单片机控制的大屏幕LED显示系统Word文档格式.docx
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（9）演出和集会。
大型显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播，如在我国建国50周年大庆、世界各地的新千年庆典等重大节日中，大型显示屏在播放实况和广告信息发布方面发挥了卓越的作用。
（10）展览会，LED显示大屏幕作为展览组织者提供的重要服务内容之一，向参展商提供有偿服务，国外还有一些较大的LED大屏幕的专业性租赁公司，也有一些规模较大的制造商提供租赁服务[2]。
1.2LED电子显示屏产业状况与市场发展
1.2.1LED显示屏的产业状况
经过近十年的发展，我国LED显示屏产业发展目前已初具规模，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，一些具有实力和影响的企业把LED显示屏作为经营战略发展的重要内容，涉足LED显示屏产业，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，预计在近两年内，我国的LED显示屏产业将会有较大的调整和发展。
1998年低LED显示屏专委会进行了一次不完全统计，根据统计结果，1998年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上；
全国从事LED显示屏的各企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额8亿元人民币，此前的1996、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落，增长速度大概在30%左右。
1998年成立的中国光学光电子待业协会光电器件分会LED显示屏专业委员会，集中了全国有代表性和影响的LED显示屏主要生产企业，成立之初有55家成员单位，目前已发展到67家，基本上包括了全国LED显示屏行业的主导企业。
至2000年度，LED显示屏专业委员会成员单位的年产值已逾11亿元人民币，所度销售额超过了10亿元人民币。
与1999年相比，全行业产销值的平均增长为10%以上，其中个别企业的增长了近两倍，有几个企业增长了50%以上，大部分企业稳中有升，也有少数是下滑的，估计，这个产值占全国同行业的75%以上。
从业人数近9000人，其中专业技术人员4000多人，约占全员的45%，具有中高级技术职称的有2400多人，约占全员的28%。
这些人员大部分从事技术开发，就整个行业来说，具有较强的开发能力[3]。
我国LED显示民间产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。
90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；
LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。
目前国内主要LED显示民间制造厂商主要集中在华东、华北、华南区域，大型制造商的市场范围几乎覆盖整个国内市场。
国内LED厂商数量也在逐增加，目前比较上规模的（年产值在300万元以上）估计有150余家，其中年产值上千万的有20余家。
而且由于国产LED显示屏的性价比比较高，市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场。
1.2.2LED显示屏的市场发展
从93年至今，全国LED市场保持持续增长（据台湾PIDA估计，国内显示屏市场年增长率为40%左右）。
光电基础产业的发展促进了LED显示民间产业近年来年迅速发展。
据电子工业年鉴及一些专业杂志的统计，97年LED管产量比96年只增加了7亿只，但同期LED产值增加了1389百万，（国内LED显示民间所用的LED绝大多数是进口的，尤其是绿灯和蓝灯）其中包括LED显示屏产值部分。
实际上，在97年增加的13.89亿产值中相当一部分是LED显示屏创造的产值，因此，台湾PIDA估计的99年大陆LED显示屏7.7亿人民币产值是一个保守的数字。
2002年LED产量超过150亿只，产值超过80亿元；
2003年LED产值超过100亿元，产量约200亿只，其中超高亮度LED有几十亿只。
近几年LED的发展速度超过30%，其中超高亮度LED的发展速度超过50%。
据美国的一项预测表明，5年内全球LED市场将从2004年的32亿美元，增长至2008年的56亿美元。
超高亮度LED市场2001年为12亿美元，2002年市场约为16亿美元。
国内LED行业也正处于高速发展阶段，目前来华投资LED的公司愈来愈多。
2008年可望达8.44亿美元。
预计明年将是LED发展的重要关键.目前，标准及指示灯LED虽占了出货的大宗，但未来HB－LED和UHB－LED将出现显著的营收，2006年之后高亮度LED─尤其是超高亮度的LED（又称UHB—LED），销售增长幅度势必极为惊人。
HB－LED到2008年的营收估计可达26.4亿美元，而UHB－LED可望占全球LED市场的22%。
预计在未来5年期间，汽车、信号灯及背光应用将占到市场销售量的60%，
超高亮LED发展速度超50%。
[3]
1.3LED显示屏的发展趋势
1.3.1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。
全彩色LED显示屏将是LED显示屏的重要发展方向。
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。
