LED点阵示屏设计与制作毕业论文.doc

目 录摘要. .1 1绪论.21.1研究现状及发展趋势.22 方案论证与选择.22.1 系统硬件方案.22.1.1 显示屏主控制器.22.1.2 通信系统.32.1.3 LED点阵显示屏.32.1.4 硬件设计方案.32.2 系统软件方案.33 系统硬件设计.103.1 硬件整体设计概述及功能分析.53.2 控制单元设计.63.2.1 控制系统设计.63.3 译码电路设计.63.4驱动电路设计.74 系统软件设计.7 4.2 显示程序的设计.8 4.3 通信程序的设计.85 系统调试.95.1 系统硬件部分调试方法.105.2 系统软件调试方法.105.3 系统联合调试及结果.10结论.11参考文献.13致谢.14附录 1 硬件原理图.152LED点阵示屏设计与制作摘要： LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，它是由很多个红色的发光二极管组成，靠灯的亮灭来显示字符。LED显示屏分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。目前由于LED显示屏造价昂贵，主要应用于比较高档的场所，主要集中在城市的繁华场所，在正在举办的2010年上海世博会、未来各项大型运动赛事等新增需求，都将促使LED显示屏的大规模发展。此外，已架设的大型LED显示屏幕每10年将历经一次换机潮，随着人们生活水平的提高，户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。本设计主要实现16*16LED显示屏对文字及简单图像的显示，扩展功能有实时时钟及实时温度采集，并通过LCD1602及LED点阵屏静态及滚动显示。设计分为三大步，分别是软件设计，硬件仿真及实物制作，兼顾理论性及实用性，充分体现了理论与实践相结合,设计过程中不仅学到了很多有用的知识，也增长了自己的专业技能，提高了自己的动手能力。关键词: LED显示屏；发光二极管；半导体11 绪 论1.1 研究现状及发展趋势现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展。2 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，通信系统及上位机四部分组成。上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分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 2.1.1 显示屏主控制器控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过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。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。因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。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。 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。2.1.3 LED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。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2-2所示。图2-2 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。现在主要运用的单片机编程语言为汇编语言和C语言。两种语言相比较各有优点。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言，是一种功能很强的程序设计语言，也是利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的语言。其具有执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。3 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上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和1616的点阵屏六部分组成。具体工作流程为：上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接收后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。 图3-1 硬件原理图 该系统所要实现的功能和要求有以下几点：（1）LED显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。并且显示要清晰。（2）驱动电路要能提供LED显示所需范围内的电压和电流要求。（3）译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路的要求。（4）单片机要能接收上位机的指令和显示内容且能够处理后控制LED显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。执行频率要能达到扫描显示的最低要求。（5）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。