LED大屏幕显示系统设计.docx
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LED大屏幕显示系统设计
摘要
LED点阵显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。
它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。
并广泛的应用于公交汽车，码头，商店，学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。
LED显示屏经历了从单色，双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程，自20世纪八十年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。
LED点阵显示屏可以显示数字或符号，通常用来显示时间、速度、系统状态等。
文章给出了一种基于MCS-51单片机的4个8*8点阵LED显示屏的设计方案。
包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和部分汇编语言程序等方面。
在负载范围内,只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。
本设计主要以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多功能显示屏。
关键词：
LED；发光二级管；单片机；显示屏
1.4需要实现的功能7
5.1PROTEUS仿真软件概述22
附录A28
绪论
LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。
LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。
一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。
目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，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，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，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。
国内的另一种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、信息更换速度快等特点。
因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。
而利用PC机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活等优点。
本设计是基于单片机（AT89C51）讲述了16×16LED汉字点阵显示的基本原理、硬件组成及设计、程序编译及下载等基本环节和相关技术。
第一章概述
1.1选题的背景和意义
LED电子显示屏是运用光电显示技术、视频技术、多媒体技术、网络技术、计算机技术、自动控制技术，针对室内外各种使用环境而设计，显示各种信息元素的屏幕，使用专用的控制技术，用于显示文字、文本、图形、图像、动画、股票行情及各种多媒体信息以及电视、录像信号。
它由LED器件阵列排列组成的显示屏幕，具有高清晰度、色彩鲜艳、视角大、工作稳定、寿命长、功耗低等优点。
由于采用单元模块化结构，屏体的大小可按用户要求灵活拼制。
LED显示系统主要有：
户内单色信息屏,双基色视频屏,全彩色,真彩色视频屏;户外单色信息屏，双基色、全彩色、真彩色视频屏；各种规格证券行情显示屏；条型显示屏；以及根据客户需要运用于各个行业的各种LED显示系统。
LED显示系统广泛应用于政府、军队、金融、厂矿企业、商业、智能交通、院校、医疗、服务业和体育场馆等。
LED屏幕，作为新的媒体，运动的发光图文，更容易吸引人的注意力，信息量大，随时更新，有着非常好的广告和告示效果。
LED屏比霓虹灯更加简单，容易安装和使用，效果变化更多，可以随时更新内容，是很好的户内外发视觉媒体。
LED屏幕属于高科技电子产品，价格比较高，以前集中在政府和单位中使用。
技术不断进步，价格不断降低，组装和维护更加简单。
小型的LED条屏，因为价格便宜，安装和使用简单，慢慢被大众接受，逐步走进大小店铺，应用更加大众化，普及化。
1.2课题发展现状和前景展望
1.2.1发展现状
LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件，由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳，使它在公众多媒体显示领域一枝独秀，因此市场空间巨大。
国产LED显示屏技术差距在哪，随着LED显示屏市场的不断扩大，目前国内全彩色市场逐步被划分为三个档次。
第一档为巴可、松下等国际知名企业生产的高档产品；第二档为国内大型企业研制的采用日亚高品质LED生产的产品；第三档为采用我国生产的LED制作的显示屏。
这三种档次的LED显示屏在价格和功能上也存在着较大区别。
在技术上，LED显示屏的发展要紧跟世界一流企业的品质特点，目前国产的高品质LED显示屏及国外顶尖产品在图像处理技术、前端视频处理技术等方面差别不大，主要差距在于以下两个方面：
1>单点颜色确认
“单点颜色确认”技术能够确保逼真的色彩显示，可持续长达数年之久不变。
目前国内的产品只能做到单元模块和单元箱体的调节，不能做到真正的单点调节，因此在色彩和亮度一致性上有差别，特别是在经过维修更换了显示单元后，由于LED的参数可能发生了变化，显示效果很难跟原屏保持一致，而这项工作在国外是由专用的大型设备完成的，而国内没有这类因产品特性而开发的设备，也希望社会相关行业和设备制造企业能够给予关注。
