LED点阵显示屏二Word格式文档下载.docx
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目录
1绪论1
1.1课题背景和研究的意义1
1.2LED点阵显示屏的发展过程1
1.3LED点阵显示屏的分类2
1.4LED显示屏的应用实例3
1.5课题任务及要求3
2LED显示屏的总体方案设计与分析4
2.1显示单元的设计4
2.2传输方式和可扩展性的设计4
2.3扫描方式的设计4
2.4滚屏的实现5
2.5字模数据的存储方式5
2.6上位机与主控单片机的通信、实时时间和温度采集的设计6
2.7信号的衰减和抗干扰设计6
2.8系统总体结构框图7
2.9系统的工作过程7
3LED显示屏的硬件设计8
3.1主控单片机电路8
3.1.1AT89S52单片机介绍8
3.1.2AT89S52单片机的标准功能8
3.1.3单片机的复位电路9
3.1.4单片机的时钟振荡电路10
3.2LED显示单元电路11
3.3行、列驱动电路12
3.3.1行驱动电路12
3.3.2列驱动电路14
3.4存储器的扩展电路16
4LED显示屏的软件设计18
4.1开发工具介绍18
4.2程序流程图20
4.2.1主程序流程图20
4.2.2静态模式程序流程图21
4.2.316×
16上滚模式程序流程图21
4.2.432×
32左滚模式程序流程图22
4.2.5时间模式程序流程图23
4.2.6主程序初始化程序流程图25
5系统的仿真26
5.1Proteus仿真软件的介绍26
5.2显示屏系统仿真的效果26
5.2.1静态模式下的仿真效果26
5.2.216×
16上滚模式下的仿真效果28
5.2.332×
32左滚模式下的仿真效果29
5.2.4时间模式下的仿真效果30
6PCB印刷电路板的设计33
6.1PCB设计软件Protel99SE介绍33
6.2元件布局及PCB整体结构工艺33
6.3布线工艺与准则33
6.4PCB实物照片35
7LED显示屏的整体调试39
7.1LED显示单元板和主控板的焊接组装39
7.2整体调试41
7.2.1LED显示屏的调试41
7.2.2通信单片机的通信调试41
7.2.3主控板的整体调试42
7.3实际显示效果图42
7.4系统升级方案探讨45
参考文献47
总结48
附录ⅠLED点阵显示单元电路图49
附录ⅡLED点阵显示屏系统主控板电路图50
附录ⅢLED显示屏系统元件清单51
附录ⅣLED显示屏系统设计作品实物52
附录Ⅴ设计作品实际效果图54
附录Ⅶ主控单片机程序清单57
1绪论
1.1课题背景和研究的意义
随着社会的飞速发展以及人们生活水平的不断提高，作为人机信息视觉传播媒体的LED点阵显示屏以其高亮度、低工作电压、小功耗、长寿命等优点迅速成长为平板显示的主流产品。
LED点阵显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像以及视频流媒体，它不仅可以用于室内环境，如金融证券、体育场馆、邮政电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；
还可以用于复杂、恶劣的室外环境，如道路交通、商铺的广告灯箱以及广场宣传等，而且其应用于室外环境时具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
LED点阵显示屏是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统，是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，也是目前国际上极为先进的显示媒体，所以LED点阵显示屏的发展前景是被公认为最具潜力也是最广阔的。
1.2LED点阵显示屏的发展过程
第一阶段，1990年以前是LED显示屏的成长时期。
一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展；
另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。
这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。
第二阶段，1990~1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。
进入九十年代，全球信息产业高速发展，信息技术的各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。
蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场。
