基于单片机滚动字幕设计Word下载.docx

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点阵；

显示屏；

数据；

控制；

Abstract

Withtoday’shighlydevelopedinformation,traditionalmobilegaragedoorscreencontrolsystemcannotmeettheneedsofthepeopleontheinformationdisplay.TodayLEDdisplaywhichinvolveselectroniccircuit,integratedcircuit,information,imageprocessing,informationtransmissionandelectronicproductsandotherrelatedtechnologies,installationhasparticularlyactedinthefieldofinformationintheapplicationandpopularizationofvariousindustriesandalsotakengreatstrides.

ThispaperdesignsasimpleLED-baseddisplayAT89S51microcontroller.ThedisplaysystemiscomposedofPC,plustheUpperandLowerMCUmode.PC,whichusedtoupdatetheinformationdata,microcontrollerusedtocontrolthehardwarescananddisplaycircuit,betweentheupperandlowercomputerusingRS-232communicationstandard.SystemsoftwareiswrittenusingC++BuildertheupperPCcontrolandcommunicationsoftwareandClanguagewrittendisplaycontrolsoftware.HardwareprocessorselectsAT89S51.

LEDdotmatrixdisplayisflatdisplayscreenwhichisuselight-emittingdiodepixelmoduleormodules.Ithashighlight,longlife,flexibleconfiguration,color-richandstrongadaptabilityindoorandoutdoorenvironment.LEDdisplaydevelopsrapidlysoiswidelyusedinpublictransportvehicles,shops,stadiums,railwaystations,schools,banks,highwaysandotherpublicplaces,informationpublishingandadvertising.Thispaperdescribesthecharacterssuchasdisplayprinciple,thehardwarecompositionanddesign,programminganddebugging,protelsoftware’sbasicpartsandrelatedtechnologieswhichbasesonAT89C51microcontroller16X64LEDscrollingdot-matrix.

Keywords:

SCM；

lattice；

screen；

data；

control

引言

电子显示屏是以发光二极管为显示材料，结合计算机控制技术与图像处理技术的高亮度显示设备。

发光二极管简称LED（LightEmittingdiode），是利用半导体P-N结电致发光原理产生红、绿、蓝等颜色。

LED具有高亮度、色彩鲜艳、稳定性好、功耗低、发光效率高、无污染、寿命长等优点。

被誉为“照亮未来的技术”的LED，渐渐走近了我们的日常生活，并将推动显示器领域发生一次革命性巨变。

LED显示器技术的发展速度超出了专家的预测，作为一个新兴产业，10年内，LED显示器有望达到30亿美元的产值。

液晶显示器也将和CRT显示器一样，退出主流舞台！

LED电子显示屏作为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”，且因为它与电视墙、等离子显示器、磁翻板、霓虹灯等媒介相比具有上述优点，而广泛应用于各类场所。

早期的LED只有红色或绿色，因此只有单色或双基色。

1993年，日本日亚化学工业株式会社（NICHIA）开发出了蓝色高亮度发光二极管，从此显示屏开始进入全彩色时代。

中国LED领域的技术创新仍较薄弱。

发光材料制造和发光芯片制造是发展LED产业必须掌握的两大核心技术，但在这方面，国外巨头优势明显。

核心专利基本掌握在外国几大公司，如CREE、欧司朗等手中，我国LED外延和芯片制造的关键设备依赖进口，这将成为制约我国半导体照明产业发展的软肋，影响自主品牌的市场竞争力。

同时中国LED照明企业仍处于数量多、规模小的状态中，出现了低水平重复建设。

总体来说，中国LED产业的发展瓶颈依旧无法回避。

核心技术缺乏，标准不够完善，成本偏高是主要发展瓶颈。

由于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。

因此，LED显示屏具有非常强大的市场空间和前景，现在国内外很多公司也在大力研发和生产LED显示屏。

随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏应用前景更为广阔。

LED显示屏产业自90年代以来，在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。

早在90年代初，国产的LED显示屏就具备了成熟的16级灰度、256色视频控制技术和无线遥控等代表了当时的国际先进水平的技术。

近几年，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，国内企业均拥有了居行业先进技术水平的产品。

这些产品被广泛应用于交通警车、汽车、车站、码头、体育、广告、银行、证券、商场、邮政电讯、机关单位等领域，另外，大型或超大型LED显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，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，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、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、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额，具有良好的收益前景。