2>结构工艺
目前国内产品的箱体外壳基本上都是采用单件钣金加工，加工工艺差，精度不高，外观不美观，防水性也不十分好，特别是在室外恶劣环境下，易造成系统不稳定。
1.2.2展望LED的发展
首先，全彩色显示屏将成为LED显示屏行业新的增长点，蕴含着极大的市场。
随着LED器件材料性能的不断提高，全彩色显示屏的成本下降，应用增加。
到2003年底，全国范围内的全彩色LED显示屏达到600多块。
就全彩色显示屏的综合水平来说，国内的全彩色LED显示屏除了价格和本地化服务的优势外，在技术深度、生产工艺等方面及国外产品的差距正在逐步缩小。
其次，半导体照明的发展，也将为LED显示屏产业的总体提升形成新的发展机遇。
在LED显示屏大范围应用的同时，LED作为新型照明光源材料的发展近年也取得了突破性发展。
1.3研究思路
LED显示屏系统采用发光二极管LED阵列作发光体，显示屏阵列的基本元件是LED点阵模块，根实际需要拼装互连就组成了整个显示屏。
对于大幕显示屏采用静态显示占用端口多、译码电路复、硬件成本高、功耗大。
因此，当显示位数较多，采用动态显示可以解决这些问题。
所谓动态显示，就是利用视觉暂留效应，使显屏显示的内容在一定周期内刷新一次，实际中只使显示屏每个发光管在1秒时间内亮24次，其余间熄灭，视觉上不会感觉到显示屏的闪烁而且显屏的功耗会大幅度下降，寿命也会延长。
通过调
导通的时间及电流，可实现高亮度稳定的显示。
1.LED单元电路及整个显示屏的设计方案及扩展LED外围电路。
通过单片机串行口TXD端输出的移位脉冲将RXD端输出的数据逐位移入移位寄存器，在整个数据移完后，控制电路产生一个锁存信号将此数据锁存供显示。
此时相应的扫描控制信号轮流通过对应的驱动管使相应行的LED管被点亮。
标准LED单个模块是由8×8及阵列构成的电路。
行线为逻辑0，列线为逻辑1时，对应的行列坐标下的LED管被点亮。
为了能够清晰显示图像或汉字，在组成显示屏时，采用4个模块为一个单元，组成8×4显示单元。
每个模块由LED显示模块、数据移位寄存器、扫描驱动电路组成。
2硬件电路
基于这种设计思想设计具有32个16x16点阵汉字显示功能的单片机硬件系统包括电脑主控电路、行驱动电路、列驱动电路。
3软件系统
在本设计中，软件的设计包括了单片机部分和PC控制台部分。
单片机部分主要包括有接收和显示两个部分。
编写程序的语言为单片机汇编。
PC控制台部分主要包括有字模的编码计算、界面设计和信息发送。
1.4需要实现的功能
显示预先想要显示的内容，在本设计中要求显示“电气及电子工程系欢迎您”“自信自立，善学善用”15个文字，显示方式：
逐屏显示。
本系统设计思路是：
利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的字符。
显示方式：
逐屏显示。
其中显示字模数据由单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成，点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：
点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度比较高。
而且还有启动，停止，复位键，有电源指示灯。
本系统的设计的总体思想，是由主机发出控制信号。
送往驱动电路，形成行信号，列信号，从而点亮整个大屏幕。
根据以上特性决定采用ATMEL公司的高密度存储器技术。
片内的FLASH存储器允许在线改写程序或用常规的存储器、编程器AT89C51来编写。
图2.1系统电路框图
第二章LED大屏幕显示系统结构
如图2.1所示，本产品拟采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、电源、行驱动器、列驱动器、8*8LED点阵5部分组成。
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制及组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
8*8的点阵共有64个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，8*8的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是8*8的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如8行）的同名列共用一套驱动器。
具体就8*8点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第8行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
第三章基本元器件介绍
3.1AT89C51简介
AT89C5l是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89CSl单片机可为您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。
3.1.1AT89C51的主要性能
AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的8位单片机,它具有如下主要特性，如图3.1所示：
（1）和MCS-51产品的兼容
（2）2K字节可重编程闪速存储器
（3）耐久性：
1,000写／擦除周期
（4）2.7V～6V的操作范围
（5）全静态
图3.1AT89C2051的结构框图
操作：
0Hz～24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8位内部RAM
·15根可编程I/O引线
·两个16位定时器/计数器
·六个中断源
·可编程串行UART通道
·直接LED驱动输出
·片内模拟比较器
·低功耗空载和掉电方式
