基于单片机的电子显示屏设计Word格式文档下载.docx
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第1章LED显示屏的基本概述
1.1LED显示屏的发展历程
LED诞生于1923年，罗塞夫在研究半导体时发现掺有杂质的P-N结，通电后会有光发射出来，由此研制出了发光二极管（LED：
lightemittingdiode），但之后LED的应用一直不受重视。
随着电子工业的快速发展，在60年代，显示技术得到迅速发展，人们研究出PDP激光显示等离子显示板、LED液晶显示器、发光二极管LED、等多种显示技术。
由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管已日趋在固体显示器中占主导地位。
LED之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身有很多优点。
目前正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀性、全色化发展。
LED大屏幕的发展呈现如下几个发展阶段：
（1）第一代：
单色LED显示屏
以单红色为基色，显示文字及简单图案为主，主要用于通知、通告及客流引导系统。
（2）第二代：
双基色多灰度显示屏
以红色及黄绿色为基色，因没有蓝色，只能称其为伪彩色，可以显示多灰度图像及视频，目前在国内广泛应用于电信，银行，税务，医院，政府机构等场合，主要显示标语，公益广告及形象宣传信息。
（3）第三代：
全彩色（fullcolor）多灰度显示屏
以红色，蓝色及黄绿色为基色，可以显示较为真实的图像，目前正在逐渐替代上一代产品。
（4）第四代：
真彩色（truecolor）多灰度显示屏
以红色，蓝色及纯绿色为基色，可以真实再现自然界的一切色彩（在色坐标上甚至超过了自然色彩范围）。
可以显示各种视频图像及彩色广告，其艳丽的色彩，鲜亮的高亮度，细腻的对比度，在宣传广告领域应用具有极好的视觉震撼力。
真彩色5mm户内大屏幕属于上述第四代产品。
它具有高亮度，不受环境亮度影响，厚度薄，占用场地小，色彩鲜艳丰富，视角宽，可以在宽敞的厅堂环境应用，没有拼接图像损失。
1.2LED显示屏市场应用领域
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、汽车站动态信息显示，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等领域。
随着技术的进步、成本的降低，LED显示屏将更多的被各行业所采用。
1.3LED显示屏的分类
LED显示屏的分类有好多种，有按使用环境、显示颜色、显示功能等。
具体分类如表1-1所示。
表1-1LED显示屏的分类
分类
方式品种
说明
使用环境
室内LED显示屏
室内LED显示屏在室内环境下使用，此类显示屏亮度适中、视角大、混色距离近、重量轻、密度高，适合较近距离观看。
室外LED显示屏
室外LED显示屏在室外环境下使用，此类显示屏亮度高、混色距离远、防护等级高、防水和抗紫外线能力强，适合远距离观看。
显示颜色
单基色LED显示屏
单基色LED显示屏由一种颜色的LED灯组成，仅可显示单一颜色，如红色、绿色、橙色等。
双基色LED显示屏
双基色LED显示屏由红色和绿色LED灯组成，256级灰度的双基色显示屏可显示65,536种颜色（双色屏可显示红、绿、黄3种颜色）。
全彩色LED显示屏
全彩色LED显示屏由红色、绿色和蓝色LED灯组成，可显示白平衡和16,777,216种颜色。
显示功能
图文LED显示屏（异步屏）
图文LED显示屏可显示文字文本、图形图片等信息内容。
可联网脱机显示。
视频LED显示屏（同步屏）
视频LED显示屏可实时、同步地显示各种信息，如二维或三维动画、录像、电视、影碟以及现场实况等多种视频信息内容。
第2章LED显示屏的性质及原理
2.1LED显示屏的分类
2.1.1异步屏
一般由显示单元板（模组）、控制卡（条屏卡）、开关电源、组成通过串口线与计算机连接，进行显示文字的更改，之后可以脱开计算机工作。
图2-1是异步显示屏组成。
图2-1异步屏
2.1.2
同步屏
同步屏系统比较复杂，系统可大可小，一般由计算机、DVI显卡、数据发送卡、同步数据接收卡、HUB板、网线、LED显示屏等组成。
系统始终需要联机计算机工作，将计算机上的图像文字显示在LED大屏幕上。
图2-2就是一个同步屏系统。
图2-2同步屏
2.2LED显示屏涉及的相关概念
2.2.1像素
像素是LED显示屏的最小成像单元。
俗称“点”或“像素点”。
图2-3是一个以红绿像素的单元板。
图2-3由2红2绿组成1个显示像素点
2.2.2显示模块
