电子广告牌设计毕业设计.docx
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电子广告牌设计毕业设计
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1绪论1
1.1LED点阵显示屏概述1
1.2研究内容2
2总体结构和硬件电路设计4
2.1总体框图及工作原理3
2.2硬件电路设计5
2.2.1单片机选型5
2.2.2单片机最小系统8
2.2.3LED点阵屏驱动设计10
2.2.4串口通信电路设计13
3单片机软件设计17
3.1软件设计环境17
3.2点阵屏显示程序17
3.2.1驱动芯片的控制程序17
3.2.2点阵屏显示的移动算法18
3.2.3点阵屏动态扫描显示20
3.3串口通信程序设计21
4上位机软件设计25
4.1上位机开发环境介绍25
4.2汉字点阵的编码原理及提取方法25
4.2.1汉字点阵的编码原理25
4.2.2汉字点阵的提取方法26
4.3上位机界面的设计27
4.4VB程序编写28
4.4.1字模转换程序28
4.4.2串口传输程序28
5设计仿真31
5.1仿真软件的简介31
5.2仿真软件的使用32
5.3仿真结果33
6总结35
参考文献36
致谢37
附录38
绪论
1.1LED点阵显示屏概述
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。
LED显示屏按颜色分为：
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。
LED显示屏按显示器件分为：
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。
LED显示屏按使用场合分为：
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。
LED显示屏按发光点直径分类
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。
我国的LED显示屏市场从上世纪90年代后期开始一直保持着增长的势头，1998年-2000年间，年增长率基本在30%以上。
2000年-2006年，每年的增长幅度在15%左右，2007年是近年增长最快的一年，增幅在40%以上。
2007年，全国LED显示屏的市场规模达到了72亿元。
近几年来都一直保持着一个迅猛的发展势头。
随着LED器件材料性能的不断提高，LED显示屏的应用领域和应用深度都必将猛扩大和加深，其中全彩色显示屏、半导体照明交通信号、汽车等特种领域有巨大的市场，蕴含巨大的商机。
图1.1LED电子显示屏应用示例
1.2研究内容
主要研究单片机控制系统的设计、LED显示屏驱动电路、单片机控制程序、VB上位机程序、串口通信部分程序、LED点阵屏的动态扫描技术。
LED显示屏与PC的数据传输方式有串行和并行两种，而使用串行传输可有效减少硬件设计的复杂程度，同时传输率也能得到保证。
数码管动态扫描技术早已得到广泛应用，以外的数码管显示还是停留在静态显示，即每一位数字显示都需要对应9个引脚控制，这无疑对硬件设计造成压力。
如一个8*8的点阵屏也是用静态显示技术，那么最少需要65根控制引脚。
采用动态显示技术后，能将引脚数减少到16根。
远程控制即可以通过数据传输，控制端使用通信技术或者遥控技术，对目标器件进行控制。
实现的功能：
当在VB界面输入想要显示的汉字是，VB程序通过处理后讲信息发送给单片机，最后单片机将汉字显示在点阵屏幕上。
并且当显示汉字多于两个时，进行左移的动态显示。
2总体设计与分析
2.1设计的总体框图
图2.1系统组成框图
上位机VB软件将要显示的汉字进行转化、提取，通过串口通信传递给单片机，单片机通过驱动电路将汉字显示出来。
汉字点阵数据采用现成的字库芯片，需要通过汉字的机内码作地址来取出相应汉字的点阵字模数据。
因此上位机软件的任务就是：
将待显示的字符转换成对应的标准机内码，并把操作者对下位机显示方式、速度等进行设置的常数，通过RS232总线按一定的通信协议一起发送到下位机。
MAX232的作用就是实现电平的转换，使得单片机和上位机之间能够正常通信。
下位机为单片机，单片机将接收到的机内码通过驱动点亮点阵屏。
由于采用的是8×8的点阵屏，所以要采用驱动的方式使得点阵屏能够正常的工作，显示汉字。
两个汉字的点阵屏为16×32的分辨率，行驱动是将16行转化成4行与单片机连接。
列驱动将32列通过所选的芯片级联起来，与单片机连接起来。
2.2硬件电路的设计
2.2.1单片机的选型
51单片机的CPU实现了冯·诺依曼所设想的计算机中的运算器和控制器的功能，是单片机最核心的部件。
CPU包含：
算术逻辑单元（ALU）、定时控制器、专用寄存器组。
单片机的存储器特点之一就是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址方式和寻址单元，这种结构叫做哈佛结构。
与通用微机的存储结构不同，一般微机只有一个地址空间，可以随意安排ROM和RAM，访问数据段和代码段时采用同样的指令，这种传统的是存储器结构称之为普林顿斯结构。
