基于单片机的LED广告牌设计.docx
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基于单片机的LED广告牌设计
单片机课程设计论文
设计题目：
基于单片机的广告牌的设计
学院：
汽车学院
班级：
电气工程及其自动化09级5班
成员名单：
1、姓名：
张旭学号：
200909140545
2、姓名：
杨金康学号：
200909140546
3、姓名：
朱晓东学号：
200909140547
指导教师：
王春梅老师
课程设计时间：
2012年5月14----2012年5月27
基于单片机的LED广告牌设计
摘要
本设计使用AT89C51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64×16的点阵LED显示屏。
利用AT89C51系列高速单片机本身强大的功能，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。
（行间距）
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，简称LED，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。
LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个芯片被环氧树脂封装起来。
半导体芯片由两部分组成，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芯片的时候，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。
LED点阵显示具有如下特点：
（1）电压：
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一种比使用高压电源更安全的电源。
（2）效能：
消耗能量比同光效的白炽灯减少80%。
（3）适用性：
每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
（4）稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%。
（5）响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
（6）对环境污染：
无有害金属汞。
（7）颜色：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
【关键词】动态显示；单片机；点阵字库
1LED概述
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位图文显示屏：
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。
2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数组组合后，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、图像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在线。
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，若在某行在线施加高电平（用“1”表示），在某列在线施加低电平（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
2.2图用动态扫描显示字符“B”的过程2.3LED常见的控制方式位总线上的88）目前常见的是并行传输方式（见附录1.1，通过位锁存器将
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。
一．以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。
因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。
对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。
除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序内存，无E2PROM，SPI。
这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。
因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。
二．以PIC单片机为控制器的LED显示屏。
因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。
作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。
因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。
三．以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。
FPGA以高速、并行著称。
是近年来新兴的可编程逻辑器件。
用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。
因此被运用于双基色、三基色的显示系统。
但是其成本较高，开发难度较大。
四．以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。
ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。
因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。
在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。
ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。
因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。
3硬件电路设计
3.1系统硬件概述