（6）由串口完成单片机与上位机的通信，通信速度和数据传输的可靠性要达到显示要求。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，用来和上位机通信处理上位机发送的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AT89S51为控制单元的主控芯片。3.3 译码电路设计 译码电路的功能是为了解决单片机I/O端口不足。行译码所用器件为串并转换器74LS164和锁存器74LS373。具体电路如图3-2所示图3-2 行译码电路图3.4 驱动电路设计发光二极管，LED(Light Emitting Diodes)，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。 行驱动采用PNP三极管8550接法如图3-3示：图3-3 行驱动器件8550的接法8550为PNP型三极管，内部结构如图3-4示。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。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，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8550在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开关的作用。图3-4 8550内部结构图4 系统软件设计4.1 程序设计系统软件采用C语言编写，按照模块化的设计思路设计。首先分析程序所要实现的功能，程序要实现串口通信，静态显示，动态显示三大功能。其功能结构如图2-4所示。通信程序接收上位机数据，交给主程序处理再通过控制程序选择不同的显示程序进行显示。4.2 显示程序的设计 LED点阵屏显示方式主要由静态显示和动态扫描显示两种。 对静态显示来说，每一个发光二极管都需要一套驱动电路，一帧画面输入以后便可一劳永逸地显示，除非我们改变了显示内容，需要重新输出新的点阵数据这种方式系统原理相对简单一些，但所需的译码驱动装量很多，引线多而繁杂，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也较低4.3 通信程序的设计系统采用串行中断的方式进行通信。MCS-51单片机的五个中断源两种类型：一类是外部中断源；另一类是内部中断源，包括两个定时器/计数器（T0和T1）的溢出中断和串行口的接收和发送中断。MCS-51单片机设置了4个专用寄存器用于中断控制，分别为定时器控制寄存器（TCON），串行口中断控制器（SCON），中断允许控制寄存器（IE），中断优先级控制寄存器（IP）。编程时通过设置其状态来管理中断系统。 在编辑中断程序时首先是将中断控制寄存器（IE）初始化。其控制位分布如表。EA为中断允许总控制位，EA=1时CPU开发中断；EA1时。CPU屏蔽所有中断。ES、ET、EX1、ET0、EX0为对应的串行口中断、定时器/计数器1中断、外部中断1中断、定时器/计数器0中断、外部中断0中断的中断允许位。对应位为1时允许其中断，对应位为0时，禁止其中断。表4-1 中断允许寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0EAESET1EX1ET0EX0 所以初始化时设定中断允许寄存器初值为0XFF，指令为 IE=0XFF。程序设计时还要考虑到中断优先级的问题。因为不同的中断同时产生而CPU响应的顺序取决于内部查询顺序。设置串口工作方式1，波特率9600，计算可得计数器初值的十六进制表示。RI=1?接收串口数据起始位S接收起始位后33位数据接收到第34位？将第2位起的32位数据发回PC机NNNYYY中断开始中断返回 图4-1 通信程序流程图所有软件编写完成后都必须经过编译才能被单片机识别使用。为了减小软件的修改和优化难度，先把各子程序写为一个可单独执行的完整程序。各子程序编译没有错误后再输入单片机进行验证，这两项都通过后再将所有的程序整合到一起形成一个完整的程序再进行编译和验证。 5 系统调试件制作和软件编写过后，得出实物如图5-1所示。实物完成后必须对其进行调试，检查设计功能是否实现了。软件硬件完成后开始进行调试。调试可分为硬件调试，软件调试和系统联合调试。5.1 系统硬件部分调试方法硬件调试主要是调试各部分的焊接是否合格和各芯片的输出输入电压是否符合设计要求，最后测试各硬件部分能否完成设计功能。因此把硬件调试按照以下四部分分步来进行： （1）测试所有焊点是否有短路和虚焊的现象存在； （2）通电测试所有硬件芯片的输入输出电压是否在设计要求的范围内； （3）测试ISP下栽线的功能是否能够实现； （4）测试串口系统的通信功能是否能够实现。由于最重要的显示系统功能的测试需要软件配合所以在硬件调试部分只测试单片机复位电平，功能部分测试放在系统联合调试部分来完成。 检测工具为万用表，使用万用表的短路报警功能，逐个测试相临的两个焊点检测是否短路。按照电路图检测需要连接的两点是否短路来检测是否已经连接上，以此来检测虚焊的情况。检测和修改完成后为下一步通电检测排除了短路的危险和由于虚焊引起检测结果不真实的麻烦。由于系统测试时是采用USB电源为系统电源，所以电源输入都为5V。显示系统中单片机、译码器，锁存器，驱动电路的电源电压均要求为5V所以可同时直接接入。上电后首先观察电路是否有过热，异味，冒烟的现象出现。经过观察，没有这些现象出现。然后测试各器件的电源，接地及一些电平应该固定的端口的电压。测试的结果为：各器件电源端在4.3V4.8V之间满足器件的电源电压要求，单片机端口在未接负载时端口电压为4.5V。