据不完全统计，世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有30家左右，主要分布在美国、欧洲、亚洲（日本、中国台湾、中国）。
国内从1994、1995年开始生产全彩色显示屏，到2001年底，全国范围内的全彩色LED显示屏达到300多块。
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。
1.3.2标准化，规范化
材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发燕尾服的一个新趋势。
近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。
1998年1月原电子部发布实施《LED显示屏通用规范》电子行业标准，使LED显示屏产业标准化工工作开始走向规范。
1998年初，中国光协光电器件分会正式成立了LED显示屏专业委员会，行业协会成立后，在引导规范行业发展、开展光电器件与LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作，1999年在昆明召开了“LED器件与应用研讨会”，并组织起草了《LED显示屏检测方法》，在组织讨论修改后，于2000年8月正式印发，在LED显示屏专业委员会成员单位试行贯彻实施。
目前电子标准化研究所与LED显示屏专业委员正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。
随着产品标准体系的形成和系列标准的实施，LED显示屏产业在向健康有序的方向发展。
行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，待业的发展将趋于有序。
1.3.3产品结构多样化
信息化社会的形成，LED显示民间的应用前景更为广阔。
预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要示诉小型LED显示民间会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在的市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系列LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。
LED显示屏产业正面临良好的市场机遇。
随着LED器件材料性能的不断提高，全彩色显示屏正在成为LED显示屏行业新的增长点；
2008年北京奥运会、2010年上海世博会等大型活动的举办，为LED显示屏市场带来了更多的市场机会；
半导体照明产业的发展，为LED显示屏产业的发展开拓了更大的空间；
户外广告LED显示屏、体育用LED显示屏、交通用户外LED显示屏和演出LED彩幕屏、展览用LED显示屏、租赁用LED显示屏、集会用LED显示屏等领域的市场显著增加。
1.4课题研究的意义
从LED显示屏的需求上，市场上不仅需要像大屏幕的这样大型的显示屏，也需要根据不同场地配置不同规格的小型显示屏。
但是由于LED显示屏无论大型还是小型，其最小系统的三大组成部分（显示屏、控制器、计算机）不能改变，而对于三部分中占投资比重较大的计算机实际利用率并不高，仅在内容更新时才与LED显示屏相连接，如果能将计算机去掉或多台LED显示屏共用一台计算机，则可以有效的减少一次性投资，大大的拓宽了LED显示屏的使用范围，这将有着非常重要的市场价值。
此次毕业设计的课题，一方面是熟悉LED显示原理,另一方面是在实际操作过程中培养各方面的能力，对单片机应用有一个更深入地理解。
1.5课题主要的研究内容
主要对传统的文字型的LED显示屏进行研究，了解其工作原理以及运行管理模式，软件控制方法以及控制计算机与LED显示屏控制器的硬件连接方式。
通过对点阵模块和控制电路的分析，确定LED显示屏的部件构成；
通过对单片机及控制模块的分析，确定LED显示屏的组成结构和驱动方式，实现LED显示屏的驱动。
在控制系统中实现对上位机传送过来的汉字码的提取与保存，采用USB通讯方式，完成信息的传输，并且在控制系统中实现信息实时更新的功能。
2LED显示屏基础理论
现在一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏，其实LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，这里所谓的图形，是指由单色固定亮度的点阵线条组成的任意图形，其中LED点阵发光器件或发光或熄灭，即只有两种状态。
本系统设计正是基于LED图文显示屏实际应用，着重实现LED显示屏的文字方面的显示及设备驱动。
LED异步显示屏可以用图文、静止的或连续的图像，图文显示时只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光和熄灭），而不控制LED的发光强度。
图像显示时不仅控制LED的通断，而且控制LED的发光强度，即实现灰度控制产生丰富的色彩。
对于静止图像的显示，显示数据的准备时间方面要求不严，只要能够反映画面的灰度就可以了，对于动态图像的显示，除了要求正确显相应的灰度之外，其图像的更新速度必须满足运动连续和无闪烁的要求。
显示屏可以分为屏体和控制器两大部分。
屏体的主要部分是显示点阵，以及行列驱动电路。
显示点阵多采用8*8单色显示单元拼接而成。
由于LED发光器件数目巨大，不宜使用静态驱动电路，通常采用扫描驱动方式。
