图2.1中，红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。

相邻两行线间绝缘。

同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。

则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。

比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。

再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。

现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。

其过程如图2.2

图2.2用动态扫描显示字符“B”的过程

假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。

在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。

下面用伪代码描述动态显示的过程。

（1）．Y=0x01,X=0xFF，如图2.2第一帧；

（2）．Y=0x02,X=0x87，如图2.2第二帧；

（3）．Y=0x04,X=0xBB，如图2.2第三帧；

（4）．Y=0x08,X=0xBB，如图2.2第四帧；

（5）．Y=0x10,X=0x87，如图2.2第五帧；

（6）．Y=0x20,X=0xBB，如图2.2第六帧；

（7）．Y=0x40,X=0xBB，如图2.2第七帧；

（8）．Y=0x80,X=0x87，如图2.2第八帧；

（9）．跳到第

（1）步循环。

如果高速地进行

（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。

LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。

这就是动态扫描的原理。

只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。

例如0601条屏（每行6个汉字，共1行），行线有16根，列线有96根。

如果用列线来做扫描线，则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。

如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。

可见，用行线做扫描线，因为其发光周期的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。

因而发光效率比前者高。

在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰的看见发光。

在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。

比如先将扫描线全部设置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。

2．3LED常见的控制方式

目前常见的是并行传输方式（见附录1.1），通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。

此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。

但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。

每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。

再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。

并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。

成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。

因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。

随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。

因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。

不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器