基于单片机的大屏幕LED显示技术.docx

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基于单片机的大屏幕LED显示技术

摘要

本设计为LED大屏幕显示系统，系统由主控模块、电源模块、时钟模块、显示模块、键盘模块、汉字点阵芯片模块、总线传输模块七部分组成。

通过对汉字内码的分析，系统以LED显示屏的显示电路、汉字点阵芯片电路和单片机控制电路为核心，设计一种具有通过键盘用汉语拼音输入法输入汉语拼音，利用相应程序通过编码检索，在显控系统中实时输入汉字，并在LED显示屏上显示。

该系统具有运行可靠、安全、节能、成本低、使用方便的特点。

关键字：

单片机，智能显示屏，汉字点阵芯片

ABSTRACT

ThedesignfortheLEDlargescreendisplaysystem,thesystembythecontrolmodule,powermodule,clockmodule,displaymodule,keyboardmodule,characterdot-matrixchipmodules,bustransfermodulecomposedofsevenparts.ThroughtheanalysisofChinesecharacterswithinthecode,thesystemLEDdisplaytodisplaycircuit,theChinesecharacterdot-matrixcircuitandmicrocomputerchipcontrolcircuitasthecore,designedakindofkeyboardinputusingPinyininputmethod,usetheappropriateprocedurecoderetrieval,intheDisplayandControlSysteminreal-timeinputChinesecharacters,andLEDdisplay.Thesystemisreliable,safe,energysaving,lowcost,easytousefeatures.

Keywords:

single-chipmicrocomputer，Intelligencedisplays,Chinesecharacterdotchip

第一章绪论

我国开始使用单片机是在1982年，短短五年时间里发展极为迅速。

1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。

截止今日，单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。

与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由单片机界的权威何立民主编的《单片机与嵌入式系统应用》杂志现以风靡电子界，在2003年7月，（91猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。

一块小小的片子，为何有这样的魔力？

我们首先从它的构成说起：

单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。

微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？

纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。

以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。

在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。

这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。

所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。

据统计，我国的单片机年容量已达1——3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。

特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。

所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。

1970年代最早的gap、GaAsP同质结红、黄、绿色低发光效率的LED已开始应用于指示灯、数字和文字显示。

从此LED开始进入多种应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门和千家万户。

到1996年LED在全世界的销售额已达到几十亿美元。

尽管多年以来LED一直受到颜色和发光效率的限制，但由于GaP和GaAsPLED具有长寿命、高可靠性,工作电流小、可与TTL,CMOS数字电路兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青眯。

最近十年，高亮度化、全色化一直是LED材料和器件工艺技术研究的前沿课题。

超高亮度（UHB）是指发光强度达到或超过100mcd的LED，又称坎德拉（cd）级LED。

高亮度A1GaInP和InGaNLED的研制进展十分迅速，现已达到常规材料GaA1As、GaAsP、GaP不可能达到的性能水平。

1991年日本东芝公司和美国HP公司研制成InGaA1P620nm橙色超高亮度LED，1992年InGaA1p590nm黄色超高亮度LED实用化。

同年，东芝公司研制InGaA1P573nm黄绿色超高亮度LED，法向光强达2cd。

1994年日本日亚公司研制成InGaN450nm蓝（绿）色超高亮度LED。

至此，彩色显示所需的三基色红、绿、蓝以及橙、黄多种颜色的LED都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化，使发光管的户外全色显示成为现实。

我国发展LED起步于七十年代，产业出现于八十年代。

全国约有100多家企业，95%的厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部从国外进口。

通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国LED的生产技术已向前跨进了一步。

大屏幕显示是超高亮度LED应用的另一巨大市场，包括:

