基于单片机的led显示屏设计

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第1页共35页1绪论随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到LED灯。在大型商场车站，地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示汉字或者图像。LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。LED显示屏是利用发光二极管点阵模型或者像素单元组成平面的显示屏幕。不但拥有色彩丰富，组态灵活，能够适应室内外各种环境的特点，还具有发光效率高，使用寿命长的优势。LED显示屏经历了初期的不可更换显示内容，单色，双色的图文显示到如今的可随时更换显示内容，全彩色的视频显示，历经发展，LED显示屏得到了广泛的应用和发展。1.1LED点阵显示屏概述目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已经写入显示屏控制系统中的EPROM芯片中，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内还有另一种LED显示屏——可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富，信息量大，信息更换速度快的特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代社会的需要。而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换更灵活等优点。LED点阵显示屏是通过PC机将要显示的汉字字模提取出来，并发送给单片机，然后显示在点阵屏上。单片机具有优异的性价比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。1.2LED显示屏控制技术状况LED汉字显示的控制系统主要有输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及其输出接口电路等，虽然包括的相关技术比较多，但关键技术是串行传输与并行传输技术、动态扫描和静态锁存技术等。1.2.1串行传输与并行传输技术LED汉字显示屏的数据传输方式有串行和并行两种。，目前主要采用的是串行控制技术，即显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联动单元之间，每个时钟只传送淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第2页共35页一位数据，此方式可有效减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比。1.2.2动态扫描与静态锁存技术LED汉字显示屏实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。安装在室内的显示屏一般宜采用动态扫描技术，也即是一行放光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，可以分为1/4,1/16扫描等等。而安装在室外的显示屏大多使用静态锁存技术，也就是每一个发光一级管都对应一个驱动寄存器，这样就不需要分时工作，保证了每一个发光一级管的亮度占空比为100%。因为动态扫描法可以有效减少控制器的I/O口，应用广发，本毕业设计也采用动态扫描。1.2.3自动检测与远程控制控制技术LED汉字显示屏的构成复杂，安装位置，供电、周围亮度、环境温度等条件都直接影响着显示屏的正常工作与否。所以，在LED汉字显示屏的控制系统中，不但需要对以上条件进行自动检测控制，还要实现能够远程对显示屏的亮度，色度，垂直位置，显示内容和工作方式的转换的控制。2总体方案论证及设计本毕业设计要求利用单片机设计出LED汉字显示屏的控制系统，本设计由四个部分构成：LED点阵显示条屏（LED驱动模块）、译码驱动电路和移位寄存系统（数据存储模块）、单片机控制系统（PC机通信模块）。下面对各个模块的设计逐一进行论证比较。2.1LED驱动模块方案一：采用静态锁存方式，每一个LED发光管的一端接至单片机的一个I/O口，另一端通过电阻连接到电源。此方案可以直接驱动LED，原理简单，驱动能力很强，LED的亮度也可以通过限流电阻进行适当的调节，非常方便，但此方案过于浪费单片机的I/O口，只适合适用于较小的系统。方案二：采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端（共阴或者共2端），LED发光管的另一脚连接通用I/O口，来控制LED亮灭。这种方法能同时驱动较多的LED，方式灵活，可以节省单片机的I/O口资源。比较两种方案，本设计采用方案二。2.2数据存储模块淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第3页共35页方案一：采用静态RAM存储需要显示的内容，尽管静态存储器具有存储内容大，传输速度快的优点，但是断电后，其存储的数据就会消失，所以不适合用于存储固定或者长时间不变的数据。方案二：采用ROM存储需要显示的内容，ROM可以长时间的存储信息，并且掉电后数据不丢失，此种方案适合存储不变的数据。方案三：采用串行EEPROM存储需要显示的内容。串行EEPROM技术几乎拥有了所有类型存储器的优点：不易丢失、可更新、高性价比、低功耗。普遍适合应用于各类工业测控系统。在速度要求不是很高的情况下，串行EEPROM（暂定使用24C256）是比较理想的选择。以上方案，第三种方案有明显的优点，所以选择方案三。2.3本设计任务综合以上技术选择的论述和LED的发展趋势，本设计将以AT89C51单片机为核心，采用串行传输、动态扫描技术、制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能汉字显示屏。2.4总体硬件组成框图3系统硬件设计为使该模块化LED显示屏显示屏控制系统具有更加方便的实用性和灵活性，需要对系统的各个硬件进行精心设计。其中硬件电路包括LED点阵显示条屏、译码驱动电路、移位寄存系统、单片机控制系统等。3.1LED点阵显示条屏的硬件设计LED驱动模块是LED显示屏设计的关键部分，其驱动电路的设计合理与否直接关系到LED显示屏的亮度、稳定的重要指标。本设计中LED的驱动采用三极管和74LS154淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第4页共35页实现的。