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无线LED
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本科生毕业论文（设计）鉴定表
2014年4月27日
目录
摘要3
一引言4
1.1选题背景4
1.2系统的功能介绍4
1.3系统的设计任务指标4
本次设计要实现以下指标4
1.4设计方案的比较与选择4
1.4.1无线模块方案比较与选择5
1.4.2LED点阵显示方式的比较6
二系统的总体设计7
2.1系统的整体方案7
2.2系统各部分的硬件介绍及原理7
2.2.1AT89C52的介绍与外围电路7
2.2.2无线模块8
2.2.3驱动芯片11
2.2.4LED显示屏12
2.3系统的软件设计12
2.3.1LED显示模块的软件设计12
2.3.2发送机系统的整体设计14
2.3.3接收机系统的整体设计15
三系统的仿真17
4.1经验教训18
4.2致谢18
参考文献18
无线LED显示屏的设计与制作
电子信息工程专业丁祥平
指导教师秦文华
摘要：
随着LED显示屏的广泛应用，对LED显示数据的更新问题尤其突出，无线LED的出现解决了这一数据传输的难题。
无线LED系统主要分为主机控制模块，无线发射模块，无线接收模块，从机控制模块，LED显示模块。
以AT89C52单片机为主机和从机的控制芯片，采用工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片NRF24L01来进行数据的传输，应用16*16的LED显示屏进行数据的显示，采用4线——16线译码器74HC154进行LED的动态显示驱动。
在keiluvision4里进行程序语言的编写，keiluvision4与proteus联调进行系统的仿真。
实现了数据在主机与从机之间的数据传输，并可以进行多个显示特效的切换。
关键字：
LED无线传输AT89C52NRF24L01
WirelessLEDdisplaydesignandproduction
ElectronicandInformationEngineeringdingxiangping
InstructorQinwenhua
Abstract:
WiththewideapplicationofLEDdisplay,LEDdisplayproblemsontheupdateddataisparticularlyconspicuous,wirelessLEDappearstosolvethisproblemofdatatransmission.WirelessLEDsystemconsistsofahostcontrolmodule,wirelesstransmittermodule,wirelessreceivermodule,theslavecontrolmodule,LEDdisplaymodule.ToAT89C52microcontrollerasmasterandslavecontrolchipmachine,usingNORDICproducedinsingle-chipwirelesstransceiverchipNRF24L012.4GHz~2.5GHzISMbandtotransmitdatatotheapplicationofLEDdisplay16*16datadisplay,with4lines-16linesdecoder74HC154bedynamicLEDdisplaydriver.Bewritteninaprogramminglanguageinkeiluvision4Lane,keiluvision4FBIsystemwithproteussimulation.Simulationdatafromthehostanddatatransferbetweenmachines,andmultipledisplayeffectscanbeswitched.
Keywords:
LED；wirelesstransmission；AT89C52；NRF24L01.
