LED大屏幕显示系统的设计分析.docx
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LED大屏幕显示系统的设计分析
毕业设计（论文）
题目LED显示屏的设计
学生姓名苏锦
专业班级电气自动化二班
学号**********
院（系）电气与电子工程系
指导教师（职称）王薇
完成时间2016年5月12日
摘要---3
1.课题研究背景---4
1.1LED原理---4
1.2中国LED发展现状---5
1.3课题研究的目的和意义---6
2.课题研究内容---6
2.1研究主要内容---6
2.2方案设计---6
3.方案实现---7
3.1主控制芯片AT89S52---8
3.1.1主控制芯片AT89S52的性能---8
3.1.2引脚说明---9
3.2LED点阵---11
3.374HC595---12
3.3.1概述---12
3.3.3真值表---14
4.主要功能模块的实现及调试方法---14
4.1字符显示模块---14
4.2单片机系统及外围电路---15
4.3列驱动电路---15
4.4行驱动电路---17
4.5显示驱动程序---17
总结---19
结束语---20
参考文献---21
附录1---22
附录2---33
摘要
自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济的高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈。
而LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志,LED显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；LED显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟[1]。
现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上了丰富多彩的LED电子产品，为城市的增添了一道靓丽的风景。
而且它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。
近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等需要进行多种公告、宣传的场合[2]。
关键词：
单片机、点阵、LED。
1.课题研究背景
1.1LED原理
LED就是LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写。
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。
发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管。
在LED的p-n结附近,n型材料中多数载流子是电子,p型材料中多数载流子是空穴。
p-n结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν（h为普朗克常数,ν为光子频率）而发光。
该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg（Ev）,其与发光波长λ（nm）的关系为λ=1239.6PEg。
1.2中国LED发展现状
中国LED产业发展超过三十年,它已经成为一种朝阳产业,已拥有完整的产品、创新能力不断增强,市场需求十分强烈。
近年来,LED产业发展步伐的进一步加快,不仅促进LED业界增加产量,而且提高产品技术含量。
LED包装及应用领域,实现快速增长,同时实现LED外延片及芯片自主生产,国内率每年都有大幅提高。
据统计,产值2010年LED芯片50亿元左右,LED包装工业增加值250亿元左右,LED应用产业产值900亿元左右。
中国也大力支持LED产业发展[3]。
LED产业产出在2015年将达到5000亿元人民币,年复合增长率约为42%。
然而,中国LED工业还是有一些问题,这一现象的发展基础薄弱、监督开始晚了,低附加值的产品是一个根本性的变革。
加快推进我们的主导产品技术创新,提高产业的发展已经成为迫在眉睫。
目前,我国LED应用产业市场集中度低,有超过3000的大型和小型公司,但是制造商年产值超过1亿年,仅有大约100。
LED显示屏产业具有较高的区域集中,主要是中国东部和南部。
深圳是中国的主要生产基地、LED显示屏产业占全国的41%的市场份额。
与此同时,中国是全球LED显示屏的生产基地。
中国LED显示屏的生产规模是占世界70%的2008年增长到2010年的83%[4]。
中国LED显示屏的生产公司正在迅速地扩大它们的大小,在2010年底,全国共有40多个LED显示屏制造商年产值超过1亿人。
根据《2010-2013年中国LED产品的市场分析和投资收益分析报告”显示,国内LED市场在2009年达到231亿元,为300亿元,2010年增长30%。
从发展趋势,国内LED显示屏的市场启动阶段过渡到快速发展阶段。
LED显示屏市场自2012年复合增长率有望达到60%。
1.3课题研究的目的和意义
随着高亮度发光二极管技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。
国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的《LED显示屏技术条件》也于1998年正式颁布实施。
信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏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、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、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。
进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京奥运成功举办等，成为LED显示屏产业发展的契机，我国LED显示屏及相关的技术必将得到飞跃发展。
2.课题研究内容
2.1研究主要内容
本设计的研究的主要内容包括LED工作原理，8×8LED点阵块的字符显示原理；8×8LED点阵块的级联和驱动的实现方法；74HC595实现数据传输和扩展IO口的原理和方法；
2.2方案设计
设计采用ATMEL公司的AT89S52作为主控芯片,74HC595作为扩展IO口芯片和数据分配芯片,大功率三极管8550作为驱动芯片驱动LED点阵屏，选用功耗低、性价比较高的8×8LED点阵块作为最小的组装单元。
确保在单屏无法完全显示全部信息的情况下换屏显示。
同时考虑到后期的维护，点阵屏采用单元块级联设计方案。
3.方案实现
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。
16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为这仅仅是16ｘ16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16行）的同名列共用一套驱动器。
具体就16ｘ16的点阵来说，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16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。
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往列驱动器，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列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，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行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。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入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。