图形、文字、数字的单色、双色和全色显示。

在表2中列出了LED显示的各种用途。

传统的大屏幕有源显示一般采用白炽灯、光纤、阴极射线管等；无源显示一般采用翻牌的方法。

表3列出了几种显示的性能比较。

LED显示曾一直受到LED本身性能和颜色的限制。

如今，超高亮度AlGaInP、TS-AlGaAs、InGaNLED已能够提供明亮的红、黄、绿、蓝各种颜色，可完全满足实现全色大屏幕显示的要求。

LED显示屏可按像素尺寸装配成各种结构，小像素直径一般小于5mm，单色显示的每个像素用一个T-1（3/4）的LED灯，双色显示的每个像素为双色的T-1（3/4）的LED灯，全色显示则需要3个T-1红、绿、蓝色灯，或者装配一个多芯片的T-1（3/4）的LED灯作为一个像素。

大像素则是通过把许多T-1（3/4）红、绿、蓝色LED灯组合在一起构成的。

用InGaN（480nm）蓝、InGaN（515nm）绿和ALGaAS（637nm）红LED灯作为LED显示的三基色，可以提供逼真的全色性能，而且具有较大的颜色范围包括:

蓝绿、绿红等，与国际电视系统委员会（NTSC）规定的电视颜色范围基本相符。

随着社会科技的进步和传媒事业的发展，LED显示屏得到了广泛的运用。

LED显示屏受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。

这些优点概括起来是：

LED显示屏不仅画面亮度高、对比度大，色彩鲜艳，而且可显示动态画面和文字，它主动光发，远距离分辨率高，即使在百米以外，视觉效果跟在家里看电视一样，已广泛用于人流量多的公共场所、交通要道。

其功能除广告宣传外，还可发布信息，丰富人们的文化娱乐生活，是观众喜爱的信息传播媒体，在我国北京、上海、重庆等大城市已推，广应用，并收到了很好的效果。

而近期，国内著名的广告公司分众传媒、东方明珠移动纷纷进军户外LED市场，则更昭示了这一市场的勃勃生机。

据专家预测，今后几年全球各类LED显示屏需求每年均会达到几十亿美元，而且还在逐年递增。

而在中国，据全国光学光电子行业协会LED显示屏分会统计，去年LED显示屏全行业的销售额约为40亿元，随着加入WTO，又借助2008奥运会和2010年上海世博会带来更多的眼球经济，以及国家对环保问题的重视等多种利好因素的影响下，LED显示屏在体育、户外广告、交通等诸多领域的市场将有显著的增加。

专家预测认为：

国内市场LED全彩屏需求增长率将高达30%以上。

目前国际上著名的LED显示屏厂商有比利时的Barco、美国的Daktronics和Lighthouse等，国内比较好的的有上海三思、大连路明、深圳京东方、惠州德赛等。

我国LED显示屏产业的技术水平相对先进，主要产品和关键技术与国际同行业的先进水平能保持一致，但工艺水平比较落后，在产品规范化、整体系统设计、可靠性、制造工艺、检测测试手段等方面与国际先进水平有明显的差距。

这就突出体现了我们对LED智能显示屏的研究的重要意义。

在此背景下，本文介绍了一种简易的点阵LED显示屏控制系统。

系统采用上一下位机的结构构建，上位机PC可通过串行通信接口实现对下位机LED显示系统显示参数的设定，下位机以汉字点阵芯片电路、LED显示屏的显示电路和单片机控制电路为核心，实现点阵LED屏以多样化的方式显示各种信息的功能。