电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏需求量的大幅增长。
LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，成为新兴的高科技产业。
第三阶段，1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高、产业格局基本完善的时期。
进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功、上海世博会的召开等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展。
1.3LED点阵显示屏的分类
⑴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。
⑵按显示器件分类
LED数码显示屏：
显示器件为7段数码管，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：
显示器件是许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于显示文字、图像信息。
⑶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、防尘等功能。
⑷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。
1.4LED显示屏的应用实例
LED条形屏应用实例如图1.1所示。
图1.1LED条形屏应用实例
LED图文屏应用实例如图1.2所示。
图1.2LED图文屏应用实例
1.5课题任务及要求
本设计主要利用AT89S52单片机控制大小为128×
32的LED点阵显示屏显示文字信息，通过与VB编写的上位机软件进行串行通信，可以随时改变LED显示屏的显示内容和显示方式。
设计一个LED显示屏，应具有以下功能：
⑴同时显示两行共16个16×
32点阵汉字。
⑵可以有多种文字的运动方式和显示样式，如文字的上移、下移、左移、右移等，以及阴文和阳文样式。
⑶在显示汉字信息的同时，可以实时显示时间、日期、温度等信息。
2LED显示屏的总体方案设计与分析
2.1显示单元的设计
用LED点阵模块显示一个汉字字符，通常需要4块8×
8的点阵模块组合成大小为16×
16的LED点阵显示矩阵来实现。
考虑到驱动电路的能力和安装更换的方便，本设计将8块8×
8的点阵模块组合成大小为32×
16的LED点阵显示矩阵作为一个LED显示单元来使用。
根据设计要求，整个屏幕应能同时显示两行共16个16×
因此本设计需要用8个LED显示单元模块拼接成大小为128×
2.2传输方式和可扩展性的设计
本设计要求的LED显示屏大小为128×
32。
如果采用并行的数据传输方式，这就需要相当多的列数据线，一方面需要占用主控单片机大量的I/O端口，另一方面因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，为日后扩展升级带来极大的麻烦，而且采用并行的数据传输方式会造成每个显示单元的电路结构不同，进而导致单元板PCB电路结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。
因此摒弃了传统的并行传输方式，采用独特的串行锁存技术，本设计中通过控制四根控制总线就能实现各显示单元之间的列数据的锁存。
采用串行锁存技术的的优点：
⑴每个显示单元的电路结构完全相同，不涉及到列数据的地址分配，降低了PCB布局及布线的难度。
⑵每个显示单元的PCB结构都是完全一样的，可以方便于批量生产，降低了成本。
⑶可以随意改变显示单元的在整个显示屏中的位置，安装、维修方便简单。
2.3扫描方式的设计
LED点阵显示系统中的显示方式可分为静态和动态显示两种。
静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线繁多复杂。
动态显示采用动态扫描的方式工作，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。
这种动态扫描的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。
在动态扫描的显示过程中，扫描相隔最远的两行所占用的时间存在一个阈值，超过个阈值就会导致在扫描到最后一行的时候，人眼已经看不到第一行视觉暂留的影像，因此一个周期内扫描的行数太多就会导致显示屏整体有明显的闪烁感；
一周期内扫描的行数太少，又会增加串行数据输入口的个数。
