毕业论文 LED电子显示屏的设计.docx

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毕业论文LED电子显示屏的设计

毕业论文（设计）

2009届专业0506082班级

题目LED电子显示屏的设计

姓名陈学号050608201

指导教师程职称副教授

二ОО九年五月三十日

内容提要

近年来，LED（lightemitingdiode，发光二极管）电子显示屏作为一种高科技产品日益引起人们的重视。

它可以实时显示或循环播放文字、图形和图像信息，具有显示方式丰富、观赏性强、显示内容修改方便、亮度高、显示稳定且寿命长等多种优点，被广泛应用于商业广告、体育比赛、交通信息报导等诸多领域。

LED显示屏的核心技术主要集中在控制器中。

目前，大部分异步显示屏采用的是8位或16位的微控制器，由于受到微处理器的处理速度、体系架构、寻址范围、外围接口资源等诸多限制，已难以在要求显示较多像素、显示内容帧频较高、动态显示效果复杂的情况下得到良好的动态视觉效果。

LED显示屏控制系统性能良好，工作稳定可靠，易于维护升级，具有很高的性价比。

关键词

LED；数据传输；信息发布系统；单片机

DesignoftheLEDElectronPanel

Author:

chenhongTutor:

ChengChengAssociateProfessor

Abstract

LEDpanelsystemsgainsrapiddevelopmentinthedesign,machineandapplicationfromnine-titesages.ItwentthorughfromsinglecolorandtwocolorstoimageLEDpanel.Asahightechnologyproduction,LEDpanelcanrealizerealtimeandsequentialdisplayingtextue,graghicandimages.LEDpanelhasmanyspecialfeaturesuchashighreliability、longlife、highperformance、lowcost、andmoreimportanthighacclimatization.Moreover,withthetechniqueofcolorpanelperfectincreasingly,LEDpaneliswidelyusedinmanyfields.

ThecoretechniqueforaLEDpanelismainlycentralizedonitscontorller.Themajorityofasynchronousdisplaypanelusethe8orthe16micro-controllers,becausetheprocessingspeed,thesystemconstruction,theaddressingscope,theperipheryconnectionresourcesandonsomanylimits,inrequestdemonstrationmanypictureelements,thedemonstrationcontentframefrequencyhasbeenwithdificultyhigh,inthedynamicdemonstrationeffectcomplexsituation,obtainsthegooddynamicvisualeffect.

themethodwasfavorableforthestabilityandefficiencyofthewholesystem.Thesystemwaseasyinmaintenanceandupdating,andenjoyshighperformance/priceratio.

Keywords

LED;TransnssionSystem;informationreleasingsystem;singlechip

LED电子显示屏的设计

第1章绪论

1.1LED显示屏的研究背景及意义

发光二极管（LED），是一种把电能变成光能的特种器件，主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。

当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。

当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。

它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。

LED大约是在80年代中期开始在电子显示屏中使用的。

进入90年代以后，由于半导体工业的迅猛发展，带动了LED制造材料和工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃。

早期的LED显示屏，由于受材料和工艺的限制，视角仅有200一300左右，从而制约了LED显示屏的发展。

在分辨率方而，由于受当时数字技术、集成电路技术和控制技术等技术的限制，很难作出高密度的LED显示屏。

今后随着半导体工业的不断发展，无论是材料，还是加工工艺，都会不断地提高，LED显示屏在颜色、视角、亮度、密度、寿命等方面也会逐步完善，价格也会进一步降低。

近年来，随着高亮度发光二极管技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。

国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的《LED显示屏技术条件》也于1998年正式颁布实施。

LED显示屏的关键控制技术随着新型超大规模集成电路（VLSI）的发展也必将有新的提高。

通用VLSI在产品性能提高的同时成本也在呈下降趋势，新一代LED显示控制集成电路也已开始得到推广和应用。

随着我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求。

进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京奥运成功举办等，成为LED显示屏产业发展的契机，我国LED显示屏及相关的技术必将得到飞跃发展。

1.2LED大屏幕的发展状况与趋势

1.2.1LED大屏幕的发展状况

我国在LED领域的研究开发工作成绩斐然。

目前普绿和高亮度纯红LED已经实现商品化，国内的LED显示屏发展经历了三个阶段：

1.1990年以前是LED显示屏的成长形成期，受LED材料的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开。

而且，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。

这一时期的LED显示屏在国内外应用广泛，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，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。