课题研究的目的及意义，本论文以LED大屏幕显示系统设计思路为前提，提出了基于51单片机的LED点阵简易显示屏设计方案。

论文详细论述了简易LED显示屏的硬件设计原理，LED显示屏扫描驱动原理，单片机控制电路的软件设计方法，PC上位机控制及通信软件的设计，以及特效显示方式软件的设计方法。

其主要目的是设计一款基于51单片机的简易LED显示屏，实现汉字的上、下、左、右和静态显示。

通过该课题，可以学习到有关51单片机、LED显示屏、串口通信等知识。

了解LED显示屏的行业动态和发展趋势。

可以提高动手能力、编程能力、自学能力等，通过具体的毕业设计项目，对大学学习的知识也是一个很好的检验机会。

1LED显示屏系统原理

1.1LED器件的工作原理

1.1.1LED发光二级管的基本原理

发光二极管（lightemittingdiode,LED），是一种把电能变成光能的特种器件，当电流如图1所示通过它的时候，可以产生可视的光。

图1开启一个LED

发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。

我们知道，发光是一种能量转化现象。

当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态。

当系统由不稳定的高能态重回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。

当在PN结上加以正向电压之后，P的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。

它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。

1.1.2LED器件的驱动

从LED器件的发光机理可以知道，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的驱动就是要使它的PN结处于正偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。

具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本课题LED器件的驱动为扫描驱动。

（1）脉冲驱动

利用人眼的视觉暂留特性，采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃，就是通常所说的脉冲驱动方式。

采用这种方式时应该注意两个问题:

脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。

首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值就应该与直流驱动的电流值相同[4]。

其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性知道脉冲重复频率必须高于24Hz，否则会产生闪烁现象，脉冲驱动的主要应用于扫描驱动。

（2）扫描驱动

扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。

LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。

在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制;

也可以按列扫描，按行控制。

所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不问这一行的哪一列的LED器件是否应该点亮，某一列的LED器件是否应该点亮，由所谓的列控制电路来负责。

本课题采用按行扫描按列控制的方式[4]。

一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。

1.2基于LED显示屏的大屏幕显示系统的组成

1.2.1大屏幕LED显示系统的组成

图2系统基本结构图

由图2可看出，该系统是由PC机和多台单片机组成的群显示LED显示系统，PC机在控制中心作为上位机，下位机采用单片机。

基于单片机的LED显示屏控制电路是系统的核心，完成对LED显示屏的动态扫描控制，PC机用于后级管理和控制。

PC机与单片机之间采用RS-232C通信标准，由上位机发送信号，各个下位机同时接收。

当各个显示屏需要显示不同内容时，可以通过对不同编号的下位机传送不同的显示数据的方法来实现。

1.2.2主要组成部分功能介绍

（1）LED显示屏

LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成。

最常见的LED点阵显示单元有5

7，7

9，8

8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符。

（2）以单片机为核心的动态扫描电路

图3所示以单片机为核心的动态扫描电路是由单片机、显示控制电路、显示驱动电路组成。

单片机及相应软件，主要负责存储显示数据、安排控制信号的定时与顺序、和PC机进行通信等。

图3以单片机为核心的动态扫描电路图

根据驱动方式的不同，LED大屏幕显示方式可分为静态显示和动态扫描显示两种。

静态显示是指将一幅画面输入以后要保持到下一幅画面的输入。

动态扫描是指将画面分为若干部分分别进行刷新，静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为n

m个像素屏，则需要n

m套驱动电路。

动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是P路复用的话，则每P个象素需一套驱动电路，n

m个象素仅需n

m/p套驱动电路。

另外，对于静态显示方式，需要较多的译码驱动装置，需要的引线也比较多，对于动态扫描显示方式，可以避免以上不足，但是容易造成显示亮度低、屏幕闪烁等问题。

在实际的LED大屏幕显示中，很少有采用静态驱动的。

对于以动态扫描方式工作的显示系统，扫描时间的确定较为重要，根据人眼的视觉暂留时间，若每秒显示二十四帧以上，便可得到稳定的显示，取每秒二十五帧，即完成对全屏的一次扫描时间为40ms，那么，只要每次完成对全屏的扫描时间不超过该值，将会得到较为稳定的显示。

