plc基于单片机的LED大屏幕系统设计.docx
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plc基于单片机的LED大屏幕系统设计
包头轻工职业技术学院
毕业论文
论文题目：
基于单片机的LED大屏幕系统设计
14152726130249
崔傲奇
学 号：
_________________________
作 者：
_________________________
机电一体化
专业名称：
_________________________
2016年06月20日
plc的应用与发展
论文题目：
刘明哲
作者：
_________________________
不道啊
张呼和
指导教师：
单位：
单位：
论文提交日期：
2016年06月20日
目录
摘要---3
1课题研究背景---4
1.1LED原理---4
1.2中国LED发展现状---5
1.3课题研究的目的和意义---6
2.课题研究内容---6
2.1研究主要内容---6
2.2方案设立---6
3．方案实现
3．1主控制芯片AT89S52
3．1.1主控制芯片AT89552的性能
3．1．2引脚说明
3.2LED点阵
3.374HC595
3.3.1概述
3.3.3真值表
4．主要功能模块的实现及调试方法
4.1字符显示模块
4.2单片机系统及外围电路
4.3列驱动电路
4.4行驱动电路
4.5显示驱动程序
总结
结束语
参考文献
附录
附
摘要
自20世纪80年代后期开始，随着田D制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济的高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈。
而］ED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志，明D显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；吧D显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上了丰富多彩的ED电子产品，为城市的增添了一道靓丽的风景。
而且它采用低电压扫描驱动具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。
近年来］ED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等需要进行多种公告、宣传的场合关键词：
单片机、点阵、吧LED
11LED原理,
LED就是LghtEmtingDWe（发光二极管）的缩写。
在某些半导体材料
的PN结中注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管。
在比D的p一n结附近n型材料中多数载流子是电子p型材料中多数载流子是空穴。
p一n结上未加电压时构成一定的势垒，当加正向偏压时在外电场作用下，p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动构成少数载流子的注入从而在p·n结附近产生导带电子和价带空穴的复合同时释放出相对应的能量h烟为普朗克常数V为光子频率）而发光。
该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg（EV）其与发光波长从nm）的关系为1239.6PEg。
1.2中国LED发展现状：
中国LED产业发展超过三十年它已经成为一种朝阳产业己拥有完整的产：
品、创新能力不断增强，m场需求1分强烈。
近年来，LED产业发展步伐的进一步，加快不仅促进比D业界增加产量而且提高产品技术含量。
LED包装及应用领，域实现快速增长同时实现LED外延片及芯片自主生产国内率每年都有大幅提：
高。
据统计产值200年LED芯片50亿元左右LED包装｜业增加值250亿元左右，LED应用产业产值9¨亿元左右。
中国也大力支持LED产业发LED产业产出在205年将达到500亿元人民币，年复合增长率约为4现。
然而中国比D｜业还是有一些问题，这一现象的发展基础薄弱、监督开始晚了，低附加值产品是一个根本性的变革。
加快推进我们的主导产品技术创新提高产业的发展，已经成为迫在眉睫。
目前，我国LED应用产业｜市场集中度低，有超过300的大型，和小型公司，但是制造商年产值超过1亿年仅有大约1＂LED显示屏产业具有，较高的区域集中主要是中国东部和南部。
深圳是中国的主要生产基地、LED显：
示屏产业占全国的4％的市场份额。
与此同时，中国是全球LED显示屏的生产基地。
中国比D显示屏的生产规模是占世界706的2＂8年增长到200年的83％中国LED显示屏的生产公司正在迅速地扩大它们的大小，在200年底，全国共有，40多个比D显示屏制造商年产值超过1亿人。
根据《200203年中国LED，产品的市场分析和投资收益分析报告”显示国内LED市场在2009年达到231亿，元为3＂亿元200年增长306。
从发展趋势国内比D显示屏的m场启动阶段过渡到快速发展阶段。
LED显示屏｜市场自202年复合增长率有望达到60%。
13课题研究的目的和意义，
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。
信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔，预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域LED。
显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会，有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏｜市场，总量中将会占有多数份额。
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。
2课题研究内容
2.1研究主要内容
本设计的研究的主要内容包括LED工作原理，88ED点阵块的字符显示原理；88LED点阵块的级联和驱动的实现方法；74日C595实现数据传输和扩展10口的原理和方法。
2.2方案设计
设计采用AMEL公司的AT89852作为主控芯片74HC595作为扩展I0口芯片
和数据分配芯片大功率三极管8550作为驱动芯片驱动LED点阵屏，选用功耗低性价比较高的8*8LED点阵块作为最小的组装单元。
确保在单屏无法完全显示全部信息的情况下换屏显示同时考虑到后期的维护点阵屏采用单元块级联设计方案。
3.方案实现，
从理论上说不论显示图形还是文字，只要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，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
16×16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16X6的点阵需要256/8＝32个锁存器。
这个数字很庞大，因为这仅仅是16X16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以现，多行（比如6行）的同名列共用一套驱动器。