若干个显示像素组成的，结构上独立的组成LED显示屏的最小单元。
室内屏用的是8x8的显示模块，即每个显示模块有64个像素。
图2-4是一个点阵模块。
图2-4点阵模块的正反面
室外屏使用的是单个的灯珠（图2-5），通常由1-3个相同或不同颜色的灯珠组成模块的一个像素点。
图2-5显示屏模块
如上面左图的室外屏模组就是由2个红色灯珠组成1个显示像素点显示模组。
由电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成LED显示屏的独立单元。
简单说就是为便于组装和显示，出厂的半成品通常是以显示模组形式提供的，将多个显示模块加显示驱动做在一起。
室内屏俗称“单元板”；
室外屏俗称“模组”，再将若干个模组加上机箱、风扇、电源等构在一起成为“箱体”，多用于大型的全彩屏。
室内屏单元板通常有64x32（64列32行、由32个模块组成）、64x16（64列16行、由16个模块组成）等。
图2-6是一个16x32的单元板：
图2-6室内屏单元板反正面
图2-716x8（2红）的室外屏模组
加了防水结构用于全户外，如图2-7，我们可以看到塑料壳体，最右侧是它的整个结构刨图：
显示板上插的是灯珠、背板上是显示驱动电路，这是分体结构的，也有的是将显示板和显示驱动电路做在一块电路板上的整体结构的，下面的两个图我们可以看到区别。
面板、后壳其实是一个塑料罩壳，面板上对应灯珠位置开有孔，以使灯珠漏出头，后壳上有用于安装的螺丝孔或磁柱，使模块便于组装，模块的前面灌有显示屏专用的防水胶。
将单元板/模组/箱体按一定方式拼接在一起，加上控制卡/控制系统、电源和框架等就构成为LED显示屏。
图2-8是LED显示屏屏体。
图2-8室外屏：
显示模组+控制卡+电源
2.2.3点距
点距就是2个像素点之间的距离。
主要是取决于观看者的距离。
通常点距的概念用于室外屏，有P6、P7.62、P8、P10、P12、P16、P20等，以毫米mm为单位。
室外屏观看距离一般在30米内，采用不大于P16（16mm）的模组。
点距越密，显示出来的字笔画越细腻，单位面积像素点越多，显示屏成本越贵。
2.2.4扫描方式
扫描方式决定了模组之间连接的形式，扫描方式有1/16、1/8、1/4、1/2、静态这几种。
因为LED显示屏是逐行刷新显示的，扫描方式也就决定了显示刷新的方式，如1/16就是每次刷新1行，16行为一个扫描周期，需ABCD四个信号控制；
1/8就是每次刷新1行，8行为一个扫描周期，需ABC三个信号控制；
其它依次类推。
如果采用相同的LED灯，1/16扫的亮度要比1/8低，静态（1/1）的亮度是最高的。
户内的屏一般采用1/16扫，户外和半户外的一般采用1/16或者1/8。
对于放置在屏经常受到猛烈阳光照射的环境，就最好用1/4扫描。
具体扫描方式如表2-1所示。
表2-1芯片的扫描方式
扫描
方式
走线描述
图示
1/16（十六分之一）扫描
16.0：
直行走线，
一路数据带16行。
1/8（八分之一）扫描
8.0：
一路数据带8行。
8.1：
上蛇行，
一路数据带16行，
8行折列。
8.2：
下蛇行，
1/4（四分之一）扫描
4.0：
一路数据带4行。
4.1：
4.2：
下蛇行，一路数据带16行，8行折列。
4.3：
上蛇行，一路数据带8行，8行折列。
2.3LED显示屏显示原理
图2-9是以一个8x8的点阵LED结构。
图2-9X8的点阵LED结构
从图上看，8X8点阵共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置低电平时，则相应的二极管就亮。
将许多这样的模块组合在一起，就是我们通常说的单元板/模组，而驱动其显示需要显示驱动电路和诸如单片机之类的智能控制芯片。
通常我们的单元板/模组是带有显示驱动电路的，我们还需要带有单片机的控制卡才能将我们所需要显示的文字/图形显示在屏幕上。
电路原理图示如图2-10所示：
图2-10显示屏电路图
无论文字还是图形都是由点阵组成的，比如我们常用的汉字，完整的点阵由16x16、32x32等等，每个点就是一个像素点。
显示原理如下:
现以“巴音”为例，将红点处（点亮的像素点）定义为1，黑点处（不亮的像素点）定义为0，就可以编写成能在单片机中保存的字型格式：