扫描驱动电路一般采用多行的同名列共用一套列驱动器，行驱动器一行的行线连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端，当行驱动选中第i行，列驱动选中第j列时，对应的LED器件根据列驱动器的要求进行显示控制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。
一旦该行选通，这一行线上的器件就可以根据列数据进行显示。
上下位机之间的数据传输可采用USB接口、串行异步通信、远程网络等方式，上位机采用计算机，下位机可采用单片机或微处理器实现对显示屏的控制[4]。
2.1LED显示屏器件
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，这就是视觉惰性。
视觉惰性可以理解为光线对人眼的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通特性。
视觉惰性可以说是LED显示屏得以广泛应用的基础。
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。
这样当一个电源反复通断，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，刷新频率越高，画面质量越好，但刷新频率越高，对屏体背后的驱动电路和控制电路的要求也越高。
在LED显示屏中可以利用视觉惰性，改善驱动电路的设计，形成了日前广为采用的扫描驱动方式。
扫描驱动方式的优点在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亮，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显不屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几万只的范围，所以节约驱动电路的效益是十分可观的[6]。
2.2LED显示屏的设计任务
设计一个室内用16*128点阵LED单色图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀，充足，可显示图形和文字，显示图形或文字稳定、清晰无串扰。
图形或文字显示有静止和移入移出等显示方式，并且可以以USB接口来接收上位机的字模数据，达到一个实时显示的目的。
本文重点介绍了基于单片机系统的单色LED显示屏的控制电路、驱动电路的设计方法，并针对一个16*128屏的显示特点，对其软件实现的算法给出了具体的分析。
2.3LED显示屏工作原理
2.3.1数学模型
对于点阵型LED显示可以采用共阴极或共阳极，本系统采用共阳极，其硬件电路如图2-1所示。
当行上有一正选通信号时，列选端四位数据为0的发光二极管便导通点亮。
这样只需要将图形或文字的显示编码作为列信号跟对应的行信号进行逐次扫描，就可以逐行点亮点阵。
只要扫描速度大于24Hz，由于扫描时间很快，人眼的视觉有暂留效应，就可以看到显示的是完整的图形或文字。
图2-14*4共阳极LED点阵
例如，若要图中所示16个LED显示一个“口”字的方框，则首先在列1～４上写入列编码信号，接着应将对应的行上加选通信号，即在行、列的信号端分别加上如表2-1所示数据：
表2-1在点阵上所加的行信号以及列选择信号
列1
列2
列3
列4
行1
行2
1
行3
行4
这样，当第一行选通时列信号为0000；
第二行选通时列信号为0110；
第三行选通时列信号为0110；
第四行选通时列信号为0000；
再选通第一行送列信号0000……如此循环下去，当刷新频率足够高时（大于24Hz），由于人眼的视觉暂留特性，便可观察到稳定的方框。
2.4LED显示器的驱动
当向LED器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。
因此LED的驱动就是如何使已的PN结处于正向偏置，而且为了控制它的发光强度，还要解决它的正向电流的调节问题。
具体的驱动方法分为直流驱动、恒流驱动和脉冲驱动等。
2.4.1直流驱动
直流驱动是最简单的驱动方法。
LED的工作点由电源电压VCC,串联电阻R和LED器件的伏安特性共同决定。
这种驱动方式适合于LED器件较少，发光强度恒定的情况。
例如公交车用于固定显示”XX路”字样的显示器。
2.4.2恒流驱动
由于LED器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。
若对LED器件进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近。
晶体管的输出特性具有恒流特性，所以可以用晶体管驱动LED，如图2-2所示。
2.4.3脉冲驱动
利用人眼的视觉惰性，采用向LED器件重复通断电的方式使之点燃，就是脉冲驱动方式。
脉冲驱动的主要应用有两个方面：
扫描驱动和占空比驱动。
扫描驱动的主要目的是节约驱动器，简化电路。
如N行LED共用一列数据，称其为1/N扫描方式，N常取4.8.16.32。
一般室内屏常取N为16,室外屏应用时，N一般为4。
占空比控制的目的是调节器件的发光强度，用于图像显示中的灰度控制。
此驱动方式的电路图如图2-2所示：
[7]
以上介绍的各种驱动，在实际应用中往往是组合在一起使用的。
例如在图像显示屏的驱动电路中，即用到了扫描驱动，也用到占空比驱动，还用到了恒流驱动。
基极电流控制基极电压控制
图2-2晶体管恒流驱动LED器件
3LED显示屏系统方案分析
3.1方案一
静态显示对LED电子显示屏中每一像素点都通过硬件单独控制，整个LED电子显示屏的显示实际上就是所有LED的同时显示。
采用分布式控制，此系统由多个扫描控制模块组合而成，每个模块控制一部分屏幕的显示，各个模块由主控制电路统一控制，结构如图3-1所示：