整个电路由单片机89C51，8个74LS373，1个74HC154，1个74LS138,4个16×16的LED。
该电路所设计的电子屏可显示多个汉字，需要4个16×16LED点阵模块，可组成16×64的条形点阵。
AT89C51是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失内存制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁内存组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51引脚即外观如图3.1所示。
3.1AT89C51的管脚图图
的输出是低电平有译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，74LS138与前面不同，74LS138效，故实现逻辑功能时，输出端不可接或门及或非门，其有使能端，故使能端必须加以处理，否则无法实现需要的逻辑功能。
发光的公共极是阳极还是阴极分为LED二极管点亮只须使其正向导通即可，根据的高电LED两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器；针对共阴极平输出有效的译码器。
锁存）（三态同相内有8个相同的D型TTL8D74LS373是低功耗肖特基锁存器，GOE接地时，若CONT、OE）控制。
当EN脚G或；1脚OUT、（11器，由两个控制端则将地址信号为低电平，输出的地址信号；如果GPPU为高电平，74LS373接收由可直接与总线相连。
当三态允许控制O7O0—的输出端锁存。
工作原理：
74LS373为高为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。
当OEO0OE为低电平时，—O7端呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的O7—电平时，O0为低而变。
当LEO当锁存允许端LE为高电平时，随数据D逻辑操作不受影响。
所示引脚即外观如图被锁存在已建立的数据电平。
电平时，O74LS3733.2
3.274LS373引脚图图
）均为低电平时，可将地G2线译码器，当选通端（G1、74HC154为4线－12
G2和若将G1）ABCD的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
址端（线数据分161线－ABCD对输出寻址，还可作中的一个作为数据输入端，由70℃，对社会的要求非常适合。
配器。
工作环境温度为0～LED,50年前人们已经了解半导体材料可产生光lightLED是英文线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。
（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半emittingdiode树脂密封，即固体7导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧封装，所以能起到保护内部芯线的由单片工作时，LED的抗震性能好该电路的显示采用逐行扫描方式。
作用，所以机取出第一行需要显示的内容经延时一段时间后再进行下一行点阵数据的显示。
需要注意的是，每次只能选通一行数据，即要通过不断的逐行扫描来实现汉字或字符的显示。
3.216×16LED点阵显示制作3.2.116×16LED点阵的内部结构及工作原理列的点阵组成显示。
即国16中文宋体字库为例，每一个字由16行UCDOS以点阵来表示。
我们可以把每一个点理解为一256家标准汉字库中的每一个字均由个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。
事实上这个汉字屏不仅可以显示像素范围内的任何图形。
这里我们以“高”字说明，如汉字，也可以显示在256所示。
图3.3
3.316*16LED汉字显示图
位，一个字需要拆分单片机控制，由于单片机的总线为88位的AT89C51用816点阵组成，下部也由个部分。
一般把它拆分为上部和下部，上部由8×为2点阵组成。
在本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第16×由上往下排,显示汉字“高”时,p02点亮p07口。
方向为p00到p07,0列的p00—灭。
p0.7,p0.6灭p0.4灭,p0.5亮,为p0.0灭，p0.1灭,p0.2灭,p0.3灭列,。
上半部第一列完成后，继续扫描下半04h16进制为即二进制00000100，转换为部的第一列，为了接线的方方向扫向p20便，我们仍设计成由上往下扫描，即从p27然00h。
00000000，16进制则为描，从上图可以看到，这一列全部为不亮，即为这一进制04h.点亮，为00000100，即16后单片机转向上半部第二列，仍为p0102h.16进制为二进制00000010，即列完成后继续进行下半部分的扫描，p20点亮，位，可以得出汉字“高”个8依照这个方法，继续进行下面的扫描，一共扫描3210h,10h,00h，1Fh,0F0h,04h,0FFh,0FEh,02h，00h，01h,00h,的扫描代码为：
48h,24h,，48h,4Fh,0E4h00h,04h,7Fh,0FEh,40h,04h,10h,10h,1Fh,0F0h，。
24h,4Fh,0E4h,40h,0Ch由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。
不过现在有很多现成的汉字字模生成软件，就不必自己去画表格算代码了。
LED点阵LED8×8点阵构成16×163.2.2用而在实际点阵，16×16LEDLED点阵，并没有中只有Proteus5×7和8×8等点阵。
下面我们就首先介绍16×16应用中，要良好地显示一个汉字，则至少需要点阵，用于本例16×16LED16×16点阵的方法，并构建一块点阵构建使用8×8的显示任务。
RED”元器件，并将四块该元的组件库中找到“MATRIX-8X8-Proteus7.1首先，从如果该元器件保持初始的文文件区编辑窗口中。
此时需要注意,器件放入Proteus90°，使其水平放置，那么此时它位置（没有转动方向），我们要首先将其左转个引脚是其列线（当然，如果你是将右转，则8的左面8个引脚是其行线，右边个引脚是行线）。
然后我们将四个元器件对应的行线和列线分别进行连接，右边8，列线也相同。
并注意要将行线和列线引出一LED16使每一条行线引脚接一行个所示。