具体就16X16的点阵来说，把所有同行的发光管的阳极连在一起，把所有同列的发光管的阴极连在一起共阳极的接法）先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第6行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快每秒24次以上）由于人眼的视觉暂留现象就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式，显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是｜分经济的。
但是，串行传输过程较长，数据按顺序―位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这―行的各列才能并行地进行显示，这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输和列数据显示两部分。
对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响至LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入，并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
3.1主控制芯片AT89S52
3.1.1主控制芯片AT89S52的性能
AT89S52是一种低功耗、高性能COMSS位微控制器，具有SK在系统
可编程Fhh存储器。
使用AmCI公司高密度非易失性存储器技术制造与工业80CS产品指令和引脚完全兼容。
片上Fash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Fash，使得AT89552在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
其性能如下：
1、与MCSS单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程FIash存储器；
3、1000次擦写周期：
4、全静态操作:
0Hz-33MHz;
5、三级加密存储器；
6、32个可编程0口线；
7、三个16位定时器计数器；
8、六个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒：
12、看门狗定时器；
13、双数据指针：
14、掉电标识符。
3．1.2引脚说明
PO口：
PO口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对PO端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外～部程序和数据存储器时，PO口也被作为低8位地址数据复用在这种模式下，PO不具有内部上拉电阻。
在fash编程时，四口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
Pl日：
PI口是一个具有内部上拉电阻的8位双向四口，pl输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
此外，P10和Pll分别作定时器计数器2的外部计数输入（PIMZ和定时器计数器2的触发输入（PI．ITZEX）在fash编程和校验时，PI口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2定时器计数器们的外部计数输入），时钟输出
P1.1TZEX（定时器计数器TZ的捕捉重载触发信号和方向控制）
P1.5MOS（在系统编程用）
P1.6MSO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
PZ口是一个具有内部上拉电阻的8位双向四口，PZ输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对PZ端口写“1”时’内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IID。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外音数据存储器（例如执行MOVX＠DPTR）时，PZ日送出高八位地址。
在这种应用中，PZ日使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX＠RD访问外部数据存储器时，PZ口输出PZ锁存器的内容。
在fash编程和校验时，PZ口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3日是一个具有内部上拉电阻的8位双向四口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为AT89852特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在f小h编程和校验时，P3日也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.lTXD（串行输出口）
P3.2NTO（外中断0）
P3.3INTI（外中断1〕,
P3.4TO（定时计数器0）
P3.511定时计数器D
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3日还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号.
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG;当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允：
许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FIASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PR（0）。
如有必要，可通过对特殊功能存储器（SFR）区中】的SEH单元的1刀位置位，可禁止：
ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时，应设置AE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89552由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PS的信号。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H·FFFFH）EA端必须保持低电平（接地）需注意的是：
如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端）CPu则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储编程器时，该引脚加上＋ZV的编程允许电源V叩，当然这必须是该器件是使用ZV编程电压师Vpp.
ⅪALI：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTALZ：
振荡器反相放大器的输出端.