存储器主要包括：
程序存储器ROM,单片机之所有强大的处理功能，就是需要软件程序的支持，而程序员将设计好程序经过编译后写入ROM，当单片机开始运行时，CPU就对ROM里面的指令进行调用，从而实现预期中的功能。
片内RAM，虽然51单片机内设的RAM字节并不是很多，但却起着十分重要的作用。
RAM又可以分为3个区域：
工作寄存器区、位寻址区和便笺区（用户区）。
51系列单片机拥有4个并行I\O端口，分别为P0、P1、P2和P3，每个端口都是双向功能，即能够从端口输入数据和输出数据。
51单片机还有定时器/计数器结构，中断系统。
这两个功能在本系统中极为重要，定时器/计数器通过程序控制辅助数码管的倒计时显示；中断系统的外部中断接收红外对管的信号，响应中断处理程序。
51单片机还具有一个全双工的可编程串行口，可以实现8位数据的发送和接受。
它有两个在物理结构上独立的发送接受寄存器，同时具备发送接收功能，但是在本设计中不是主要说明对象，所以不作详细介绍。
设计中使用51系列单片机为核心控制器，51型单片机是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多种类，如8031、8051、8751、8951、8032、8052和8952等，其中8051是最早，最典型的产品。
目前所采用的8051并不限于Inter公司所生产的芯片，各大芯片生产厂商所推出的兼容芯片为主，如Amtel公司的89C51，STC公司的89S51等。
2.2.1.1STC89S52单片机结构
设计使用的是STC89S52RC单片机，原因是此款单片机具有众多优点。
●加密性强，难解密
●超强抗干扰
●超低功耗掉电模式：
<0.1μA
●空闲模式：
2mA
●正常工作模式：
4mA～7mA
●提供STC-ISP在线编辑系统，无需编辑器，无需仿真器，可省去购买编辑器、仿真器的昂贵资金，适合大众使用
●内置看门狗
STC89S52RC的基本结构与8051相同，但是比传统的8051单片机拥有更多的内部Flash，最高可达64KB。
片内SRAM容量同样是非常吸引的数字，最高可拥有1280Byte的SRAM。
而且还内置EEPROM存储器、AD转换等功能。
另外它还可以用串口直接仿真程序，不需要另外加用仿真器或者下载线。
2.2.1.2STC89S52单片机管脚功能
图2.289S52芯片管脚
●VCC：
接电源正极，一般输入电压为5V。
●GND：
接电源地端。
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
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4TTL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。
●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。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
●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，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
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（计数器0外部输入）
P3.5T1（计数器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
●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/PROG：
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指期间，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。
●/EA/VPP：
当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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。
2.2.2单片机最小系统
2.2.2.1单片机电源电路
电源电路不单单是为单片机运行提供工作电压，还需要对单片机的外围电路提供工作电源。
这里使用USB接口供电，这也是大多数单片机的供电方式。
具有USB接口的设备一般工作电压都为5V。
计算机上的USB接口（图3-2）可以输出稳定的+5V电压，最大额定电流为500mA，足以满足本设计的要求。
在设计的时候，需要注意电路不能出现短路，以免损坏电脑的USB接口。
图2.3USB接口
2.2.2.2单片机振荡电路设计
单片机的运行需要一个时钟频率，类似我们的计算机的CPU主频的高低，现在计算机的CPU一般用GHz来左单位。
而我们的51单片机常用到的时钟频率有12MHz，11.0592MHz，这些时钟频率都是依靠外部晶振产生的。
