基于单片机的LED电子屏设计.docx

基于单片机的LED电子屏设计.docx

《基于单片机的LED电子屏设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的LED电子屏设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的LED电子屏设计

毕业论文（设计）

题目：

基于单片机的LED电子屏设计

系部名称：

信息工程系专业班级：

测控08

学生姓名：

CS学号：

200880864120

指导教师：

余发军教师职称：

讲师

年月日

摘要

当今社会在飞速发展，无疑能源、健康、空间的利用，成了人们着重关注的对象。

而在这个信息传递极速的社会，LED的出现给人们带来了希望之光。

LED点阵显示屏之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与LED显示屏本身所具有的优点分不开的。

LED点阵显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、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。

本设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动64*32的点阵LED显示屏。

利用STC12C系列高速单片机和内部E2PROM，可以很方便的实现显示和存储，并能使显示内容的变化多样，LED点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。

本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示八个16×16点阵汉字，外接时钟模块DS1302可显示当前日期和时间，外接温度采集模块DS18B20采集实时温度，并能通过四个按键操作人机交换界面。

本LED显示屏体积小，功耗低，可以广泛应用在公司、家庭中作为万年历使用。

本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。

关键词：

LED电子屏，发光二极管，单片机

BasedonSCMLEDelectronicscreendesign

Abstract

Intoday'ssocietyintherapiddevelopment,nodoubt,energy,health,aspacetouse,hasbecomethefocusofpeoplefocuson.Andintheinformationtransferspeedofthesociety,theemergenceofLEDhasbroughtpeoplethelightofhope.OfLEDdotmatrixdisplayscreenishasbeenpaidattentiontoandrapiddevelopment,iswiththeLEDdisplayitselfhavetheadvantageofnotdivided.ThedevelopmentofLEDdotmatrixdisplayprospect,iscurrentlytowardsahigherbrightness,higherresistancetoclimatesex,higherlightdensity,higherlightuniformity,reliability,andthedevelopmentdirectionoffull-color.

ThisdesignUSESSTC12Cserieshigh-speedsinglechipmicrocomputerasthemaincontrolmodule,usetheperipheryofthesimplecircuittodrivethe64*32dotmatrixoftheLEDdisplay.UseSTC12CseriesmicroprocessorandinternalE2PROMchipswascaneasilyachievedisplayandstorage,andcanmakeshowingthecontentsofthediverse,ofLEDdotmatrixdisplaywidelyusedinhospitals,airports,Banksandotherpublicplaces,sothisdesignhasastrongpracticalapplication.ThisLEDdisplaytothedynamicscanningmodeshowsatthesametimeeight16×16dotmatrixcharacters,externalclockmoduleDS1302candisplaythecurrentdateandtime,externaltemperatureacquisitionmoduleDS18B20acquisitionreal-timetemperature,andthroughthefourkeyoperationman-machineexchangeinterface.ThisLEDdisplay,smallsize,lowpowerconsumptionandcanbewidelyusedinthecompany,inthefamilyasacalendarused.ThisarticlefromthedisplayLEDprinciple,expoundsthedynamicdisplayofLED,andhardwaredesign,calculationandsoftwarealgorithm.

Keywords:

LEDelectronicscreenlight-emittingdiode（LED）Single-chipmicrocomputer

1、前言

1.1课题背景

1.1.1、选题背景

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万……几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。

利用不同的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显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。

LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、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。

LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：

（1）证券交易、金融信息显示。

（2）机场航班动态信息显示。

（3）港口、车站旅客引导信息显示。

（4）体育场馆信息显示。

（5）道路交通信息显示。

（6）调度指挥中心信息显示。

（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。

（8）广告媒体新产品等。

1.1.2、发展趋势

现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

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。

基础材料的产业化。

使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。

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。

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。

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。

1.1.3、选题意义

该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。

并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。

并且通过该设计课题掌握了单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。

目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。

但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。

因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。

1.2论文主要内容

针对设计题目的特点，我对论文的内容和结构将做如下安排：

（1）方案的选择

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定以单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路构成显示系统，再加温度传感器、时钟、按键的设计方案。