5.2 系统软件调试方法由于已经进行了硬件调试，所以软件调试主要是软件编译和将各功能块程序分别写入以验证其功能的可实现性。在进行功能调试前必须用KEIL C对所有程序进行编译，编译成功生产可执行的.hex后方可进行功能测试。5.3 系统联合调试及结果经过硬件调试和软件调试，排除了硬件的连接问题和验证了串口功能的可实现性。其余功能的软件便可以在此基础上调试验证其功能的正确性。联合调试的具体方法如下：（1）编写一个逐点扫描的显示程序，再结合硬件电路运行。这样做的目的在于检测各器件是否能够正常运行和显示屏的各个LED灯是否有损坏。结果显示显示屏中只有边角出有一个LED灯被烧坏，其他器件逻辑功能运行正常。（2）将静态显示子程序与各种动态显示程序结合硬件电路进行调试。系统运行时显示如图5-1所示，显示图像比较清晰，各动态显示效果也能够实现。但显示存在两个问题。一是发光点的下方会出现一个很微弱的亮点，影响了整体的显示效果。二是同一列的LED灯被点亮的数量与其亮度出反比，即如果同一列的灯都被点亮则亮度比只点亮几个时要暗一点。（3）将串口通信，显示，硬件联合调试。按照设定的通信协议，先由PC机向单片机发送起始控制字s，接着再发送32比特的显示数据，最后发送控制显示方式的显示控制字。再发送不同的显示数据和显示控制字，观察各种显示方式的运行情况和各种显示方式之间的切换情况。结果是显示屏执行显示控制指令，显示所发送的内容。6结论 经过一段时间的工作，终于完成了基于51单片机的LED显示系统的设计，项目所要求的功能全部达到。通过这次设计收获颇多，不仅是所作题目涉及到的软硬件知识还有更为重要的实际经验和过程中所发现的问题。接手题目之后从互联网上对LED进行了详细的资料收集，从技术和产业的两方面对LED进行了了解。通过了解我认识到LED是一门当今应用非常广泛的技术，整个产业每年都会有巨大的产值而且技术还在不断发展和创新20。从设计之初就确定了参照大屏幕显示屏的实现方法和实际情况设计一款小屏幕的LED点阵显示屏。在查阅了大量的大屏幕显示屏资料后确定了题目的设计方案。整个设计采用AT89S51做核心控制器，74LS164和74LS373组成译码电路，三极管8550和ULN2803做行和列驱动。在实现这一设计的过程中所遇到的问题和困难给我留下了宝贵的经验和深刻教训。这些经验和教训是：（1）设计之前应该进行大量的资料收集和分析，确定一个清晰的设计思路；（2）器件选择时要详细阅读器件使用手册，不但要考虑器件的功能实现还要考虑器件在整个系统中的兼容性；（3）硬件的系统的建立必须合理和稳定，实物建立之前最好进行仿真这样才能为软件提供一个可靠的试验平台；（4）软件的编写不但要实现功能还要不断的优化、简练、易读。随着课题的进行，对LED的了解也越来越深入。认为LED技术也会进一步发展，LED应用将会更加广泛。可以设想利用LED的高稳定性和低能耗，再与无线通信技术相结合在沙漠深处或者人迹罕至的雪山之颠树立一块依靠太阳能充电，通过无线传输方式更改显示内容的信息板为登山者提供指示和天气信息，为沙漠迷路的人指引方向。设计结束了，但学习还在继续。我相信通过此次设计所得到的知识、心得、经验乃至感受都会让我在以后的日子里受益匪浅。 参考文献1 关积珍.LED.显示屏发展状况及趋势J.世界电子元器件，2000, (02)：277-301.2 关积珍,陆家和.我国LED显示屏技术和产业发展及展望.现代显示，2004， (02)： 34-37.3 缪思恩.LED大屏幕显示电路设计J.电子技术应用，1996，(08)：56-77.4 Dave Jackson.关于DSP芯片的问与答.今日电子 ，1998，(12)：1-7.5 卢弥坚.主从分布式LED大屏幕显示系统J.电脑与信息技术，1997，(04)：6-13.6 高胜东，梁采，张宏富.一种LED大屏幕显示系统J.成都气象学院学报，1998，(03)： 108-120.7 张全福.汇编语言程序设计实验教学改革与探索.教学研究，2005，(06)：3-5.8 文哲雄.用单片机控制LED显示屏D.佛山：佛山科学技术学院，1995.9 彭宁，只佩华.单片机对LED大屏幕显示的控制系统J.河北大学学报(自然科学版)，1993，13(3)：86-89. 10 陈玉华，王铭霞. LED大屏幕显示电路的设计J.大连海事大学学报，1997，(03)： 55-56.11 郑刚，李宇成.LED大屏幕显示系统的设计J.北方工业大学学报，2001，（03）： 43-47.12 李元生. LED光柱专用驱动器J. 家庭电子，2005，(04)：1-7.13 王亭，李瑞涛，宋召清.在Windows下PC机和单片机的串行通信J.微型机与应用，2000(1)：25-27.14 陈新忠.基于RS232总线的单片机多机通信软件设计J.现代电子技术，2002， (03) ：56-78.15 乔世杰.小波图像编码中的对称边界延拓法J.中国图像图形学报，2000，5(9)：725-729.16 李桂平.LED屏幕显示器的设计J.零陵师范学院学报，2002，(9)：367-380. 2002：97-99.致 谢本次毕业论文设计期间，导师一直给予我热心的指导和帮助，还定时不定时了解我们的毕业论文进度，同时帮我们指导和解决设计中遇到的困难。老师在论文的题目设计、问题的深入讲解上所给予我了很大帮助与指导，协助我完成了毕业设计论文，并且对我的毕业论文进行了仔细的检查，并提出了许多宝贵的修改意见。老师一丝不苟，严谨细致的作风一直是我学习、生活中的榜样，不仅授我以文，更教我做人，使我终身受益。同时我要感谢其他为我授课的各位老师，在和他们相处的时间里，让我学到了扎实的专业知识，并从他们身上学到了很多做人做事的道理。值此机会，向老师们表示衷心的感谢。附录 1： 硬件原理图15