全球信息产业高速增长，信息技术在各个领域不断突破，LED显示屏在材料和控制技术方面不断出现新的成果。

蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场，LED显示屏在国内的发展速度非常迅速，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年至今，LED显示屏应用领域更为广阔。

全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。

LED显示屏控制专用大规模集成电路已由国内企业开发生产并得到利用。

我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分。

1.2.2LED大屏幕的发展趋势

二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

白光LED是LED产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受瞩目。

欧、美及日本等先进技术国家也投注许多人力，成立专门的机构推动白光LED研发工作。

可见国外LED显示屏技术主要集中在新材料的开发上，以新发光材料来提高显示屏的视觉效果、能耗等各种性能。

随着能源紧缺问题越来越突出，LED的重要性和市场空间更加显著。

鉴于我国LED产业的现状，不论技术还是产能短期内达到世界先进水平都有相当大的难度。

要在国内发展高亮LED产业，可以充分利用国内现有的研发和生产力量，走合作发展的道路。

半导体产业的全球化发展，是每个企业都要面对和无法回避的。

国内企业通过规范股权架构、加大研发，采取并购和合作的方式将海外先进技术引入国内，可争取与国际大厂基本在同一技术水平进行产业竞争。

继上海、厦门、大连、南昌和深圳成为首批五个国家半导体产业化基地，国内封装和应用企业形成快速的市场适应能力和价格优势，我国大陆已经成为世界上重要的LED封装生产基地。

封装及应用，尤其是国际应用产品加工有向我国转移的趋势。

在封装和应用领域中国已经完全有可能、有能力在高端市场占据一席之地，但必须加大产品的创新、加强品牌的培育。

目前全世界都在寻求解决经济发展和能源短缺的矛盾，给整个绿色照明生产行业带来广阔的市场前景与新的机遇。

1.3LED显示屏的信息发布技术

现代社会已经迈入信息化时代，信息传播速度越来越快，人们对信息的依赖程度也越来越高。

信息技术自然成为优先发展的关键技术之一。

随着计算机技术，尤其是网络技术的发展，信息以各种文件格式保存，并以数据包的形式在网上传输。

实际应用过程中若信息是以计算机文件的形式传送到LED大屏幕或网络终端上显示，其间的控制是由控制软件通过微机或网络来实现的。

信息若寄托于GSM网络被传送到LED显示屏上时，其间的控制是由GSM网络控制的。

第二章LED电子显示屏的介绍

2.1LED显示屏简介

LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。

利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。

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屏幕同步的产品。

它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，被应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。

用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以满足不同使用场合的要求。

LED显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显示屏。

一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏。

图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断，而不控制LED的发光强弱。

LED图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条屏，也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。

条与平面显示屏在显示与控制的原理上并无区别。

用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。

因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。

为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。

最简单的显示模式是静态显示，与静态显示模式相对应的就有各种动态显示模式，它所显示的图文都是能够动的。

产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。

例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的;同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。

不过当算法太复杂，太浪费时间的话，可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。

刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。

刷新太慢，动感不显著，刷新太快，中间过程看不清。

一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。

2.2LED显示屏的特点

随着科学技术的发展以及制造工艺的进步，LED显示屏也在不断的进步和完善，高新技术使LED显示系统与以前相比有了更为优异的性能。

当前的LED显示系统主要有以下特点：

I.在局部设计上采用模块化电路设计

按功能分成不同的模块，每个模块之间只需要极少的联系，极大的提高了系统的稳定性、可靠性。

调试、维护难度大大降低。

2.先进的分布式扫描技术

显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。

每个单元间的信号采用信号锁存技术进行同步控制，显示的稳定性大大增强。

3.可视性好

采用高性能LED驱动芯片构成的显示屏具有高亮度、色彩鲜艳、视角大，寿命长（不少于50,000小时），稳定性高，响应速度快等特点。

4.易于安装

采用显示单元板或显示单元箱体，可根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸，如果要扩大或缩小系统规模，只须按需要在系统中增加新单元，或拆去某个单元，系统完整性不会受到多少影响，便于安装和维护。

综上所述，LED显示技术作为一种电子信息显示技术，相信随着各种科学技术的发展，LED显示系统以其优异的性能将会有更为广阔的发展前景。

2.3LED显示屏的分类

1、按颜色基色可以分为:

　　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。

2、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。

3、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。

　　4、按发光点直径分类

　　室内屏：

Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

　　室外屏：

Φ10mm、Φ12mm、Φ14mm、Φ16mm、Φ18mm、Φ20mm、Φ25mm、Φ31.25mm、Φ36mm

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。

第三章LED显示屏的组成

3.1LED显示模块结构

LED显示屏通常由若干LED点阵显示模块组成，用于显示的8x8单色LED显示点阵模块，每块有64个LED。

为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED。

8X8LED点阵的外观及引脚如图3-1，等效电路图如图3-2所示。

LED点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行LED。

微处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、熄灭控制操作。

图3-18*8点阵外观及引脚图

图3-28*8点阵等效电路

3.2LED显示系统的构成

LED显示屏主要包括发光二极管构成的点阵或像素阵列、驱动电路、控制系统和传输接口以及相应的应用软件构成，如图3-3所示。

图3-3LED显示系统构成

3.2.1驱动电路

LED显示屏驱动电路的主要作用是接受来自控制系统的数字信号，使LED阵列按要求点亮。

（1）从采用的器件来分有常规型、专用型及功能型:

常规型驱动电路是采用通用的集成电路，如74HC154,74HC595,74LS374等作为数据装载的主要器件。

这种设计，原理简单，价格便宜，且几乎不受器件来源的限制，是目前较为广泛的应用形式。

专用型驱动电路，是国内一些有实力的LED显示屏制造厂家，通过先进的技术手段，研究开发出的适合自己产品的专用LED显示屏驱动IC。

国外的许多IC制造商也在跟踪这个市场，纷纷推出一些新的驱动IC。

这些专用型的驱动IC，有的比较简单，仅仅是提高了原来通用型驱动IC的集成度或驱动能力;有的则比较复杂，是根据自己的产品特点开发出来的。

功能型驱动集成电路是在专用型驱动IC的基础上发展起来的。

它不仅可以使显示屏的功能增强，而且还大大简化了系统设计的复杂程度，提高了LED显示屏的整体稳定性，是LED显示屏驱动电路的发展趋势。

（2）从实现信息刷新的原理上分，LED显示屏驱动电路又分为扫描型及锁存型两种:

扫描型是指显示屏4行、8行、16行等n行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行LED的点亮时间占总时间的1/n，只要整屏的刷新速率大于50HZ，利用人眼的视觉暂留效应，就可形成一幅完整的文字或画面。

这种设计电路结构比较简单，使用元器件较少，成本较低，但由于是分时工作，使得每一行LED的点亮时间减少，使LED的亮度有所降低。

这种驱动方式一般用于室内LED显示屏。

锁存型驱动是指显示屏上的每一个LED都对应于一个驱动电路，与扫描型不同，驱动寄存器无需时分工作，每个LED的亮度占空比接近100%。

锁存型驱动如采用常规型的设计方法，则所用元器件较多，成本较高，如采用专用型或功能型IC设计，则成本将大幅度降低。

一般室外LED显示屏大多用锁存型驱动。

3.2.2控制系统

控制系统负责接收、转换和处理各种外部信号，并以一定的规律和方式将信号传送到LED显示屏上显示。

控制系统是LED显示屏中的一个至关重要的组成部分，它的性能以及所能实现的功能，也直接代表了显示屏产品的性能水平。

（1）从实现控制的方式来看，系统控制电路可分为集中式和分散

式两种:

集中式控制系统是指LED显示屏仅受一个控制系统指挥，各个显示单元具有共同的数据信号，外同步信号和特别控制时基信号。

采用这种方式，需要处理的整屏信息量大，工作时时钟频率较高，控制系统的设计较复杂，但易于管理，系统可靠性高，成本低。

分散式控制系统是指显示屏的每一个单元都有自己的控制系统，各显示单元仅有共同的数据信号和外同步信号，而没有共同的特别控制时基信号，采用这种方式，仅需处理一个单元的信息量，其信息量和工作时钟频率都比较低，控制系统的设计也很简单，控制电缆数据量少，控制距离可较大，同时在单元的生产过程中基本上完成了整屏的调试。

其结构形式大多为半移动式结构，但采用这种方式时，元器件的成本较高。

（2）从显示的实时性可分为同步显示及异步显示两种:

同步显示方式是指LED显示屏能同步显示计算机CRT上的信息，可将LED显示屏当作一个计算机的外接大显示器。

异步显示方式常用于由单片机控制的显示系统中。

在信息显示的实时性要求不高的情况下，单片机通过串口按一定的通讯协议接收来自计算机串口的信号，通过处理后，以一定的规律将数据送至显示屏显示。

这类显示屏的功能比较单一，只适用于简单的文字及图形显示。

（3）从显示的效果可分为无灰度级显示及多灰度级显示两类：

无灰度级显示是指LED显示屏的每像素点都只有亮与不亮两种状态，且全屏点亮的刷新时间一样长。

多灰度级显示是指LED显示屏中每像素点的亮度是可控的如16级灰度就是指每点的亮度从暗到亮可分为16级。

显然无灰度级显示屏只适用于显示文字或简单的图形，而多灰度级的显示屏就能显示丰富多彩的画面。

3.2.3显示类型

LED大屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种。

静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为N*M个像素，则需要N*M套驱动电路;动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用，则每P个像素需一套驱动电路，N*M个像素仅需N*M/P套驱动电路。

对动态扫描显示而言，P越大，所需驱动电路就越少，成本也就越低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。

在实际使用的LED大屏幕显示器中，很少采用静态驱动。

LED点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行LED。

处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、熄灭控制操作。

数据采集器从显示卡上获取显示数据并转化为帧控制器所需的数据格式。

帧控制器从数据采集器上获得数字化的显示信号后，经过筛选、拾取后，将需要在LED显示屏上显示的内容转换为扫描板所需要的数据格式。

也就是说，帧控制器将计算机的标准接口获取控制信号，使用户能通过计算机的应用软件（LED管理工具）完成对LED屏的控制和调节，使帧控制器不但能适应各种不同规格的LED屏，还能调节整屏的亮度和各色的全屏亮度功能，使LED屏具有出色的节能效果。

当主控计算机与LED屏相距较远时，可利用帧控制器上的长线发送电路和长线接收卡完成帧控制器与扫描板之间的数据传输。

行控器以串行级联的方式连接，从而完成数据在显示屏上某一方向的分配。

各行控制器能从其级联总线上获取其所需的显示数据。

由于在级联中加入了定位信息，所以行控制器无须外部设置即可自动定位。

因此在全系列的LED控制系统中，行控制器就成为一种通用的标准部件。

显示单元模块是由LED显示控制芯片及其外围电路组成。

显示单元模块也是以串行级联方式来完成显示数据在LED屏上的另一个方向上的数据分配。

在扫描板控制下，显示单元模块重复显示的频率不低于120Hz，且控制输出引脚上输出的是一个带有非线性视觉纠正的具有256级灰度的以占空比形式表示的灰度值。

3.3LED显示屏的硬件原理

LED显示屏由控制系统、驱动系统和显示器件组成，其中微处理器控制系统是整个显示屏的核心。

屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。

系统显示点阵采用8X8单色显示单元。

控制电路采用动态扫描驱动方式驱动LED器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。

LED显示屏的系统硬件结构框图如图3-4所示:

图3-4系统硬件结构框图

LED大屏幕是由众多点阵模块排列而成。

本系统由于横向点阵的列数较多，若采用列扫描方式来刷新点阵，有两点不足:

一是点阵亮度受影响，二是整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。

为了避免列扫描的不足，可以采用行扫描方式。

这种扫描方式从每行模块的第一行LED顺次到该行模块的最后一行LED依次点亮模块的每一行。

对于由8xS的模块构成的点阵来说，只要8次即可将每个模块刷新一次，也就是将屏幕刷新一次。

LED显示屏作为一个单独的显示硬件，它能够将外来数据转换成图像显示出来。

这个过程由硬件驱动程序来控制和实现。

显示过程是这样的:

首先控制显示的单片机接收LED屏主控微机传来的数据（按照通信协议组织的数据）;接着，主控程序将数据转换成屏幕显示的图形，存储到显存；再按照扫描顺序与屏幕对应关系，将显存内容转换成扫描内容;再将数据输出到控制单个LED模块的数据锁存器;最后扫描锁存器中的数据，刷新屏幕。

第四章LED显示屏的设计

LED点阵电子显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，如汽车报站器、广告屏以及公告牌等。

4.1LED点阵显示屏驱动设计

4.1.1常规驱动电路的设计

LED显示屏的扫描驱动电路原理见图4-1所示。

显然，在脉冲周期的T1期间，LED处于发光状态，而在脉冲周期T2期间，LED处于熄灭状态。

图4-1扫描驱动电路原理

由于LED发光管没有余辉效应，则当扫描周期T（T1+T2）较大时，也即亮暗重复得不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁;而当重复频率较高，即T较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的LED就为连续稳定的发光。

理论与实践证明，当T<20ms，即重复频率>50Hz，时，