pc机控制led显示器的设计本科学位论文.docx
《pc机控制led显示器的设计本科学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《pc机控制led显示器的设计本科学位论文.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
pc机控制led显示器的设计本科学位论文
图书分类号：
密级：
毕业设计（论文）
PC控制的LED点阵显示屏的设计与实现
DESIGNOFDOTMATRIXLEDBASINGONPC-CONTROLLED
学生学号
20070504137
学生姓名
徐广建
学院名称
信电工程学院
专业名称
电子信息工程与技术
指导教师
陈奎
2010年
05月
17日
徐州工程学院学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名：
日期：
年 月 日
徐州工程学院学位论文版权协议书
本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：
本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。
徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。
徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
论文作者签名：
导师签名：
日期：
年 月 日日期：
年 月 日
摘要
介绍以单片机P89V51为控制器的LED点阵显示屏控制系统，本系统采用RS-232通信标准，通过P89V51的串行接口接收PC机的控制命令及显示数据。
随着信息时代高新技术的发展，人们对及时获取并显示各类信息的欲望日益强烈，对传播媒体的要求也越来越高，由此带动了信息传媒的飞速发展，发光二极管（LED）显示屏就是信息显示的重要传媒之一。
发光二极管（LED）显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的显示媒体。
它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元，组成大面积显示屏幕，以其可靠性高，使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品。
该显示屏采用单片机与电脑的串口通讯技术，可以把要显示的内容及时的更新，具有简单的操作界面。
由于采用了大容量的RAM，可以存储大量的显示信息，脱离电脑也可以继续显示。
显示屏由LED点阵组成，显示亮度高，显示内容清晰。
电脑上的程序采用VB编写，支持WINDOWSXP，2K，98；具有移植性好，界面友好等优点。
本文详细的介绍了LED显示屏控制系统的软硬件设计。
关键词：
单片机；LED显示屏；串口通讯
Abstract
ThispaperintroducesthecontrolsystemofaLEDdisplayscreen.ItisbasedontheP89V51andtheRS-232communicationprotocol.
Withthedevelopmentofnewandhightechnologyininformationage,thedesireofobtainingandshowingallkindsofinformationintimeisincreasinglystrong,andthedemandtomediaalsobecomeshigher,itbringsalongthedevelopmentoftheinformationmediaatfullspeed,displayscreenofLowEmittingDiode（LED）isoneoftheimportantmediatoshowinformationDisplayscreenofLEDisadisplaymediadevelopedrapidlyinthewholeworldonlaterstageoftheeightiesoflastcentury.ItutilizeslatticemoduleorpictureelementunitthatLEDformed,makesupandshowsthescreenbyalargescale,becauseofitscharacteristicsofdependability,havinglongperformancelife,strongenvironmentaladaptivecapacity,highperformance-costratioandlowusecost,inshortmorethantenyears,itgrowsintothemainproductoftheplatformshowsrapidly.
Thisscreenisusedinthehospital,itcanshowalotofinformationaboutthehospital.ItusethetechnologyoftheserialcommunicationbetweentheMCUandcomputer,andcanupdateintime,ithasthesimpleinterface.BecausetheusingofthebignessRam,itcanstorealotoftheinformation,andcanworkwithoutthecomputer.Thescreenismakeupofthe8×8LEDwhichislighteness.TheprogramonthecomputeriswritebytheVBandcanworkontheWINDOWSXP，2K，98.ThisarticleintroduceLEDdisplayscreencontrolsystem.