点阵如图定长度的引脚，以便下面我们使用。
连接好的16×163.4
点阵只是第一步，这样分开的数块并不能达到好的显示效成如上图的16×16下面我们要将其进一步组合。
组合实际上很简单，首先选中如上图中右侧的两果,所示。
点阵，然后拖动并使其与左侧的两块相并拢，如图块8×83.5
点阵模块组合图3.4
3.5
图
可以看到原来的联机已经自动隐藏了，至于在线的交点，我们不要去动。
然最,后，我们再来最后一步，选中下侧的两块点阵，并拖动使其与上侧的两块并拢原来杂乱的联机现在已经几乎全部隐藏了，一块,后的效果如图3.6所示。
看到个引脚，16LEDLED的点阵做成了。
需要注意，做成的点阵的行线为左侧的16×16然后，而且其行线为高电平有效，列线为低电平有效。
个引脚为其列线，下侧的16我们将其保存，以便以后使用。
3.6
图主控单片机的接口说明3.3数据总线复/位漏极开路型双向I/O口，也即地址P0口：
P0口是一组8逻辑门电路，TTL8个制用口，作为输入口时，每位能吸收电流的方式驱动可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序内存1对端口写入“位）和数据总线复用，在访问期启动内部8时，这组口线分时转换地址（低口接收指令节，而在程序校检时，输出指令POFlash编程时，上拉电阻。
在位元组，校检时，要求外接上拉电阻。
的输出缓冲P1I/O口，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向P1口：
，通过内部1”4级可驱动（吸收或输出电流）个TTL逻辑门电路。
对埠写“的上拉电阻把埠拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在编程和程序。
Flash上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I8位地址。
校检期间，P1接收低的输出缓冲级口，P18位双向I/OP2口:
P2口是一个带内部上拉电阻的，通过内部的”TTL个逻辑门电路。
对埠写“1可驱动（吸收或输出电流）4上拉电阻把埠拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上。
在访问外部数据存I拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流口送P2位地址的外部数据存储（例如执行MOVX@DPTR指令）时，储器或16指MOVX@RI8位地址的外部数据存储器（如执行出高8位地址数据。
在访问寄存器的内R2SFR）区中令）时，P2口在线的内容（也即特殊功能寄存器（亦接收高位位址和其编程和校检时，P2Flash容），在整个访问期间不改变。
它控制信号。
口输出缓冲口。
P38位双向I/OP3P3口：
口是一个带内部上拉电阻的”时，1逻辑门电路。
对P3口写入“级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL口将P3它们被内部上拉电阻拉高并可作输入埠，作输入端时，被外部拉低的闪速内存编程和程序校检口还接收一些用于P3Flash用上拉电阻，输出电流I。
的控制信号。
引脚出现两个机器周期以上高电平将使当震荡器工作时，RSTRST:
复位输入，单片机复位。
地址锁存允许）输出脉,ALE（ALE/PROG：
当访问外部程序内存或数据存储器时乃以时钟振动频率的位字节。
即使不访问外部内存，ALE冲用于所存地址的低8:
要注意的是1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
脉冲。
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE
3.4LED显示驱动电路
ED显示驱动电路如图3.7所示。
L
3.7图显示驱动电路图
4字模生成
4.1字模简介
文字的字模是一组数字，但它的意义却与数字的意义有着根本的变化，它是[1]。
用数字的各位信息来记载英文或汉字的形状
在计算机硬件中，根本没有汉字这个概念，也没有英文的概念，其认识的概念只有——内码（将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表示汉字，即汉字的内码。
而剩下的低128位则留给英文字符使用，即英文的内码）。
如果你用启动盘启动系统后用DIR命令可能得到一串串莫名其妙的字符，但那确确实实是汉字，如果你启动UCDOS或其它的汉字系统后，就会看到那是一个个熟悉的汉字。
在硬件系统内，英文的字模信息一般固化在ROM里，即使在没有进入系统的CMOS里，也可以让你看到英文字符。
而在DOS下，中文的字模信息一般记录在汉字库文件里（将制作好的字模放到一个个标准的库中，这就是点阵字库檔）。
4.1.1LED显示屏领域字模实现技术
在通过软件实现的技术中，目前有许多字模生成软件，软件打开后输入汉字，点“检取”，十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要的竖排数据复制到我们的程序中即可。
在通过硬件实现字模提取的技术中，有在单片机系统中增加硬汉字库的方法，主控器发送的汉字是其机内码，用两个字节来表示一个汉字。
根据机内码，显示单元控制模块从汉字库中查取显示字模，实现汉字显示。
由于带有硬汉字库，进行动态文字显示时，通用智能显示单元仅接受汉字的机内码即可，这样数据通讯量大大减少。
因此，“动态文字显示速度快”。
4.1.2软件控制系统字模提取的分析与设计
而在LED显示屏控制系统具体应用的Windows操作系统下如何提取字模信息是设计的核心。
软件控制系统在实际编辑过程中，要求各种字体、字号的文字都能被编辑、保存。
所以系统在设计时，把文本区理解为由众多的象素点构成，而把不同字体、字号的文字理解为一幅图像。
因为所开启的文本区大小与LED显示屏的大小对应，所以采用16×16点阵为单位元，把文本区内的每个像素点都看成一个二维数组，由于系统中各种颜色都有对应的值，赋予每个不同颜色的像素点不同的对应值，再把每个点赋予一个int型的值，这样保存下来的信息就是二进制数据。
通过这样的设计，我们不仅可以把任何字型，任何大小的文字保存下来，还可以显示以256个像素点阵为单位的任何图形。
在软件控制系统中实现字模的提取，也就避免了在单片机中加载硬汉字库模块，从而简化了硬件模块的设计。
以下以单色屏为例，介绍系统采用字模保
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