3.1.174LS154的简单介绍74LS154是一个4—16译码器，主要电特性的典型值如下：tpdPdABCD-outputG1、G2-output23ns19ns170mW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，54/74154还可作1线－16线数据分配器真值表如下：输入输出G1G2DCBA0123456789101112131415LLLLLLLHHHHHHHHHHHHHHHLLLLLHHLHHHHHHHHHHHHHHLLLLHLHHLHHHHHHHHHHHHHLLLLHHHHHLHHHHHHHHHHHHLLLHLLHHHHLHHHHHHHHHHHLLLHLHHHHHHLHHHHHHHHHHLLLHHLHHHHHHLHHHHHHHHHLLLHHHHHHHHHHLHHHHHHHHLLHLLLHHHHHHHHLHHHHHHHLLHLLHHHHHHHHHHLHHHHHHLLHLHLHHHHHHHHHHLHHHHHLLHLHHHHHHHHHHHHHLHHHHLLHHLLHHHHHHHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHHHHHHHHHLHHLLHHHLHHHHHHHHHHHHHHLHLLHHHHHHHHHHHHHHHHHHHLLHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHHLXXXXHHHHHHHHHHHHHHHHHHXXXXHHHHHHHHHHHHHHHH74LS154的真值表3.1.2驱动电路的设计该系统的驱动电路由74LS154与三极管共同组成的，原理图如下：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共35页如上图所示，首先采用AT89C51为本系统的单片机型号。其中，AT89C51是一种带4kb闪烁可编程可擦除只读存储器(FalshProgrammableandErasablReadOnlyMemoryFPEROM)的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。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、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，能够进行1000次写／擦循环，数据保留时间为10年。时钟电路由AT89C51的18，19脚的时钟端(XTALl及XTAL2)以及12MHz晶振X1,电容C2，C3组成，采用片内振荡方式。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1，R2，电容C1，开关K1组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。LED的行扫描端接到单片机P0口，而列扫描接到三极管的发射极。其中列扫描端（B1—B8）用于LED的数据扫描，凭借74LS154的译码和三极管的驱动，使得LED能发光。（A1—A8）通过P0口提供给LED的显示数据。考虑到P0口必须设置上拉电阻，本设计采用4.7kΩ排电阻作为单片机的上拉电阻。下图为AT89C51的引脚图：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第6页共35页3.2数据存储电路的设计本设计由串行的ROM24C256组成数据存储电路。其中，24C256是一款1—256K位的支持I2C总线数据传送协议，可以用电擦拭，可编程自定时写周期的串行CMOSEEPROM。此芯片有两种写入方式，一种是字节写入方式，另一种是页写入方式。此芯片允许在一个写周期内进行对一个字节到一页的若干个字节的编程写入。24C256的引脚排列和各个引脚的功能如下图和下表：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第7页共35页引脚名称功用A0A1A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WAP写保护Vcc1.8V到6.0V电源Vss接地数据存储器24C256的接口设计原理图如下图所示：该存储电路只由24C256芯片组成，SCL为串行时钟引脚，用来产生器件所有数据发送或接受的时钟。SDA是串行数据/地址，这是一个双向的传输端，功能是接收或者发送所有的数据以及传送地址。LED显示器的控制系统工作时，单片机89C51依靠SDA引脚与SCL引脚读取24C256中存储的内容，并在LED显示屏上显示出来。当然也可以通过PC机（上位机）将已经编辑好的数据内容下载到24C256的芯片内。3.3PC机（上位机）通信模块的设计LED显示屏和电脑的通讯方式采用了标准RS232接口，电路原理图如下图所示：淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第8页共35页通讯方式为10位的异步通讯。RS232接口实际上是一种串行通信标准，是由美国EIA（电子工业联合会）和BELL公司一起开发的通讯协议，它对信号线的功能、电气特性、连接器等都有明确的规定。由于RS-232接口的EIA是用正负电平表示逻辑关系的(-3V—-15V为1、+3V—+15V为0)。与TTL以高低电平表示逻辑关系不同，因此，为了能够和计算机接口通信，必须在EIA电平和TTL电平之间进行电平转换。MAX232芯片可完成TTL-EIA电平转换，且只用单一+5V电源，因此得到广泛应用。由于采用的是标准RS232接口，所以传输距离不能很远，当传输距离超过15M，就要采用422或485接口，则只要加上一块RS232转422/485电路模块就可以了。3.4LED显示屏的选择LED显示屏模块技术指标参数表如下表所示：规格（mm）φ5显示像素/平米17300模块1R1YG（绿红）显示屏像素点数64*16=1024尺寸(mm)480*120面积(㎡)0.576淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第9页共35页最大功耗(瓦/平方米)100（单）/200（双）扫描速度大于75Hz视角水平视觉160℃，垂直视觉160℃环境要求-20℃—60℃供电要求220VAC±10%50Hz驱动方式1/16扫描使用寿命10万小时4系统的软件设计软件也是LED汉字显示屏控制系统的重要组成部分。在系统的软件设计中，我同样采用模块化的设计，将系统的各个部分编写出子模块的形式，通过这样的方式，可以增加系统软件的可移植性和可读性。4.1下位机软件流程本系统的下位机（单片机89C51）主要作用是用来实现LED汉字显示屏上字样的移位、显示和数据的读取等等功能。所以