基于单片机的大屏幕电子显示屏的设计.docx
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基于单片机的大屏幕电子显示屏的设计
毕业设计
题目：
基于单片机的大屏幕电子显示屏的设计
院：
应用技术学院
专业：
电子信息工程班级：
0781学号：
200713020113
学生姓名：
胡席侨
导师姓名：
陈爱萍
完成日期：
2011年6月10日
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于单片机的大屏幕电子显示屏的设计
姓名胡席侨学院电气与信息工程专业电子信息班级0781学号200713020113
指导老师陈爱萍职称副教授教研室主任刘望军
一、基本任务及要求：
1．设计一个能显示日历、汉字的大屏幕LED电子显示屏；
2．以单片机作为主控电路，配以适当的外围接口和显示电路，通过软件控制，显示年、月、日、时、分、秒，润年自动调节；
3.动态循环显示汉字，每行显示8个汉字，显示时间为10秒，共8行64个汉字；
4.可与计算机联机，修改汉字；
5.设计硬件电路，画出原理图和PCB图；
6.编写程序，并调试。
7．编写设计说明书。
进度安排及完成时间：
（1）第1周：
明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义；
（2）第2～3周：
查阅相关资料，了解本课题的发展历史和研究应用现状，确定课题总体方案，明确课题任务、撰写文献综述和开题报告；
（3）第4～5周：
学习并掌握LED电子显示屏的设计方法，确定设计方案；
（4）第6～8周：
画出硬件电路和PCB图；
（5）第9～10周：
编写程序，并上机调试；
（6）第11～13周：
撰写设计说明书，整理资料，准备答辩；
（7）第14周：
毕业设计答辩。
基于单片机的大屏幕电子显示屏的设计
摘要：
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。
利用单片机可以很方便的实现与PC机间的数据传输，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，因点阵显示屏被广泛的应用，所以本设计具有很强的应用性。
本文以AT89C51单片机作为主控制电路，利用外围电路驱动16×16的点阵LED显示屏。
LED显示屏能够以动态扫描的方式16×16点阵汉字以及万年历和温度。
采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。
关键词动态显示;单片机;串行传输;
DesignofLargeElectronicDisplayBasedonSCM
Abstract:
TheLEDdisplayshowscenescolorful,stereosenseisstrong,quietasoilpainting,movesuchasmovies,widelyusedinstations,docksandairports,shoppingcenters,hospitals,hotels,Banks,securitiesmarket,constructionmarket,auctionhouses,industrialenterprisemanagementandotherpublicplaces.
ItiseasytoaccomplishtheMCUandPCforinternaldatatransmissionequipmentanditalsocanbeusedconvenientlytoshowavarietyofcontentchanges.Becauseitiswidelyused,thedesignhasastrongpracticalapplication.
ThisdesignusesAT89C51MCUasamaincontroller,anddependsonasimpleexternalcircuittodrive16×16thelatticeLEDdisplay.TheLEDDisplaydynamicscancanshow16×16dotmatrixChinesecharacters.Becauseserialtransmissionisused,thesystemcanbeenhancedscalability,foranumberofdisplayunitsofthecascade.
Keywords：
DynamicDisplay;MCU;SerialDataTransfer
第1章绪论
1.1LED电子显示屏概述
随着科学技术的发展，一种新的显示媒体，我们已经不再陌生，LED电子显示屏。
LED电子显示屏（LightEmittingDiodePanel）是由几百--几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。
利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
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，一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、文本、图形、图像、动画、股票行情及各种多媒体信息以及电视、录像信号等各种信息的显示屏幕。
传统的固定板块显示，显示的信息量少，内容固定，修改信息比较麻烦，不能快速、便捷的更新信息。
本课题提出的方案，是采用LED点阵模块，克服了上述缺点。
LED点阵显示不仅可以静态的显示信息，而且也可以通过动态滚动，从而增加信息显示的容量。
为了醒目，还可以产生诸如闪动、滚动等显示效果。
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。
LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。
1.2LED电子显示屏的分类
（1）按颜色分类
单基色显示屏：
单一颜色（红色或绿色）。
双基色显示屏：
红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏：
红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。
（2）按显示器件分类
LED数码显示屏：
显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏：
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。
（3）按使用场合分类
室内显示屏：
发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积零点几至十几平方米。
室外显示屏：
面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。
（4）按发光点直径分类
室内屏：
Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、
室外屏：
Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm
1.3发展现状和前景展望
1.3.1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。
LED显示屏市场随技术发展而攀升LED显示屏的发展可分为以下几个阶段：
第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。
用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。
第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。
视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。
LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。
第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。
随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。
为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。
在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。
就市场而言，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的新契机。
国内LED显示屏市场保持持续增长，目前在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近95%。
国际上LED显示屏的市场容量预计以每年30%的速度在增长。
目前，LED显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地，我国LED制造厂商出口的份额在其中微不足道。
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。
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显示屏与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。
目前这项工作在巴可利亚德是这样做的：
模块内，每个像素点中的LED灯管都有其各自的颜色、亮度的数值，这些发光二极管在工厂安装时均要被精确测量过，这些数据同时被储存到每个模块中的EEPROM，而当显示信号被处理时，数字处理仪（DIGITIZER）将从每个EEPROM中读取该信息，并对LED的亮度、颜色差别加以修正，以保证显示效果达到一致的最佳状态。
<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。
巴可的箱体适应恶劣工作环境，所有箱体的外部硬件都装在具备IP65标准的铝合金铸件包装箱内。
箱体所采用的专门密封措施足以防止雨水、尘土的进入。
数字“5”是防止液体渗入的等级，也是设计要求之一，这样显示系统就可以在雨天、无积水的环境下正常工作。
1.3.2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、生产工艺等方面与国外产品的差距正在逐步缩小。
采用SMD表贴技术的室内全彩色LED显示屏得到迅速发展并将成为今后室内显示屏的主导发展产品。
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。
传统的照明淘汰主要是白炽灯和荧光灯，在可靠性、耗电、使用寿命等方面不尽如人意。