（2）方案实现

以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来考虑。

经过对比选择选定STC12C5A60S2单片机为核心控制器件，由串入并出转换器74HC595、译码器74LS154和三极管8550为驱动电路器件。

论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

（3）软件编写

根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。

程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。

然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。

（4）验证与测试

调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。

在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。

在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。

通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。

（5）结论

设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。

2、显示原理及控制方式分析

2.1、LED点阵模块结构

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。

（a）（b）

图2.18×8单色LED模块外形（a）内部电路（b）

LED点阵显示器单块使用时，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。

2.2、显示原理及控制方式分析

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。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。

将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。

最典型的例子就是电影放映机。

在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。

2.3、LED常见的控制方式

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ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

3、总体方案设计与分析

3.1、显示单元的考虑

显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。

由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。

LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。

构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图3.1所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。

目前市场上普遍采用的点阵模块有8×8、16×16几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。

这就加大了维修的成本。

两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。

为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。

所以构建一个16×16的LED点阵屏选用四块8×8点阵模块。

图3.1LED点阵图

一个16×16的LED显示单元行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。

经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。

常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74LS164（8位串并转换器）、74HC595等。

51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达２０ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μＡ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。

在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路[7]。

3.2、移屏的实现

字符的位置在屏幕上实现移动，可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。

因此本设计采用软件算法实现左移、右移、上移、下移、闪烁方式等常见的显示方式。

用软件来完成移屏算法，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。

3.3、微控制器的考虑

因本设计采用软件来实现移屏，所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM和高速8位单片机。

ARM的处理速度极快，但对于本应用，ARM内部的资源浪费严重，且成本较高。

因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC12C系列单片机。

这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz（在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令），但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源，而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。

于是最佳选择为STC12C系列单片机，其最高时钟能到48MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为9元/片。

大幅降低了产品成本。

3.4、关于显示内容的更新

目前常用的下载方式有串口下载、USB下载、无线下载等。

考虑到本设计的要求。

本设计采用PC机串口来作为下载接口，通过RS-232C电平转换，将程序下载到程序存储器中。

通过每次下载程序，可更改显示的字模，从而达到改变内容。

3.5、总体电路结构及工作原理

3.5.1、硬件电路框图

通过前面对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图3.2

图3.2LED显示屏硬件框图

中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。

MCU用通用I/O口来驱动行扫描列扫描的驱动电路。

用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。

按键部分，通过显示屏上的四个按键和显示屏上的提示信息，可以人机交换信息PC机（上位机）的RS-232C电平经过转换后，通过UART接口与MCU进行双向通信，为单片机下载程序。

温度采集模块，使用DS18B20数字式传感器，对实时温度信息进行采集，并在显示屏上滚动显示。

电源模块则为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。

3.5.2、工作原理

在单片机内部的数据存储器（xdata区）中开辟512字节（1536位）动态显示缓冲区Display_Buffer。

Display_Buffer中的一位与LED的一个点阵一一对应。

经过这样的映射处理，使字符在显示中的移动算法变得简单灵活，不论进行何种显示效果处理，只需要对Display_Buffer进行操作。

遵循结构化的程序设计思路。

把单片机的在显示模式的所有工作量分为以下二个任务：

一．中断扫描显示任务：

扫描显示任务负责把Display_Buffer中的数据依次发送到列驱动器74HC595，并按严格的时序低电平选通三十二根行扫描线，使每一列数据对应着一个行线状态。

