基于单片机的LED电子广告牌设计与实现

课程设计报告设计名称基于单片机的LED电子广告牌设计与实现学院电子工程学院专业电子信息工程技术班级15级07班姓名唐正虎指导教师聂弘颖陕西电子科技职业学院2017年10月25日第1章绪论1.1课题背景1.1.1选题背景LED显示屏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，显示屏由几万到几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的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[1]。在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。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。LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括证券交易、金融信息显示、机场航班动态信息显示、港口、车站旅客引导信息显示、体育场馆信息显示、道路交通信息显示、调度指挥中心信息显示、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、广告媒体新产品等。第2章方案论证与选择2.1系统硬件方案大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。如图2-1所示，根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统三部分组成。单片机通过通信部分发送控制指令和显示内容代码，执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式。图2-1系统硬件组成框图通信部分控制部分显示部分2.1.1显示屏主控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能为发送数据和控制指令处理后控制显示部分显示内容。其常用的电子设计方法有单片机、DSP、及EDA技术。几种设计方法比较各有其特点：（1）单片机单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。（2）DSP芯片DSP又叫数字信号处理器。顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。（3）EDAEDA(即ElectronicDesignAutomation)即电子设计自动化，它是以计算机为工具，在EDA软件平台上，对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。2.1.2通信系统通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。计算机数据通信主要采用并行通信和串行通信两种方式。（1）并行通信并行通信时数据的各个位同时传送，可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快，但用的通信线多、成本高，故不宜进行远距离通信。（2）串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送，只用很少几根通信线，串行传送的速度低，但传送的距离长，因此串行适用于长距离而速度要求不高的场合。在串行发送时，数据是一位一位按顺序进行的，而计算机内部的数据是并行的。因此，当计算机向外发送数据时，必须将并行数据转换为串行数据再发送。反之，又必须将串行数据转换为并行数据输入计算机中。综上所述，题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机的UART已经集成在单片机内，所以通信系统选择串行通信为通信方式。2.1.3LED点阵显示屏显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图2-2所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。目前市场上普遍采用的点阵模块有8×8、16×16几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。这就加大了维修的成本。两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。一个16×16的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路。2.1.4硬件设计方案最终方案如图2-3所示，以单片机机作为核心控制器件存储和处理显示内容，用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块8×8LED点阵模块构成的16×16的LED点阵显示屏。题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。图2-3硬件设计方案串行通信单片机译码电路显示驱动电路16×16LED显示屏2.2系统软件方案软件的设计除了满足设计功能外还必须要满足易读写，方便下载和编译。设计目标和硬件总体结构确定的情况下，软件可以分为主程序，显示子程序，各种特效显示子程序，通信程序三个主要部分组成。具体结构如图2-4所示。图2-4软件功能结构框图软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写软件之前得首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编译软件。最后还要选择一款与所选单片机的下载器或下载软件来把编写的程序下载到单片机中执行。第3章系统硬件设计3.1硬件整体设计概述及功能分析显示系统具体设计主要由通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和16×16的点阵屏五部分组成。具体工作流程为：单片机通过通信系统发送控制指令和显示代码内容，执行控制指令处理显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示内容。根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。通过查阅资料和对比最终的硬件原理图如图3-1所示。静态显示程序主程序控制程序特效显示程序通信程序AT89C51电源74LS16474LS16474LS164ULN280374LS37374LS3738550三极管LED点阵模块阳极4块8*8点阵模块构成16*16LED点阵屏图3-1硬件原理图3.2控制单元设计控制单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来发送控制指令和显示内容，并且直接输出数据通过译码电路控制LED显示屏的显示内容和显示状态。在51系列单片机中选定一款合适的机型来作为控制单元的主控芯片。根据题目的要求该芯片必须要具有的就是方便的编程能力，因为在软件设计时方便的程序下载对程序的验证和编写非常有用。还有就是为了提高LED显示屏的扫描速度，单片机的执行速度要尽可能的快。根据这两点要求，选择美国ATMEL公司生产的AT89C51为控制单元的主控芯片。3.2.1AT89C51简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.2.2控制系统设计控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。AT89C51的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的I\O口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-2所示。在该系统中，P1各口主要用作LED显示数据的控制输出。由于端口的驱动能力有限所以该端口外接了5K的上拉电阻来提高驱动能力。其中P1.5P1.6P1.7还复用为ISP下载功能口。具体接法为：P1.0，P1.1，P1.4，P1.5分别接四块74LS164的A端，向74LS164送入串行数据经过其转换后并行输出；P1.2和P1.6分别接列和行的74LS164的CLOCKMAX232端，产生移位脉冲是串行数据并行输出；P1.3和P1.7接列和行的CLEAR端，在一组数据完成串并转换后清除164芯片中的内容转换新的数据；其中P1.5P1.6P1.7还复用为ISP下载功能口。P2.0接164芯片的使能控制端，当为高电平使允许输出；P2.2和P2.3接锁存器74LS373的OE和LE端控制锁存器的工作状态。端口3.0，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）。因为没有扩展外部程序存储器所以将EA置为高电平。AT89C51单片机的P1在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，P2口在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。所以P1和P2口留为外部数据存储器和程序存储器的扩展用，以备内部存储器和程序存储器不够用时使用。3.3译码电路设计单片机的引脚输出的高低电平要在芯片的识别范围内，由于采用了列选通行传送显示代码的方法所以行译码电路上也加上了74L373锁存芯片。这就要求74LS164芯片的输出要满足锁存芯片的高低电平区分范围和频率要求。3.4驱动电路设计3.4.1行驱动电路设计发光二极管，LED(LightEmittingDiodes)，即是在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。8550为PNP型三极管，发射极e接5V电源，基极接译码信号输出端，集电极接输出驱动LED点阵屏。当译码器端口输出为低电平时，发射极与基极电势差为5V－0v基极中带负电的电子越过PN结扩散到发射区。发射极产生和电子扩散方向相反的电流，由于基极电子大量扩散到发射极集电极电子扩散到基极中形成了电流cI。当译码器端口输出高电平时发射极与基极之间的电势差为5V－0V－BV，由于发射极与基极之间电势差的减少基极电子向发射极扩散的电子数量减少故集电极电流也随之减少。故85