{0x00,0x00,0x00,0x00,0x03,0x02,0x00,0x00,}{0x13,0x1F,0x1F,0x18,0x00,0x00,0x01,0x00,0x00}{0x22,0x21,0x20,0x28,0x23,0x2F,0x2F,0x28}{0x32,0x31,0x30,0x38,0x30,0x30,0x30,0x30}{0x42,0x41,0x40,0x48,0x40,0x40,0x40,0x48}{0x52,0x51,0x50,0x58,0x50,0x50,0x54,0x54,0x50,}{0x62,0x61,0x60,0x60,0x68,0x6F,0x6F,0x6F,0x6E}{0x72,0x7F,0x7F,0x78,0x70,0x70,0x70,0x70}……{0XB2,0xB0,0XB0,0XB2,0XB1,0xBF,0xBF,0xBF,0Xb0}{0xC2,0xC0,0xC1,0xC0,0xC1,0xC0,0xC1,0XCf}{0xE1,0xEF,0xEF,0xEE,0xE1,0xEF,0xEF,0xE0}{0xF0,0xF0,0xF0,0xF0,0xF1,0xF1,0xF1,0xF0}。
这是16x32的点阵汉字，每个汉字32个字节。
每个字节都是8位，这样一共送出了8x8=64位（列），送出这些位信号是通过DI信号端送出的（串行送出），在每送出1位时CLK信号端都要高低变换一次，称为串行移位，使得64位（列）的每一位都被移送到了74HC595的输入端口上。
送出锁存信号STB，即STB信号高低变换一次，这样74HC595的输入端口上64位（列）数据就被送到74HC595的输出上，一行显示就出来了。
锁存信号也使得下一行数据串行移位送出不会影响到上一行的显示。
由单片机再通过74LS138变换ABCD的组合，选出下一个显示行。
重复的过程，但送出的数据相应的向后移动。
行选择也是从第1行到第16行。
16行显示一遍称为一个显示刷新周期，无论LED显示屏的大小如何，一个显示刷新周期必须在20毫秒以内完成，否则会出现闪动，单片机速度很快，32行200列以内的显示通常是没有问题的。
但当LED显示屏更大时就要选择速度更快的单片机或DSP来完成了。
完成LED显示的功能是由控制卡来实现的，无论简单的单色屏还是复杂的全彩屏，显示原理都是一样的，很简单。
但如要实现诸如左右移动、飞入飞出、嵌色变换等特殊效果，还需要在单片机或DSP上编写非常复杂的算法程序，却不是一般人能做到的。
好在现在有上百家控制卡生产研发的厂家公司，他们推出有性能各异的控制卡可以供我们选择，我们一是要看他们的功能，还要看他们能支持的LED屏像素点，功能越多、支持的像素点越多，价格越贵。
2.4单元板/模组认识
室内屏、室外屏、全彩屏等其显示原理都是一样的，而最大的区别就在于显示板的不同，下面我们分别来认识不同的显示单元板/模组。
（1）室内单元板（图2-11）：
图2-11室内单元板
（2）半户外模组（图2-12）：
图2-12半户外模组
（3）全户外模组（2-13）：
图2-13全户外模组
2.5显示板芯片简介
认识显示板元件工作原理也是对于组装和维修的基础，驱动芯片主是:
74HC245/244，74HC595，74HC138，4953。
2.5.174HC245
74CH245（图2-14）是信号功率放大器。
控制信号是比较弱的，在信号传递过程中需要将它的功率进行放大。
图2-1474HC245的工作图
引脚说明：
第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。
第2-9脚“A”信号输入输出端，A1=B1……A8=B8，A1与B1是一组，如果DIR=“1”G=“0”则A1输入B1输出，其它类同。
如果DIR=“0”G=“0”则B1输入A1输出，其它类同。
第11-18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。
第19脚G，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。
第10脚GND，电源地。
第20脚VCC，电源正极。
2.5.274HC138
74HC138是一个八位二进制译码器，74HC138（图2-15）的作用是用来选择显示行，一个74HC138可以选择8行中的一行，所以单元板/模块上有2块74HC138，这样就可以在16行中选择1行显示。
图2-1574HC138
第8脚GND，电源地。
第15脚VCC，电源正极。
第1-3脚A、B、C，二进制输入脚。
第4-6脚片选信号控制，只有在4、5脚为“0”6脚为“1”时，才会被选通，输出受A、B、C信号控制。
其它任何组合方式将不被选通，且Y0-Y7输出全为“1”。
通过控制选通脚来级联，使之扩展到十六位。
2.5.374HC595
74HC595，LED驱动芯片，8位移位锁存器用于驱动显示列，每片74HC595可以驱动8列，多片74HC595串接在一起，串行列数据信号RI（DATA）、锁存信号STB、串行时钟信号CLK都在这个芯片上。
图2-1774HC595
第16脚VCC，电源正极。
第14脚DATA，串行数据输入口，显示数据由此进入，必须有时钟信号的配合才能移入。
第13脚EN，使能口，当该引脚上为“1”时QA-QH口全部为“1”，为“0”时QA-QH的输出由输入的数据控制。