Keywords：
MCULEDDisplayscreenSerialCommunications
1绪论
LED显示屏从80年代后期在全球迅速兴起，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点。
短短的十几年中，相关技术和产业都取得了长足的进步，已发展成为重要的现代信息发布媒体手段，在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域得到了广泛应用。
随着社会信息化的进程，LED显示屏在信息显示领域的应用前景愈加广阔。
1.1LED显示屏的研究背景
现代信息社会中，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入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无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。
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：
（1）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。
（2）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。
它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。
（3）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：
但就其性能看：
如阴级管（crt）或石英管（dv）大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差（画面受光不均匀）；电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。
而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，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。
1.2研发方向和方案选择
目前LED电子显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行，操作与维护也向集化、网络化、智能化方向发展。
从LED显示屏需求上，市场上不仅需要像大屏幕的这样大型的显示屏，也需要根据不同场地配置不同规格的小型显示屏以及相对简单的文字显示屏。
设计一个LED显示屏控制器，具有动态汉字显示的功能；LED显示屏闪烁频率不低于50Hz,显示屏亮度以在正常光照条件下能看清汉字。
鉴此，本毕业设计设计与实现一个以单片机AT89V51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，区别于应用VHDL语言来设计的可编程逻辑器件CPLD/FPGA,通过PC机界面实现对点阵式LED显示屏的控制。
虽然那样设计出的数字逻辑电路在功能上实现了对点阵式LED的驱动以及行和列的扫描,把所有的硬件软件改为一块集成的芯片,大大简化了设计,降低了成本，设计稳定性好而且设计相对于单片机要简单灵活。
但是由于受硬件资源的限制以及未来对设计的变更和升级,总是难免要付出较多研发经费和较长投放市场周期的代价。
2系统总体设计
根据LED显示屏控制系统的应用以及显示设备驱动的具体要求，本章设计了LED图文显示屏的体系结构和工作流程。
其中软件系统与控制硬件主系统之间采用串行通讯方式完成程序下载，实现文本信息的传输。
2.1系统基本组成及工作原理
系统的大体结构图如如图2-1所示，图文显示屏的硬件模块基本结构可以分为屏体和控制器和PC机三大部分：
图2-1系统框图
屏体部分主要是LED和驱动电路构成。
不论是图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光。
根据屏幕所需的平面面积大小，选择一定数量的LED。
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，每个LED发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部的LED进行控制，在需要该LED器件发光时，数据中相应的位填0，否则填1，这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件，得到满意的显示效果。
由于文字的显示点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模，如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格。
控制器部分主要是单片机及其外围电路。
由16行16列组成的16×16图文显示屏其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路，而采用多行的同名列共用一套列驱动器。
控制电路负责有序的选通各行，在选通每一列之前还要把该列各行的数据准备好。
这样，这一行上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。
这种时序控制电路，一般都采用单片机实现。
控制电路采用单片机，主要负责控制存储显示数据模块、安排控制信号的定时与顺序、控制驱动LED显示点阵的电路等。
驱动电路，则分为行驱动电路和列驱动电路，用来驱动LED显示点阵。
PC机部分主要是界面。
界面主要负责将输入的汉字转换为字模，字模然后通过串行通信输入给单片机。
工作的大体过程如下：
电脑把输入的文本进行转换，生成要下载的数据，然后把数据下载到主控板，主控板收到数据，把数据转存到主控板的RAM内，等数据接收完后，主控板就把存入的数据取出，按一定的格式发送到显示屏，实现信息的最终显示。
在显示的过程中，如果电脑有新的数据发过来，主控板便会更新数据，然后更新显示。
2.2系统的主要元器件选择
2.2.1P89V51
P89V51是由philips公司生产，制造工艺为CMOS的P89V51单片机采用的是40只引脚的双列直插封装（DIP）方式。
如果按功能划分，它由8个部件组成，即微处理器（CPU），数据存储器（RAM），程序存储器（E2PROM），I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口），串行口，定时器/计数器，中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。
（一）对各功能部件说明
1、数据存储器（RAM）：
片内为256个字节（单元），片外最多扩至64K字节。
2、程序存储器（E2PROM）：
P89V51单片机含有8K字节的快擦写可编程/擦除只读存储器（E2PROM）。
片内最多可扩至64K字节。
3、中断系统：
具有6个中断源，2级中断优先权。
4、定时器/计数器：
3个16位的定时器/计时器，具有四种工作方式。
5、串行口：
1个全双工的串行口，具有四种工作方式。
6、P0口、P1口、P2口、P3口：
为4个并行8位I/O口。
7、特殊功能寄存器（SFR）：
共有21个，用于对于片内各功能模块进行管理，控制监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。
8、微处理器（CPU）：
为8位的CPU，且内含一个1位CPU（微处理器），不仅可处理字节数据，还可进行位变量的处理。
（二）P89V51芯片的主要特性
1、与MCS-51兼容
2、8K字节可编程闪烁存储器
3、寿命：
1000写/擦循环
4、数据保留时间：
10年
5、全静态工作：
0Hz-24Hz
6、三级程序存储器锁定
7、256*8位内部RAM
8、32可编程I/O线
9、三个16位定时器/计数器
10、6个中断源
11、可编程串行通道
12、低功耗的闲置和掉电模式
13、片内振荡器和时钟电路
（三）P89V51芯片的外部引脚功能
如图2-2所示，由图可见：
图2-2P89V51外形引脚结构图
VCC：
供5V电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚可吸收8个TTL门电流。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并可用作输入接口。