图4显示屏电路实现的结构框图
3.1主控制芯片AT89S52
3.1.1主控制芯片AT89S52的性能
AT89S52是一种低功耗、高性能COMS8位微控制器，具有8K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，与工业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AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
其性能如下：
1、与MCS-5单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz-33MHz；
5、三级加密存储器；
6、32个可编程I/O口线；
7、三个16位定时器/计数器；
8、六个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
3.1.2引脚说明
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能存储器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储编程器时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
图4-1引脚图
3.2LED点阵
LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。
其内部主要为一个PN结，当PN结内的电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以光子的形式释放出来，产生电致发光现象，发光颜色与其基底的材质元素有关。
常用材料有CaAs（砷化镓）红光材料，CaP（磷化镓）绿光材料，CaN（氮化镓）蓝光材料。
LED的类型包括直插型、表贴三合一、表贴三拼一、亚表贴、点阵模块[5]。
LED点阵模块是一个或多个LED发光二极管作为一个像素单元按一定的规律排列而成的集合体，通常有8×8点阵块，16×16点阵块等。
图4-5是一个单色8×8点阵块实物图和内部结构图[6]。
图4-2LED点阵实物和内部结构图
从图上看，8×8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，某一列置地电平时，则相对应的二极管就亮。
本设计采用此类点阵模块。
3.374HC595
3.3.1概述
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分开的时钟控制。
数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入端（Ds），和一个串行输出端（Q7’）,和一个异步的低电平复位。
存储寄存器是一个并行8位的具备三态总线输出功能的存储器，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态[7]。
4.3.2引脚说明
符号
引脚
功能
Q0—Q7
15,1--7
并行数据输出
GND
8
地
Q7′
9
串行数据输出
10
复位端（低电平）
SHcp
11
移位寄存器时钟输入
STcp
12
存储器时钟输入
13
输出有效（低电平）
Ds
14
串行数据输入
Vcc
16
电源
图4-3.2引脚
3.3.3真值表
输入管脚
输出管脚
SI
SCK
SCLR
RCK
OE
X
X
X
X
H
QA—QH输出高阻
X
X
X
X
L
QA—QH输出有效值
X
X
L
X
X
移位寄存器清零
L
上沿
H
X
X
移位寄存器存储L
H
上沿
H
X
X
移位寄存器存储H
X
下沿
H
X
X
移位寄存器状态保持
X
X
X
上沿
X
输出存储器锁存移位寄存器中的状态值
X
X
X
下沿
X
输出存储器状态保持
图4-3.3真值表
4.主要功能模块的实现及调试方法
4.1字符显示模块
显示屏上图形和字符的显示都是由一个个亮或灭的点（像素）组成的，中文汉字的最小的显示单元一般采用16×16点阵，以最小显示单元为基础可以增加显示像素，选取的像素点越多，字体或图形显示的越细腻。
英文字符的显示可以选用8×8点阵、8×16点阵或是以此为最小单元增加像素点[8]。
本设计采用16×16点阵为显示单元，如图5-1所示。
图5-1引脚排布图
由于中文字符的显示采用16×16点阵块模块，所以采用四块8×8的点阵拼接作为显示的基本单元，同时考虑到控制方式和显示方法，四块点阵块的级联采用在同一行上的所有行控制端连接到一起，在同一列上的所有的列控制端连接到一起。
显示方式采用逐行扫描逐列送数的方式显示[9]。
在显示字符的时候首先确定行选择端，然后把所有在同一行上的列的数据通过IO口送到列的控制端。
其实现方法是通过74HC595的串行数据端实现数据的传送，单片机通过提取的字符的显示信息确定所在行的数据，通过接在行输出端的74HC595实现行的控制，然后列的数据以同样的方法通过74HC595的串行数据输出功能把数据送到相应的控制端口[10]。
由于人眼有视觉残留，所以在不同的时刻扫描不同的行列就能实现字符的显示，此原理也就相当于把每一个字符的不同点拼接到一起，由于时间间隔非常短所以我们会认为是一起显示的。
四块LED点阵共有16个行控制端和16个列控制端，因此为了节省单片机的IO口资源用两片74HC595作为行控制端的IO数据输出口，两片74HC595作为列控制端的数据输出口。
4.2单片机系统及外围电路
单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。
单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。
P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。
P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。
16ｘ16的点阵显示屏的硬件原理图如图：
图5-2单片机系统电路
4.3列驱动电路
图5-3列驱动电路
列驱动电路有集成电路74HC595构成。
它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的。
74HC595的外形及内部结构如图3所示。
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SI是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。
SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
4.4行驱动电路
图5-4行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20MA电流计算，16个LED同时发光时，需要320MA电流，选通三极管8550作为驱动管可满足要求。
4.5显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷频率（帧频）=1/16×T0溢出率
=1/16×f/12（65536-t）
其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。
图5-5显示驱动程序流程图
总结
经过前期的资料准备以及设计规划构思，中期长时间的软硬件调试和后期的完善工作。
本次LED点阵屏的设计圆满完成任务，实现了预期的功能，即能在一定的距离范围内显示信息，而且显示的信息量能满足日常的工作需要，点阵屏能实现时时刷新信息的功能，整体系统运行稳定，没有存在死机和发热严重的现象。
结束语
通过本次毕业设计，让我了解到更多的有关课外的知识，同时也锻炼了自己的动手实践能力。
在整个毕业设计的过程中，让我自己去发现问题，并分析问题和解决问题，让我真正的明白做好一件事需要的不仅仅是知识，还应当具备各方面的能力，
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