·和MCS-51产品的兼容
·2K字节可重编程闪速存储器
·耐久性：
1,000写／擦除周期
·2.7V～6V的操作范围
·全静态操作：
0Hz～24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8位内部RAM
·15根可编程I/O引线
·两个16位定时器/计数器
·六个中断源
·可编程串行UART通道
·直接LED驱动输出
·片内模拟比较器
·低功耗空载和掉电方式
·和MCS-51产品的兼容
·2K字节可重编程闪速存储器
·耐久性：
1,000写／擦除周期
·2.7V～6V的操作范围
·全静态操作：
0Hz～24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8位内部RAM
·15根可编程I/O引线
·两个16位定时器/计数器
·六个中断源
·可编程串行UART通道
·直接LED驱动输出
·片内模拟比较器
·低功耗空载和掉电方式。
3.1.2AT89C2051的结构框图
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体（EEPROM）的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。
如图3.2所示。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMELAT89C2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。
图3.2AT89C2051内部结构图
此外,从AT89C2051内部结构图也可看出,其内部结构及8051内部结构基本一致（除模拟比较器外）,引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全及51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。
3.1.3AT89C2051的引脚说明
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,及8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。
如表3.1所示：
AT89C2051芯片的主要引脚功能为：
1.Vcc：
电源电压。
2.GND：
地。
3.P1口：
P1口是一8位双向I/O口。
口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。
P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。
当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。
P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。
4.P3口：
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。
P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表10-1所示。
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5.RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6.XTAL1：
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
7.XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
表3.1 P3口的功能
端口引脚
功能
P3.0
RXD（串行输入端口）
P3.1
TXD（串行输出端口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
TO（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
从上述引脚说明可看出，AT89C2051没有提供外部扩展存储器及I/O设备所需的地址、数据、控制信号,因此利用AT89C2051构成的单片机应用系统不能在AT89C2051之外扩展存储器或I/O设备，也即AT89C2051本身即构成了最小单片机系统。
3.1.4复位电路
图3.3复位电路图
时钟电路工作后，在REST管脚上加两个机器周期的高电平，芯片内部开始进行初始复位，如图3.3所示：
3.1.5振荡电路
图3.4振荡电路图
本设计晶振选择频率为12MHz，电容选择30pF如图3.4所示。
经计算得单片机工作胡机器周期为：
12×（1÷12M）=1us。
3.2LED点阵简介
显示屏是由发光二极管行列组成的LED点阵模块组成显示屏体。
1.1.1LED简介
LED是发光二极管英文LightEmittingDiode的缩写格式，LED器件种类繁多，早期的LED产品是单个发光管，随着数字化设备的出现，LED数码管和字符管得到了广泛的应用，LED点阵等显示器件的出现，适应了信息化社会发展的需要，成为了大众传媒的重要工具。
LED发光灯按类型可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发光灯、电压型发光灯等；按发光强度可分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等；
LED发光灯结构如图3.5所示，它由芯片3、阳极引脚1、阴极引脚2和环氧树脂封装外壳四部分组成。
它核心部分是具有复合发光功能的PN结，即芯片3。
环氧树脂封装外壳具有保护芯片的作用，还有透光聚光的能力，以增强显示效果。
图3.5
1.1.2LED点阵
随着LED应用领域的扩大，要求生产更为直接和方便的LED显示器件。