该屏具有运行可靠、安全、节能、成本低、使用方便的特点。

本设计采用AT89C52单片机作为系统的控制核心。

时钟功能采用晶振来实现，采用LED显示屏显示信息。

由于使用了单片机，整个系统可编程，系统的灵活性大大增加了。

第二章系统设计方案

2.1系统工作过程

系统上电自检后，实时实现信息的显示。

通过按键实现信息的移动显示、滚动显示、闪烁显示。

采用查询方式读按键，采用中断方式接收上位机传来所要显示汉字的内码。

系统通过内码计算出汉字在字库中的地址，以计算所得的地址提取汉字库中的汉字字模并取缔原来显示缓冲区的显示内容，从而实现信息的更新。

2.2系统总体框架设计

根据要求，初步确定系统由主控模块、电源模块、时钟模块、显示模块、键盘模块、汉字点阵芯片模块、总线传输模块七部分组成，电路的基本框图如图2.1所示。

图2.1系统总体框图

2.3系统模块方案的论证选择

2.3.1驱动芯片的选择

方案一：

采取并口输入，占用大量I/O口资源方案二：

选取串口输入，使用较少。

所以我们选用串口输入。

串口输入我们可以选用芯片有74HC595、74LS164、TPIC6B595。

但是74HC595和74LS164两种芯片必须加驱动才能驱动LED，而TI公司的DMOS器件TPIC6B595,除具有TTL和CMOS器件中移位寄存器595的逻辑功能外,其最大的特点是驱动功率大,可直接用作LED的驱动。

综合以上比较，我们选取TPIC6B595来驱动LED点阵。

2.3.2时钟模块的选择

方案一：

基本门电路搭建。

用基本门电路来实现时钟发生器，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。

方案二：

由晶振系统构成时钟，虽然产生的时钟不够精确，但系统简单，价格适宜。

方案三：

专用时钟芯片。

目前市场上已有很多实时时钟芯片，如DS12887、DS1302、DS1307等，这些时钟芯片虽然能够产生比较精确的时钟，但价格贵，所以不做选择。

经过以上的比较论证，选用方案二来完成项目设计的要求

2.3.3电源模块选择

方案一：

现在市场上有很多针对单片机的模块电源，其性能稳定，但是价格较高。

方案二：

采用整流、滤波和稳压元件设计电源，其性能相对稳定，能满足单片机供电电源的基本要求，并且具有价格低廉的优点。

综上所述,本系统采用方案二作为供电电源。

2.2.4汉字点阵芯片选择

方案一：

采用GT2X系列标准汉字点阵芯片，此系列芯片含有丰富汉字点阵排列格式，如11×12点汉字排列格式、15X16点汉字排列格式、5X7点ASCII字符排列格式、7X8点ASCII字符排列格式、6X12点ASCII扩展字符排列格式等等。

我们可以根据系统设计的需要选择含有所需汉字格式的芯片,如GT23L32S4W等，这样可以减少成本。

方案二：

采用某些含有一定容量的存储芯片，如AT27C020等，把系统所需的汉字点阵字库烧录到其中，这种方法不仅烧录Flash不仅费工费时，而且至少有2％以上的烧录损耗，增加了成本。

除此之外，还必须从新设计一套取字模规则及相应的配套软件。

使设计更加麻烦。

综上所述，本系统采用方案一作为汉字点阵芯片。

第三章系统硬件设计

3.1AT89C52单片机

ATMEL公司生产的AT89C52单片机采用高性能的静态80C51设计，用先进工艺制造，并且带有非易失性Flash程序存取器。

它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片，可寻址64KB字节的程序存储器和64KB字节的外部数据存储器。