综合考虑AT89S52单片机的运算速度和I/O端口资源分配情况，采用1/16的动态扫描方式，即扫描的行数为16，这样将显示屏分为上、下两个屏，每个屏大小为128×
16，两屏同时进行1/16动态扫描显示文字字符信息。
2.4滚屏的实现
文字字符的显示位置在屏幕上实现方向性的移动，即称为“滚屏”。
滚屏可以由硬件电路来实现，但完全依靠硬件电路来实现滚屏无疑增加了设计难度和额外的硬件成本，而且对日后系统的维修和升级也带来很大的困难，因此本设计采用软件算法实现静态、左滚屏、上滚屏和静态加左滚动混合等常见滚屏方式。
用软件算法来完成各种滚屏方式，实际上是对显示缓冲区的显示数据进行运算处理，由于AT89S52的内部RAM只有256B，不能满足本设计的128×
64显示屏对显示缓冲区大小要求，因此本系统扩展了外部RAM。
采用软件算法来完成各种滚屏效果，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。
2.5字模数据的存储方式
对于字模数据存储方式的问题，目前使用最广泛的技术是：
通过上位机软件将待显示的字符转换为点阵字模数据，再通过烧写的方式将这些字模数据按一定的顺序编址后存储在非易失性的存储器中。
在扫描显示的过程中按规定的方式取出保存在非易失性存储器中的字模数据，再进行处理。
对于一个16×
16点阵的汉字字模数据而言，需要连续读取32字节的字模数据，因此对非易失性存储器的读取速度就要有很高的要求，若读取速度太慢，那么LED显示屏会因为字模数据加载时间过长而造成整体显示的闪烁。
常见的非易失性存储器的存储方式主要分为SPI、I2C和并行等存储方式。
由于AT89系列单片机没有SPI、I2C接口，若要使用SPI、I2C这类总线协议的存储器，就需要用软件模拟SPI、I2C总线的时序，这样也会占用一定的时钟周期，降低了字模数据的读取速度。
因此设计采用并行的数据存储方式。
2.6上位机与主控单片机的通信、实时时间和温度采集的设计
在实际使用中，更改显示内容和显示方式需要主控单片机与上位机通信，主控单片机将上位机发送过来的控制信息和字符的字模信息保存在FLASH存储器中，以保证在断电时信息不会丢失。
设计要求中还需要显示实时时钟和实时温度信息，这就需要对时钟芯片和温度传感器进行实时的数据采集，如果这些任务全部交给主控单片机来完成，肯定会导致整个动态扫描程序周期变长，从而导致显示屏整体的闪烁，甚至无法完整的显示一屏文字信息。
为了减轻主控单片机的负担，本设计的通信、实时时钟和实时温度采集的任务由通信单片机来完成，当主控单片机需要显示实时时钟和实时温度信息时，通过发出读取连络信号，就可以在相应的缓冲区中取出当前的时钟和温度信息，将这些信息转换为相应的字模数据，并在显示屏上扫描显示出来。
2.7信号的衰减和抗干扰设计
由于控制信号和字模数据信号是经过LED显示单元一级一级向后传递的，如果显示屏有很多个显示单元，那么控制信号和字模数据将会有不同程度的衰减，衰减的信号将容易受到干扰，造成显示信息的破坏。
因此系统在每一级的显示单元都加入了总线驱动芯片，以保证控制信号和字模数据有足够的功率传递到下一级显示单元。
此外，由于LED显示屏的工作电流受显示内容和显示方式的影响，因此整个系统的工作电流也在时刻变化，这就造成了系统电压的波动。
这种电压波动中含有高频成分，也含有低频成分，轻则会对周围无线电环境造成电磁污染，重则使系统时钟紊乱，逻辑错误。
这种干扰同样也会导致显示信息的破坏。
为解决这一问题，在每个显示单元的电源和地的旁边并联了两个电解电容，过滤掉电源中的高频脉动成分，稳定了系统的电源电压。
2.8系统总体结构框图
通过上述对各种方案的比较与分析，构建系统总体结构框图如图2.1所示。
图2.1系统总体结构框图
因为本设计中的上、下显示屏同时进行1/16动态扫描，所以上、下两屏共用相同的行扫描信号。
系统中扩展的FLASH存储器和外部RAM共用相同的8位并行数据总线和16位地址总线。
在新数据下载、实时时间和实时温度采集时，通信单片机与主控单片机之间通过两条联络信号线DOWN和BUSY互相配合协助完成数据的传递。
2.9系统的工作过程
主控单片机在上电初始化完毕后会等待通信单片机发出启动信号，主控单片机检测到启动信号后，从FLASH存储器中读取控制信息，再根据控制信息执行对应模式的显示任务。
当有新的控制信息和字模数据下载时，通信单片机向主控单片机发出新数据下载信号并等待主控单片机完成新数据下载前的准备工作，主控单片机准备完毕后，向通信单片机回应准备完成信号，并等待通信单片机完成接收。
当通信单片机接收完成后，再次向主控单片机发出启动信号，主控单片机重新开始执行对应模式的显示任务。
3LED显示屏的硬件设计
3.1主控单片机电路