晶振连接到单片机的XTAL1、XTAL2引脚处。
电路上的晶振旁有两个无极性电容，容量为33P。
这两个电容称晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。
晶振的负载电容=[（Cd*Cg）/（Cd+Cg）]+Cic+△C（3.1）
式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。
设计需要考虑到串行通信的使用，为了减少误码率提高通信质量，因此选用11.059MHz晶振。
图2.4单片机振荡电路
2.2.2.3单片机复位电路设计
复位是单片机的初始化操作。
单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的状态，并从这个状态开始，因而，复位是一个很重要的操作方式，但是单片机本身不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。
本设计采用的是上电加按键手动复位，如图所示。
当复位按键按下后，复位端通过51欧姆的小店组与+5V电源接通，电容迅速放电，使得RST引脚为高电平；当复位键弹起后，+5V电源通过2KΩ电阻对22μF电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。
其持续时间取决于RC电路的时间常数。
图2.5单片机复位电路
2.2.3LED点阵屏驱动设计
2.2.3.116×32LED点阵的设计
显示一个简体汉字，至少需要16×16点阵来描述。
本设计采用4个8×8点阵的LED模块拼接成16×16点阵的LED阵列。
为了能更好的显示功能，模块多点是比较好的，但考虑到成本的问问题，所以本设计用8个8×8的LED模块拼接成32×16的矩阵。
即可以同时显示两个汉字。
。
图2.616X16点阵设计图
2.2.3.2LED点阵屏行驱动设计
设计的要求屏幕需要有32×16的分辨率，若使用8*8的点阵模块，则需要使用4块。
每一块点阵屏有16根引脚，4个点阵模块共有64根引脚。
采用动态扫描显示技术，也需要使用48个控制端。
单片机仅有的32个IO是不能满足设计的要求，而且单片机的IO负载只有20mA，这个负载能力只可以点亮一个LED发光二极管。
因此，需要借助一些驱动芯片完成设计。
16×32LED的点阵屏需要2行16个引脚，为了节省引脚可以采用一个4-16显译码器
74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。
74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。
该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。
任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。
当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。
图2.774HC154引脚图
将74HC154的A0-A3接到单片机的P1.0-P1.3口，Y0-Y15分别接点阵的每一行，这样就能控制点阵屏的每一行了。
图2.8点阵屏行驱动
2.2.3.3LED点阵屏列驱动设计
驱动芯片作用是扩展单片机的IO口，同时为点阵屏提供工作电流。
设计选用74HC595串入并出芯片。
将点阵屏划分为16行、32列。
下面对这款74系列的芯片作介绍：
图2.974HC595引脚图
上图为74HC595是一款8位的串入并出、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。
寄存器和锁存器分别有各自的时钟输入（SCLR和SCK），都是上升沿有效。
当SCLK从低到高电平跳变时，串行输入数据（SDA）移入寄存器；当SLCK从低到高电平跳变时，寄存器的数据置入锁存器。
清除端（CLR）的低电平只对寄存器复位（QH为低电平），而对锁存器无影响。
当输出允许控制（EN）为高电平时，并行输出（Q0～Q7）为高阻态，而串行输出（QH）不受影响。
74HC595最多需要5根控制线,即SER、RCK、SCK、SCLR和G。
其中第13引脚（G）连接到电源地，第10引脚（SCLR）连接电源正极。
把其余三根线和单片机的I/O相接，第12引脚（RCK）连接到单片机的P35，第11引脚（SCK）连接到单片机的P36第12引脚（RCK）连接到单片机的P35，第14引脚（SER）连接到单片机的P37，即可实现控制。
74HC595与点阵屏的列引脚连接前还需串联20欧姆的限流电阻，其中用是保护点阵屏中的LED发光二极管，延长点阵屏的显示寿命。
图2.10单片机列驱动
上图为单片机列驱动部分的原理图。
四个74LS595级联，四个部分的Q0-Q7总共32条引线分别为点阵屏的列，这样就可以通过单片机控制点阵屏的每一列了。
2.2.4串口通信电路设计
设计要求计算机与单片机能实现互相通信，而串口通信是单片机设计开发中最常用的通信接口。
单片机内置Uart串口通信控制器，因此可以通过串口方便地与计算机进行数据的交换。