一引言
1.1选题背景
LED显示屏（LEDdisplay,orLEDscreen）:
有些地方也称其为电子显示屏或者是飘字屏幕LED显示屏由LED点阵和PC面板组成，通常有红色，绿色，蓝色，白色的LED灯的点亮和熄灭来显示图片、文字、动画、视频等各种内容。
我们可以根据不同的场合需要来做出相应的调节。
传统的LED显示屏幕通常由控制模块，显示模块，和电源模块构成。
LED显示屏因为其寿命长，体积小，成本低，能耗少，环境适应能力强等特点在机场、广场、交通、学校等很多领域得到了广泛的应用。
随着LED显示屏的广泛应用，其存在的问题也逐渐的暴露了出来。
在LED显示屏的数据传输上问题尤为的突出，传统的LED数据传输采用上位机通过串口线与LED显示屏的控制卡相连，以实现对LED显示内容的更新，无论在机场，大厦，或者高速公路上传统的LED显示屏或带有很长的电缆用来传输数据，或者通过或者工作人员使用便携电脑到设备现场通过串口连接进行数据更新。
这样的数据更新方式，会增加设备的成本，和工作人员的劳动强度。
无线LED的出现解决了这一数据传输的难题，无线LED的信息传输系统可以通过可以基于GSM，GPRS等无线网络技术，通过短信或者TCP/IP协议来实现对LED显示屏发布信息的控制。
这样就可以实现远程信息的及时更新。
无线LED显示屏通过无线信息的传输就可以的特点，解决了传统LED的一部分问题，节约了人力和成本的开支。
无线LED显示屏在许多领域会逐步代替传统的LED显示屏。
无线LED的研究是既有意义又有前景的一项工作。
1.2系统的功能介绍
系统采用无线模块NRF24L01来实现显示内容的数据传输，通过主机发送数据内容到从机，从机控制LDE的显示。
以下为要实现的功能：
1）在主机中可以实时的更新要显示的内容。
2）主机中的数据可以通过无线模块发送给从机。
3）从机实现数据的显示和显示特效的选择。
1.3系统的设计任务指标
本次设计要实现以下指标
1）.设计一款能够显示不同字符的LED点阵广告牌。
2）.设计选择不同的字符效果（如闪烁，静止，平移等）。
3）.能够实现数据的无线传输。
4）.能够显示图形或自定义字符。
5）.能通过串行口从电脑上下载更新需显示的字符。
1.4设计方案的比较与选择
1.4.1无线模块方案比较与选择
方案一：
蓝牙方案
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。
其数据速率为1Mbps。
采用时分双工传输方案实现全双工传输。
其硬件由多个芯片组成硬件较为复杂，编程时序要求严格，通信协议和软件堆栈需要较长时间的熟悉，通信距离一般为10m。
方案二：
NRF方案
nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
外围元件较少因为高频电感和滤波器等已经全部内置。
接口方式简单只需要与I/O口或SPI口相连接。
其通信距离室内约为30-50m，室外约为80-200m。
根据设计方案的比较，NRF方案优于蓝牙方案，所以本系统采用NRF24L01为无线通讯系统的核心。
1.4.2LED点阵显示方式的比较
方案一：
静态驱动显示
静态驱动显示是通过单片机控制各个发光点的亮灭，16*16点阵屏需要控制256个点，假如用锁存器控制控制，也需要32个八位锁存器，不易实现。
但是其原理简单、控制方便。
方案二：
动态扫描显示
动态扫描显示是先选通相应的行或者是列，然后发送相应的行码或列码，有逐行扫描法、逐列扫描法、列行扫描法、行列扫描法，利用人的视觉暂留特点，在显示屏上看到清晰稳定的图像。
其原理较为复杂但是控制方便。
根据设计方案的比较，本系统选择动态扫描显示中的列行式，此种扫描方法容易实现滚动等特效的显示，节约资源，编程较为简单简单。
二系统的总体设计
2.1系统的整体方案
无线LED传输系统是基于AT89C51进行设计与制作的，主要包括发送机控制模块，接收机控制模块，发射模块，接收模块，LED显示模块，电源模块组成。
系统的整体设计如下图。
图2-1系统的整体设计框图
主机机功能为接收用户输入信息，将其通过无线发射模块发从给从机。
主机用作与用户直接交流的平台，用户可以通过PC机将要显示的文字或图片的数据输入到主机中。
无线收发模块实现的功能就是进行数据近距离的无线传输。
从机控制模块的功能是从无线接收模块接收数据并显示，用户可以根据自己的需要在从机中选择需要的文字特效。
2.2系统各部分的硬件介绍及原理
2.2.1AT89C52的介绍与外围电路
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
主要功能：
兼容MCS51指令系统
1）8k可反复擦写（大于1000次）FlashROM；
2）2个双向I/O口；
3）256x8bit内部RAM；
4）3个16位可编程定时/计数器中断；
5）时钟频率0-24MHz；