另外，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口也可作为P89V51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/
（外部数据存储器写选通）P3.7/
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/
：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
/VPP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
P89V51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高密度非易失存储器制造技术制造，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和闪烁存储器组合在单个芯片中，P89V51是一种高效微控制器，且对开发设备的要求很低，从而使开发时间也大大缩短。
2.2.274HC154
4线－16线译码器简要说明：
74HC154为4线－16线译码器，其主要电特性的典型值如下：
当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
若将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74HC154还可作1线－16线数据分配器。
2.2.3MAX232
MAX232芯片是MAXIM公司的生产的，包含两路接收和驱动器的IC蕊片,适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。
MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把5V电压变换成RS-232C输出电平所需的正负10V电压。
所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。
加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用，串口芯片MAX232的管脚定义如图2-4所示。
图2-4MAX232的管脚图
电路特点：
1.单5V电源工作
2.两个驱动器及两个接收器
3.±30V输入电平
4.低电源电流：
典型值是8mA
5.符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28典型电路。
MAX232接线如图2-5所示：
图2-5MAX232的接线图
注意：
10、11脚与89C51的TXD连接，9、12脚与89C51的RXD连接。
连接时注意各管脚与+5V间需要10K的上拉电阻。
3系统硬件电路设计
LED显示屏控制系统主要由LED显示点阵模块和单片机控制系统组成，LED显示点阵模块用于LED显示点阵的驱动，单片机主要负责与上位机进行通讯、接收和存储显示数据、驱动LED显示点阵和控制信号等。
3.1LED显示点阵驱动模块设计
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16×16单色显示单元，驱动电路采用动态扫描驱动方式驱动LED器件，控制完成整个显示电路的行列驱动。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
由行给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对个行进行扫描。
根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通，接通的列就在该行该列点燃相应LED，未接通的列所对应的LED熄灭。
当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。
全部各行都扫描一遍后，又从第一行开始进行下一个周期的扫描。
只要一个扫描周期时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就感觉不出闪烁。
（1）LED显示屏屏体
点阵式LED显示屏主要用于发布信息、显示汉字，通常由若干块LED点阵显示模块组成。
最常见的LED点阵显示单元有5×7,7×9,8×8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符，8×8LED点阵的外观及等效电路图3-1如示。
图
3-18×8LED模块示意图
用于显示的16×16单色LED显示点阵模块，每块有256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。
因此，LED点阵显示模块的显示驱动只能采用动态驱动方式，每次最多只能点亮一行LED（共阳形式LED显示点阵模块）或一列LED（共阴形式LED显示点阵模块）。
微机通过总线操作控制来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示的亮、暗控制操作。
以此类推，可实现整屏LED点阵的亮、暗控制，从而实现LED显示屏汉字或图象的显示控制操作。
（2）驱动电路设计
根据驱动方式的不同，LED大屏幕显示方式还可以分为静态显示和动态扫描显示两种。
静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入：
动态显示是指将画面分为若干部分分别进行刷新。
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个像素屏，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路复用的话，则每P个像素需一套驱动电路，N×M个像素仅需N×N/P套驱动电路。
另外，对于静态显示方式，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也比较多；对于动态扫描显示方式，每列有一个列驱动器，各列的同名行共用一个列驱动器。
由列给出列有效信号，从第一列开始，按顺序依次对各列进列扫描（把该列与电源一端接通）。
另一方面，根据各行锁存的数据，确定相应的行驱动器是否将该行与电源的另一端接通。
接通的行，就在该列该行点亮LED，未接通的行所对应的LED熄灭。
当一列的持续扫描时间结束后，下一列又以同样的方法进行显示。
全部各列都扫过一遍后（一个扫描周期），又从第一列开始下一个周期的扫描。
只要扫描周期的时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象。
显示数据通常以字节的形式顺序存放在控制系统的存储器中。
在行扫描、列控制显示时，把显示数据从存储器中取出传送到每一列对应的行驱动器上，这就存在行数据传输方式的问题。
从控制电路到行驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式，它们各有优缺点：
数据并行传输的速度比较快，但是随着屏幕的增大，点阵模块数量的增多，线路会越来越复杂；数据串行传输的速度比较慢，但它可以大大简化传输线路，对于列数较多的LED显示屏来说，采用串行传输方式比较合适。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将行数据一位一位传往行驱动器，与此同时，行驱动器中每一行都把当前数据传向后一行，并从前一行接收新数据，一直到一列的各行数据全部传输到位后，才能并行地进行显示。
对于串行传输来说，数据要经过并行到串行和串行到并行两次变换，因此列数据的准备时间可能相当长，在列扫描周期确定的情况下，留给列显示的时间就少一些，以至影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和行数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本列各行数据的同时，准备下一列的行数据，这就需要列数据的显示具有锁存功能。
本行己准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一列的列数据，而不会影响本列的显示。
3）行驱动电
升级会员 