因而出现了数码管、字符管、电平管、LED点阵等多种LED显示器。
不管显示器的结构怎么变，它的核心部件仍然是发光半导体芯片。
例如一个8*8的点阵是由64个发光二极管按一个规律组成的
图3.6
如图3.6所示的发光二极管，行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。
1.1.3显示原理
人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉的惰性。
视觉惰性可以理解为光线对人眼视觉的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通性。
实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。
这样当一个光源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。
不致于引起闪烁感觉的最低反复通断频率称为临界闪烁频率。
通过实验证明临界闪烁频率大约为24Hz。
因此采用每秒24幅画面的电影，在人看起来就是连续活动的图象了。
同样的原理，日光灯每秒通断50次，而人看起来却是一直亮的。
由于视觉具有惰性，人们在观察高于临界闪烁频率的反复通断的光线时，所得到的主观亮度感受实际上是客观亮度的平均值。
视觉惰性可以说是LED显示屏得以广泛应用的生理基础。
首先，在LED显示屏中可以利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。
扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点燃，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。
由于LED显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几十万只的范围，所以节约驱动电路的效益是十分可观的。
3.374HC595简介
74HC595是一个串入并出的芯片，通过一个for（i=0;i<8;i++）来存储数据。
具体来说就是第一个时钟信号来到时低位的数据向高位挪动一位，在这个程序中是SH_CK信号，当SH_CLK是一个上跳沿时，传入的形参dat及0x80相及，得到的数为1,则通过SDATA置1,否通过置为0。
并存储在SDATA的相应位置（最低位）上，DS内部也自动左移一位数据，然后dat向左移一位，使次高位变为最高位及0x80相及，并存储。
通过8次后，就可以得到数据，并存储在SDTTA中了，这时ST_CK一个上跳沿，数据即送出去了。
如图3.7所示：
//串行数据输入
voidSer_IN（unsignedcharData）
{unsignedchari;
for（i=0;i<8;i++）
{SH_CK=0; //先置为低
SD=Data&0x80; //取数据的最高位
Data<<=1; //将数据的次高位移到最高位，为下一次取数据做准备
SH_CK=1; //再置为高，产生移位时钟上升沿，上升沿时数据寄存器的
数据移位
//并行数据输出
voidPar_OUT（void）
{ST_CK=0; //先置为低
ST_CK=1; //再置为高，产生移位时钟上升沿，
上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存
器，更新显示数据。
}
图3.7
第四章系统硬件电路设计
4.1主控模块
本设计主控单元是以AT89C51单片机为核心芯片，控制所要显示的内容存储数据，外加单片机最小系统单元。
AT89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，及工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C51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。
如图4.1所示：
图4.1系统主控单元
4.2硬件扫描
为了使点阵的显示流畅，显示清晰的汉字，需在外围电路部分加扫描电路，以实现所要的效果，扫描电路用74HC154芯片，如图4.2所示：
图4.2
74HC154是一种高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。
74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选道，以消除输出端上的通道译码“假信号”，也可用于译码器扩展。
该使能门电路包含两个“逻辑及”输入，必须置为低以便使能输出端。
任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。
当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。
4.3显示部分设计
本设计的显示部分是有四块8*8的LED点着构成的，通过单片机的控制，经驱动电路驱动，软件和硬件的结合，从而实现汉字的滚动显示，达到设计目的
每个8*8点阵模块是由64个发光二级管组成，且每个发光二极管是放置在各行各列的交叉点上。
当对应的某一列置低电平，而另一列置高电平，则在该行和该列交叉点的二极管就会亮，LED点阵屏就是由若干个点阵模块组成的，它通过一定的控制方式，就可以显示文本、文字、图形、图像、动画等各种信息，以及电视、录像等各种信号。
LED点阵显示屏的技术已相当成熟。
本系统中的LED点阵显示屏幕是有4块8*8的单色点阵模块级联成为16*16的点阵显示模块。
4.4.1显示屏的原理图及结构
图4.3行扫描部分
图4.4列扫描部分
根据显示屏的原理图结构，分析LED点阵控制器的控制原理：
如显示10个汉字，先将这10个汉字的点阵从字库中读出，放到显示缓存,如果要实现
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