图3-1分布式控制示意图
3.2方案二
采用动态扫描法串行输出数据。
以CPLD构造的高速扫描电路为系统核心，显示数据的提取，并行转换为串行输出和扫描信号的产生为高速CPLD扫描电路控制[11]，把原本同CPU软件实现用硬件完成，结构如图3-2所示。
图3-2CPLD为核心的方案
3.3方案对比
方案一的优点在于编程简单且对LED显示屏保证无闪烁，缺点是硬件利用率低，硬件成本高，方案二采用动态扫描来实现LED电子显示屏的显示过程，方案二电路构成简单，译码电路简洁，能较好的应用于大屏幕的设计，所以本系统用串行动态扫描的方法。
方案一中主控硬件电路不因屏幕像素的增减而变，只需要对扫描控制模块进行相应的增减，但此方案要通过主控电路将多个分离的条屏合并，在过渡显示时软件较复杂。
此外，系统硬件实现较为复杂，开销较大。
方案二中高速的CPLD扫描模块电路实现了由实现的部分操作，使CPU操作大大简化。
CPLD的高频率工作特性，使它能高速地完成数据提取，并串转换和移位输出，还可以很好地实现扫描同步输出，但是由于时间和水平的有限，未能采取这个方案[10]。
3.4本课题方案论证
根据前面各个方案的对比，结合实际提出了基于硬件扫描的LED电子显示屏的整体设计方案。
由单片机最小系统、硬件扫描模块、驱动显示模块和通信电路四部分功能模块
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的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。
16*128的点阵共有2048个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16*128的点阵需要256个锁存器。
这个数字很庞大，而且成本很昂贵，我们仅仅是16*128的8个汉字点阵，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）的同名列共用一套列驱动器。
具体就16*128的点阵来说，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，再去驱动这一列LED（共阳接法），每一列先送出对应第1行发光管对应的数据并锁存，再选通第1行使其点亮一定的时间，然后熄灭；
再送出第2行的数据并锁存，再选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭……第8行之后，又重新点亮第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，就能看到显示屏上稳定的图形了[6]。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
显示数据通常存储在单片机的程序存储器中，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行方式或串行方式。
采用并行方式时，16*128的LED点阵有8列8*8的点阵，需要8*8=64个列数据输入口，而一个C8051F020只有64个I/O接口，还要同时驱动行数据，根本不够用；
并且从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，由此可以得出，当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用2根线：
数据线、时钟线。
将行数据一位一位传往行驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。
但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给行驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。
这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。
对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行数据的同时，传送下一行的数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示驱动电路就需要具有锁存功能。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能：
对数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；
对数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打人并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
同时为了LED显示的亮度，采用8行扫描，每个汉字上面有2个16列驱动器驱动，列驱动器的位置应该是在第1行跟第9行，即每个16*16的汉字点阵是有4个8*8的点阵组成的阵列，扫描的时候同时扫描显示第1行跟第9行，第二次扫描的时候显示第2行跟第10行，以此类推，最后显示第8行跟第16行，如图3-3所示：
第1行全亮●●●●●●●●|●●●●●●●●
第2行不亮○○○○○○○○|○○○○○○○○
第3行不亮○○○○○○○○|○○○○○○○○
第4行不亮○○○○○○○○|○○○○○○○○
第5行不亮○○○○○○○○|○○○○○
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