3.2LED点阵
LED是发光二极管LghtEmttingD0de的英文缩写，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。
其内部主要为一个PN结，当PN结内的电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级电子将多余的能量以光子的形式释放出来产生电致发光现象，发光颜色与其基底的材质元素有关。
常用材料有C咖（砷化镓）红光材料，C疋（磷化镓）绿光材料，CN（氮化镓）蓝光材料。
LED的类型包括直插型、表贴三合一、表贴三拼一、亚表贴、点阵模块。
LED点阵模块是一个或多个］ED发光二极管作为一个像素单元按一定的规律排列而成的集合体，通常有88点阵块，166点阵块等。
图45是一个单色8*8从图上看，88点阵共需要供个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置地电平时，则相对应的二极管就亮。
本设计采用此类点阵模块.
3.374HC595
3.3.1概述
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压ITL电路，遵守JEDEC：
标准。
74日C595具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分开的时钟控制。
数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入端（D）和个串行输出端（Q7）和一个异步的低电平复位。
存储寄存器是一个并行8位的具备三态总线输出功能的存储器，当使能OE时（为低电平）存储寄存器的数据输出总线。
8位串行输入输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态.
4.主要功能模块的实现及调试方法
4.1字符显示模块
显示屏上图形和字符的显示都是由一个个亮或灭的点（像素）组成的，文汉字的最小的显示单元一般采用16×6点阵，以最小显示单元为基础可以增加显示像素，选取的像素点越多，字体或图形显示的越细腻。
英文字符的显示可以选用88点阵、8×6点阵或是以此为最小单元增加像。
本设计采用6×16点阵为显示单元，如图51所示。
由于‘中文字符的显示采用1616点阵块模块，所以采用四块88的点阵拼接！
作为显示的基本单元，同时考虑到控制方式和显示方法，四块点阵块的级联采用在同一行上的所有行控制端连接到一起，在同一列上的所有的列控制端连接到起。
显示方式采用逐行扫描逐列送数的方式显示。
在显示字符的时候首先确定行选择端，然后把所有在同一行上的列的数据通，过L0口送到列的控制端。
其实现方法是通过叫HC595的串行数据端实现数据的传，送，单片机通过提取的字符的显示信息确定所在行的数据，通过接在行输出端的，74HC595实现行的控制，然后列的数据以同样的方法通过74Hc595的串行数据输，出功能把数据送到相应的控制端口［间。
由于人眼有视觉残留，所以在不同的时，刻扫描不同的行列就能实现字符的显示，此原理也就相当于把每一个字符的不同，点拼接到一起，由于时间间隔非常短所以我们会认为是一起显示的。
四块LED点，阵共有16个行控制端和6个列控制端，因此为了节省单片机的0口资源用两片，74HC595作为行控制端的0数据输出口，两片74HC595作为列控制端的数据输出口。
4.2单片机系统及外围电路
单片机采用MSC―5或其兼容系列芯片，采用24Ⅷ2或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。
单片机的串口与列驱动器相连用来显示数据。
PI口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P15～P17日则用来发送控制信号。
PO日和PZ日空着，在有必要的时候可以扩展系统的RN和RAMO16×16的点阵显示屏的硬件原理图如图：
列驱动电路有集成电路74日C595构成。
它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的
74HC595的外形及内部结构如图3所示。
它的输入侧有8个串行移位寄存
器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚5是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将5的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。
SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰芯片的输出端为QA-QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
4.4行驱动电路
单片机PI口低4位输出的行号经46线译码器74时54译码后生成16
行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动6列的LED进行显示，按每一中D器件20MA电流计算，6个吧D同时发光时，需要32MA电流，选通三极管8550作为驱动管可满足要求。
4.5显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器TO重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1／6扫描显示屏的刷新率帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频=1／16×TO溢出率
=1/16xf/12（65536-t）
其中f位晶振频率，t为定时器TO初值（工作在16位定时器模式）然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图
总结
经过前期的资料准备以及设计规划构思中期长时间的软硬件调试和后期的完善工作。
本次中D点阵屏的设计圆满完成任务，实现了预期的功能，即能在一定的距离范围内显示信息，而且显示的信息量能满足日常的工作需要，点阵屏能实现时时刷新信息的功能，整体系统运行稳定，没有存在死机和发热严重的现像。
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