近年，LED作为光源材料制作的装饰灯、城市景观灯等产品不断推出，LED光源材料的照明灯具的市场正在形成并呈上升趋势。
特别是在城市景观、危险区域、紧急应急等方面的使用潜力更为巨大。
第三，交通信号、汽车等特种领域的LED应用前景广阔。
超高亮、大功率的LED器件，在城市交通信号灯中已得到广泛的采用。
LED信号灯有高亮度、高可靠性、低使用成本、长寿命等特点。
1.4设计任务
◆设计一个能显示日历、汉字的大屏幕LED电子显示屏；
◆以单片机作为主控电路，配以适当的外围接口和显示电路，通过软件控制，显示年、月、日、时、分、秒，润年自动调节；
◆动态循环显示汉字，每行显示8个汉字，显示时间为10秒，共8行64个汉字；
◆设计硬件电路，画出原理图和PCB图；
◆编写程序，并调试。
◆编写设计说明书。
1.5研究方法、步骤和措施
主要思路是：
以AT89C51作为主控电路，选用专用时钟芯片DS1302来实现万年历计时，显示选用16X16LED点阵电子显示屏。
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。
通过调导通的时间与电流，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与扩展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与阵列构成的电路。
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16x16点阵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、万年历DS1302电路。
3）软件系统
单片机编写程序的语言为单片机汇编语言。
第2章显示原理及控制方式分析
2.1LED点阵模块结构
八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。
这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
LED点阵规模常见的有4×4、4×8、5×7、5×8、8×8、16×16等等。
根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。
像素颜色不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。
单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。
图2.1示出最常见的8×8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。
图2.18×8单色LED模块内部电路
LED点阵显示屏单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号．如5x7点阵显示器用于显示西文字母．5×8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。
用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。
2.2LED动态显示原理
LED点阵显示系统中各模块的显示方式：
有静态和动态显示两种。
静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下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图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。
以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。
图2.1中，红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。
相邻两行线间绝缘。
同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。
在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。
则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。
比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。
再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。
现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。
其过程如图2.2
图2.2用动态扫描显示字符“B”的过程
假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。
在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。
下面用伪代码描述动态显示的过程。
（1）．Y=0x01,X=0xFF，如图2.2第一帧；
（2）．Y=0x02,X=0x87，如图2.2第二帧；
（3）．Y=0x04,X=0xBB，如图2.2第三帧；
（4）．Y=0x08,X=0xBB，如图2.2第四帧；
（5）．Y=0x10,X=0x87，如图2.2第五帧；
（6）．Y=0x20,X=0xBB，如图2.2第六帧；
（7）．Y=0x40,X=0xBB，如图2.2第七帧；
（8）．Y=0x80,X=0x87，如图2.2第八帧；
（9）．跳到第
（1）步循环。
如果高速地进行
（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。
LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。
这就是动态扫描的原理。
只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。
例如0601条屏（每行6个汉字，共1行），行线有16根，列线有96根。
如果用列线来做扫描线，则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。
如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。
可见，用行线做扫描线，因为其发光周期的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。
因而发光效率比前者高。
在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰的看见发光。
在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。
比如先将扫描线全部设置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。
2.3LED常见的控制方式
目前常见的是并行传输方式，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。
此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。
但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。
每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。
再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。
并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。
成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。
因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。
随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。
因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。
不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。
1）以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。
因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。
对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。
除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。
这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。
因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。
2）以PIC单片机为控制器的LED显示屏。
因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。
作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。
因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。
3）以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。
FPGA以高速、并行著称。
是近年来新兴的可编程逻辑器件。
用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。
因此被运用于双基色、三基色的显示系统。
但是其成本较高，开发难度较大。
4）以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。
ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。
因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。
在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。
ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。
因此，以
第3章系统硬件设计
3.1总体设计框图
图3.1原理框图
3.2设计与分析
3.2.1显示
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