2.2.4.1串口通信电路芯片介绍
MAX232芯片是一款由美信（MAXIM）公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。
常用于单片机的串口通信的电平转换。
内部结构基本可分三个部分：
1）电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
2）数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
3）电源输入。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
本设计就是利用MAXIM公司的单电源芯片MAX232来完成单片机TTL到RS-232C电平的转换。
MAX232是单电源双RS-232C发送/接收芯片。
它符合所有的RS-232C技术规范，只要单一+5V电源供电；片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；低功耗，典型供电电流5mA；内部集成2个RS-232C驱动器，内部集成2个RS-232C接收器。
采用单一+5V电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS-232C通信接口，硬件接口简单，所以被广泛运用。
MAX232的引脚排列及功能描述见表2.1（摘录自MAX232官方数据手册）
表2.1MAX232引脚功能
脚号
引脚名称
引脚功能描述
脚号
引脚名称
引脚功能描述
1
C1+
泵电容1正极
9
R2OUT
第二组TTL/CMOS电平输出
2
V+
正电源滤波
10
T2IN
第二组TTL/CMOS电平输入
3
C1-
泵电容1负极
11
T1IN
第一组TTL/CMOS电平输入
4
C2+
泵电容2正极
12
R1OUT
第一组TTL/CMOS电平输出
5
C2-
泵电容2负极
13
R1IN
第一组RS-232电平输入
6
V-
负电源滤波
14
T1OUT
第一组RS-232电平输出
7
T2OUT
第二组RS-232电平输出
15
GND
地
8
R2IN
第二组RS-232电平输入
16
VCC
电源+5V
图2.11MAX232封装
2.2.4.2串口硬件电路设计
MAX232的基本电路需要的4个电容为升压作用，将单片机输入的点评信号转换为±12V的传输电平，以达到RS-232通信标准。
将无极性104电容连接到MAX232的第1、3引脚，第4、5引脚，第6引脚经过104后连接电源地，第2引脚经过104后连接电源正极。
引脚9与单片机的Rx（第10引脚）相连接，引脚10与单片机的Tx（第11引脚）相连接。
经过电平转换后的信号，MAX232上的第7引脚连接到串行通信接口的第2针，第8引脚连接到串行通信接口的第3针。
还需要将串行通信接口的第5引脚与MAX232电源共地连接。
图2.12串口电路设计
3单片机软件设计
3.1软件设计环境介绍
本系统的处理器是兼容8051指令集的高速单片机STC12C5412AD。
为此，首选KeilμVision作为其开发工具。
Keil μVision是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
其功能强大，生成的代码紧凑，是目前世界上使用最广的51系列兼容单片机开发工具。
本设计中，单片机软件是采用C51语言编写，C51语言是ANSIC的扩展集，其语法结构、关键字等与ANSIC绝大部分是相同的。
与汇编相比，C51语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势
3.2点阵屏显示程序
3.2.1驱动芯片的控制程序
8位数据从SER口送入74HC595，在每个SCK的上升沿，SER口上的数据移入寄存器。
在SCK经过第9个上升沿，数据开始从QH移出。
如果把第一个74HC595的QH和第二个74HC595SER相接，数据即移入第二个74HC595中，按照如此规律，数据会一个连接一个传下去。
当数据全部按照移位送完后，给RCK一个上升沿，寄存器中的数据即置入锁存器。
此时如果G为低电平，8位数据从Q0～Q7输出，把Q0～Q7与LED点阵的列项连接，当某行为低电平时，该行的LED等会按照输出电平点亮。
程序流程图（图4.1）如下：
Y
N
图4.174HC595控制程序流程图
程序设计使用for循环8次，将1字节数据按照从低位到高位输出。
开始将同步移位时钟置为低电平，向数据位输出1位数据，接着同步移位时钟置为高电平，对需要发送的字节作右移位处理。
经过8次移位过程，完成1字节的发送。
3.2.2点阵屏显示的移动算法
本设计的LED点阵屏幕，可以对信息实现动态显示，字符从右侧往左侧移动。
移动算法分析：
显示的定义为uchardisplay[][32]，这里表示了要显示一个完整的字符，需要32个字符型数据。
为什么呢?
因为显示一个完整的字符需要四块点阵，每
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