从理论上讲，显示屏的大小是任意的，但从上面的分析可知，显示屏做得越大，即屏幕的点阵规模越大，往显示屏上所送的数据就越多，数据传输与控制的时间也会增加，即完成一屏扫描的时间也将越长，然而，40ms的时间却是固定的，多于40ms会有闪烁感。

在设计显示屏的大小时，该因素是必需考虑的。

显示数据通常以字节的形式顺序存放在单片机的存储器中。

在行扫描列控制显示时，把显示数据从存储器中取出传送到每一行对应的列驱动器上，这就存在一个列数

传输方式的问题。

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，它们各有优缺:

数据并行传输的速度比较快，但是随着屏幕的增大，点阵模块数量的增多，线路会越来越复杂;

数据串行传输的速度比较慢，但它可以大大简化传输线路，对于大屏幕来说，采用串行传输方式比较合适。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传给列驱动器，与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到一行的各列数据全部传输到位后，才能并行地进行显示。

对于串行传输来说，列数据的准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就少一些，以至影响到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。

即在显示本行各列数据的同时，准备下一行的列数据，这就需要列数据的显示具有锁存功能。

本行己准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串行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。

（3）PC机及运行在PC机上的程序

PC机主要用于人机交互，完成对每一个LED显示屏的控制与显示数据传输。

应用程序主要完成对显示屏的控制，同时完成对包括图形和中西文字符的显示信息进行编辑处理，将待显示信息通过串行通信传输到指定的LED控制器中。

1.3简易LED显示屏系统的硬件组成

本论文根据上节介绍的大屏幕LED显示系统的组成原理，设计了一款简易LED显示屏系统。

该系统能方便的显示16

64点阵的汉字。

其显示内容可以实现上下，左右移动，显示内容和方式可以有用户按要求随时修改。

系统总体硬件结构如图4所示，在该系统中系统硬件电路有四部分组成：

LED显示屏；

基于51单片机的动态扫描电路；

PC与单片机的通信电路；

汉字字库。

图4系统总体硬件原理框图

LED显示屏由LED点阵显示器构成，采用逐行动态扫描的方式工作，逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示汉字信息的信号，反复循环以上操作，就可显示各种文字信息。

本设计选用4块8

8LED单色（红）组成一个16

64的LED显示屏，可以显示一个汉字。

采用逐行动态扫描的方式工作。

（2）基于51单片机的动态扫描电路

本系统选用AT89S51处理器，该款单片机是ATMEL公司开发制造的，是增强型内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。

51单片机具有较高速的处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。

51单片机工作电压为2.7－6.0V，可以实现耗电最优化。

51的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。

基于51单片机的动态扫描采用逐行扫描的方式，数据通过51单片机I/O口输出到列数据显示存储器，在根据单片机的驱动能力和LED显示屏的相应电气特性要求，需要在行选通器件、列数据准备器件与LED显示屏之间加上相应的驱动电路。

（3）PC与基于51微处理器的通信电路

上位机用与在线修改显示信息及对显示的方式进行控制。

当需要修改显示的信息时，由PC机向基于51的微处理器系统传送新的显示数据，以刷新FLASH中的原有信息。

串行通信采用传统的RS-232C标准方式通信。

1.4简易LED系统的软件系统

系统软件由两部分构成：

用C++Builder编写的上位PC控制及通信软件和利用C语言编写的显示屏控制软件。

（1）上位PC控制及通信软件

在此系统中，上位机控制软件用于对显示信息进行控制，用C++Builder编写。

首先设置显示的相关参数，再输入显示内容，最后通过串行口发送给基于51的控制电路中。

通信功能利用C++Builder提供的第三方通信控件，通过PC串行口发送信息。

（2）显示屏控制软件

显示屏控制软件用C语言编写，由主程序和中断服务程序两部分组成。

主程序完成必要的初始化工作，并负责进行显示，按要求读出显示数据，同时产生需要的控制信号。

中断服务程序用于解决与上位机进行通信的问题。

2系统硬件设计

2.1整体设计分析

为了设计出高性能、高可靠性、可行实用的显示系统，采用以下的设计思想:

（1）在系统总体设计中将贯彻学术性与实用性相结合、先进性与可行性相结合、功能性与经济性相结合的原则，尽量采用成熟的技术和已有的科研积累，在关键难点问题上尝试采用相关学科的最新成果，使系统既具有稳定可靠的运行性能又有一定的技术含量和创新价值。

（2）LED显示屏的下位机用的是8位微处理器AT89S51，完成字模数据的接收和LED显示屏的动态扫描显示，在整个系统中处于下位机的地位。

中央控制由PC机实现，实现显示内容的输入、显示模式的设置。

PC机与下位机的通讯采用成熟的RS232接口标准。

（3）在软件编制上，采用结构化设计思想，下位机采用适应于MCS-51系列单片机的C51语言进行编程，上位机程序的编制采用而面向对象的可视化编程语言软件C++Builder。

LED点阵显示屏系统由上位机控制系统、下位机（单片机）、行扫描电路、列驱动电路和汉字字库构成。

系统总体结构如图5所示。

图5LED显示屏总体框架

系统工作过程：

其中上位机软件控制系统主要完成与下位机的通信及数据的传输，硬件控制系统中的LED点阵主要任务是通过电流控制完成信息显示，单片机从汉字字库中提取所需信息，然后通过控制行扫描电路和列驱动电路来驱动LED点阵，从而显示出相关的信息。

2.2处理器选取原理及功能介绍

2.2.1芯片选取原理

现在市场上的处理器很多，如AT89S51系列、PIC、ARM、凌阳等。

ARM、凌阳等单片机更适合大型系统的应用，价格也更贵。

AT89S51、PIC都属于8位机，8位单片机也是目前应用最广泛的单片机[7]，在各个领域上都可以看到它的身影。

AT89S51具有一系列的优点，主要体现在这几个方面：

（1）单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程（烧写），入门费用非常少；

（2）片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，使得电路设计变得非常简单；

（3）每个I/O口作输出时都可以输出很强的高、低电平，作输入时I/O口可以是高阻抗或者带上拉电阻；

（4）片内具有丰富实用的资源，如丰富的中断源、SPI、USART通信口；

（5）片内采用了先进的数据加密技术，大大的提高了破解的难度；

综合上面的比较，我选用ATMEL公司的AT89S51单片机作为系统处理器。

2.2.2处理器系统功能介绍

（1）AT89S51的主要性能参数：

AT89S51与MCS-51指令系统完全兼容，4K字节的可多次擦写的Flash闪速存储器，100次的擦写周期，全静态操作0MHz-24MHz，三级加密程序存储器，128×

8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，两个16位定时器/计数器，6个中断源，可编程串行URAT通道，低功耗空闲和掉电模式。

（2）AT89S51的标准功能

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时器/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双通串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时AT89S51可降至0Hz的静态工作模式，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时器/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保护RAM中的内容，但震荡停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

（3）AT89S51的引脚功能说明，引脚见图6。

图6AT89S51引脚

VCC：

电源电压

GND：

电源地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型的双向I/O口，即地址/总线复用口。

作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路。

对端口写1可做为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器和程序存储器时，这组口线分时为地址和数据总线复用，在访问期间激或内部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对断口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P2口：

P2口是是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写1，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。

在访问外部存储器或16位的地址的外部数据存储器时，P2口送出高八位的地址总线，在访问8为地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器区中R2的寄存器的内容），在整个访问期间不变。

P3口：

P3口是一组带有内