第12脚STB，锁存口，当输入的数据在传入寄存器后，只有供给一个锁存信号才能将移入的数据送QA-QH口输出。
第11脚CLK，时钟口，每一个时钟信号将移入一位数据到寄存器。
第10脚SCLR，复位口，只要有复位信号，寄存器内移入的数据将清空，显示屏不用该脚，一般接VCC。
第9脚DOUT，串行数据输出端，将数据传到下一个。
第15、1-7脚，并行输出口也就是驱动输出口，驱动LED。
2.5.44953
4953是LED显示屏的行驱动管，功率管每一显示行需要的电流是比较大的，要使用行驱动管，每片4953可以驱动2个显示行。
图2-18CMOS
其内部是两个CMOS管（图2-18），1、3脚VCC，2、4脚控制脚，2脚控制7、8脚的输出，4脚控制5、6脚的输出，只有当2、4脚为“0”时，7、8、5、6才会输出，否则输出为高阻状态。
2.5.5TB62726
TB62726（图2-19）的作用是LED驱动芯片，16位移位锁存器。
有些单元板/模组使用TB62726代替74HC595，一片TB62726可以驱动16列，仅此而已。
图2-19TB62726及引脚
第1脚GND，电源地，第24脚VCC，电源正极，第2脚DATA，串行数据输入，第3脚CLK，时钟输入，第4脚STB，锁存输入，第23脚输出电流调整端，接电阻调整，第22脚DOUT，串行数据输出，第21脚EN，使能输入，其它功能与74HC595相似，只是TB62726是16位移位锁存器，并带输出电流调整功能，但在并行输出口上不会出现高电平，只有高阻状态和低电平状态。
74HC595并行输出口有高电平和低电平输出。
第3章控制卡及电源工作原理
3.1控制卡及信号
生产控制卡的厂家很多，控制卡的功能大同小异，可根据易使用、服务好、价格优的原则选择。
下面这块控制卡可以控制1/16扫的256x16个点的双色屏幕。
该控制卡属于异步卡，就是说，该卡可以断电保存信息，不需要连接PC都可以显示储存在里面的信息。
采购单元板和控制卡的时候，应注意接口的一致，常用的接口16PIN08接口，其它接口还有12接口、04接口等。
表3-1是数据传输口接口示意。
表3-1数据传输接口
2
A
B
C
D
G1
G2
STB
CLK
16
1
N
EN
R1
R2
15
解释：
ABCD为行选信号。
STB（LT）为锁存信号。
CLK（CK）为时钟信号。
R1，R2，G1，G2为显示数据（组成16行时用到R1、G1，组成32行时，下面16行用到R2、G2），若是单色只需要R信号，双色时才用到G信号，EN为显示使能，N为地（GND）。
确认单元板和控制卡的接口一致，就可以直接连接了。
如果不一致，就需要自行制作转换线。
下面是控制卡组成的作用。
（1）CLK时钟信号：
提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。
数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。
在任何情况下，当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。
（2）STB锁存信号：
将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路点亮LED显示出来。
但由于驱动电路受EN使能信号控制，其点亮的前提必须是使能为开启状态。
锁存信号也须要与时钟信号协调才能显示出完整的图象。
在任何情况下，当锁存信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。
（3）EN使能信号：
整屏亮度控制信号，也用于显示屏消隐。
只要调整它的占空比就可以控制亮度的变化。
当使能信号出现异常时，整屏将会出现不亮、暗亮或拖尾等现象。
（4）ABCD行信号：
只有在动态扫描显示时才存在，ABCD其实是二进制数，A是最低位营销管理，如果用二进制表示ABCD信号控制最大范围是16行（1111），1/4扫描中只要AB信号就可以了，因为AB信号的表示范围是4行（11）。
3.2单元板上显示接口
显示接口是用用于连接控制卡和单元板/模组之间连接，已将控制信号传递。
由于存在不同的扫描方式，也就有不同的接口，使用得最多的是08接口，12接口和04接口。
不同的接口主要是信号线的排列顺序不一样，原理是一样的。
室内屏多用08接口，室外屏所采用接口非常杂乱，使用12接口的较多，但12接口也不是户外屏的唯一接口。
选择控制卡和单元板/模组时，应尽量选择接口一致的，若买到了不一致的接口，也可以根据学到的原理进行
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