二．移动处理任务：

移动处理任务负责完成显示字符逐点阵向左移动的算法处理，这是最基本的显示效果。

其它大部分显示效果如左移几个汉字后暂停，全屏定格显示等都是以逐位左移为基础。

对显示字符的移动，实质上是对显示缓冲区Display_Buffer内数据的移动。

二个任务彼此独立，又相互联系。

下面用实际的C51程序来说明一下如何实现简单的左移显示效果，如图3.3。

3.3左移程序

4、硬件电路设计

4.1、单片机控制系统电路设计

单片机的选型

根据方案论证的结果，本设计采用STC12C系列的STC12C5A60S2作为主控芯片。

STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。

STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。

对于STC12C5A60S2，主要特性见表4.1：

（摘录自STC单片机官方数据手册）

表4.1STC12C系列单片机主要特性

STC单片机与8051单片机的性能比较

高速：

一个时钟/机器周期，增强型51内核，平均速度可达到1MIPS/MHz

宽电压：

5.5~3.8V

宽温限：

-40℃~85℃

高抗静电：

ESD保护，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT测试）

低功耗：

有空闲模式（工作电流小于1.3mA），掉电模式（可由外部中断唤醒，工作电流小于0.1uA），正常模式（工作电流2.7~7mA）

工作频率：

可从0到48MHz，相当于传统8051主频0~576MHz

时钟：

可选择外部晶体或内部RC振荡器

STC12C5412AD单片机的内部资源

60K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上

1280字节片内RAM数据存储器

12K字节片内E2PROM（512字节/扇区）

ISP/IAP，在系统可编程，在应用可编程，无须专用编程器

10位ADC，2通道

4通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU）

4个硬件16位定时/计数器

硬件看门狗（WDT）

高速同步串行通信接口SPI，全双工异步串行口UART

32个通用寄存器，硬件乘/除法器

27（DIP28,SOP28有23个）个通用I/O口，可设置成弱上拉准双向口、强上拉推挽输出、高阻输入、开漏输出，四种模式。

每个I/O口的驱动能力均能达到±20mA，但整个芯片最大不得超过55mA

4.2、STC单片机在电子屏中的优越性

对于单色动态电子屏的应用需要，STC12C5412AD单片机有以下突出的优点：

●较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现电子屏的各种移动算法。

●有SPI和UART两个串行口，能实现与字库芯片或PC机之间的数据交换。

●有内部E2PROM，可用于掉电存放条屏的各种设置参数、汉字内码等数据。

●ISP/IAP功能，使芯片可以不脱板下载程序，便于产品的软件升级。

●内部看门狗，使条屏可以工作在恶虐的电磁环境下。

●宽电压范围，条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行

4.3、单片机系统电路设计

根据本条屏的实际运用要求，参考STC单片机官方数据手册上的应用指南，设计单片机最小系统电路如图4.1所示。

图4.1单片机最小系统

4.4、显示单元电路设计

为了提高点阵LED的视觉亮度，本设计用行线做扫描线，列线做数据线。

为了再进一步的提高视觉效果，选用了红绿双色LED点阵模块YLM2388ASRG，每个点阵内部有红色，绿色两个发光体。

分别有两组8片74hc595分别控制红色和绿色发光二极管，两组发光管公用三十二根行线，列线独立。

4.5、行驱动电路设计

因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无合适的集成电路来胜任。

因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，本设计使用共射驱动，共射电路的基极驱动是用低电平，这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。

同时，大部分单片机的I/O是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流。

行驱动采用PNP三极管8550接法如图4.2示：

图4.2行驱动器件8550的接法

8550为PNP型三极管，内部结构如图4.3示。

发射极e接5V电源，基极接译码信号输出端，集电极接输出驱动LED点阵屏。

当译码器端口输出为低电平时，发射极与基极电势差为5V－

基极中带负电的电子越过PN结扩散到发射区。

发射极产生和电子扩散方向相反的电流，由于基极电子大量扩散到发射极集电极电子扩散到基极中形成了电流

。

当译码器端口输出高电平时发射极与基极之间的电势差为5V－

－

，由于发射极与基极之间电势差的减少基极电子向发射极扩散的电子数量减少故集电极电流也随之减少。

故8550在驱动电路中起到提供驱动电流和选通开关的作用。

图4.38550内部结构图

由于单片机I/0数量有限，不