3.1.1AT89S52单片机介绍
本设计采用AT89S52单片机，AT89S52是美国ATMEL公司生产的51系列单片机，它是一种低功耗、高性能8位CMOS微控制器，具有8K系统可编程FLASH存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上的FLASH不仅允许程序存储器在常规编程器上编程，还适用于在线编程下载，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
3.1.2AT89S52单片机的标准功能
AT89S52具有以下标准功能：
⑴8k字节FLASH；
⑵256字节RAM；
⑶32位I/O口线；
⑷看门狗定时器；
⑸2个数据指针；
⑹三个16位定时器/计数器；
⑺一个6向量2级中断结构；
⑻全双工串行口；
⑼片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52的工作频率可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式：
空闲模式和掉电保护模式。
在空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；
在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器停止振荡，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
采用DIP-40封装的AT89S52单片机实物图如图3.1所示，引脚定义如图3.2所示。
图3.1采用DIP-40封装的AT89S52单片机实物图
图3.2采用DIP-40封装的AT89S52单片机引脚定义
3.1.3单片机的复位电路
单片机的复位电路如图3.3所示。
图3.3单片机复位电路
RST是单片机的复位引脚，当单片机在上电的瞬间，由电阻R2和电容C14组成的RC电路开始充电，由于电容上电压不能突变，所以RST引脚出现高电平。
RST引脚出现的高电平将会随着对电容C14充电过程而逐渐回落，最终C14充电完毕，RST引脚上的电压为0，完成单片机的复位操作。
3.1.4单片机的时钟振荡电路
单片机的时钟振荡电路如图3.4所示。
图3.4单片机的时钟振荡电路
时钟电路在单片机系统中起着非常重要的作用，可以说它是单片机的心脏，用于产生单片机工作时所需要的时钟信号，控制着单片机的工作节奏。
在AT89S52单片机的内部有一个用于产生振荡的高增益反相放大器，XTAL1和XTAL2引脚和分别为此放大器的输入端和输出端，其振荡频率的范围为1.2~24MHz，该放大器与作为反馈元件的片外晶体Y1一起构成自激振荡器，电容C15、C16作为谐振电容，主要起帮助振荡器起振的作用。
由于C15、C16的电容值对振荡频率也有影响，因此常用调节谐振电容容量大小的方法对时钟信号频率进行微调，C15、C16的典型值为30pF。
3.2LED显示单元电路
由于本设计的LED显示屏是在室内使用的，所以对LED点阵模块的亮度要求不是很高，本设计采用单色Φ3mm点阵模块LG12088BH，这种点阵模块的的亮度不仅可以满足室内使用的要求，而且它最大的优点是单位面积内发光像素点较多，因此这种点阵模块的分辨率较高，即使在较近的距离也可以很清晰地显示文字信息，此外，多个点阵模块拼接组合后的显示屏体积也很小，摆放或悬挂更方便自由。
单色Φ3mm点阵LG12088BH实物图如图3.5所示。
图3.5单色Φ3mm点阵LG12088BH实物图
LED显示单元电路是由多个LED点阵模块按照同名行和同名列的相连方法连接组合而成的。
LED显示单元电路图如图3.6所示。
图3.6LED显示单元电路
3.3行、列驱动电路
3.3.1行驱动电路
行驱动电路主要由行选通电路和行功率驱动电路两部分组成。
行选通电路：
行选通电路采用3-8译码器74HC138来实现，用两个74HC138扩展成一个4-16译码器，为LED显示单元进行1/16动态扫描提供行扫描信号。
74HC138的引脚定义如图3.7所示。
图3.7译码器74HC138的引脚定义
行功率驱动部分：
由于显示单元的一行像素点较多，这就需要很大的驱动电流，所以采用LED专用驱动芯片4953来实现，4953的内部是两只大功率的MOSFET，每一个MOSFET最大驱动电流可达5A。
4953的管脚定义如图3.8所示。
图3.8LED驱动芯片4953的引脚定义
行驱动是驱动电路的关键，LED显示单元的绝大部分功率消耗都是由行驱动电路提供的，所以LED显示单元必须要有一个稳定功率输出的行驱动电路。
LED显示单元的行驱动电路如图3.9所示。
图3.
升级会员 