以此单片机为核心,配以一定的外围电路和软件，实现某些功能，就组成了单片机应用系统。

其芯片引脚图如图3.1所示。

图3.1AT89C52引脚图

主要性能特点有：

（1）8KBFlashROM，可以擦除1000次以上，数据保存10年。

（2）256字节内部RAM。

（3）电源控制模式：

时钟可停止和恢复。

空闲模式。

掉电模式。

（4）4个中断优先级。

（5）6个中断源。

（6）4个8位I/O口。

（5）全双工增强型UART。

（6）3个16位定时/计数器T0、T1（标准80C51）和增加的T2（捕获和比较）。

（7）全静态工作方式：

0～24MHz。

在本次设计中啊、AT89C52芯片各I/O口的具体应用如下：

P0口：

首先，它作为地址总线的低8位；其次，它用作数据传输通道。

P1口：

P1.0～P1.3四位用作74HC1544线16线译码器的输入信号。

P1.4作74HC154译码器的使能信号。

P1.5～P1.7作键盘信号使用，以便系统实现文本不同播放方式。

P2口：

P2.0～P2.4作为读取数据时的地址总线的高5位地址。

P2.5用作外部数据存储器和汉字点阵芯片的片选信号。

P2.6、P2.7分别与汉字点阵芯片GT23L32S4W的A0、A1口相连实现不同寄存器的寻址。

P3口：

INT0、INT1、T0、T1各位，均作为通用输出口使用，而不再起中断申请和定时；RxD位在与上位机通讯时作串口通讯用，而不与上位机通讯时作通用输出口用。

INT0输出信号作为控制电路并、串变换器的并联输入数据的打入脉冲使用。

INT1信号是控制电路一侧的并、串变换和驱动电路一侧的串、并变换的移位脉冲。

T0输出信号作为列驱动电路的输出锁存器的打入信号使用。

T1输出信号作为系统清屏信号使用。

RxD位作通用输出口时，输出信号作为列驱动电路的输出锁存器的打出信号使用。

3.1LED显示模块

3.2.1什么是LED显示屏

LED显示屏（LEDpanel）：

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符。

用来显示文字、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（LEDpanel）：

又叫电子显示屏或者飘字屏幕。

是由LED点阵组成，通过灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。

通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。

显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

　　LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪，电视墙，液晶显示屏无法比拟的优点。

　　LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。

这些优点概括起来是：

亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。

LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、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。

3.2.2LED图文显示屏的基本工作原理

LED显示屏的基本工作原理是动态扫描。

动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。

行扫描方式又分为8行扫描和16行扫描两种。

在行扫描工作方式下，每一片LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存待显示内容的字模数据。

在行扫描工作方式下，同一排LED点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上；行驱动电路中也一定有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存行扫描信号。

单片机对LED显示屏的控制过程是先读后写。

按LED点阵片在屏幕上的排列顺序，单片机先对第1排的第1片LED点阵片的列驱动锁存器，写入从外部数据存储器读得的字模数据，接着对第2片、第3片………直到这一排的最后一片都写完字模数据后，单片机再对

这一排的行驱动锁存器写行扫描信号，于是第1排第1行与字模数据相关的发光二极管点

亮。

接着第2排第1行、第3排第1行……直到最后一排第1行的点亮。

各排第1行都点亮后，延时一段时间，然后黑屏，这样就算完成了单片机对LED显示屏的一行扫描控制。

单片机对LED显示屏第2行的扫描控制、第3行的扫描控制⋯⋯直到第8行的扫描控制，其过程与第1行的扫描控制过程相同。

对全部8行的控制过程都完成后，LED显示屏也就完成了1帧图像的完整显示。

虽然按这种工作方式，LED显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮5O次以上，即刷新频率高于50Hz，那么由于人的视觉惰性，所看到的LED显示屏显示的图像还是全屏稳定的图像。

3.2.3LED图文显示屏驱动

为有效利用单片机资源，点阵的16个行使用译码方式，列采用单片机的串口加串变并的器件来驱动。

行驱动使用74HC1544线-16线译码器，列驱动使用74LS165芯片实现

并变串操作再通过74HC595芯片实现串变并操作。

下面对所用的芯片加以介绍：

74HC154芯片，它是4线-16线译码器，双列直插式封装，在系统中实现LED显示屏行扫描依次点亮的功能。

其各引脚的功能如下：

A～D:

4线输入引脚。

Y0～Y15:

16线输出引脚。

OE1、OE2:

选通信号引脚。

74LS165芯片，它为8位移位寄存器，在系统中实现数据并行输入串行输出的功能。

其部分引脚功能如下：

CLK1,CLK2：

时钟输入端（上升沿有效）P0～P7：

并行数据输入端

DS:

串行数据输入端

Q7:

输出端

Q7:

互补输出端

PL:

移位控制（低电平有效）当移位控制端PL为低电平时，并行数据（P0～P7）置入寄存器，而时钟及串行数据（DS）均无关.当PL为高电平时，并行置数功能被禁止。

CLK1和CLK2在功能上是等价的，可以交换使用。

当CLK1和CLK2有一个为低电平并且PL为高电平时，另一个时钟可以输入。

当CLK1和CLK2有一个为高电平时，另一个时钟被禁止。

只有在CLK1为高电平时CLK2才可变为高电平。

TPIC6B595芯片，其内部有一个8位串人并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器各自独立，因此可实现锁存显示当前行的同时串行移位接收下一行各列数据。

其部分引脚功能为：

SERIN：

串行数据输入脚。

SEROUT:

串行数据输出脚。

SRCK：

移位脉冲输入脚，当出现上升沿时将SER脚信号接收于最低位，原来各位逐位上移。

RCK：

输出锁存器控制脚，引脚出现上升沿时可将移位输入信号锁存到输出器锁器。

G：

输出控制脚，当为低时输出锁存器三态门开门，否则为高阻态。

DRAIN0～DRAIN7：

并行输出脚，在多片TPIC6B595系统中其中DRAIN7可与上片的DRAIN0连接实现多片逐位上移传送。

SRCLK：

移位寄存器清0信号输入脚，为低时移位寄存器清0。

TexasInstruments公司生产的TPIC6B595芯片是设计用于较高负载功率的高电压中等电流的8bit移位寄存器。

器件含有内置的输出电压箝位电路用于感性负载的瞬变保护。

功率驱动可应用于包括继电器、线圈及其它中等电流或高电压负载。

该器件有一个8bit串行输入、并行输出的移位寄存器，它将数据传送给一个8bitD型寄存器。

在移位寄存器时钟SRCK及寄存器时钟RCK的上升沿，数据传输到移位寄存器和存储寄存器。

当移位寄存器清除信号SRCLK为高电平时，存储寄存器传输数据到输出缓冲区。

当SRCLK为低电平时，输入移位寄存器被清除。

当输出选通G为高电平时，输出缓冲区的所有数据为低，并与输出端断开。

当G为低电平时，数据从存储寄存器传输到输出缓冲区。

输出缓冲区的数据为低时，DMOS晶体管的输出断开。

当数据为高时，DMOS晶体管有吸收电流能力。

串行输出SEROUT允许移位寄存器数据级联。

输出是漏极开路的DMOS晶体管，具有50V/150mA连续吸收电流能力。

每一个输出提供在T=25摄氏度时典型500mA的电流极限（随着结温的上升，电流极限会下降）。

该器件的逻辑功能与74LS595完全相同，但具有更强大的驱动能力。

TPIC6B595实用温度设计为-40℃～125℃。

由上述几种芯片组成的LED图文显示屏驱动电路如图3.2所示。

图中AT89C52单片机的P3口：

INT0,INT1,T0,T1各位，均作为通用输出口使用，而不再起中断申请和定时。

RXD位在与上位机通讯时作串口通讯用，而不与上位机通讯时作通用输出口用，在本系统中单片机不主动向上位机传输信息，所以它只作通用输出口用。

INT0输出信号作为控制电路并/串变换器74LS165的并联输入数据的打入脉冲CLK1使用，高电平有效。

INT1信号是控制电路一侧的并/串变换（74LS165）和驱动电路一侧的串/并变换（TPIC6B595）的移位脉冲CLK1、SRCK使二者的串行传输数据达到同步,高电平有效。

T0输出信号作为列驱动电路的输出锁存器的打入信号RCK使用高电平有效。

T1输出信号作为系统清屏信号SRCLK使用。

RxD位作通用输出口时，输出信号作为列驱动电路的输出锁存器的打出信号G使用,D低电平有效。

此外，从图中我们还可以看到系统手动复位信号也与TPIC6B595的清屏信号SRCLK相连，使系统达到复位效果。

图3.2LED图文显示屏驱动电路图

3.3汉字点阵芯片GT23L32S4W

3.3.1芯片特点

（1）款内含11X12点阵、15X16点、24X24点阵、32X32点阵的汉字库芯片，支持GB2312国标汉字（含有国家信标委合法授权）及SCII字符，其芯片引脚图如图5所示。