6）2个串行中断，可编程UART串行通道；
7）2个外部中断源；
AT89C52的引脚图如下
图2-2单片机AT89C52的引脚图
单片机正常工作时需要外加时钟电路和复位电路。
单片机只有在时钟信号的控制下才能正常的运行，来完成取指令译码操作的过程。
单片机的时钟控制电制CPU的复位状态：
这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
图2-3单片机时钟电路图2-4单片机复位电路
2.2.2无线模块
概况：
NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。
极低的电流消耗：
当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
NRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、无线耳机等。
特性：
1）真正的GFSK单收发芯片
2）内置链路层
3）增强型ShockBurstTM
4）自动应答及自动重发功能
5）地址及CRC检验功能
6）数据传输率1或2Mbps
7）SPI接口数据速率0~8Mbps
8）125个可选工作频道
9）很短的频道切换时间可用于跳频
10）与nRF24XX系列完全兼容
NRF24L01的系统方框图及引脚介绍
图2-5NRF24L01系统框图及引脚
NRF24L01引脚及其功能的介绍
引脚
名称
接口性质
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源（+3V）
8
VSS
电源
接地（0V）
9
XC2
模拟输出
晶体震荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体震荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD_PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8V电源
12
ANTI
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口3
14
VSS
电源
电源（+3V）
15
VDD
电源
接地（0V）
16
IREF
模拟输入
参考电流
17
VSS
电源
接地（0V）
18
VDD
电源
电源（+3V）
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
20
VSS
电源
接地（0V）
表2-1NRF24L01引脚功能
除电源和电源地，其他接口都与单片机的I/O口直接相接。
NRF24L01的工作电源约为3V左右，但是单片机上的电源为稳压5V，可以通过从单片机上引电源在通过一定的元件或者模块进行降压，来对NRF24L01进行供电。
指令名称
指令格式
操作
R_REGISTER
000AAAAA
读配置寄存器。
AAAAA指出读操作的寄存器地址
W_REGISTER
001AAAAA
写配置寄存器。
AAAAA指出写操作的寄存器地址只有在掉电模式和待机模式下可操作。
R_RX_PAYLOAD
01100001
读RX有效数据:
1-32字节。
读操作全部从字节0开始，当读RX有效数据完成后，FIFO寄存器中有效数据被清除。
W_RX_PAYLOAD
10100000
写TX有效数据：
1-32字节，写操作从字节0开始，应用于发射模式下
FLUSH_TX
11100001
清除TXFIFO寄存器，应用于发射模式下。
FLUSH_RX
11100010
清除RXFIFO寄存器，应用于接收模式下。
在传输应答信号过程中不应执行此指令：
也就是说，若传输应答信号过程中执行此指令的话将使得应答信号不能被完整的传输。
REUSE_TX_PL
11100011
重新使用上一包有效数据。
当CE为高过程中，数据包被不断的重新发射。
在发射数据包过程中必须禁止数据包重利用功能。
NOP
11111111
空操作。
可以用来读状态寄存器。
表2-3NRF24L01SPI串行口指令设置
从上图的指令列表可以看出NRF24L01指令的种类并不多，其中高3位决定了指令的种类，指令加上要操作的寄存器的地址才是一个字节的长度。
例如000B代表读寄存器指令，后面的5位就是要操作的寄存器的地址。
例如寄存器SETUP_AW是用来设置发送机和接收机地址宽度的。
地址是03，填满5位的二进制就是00011，和前面3位的读寄存器指令000B加到一起就是00000011，这就是一个字节，把这个字节写到NRF24L01模块里，代表发送机和接收机宽度的数据就可以被读出。
R_RX_PAYLOAD和W_RX_PAYLOAD是专用寄存器指令用来连续写入或读出发送数据包和接收数据包的内容，所发送数据包的最大长度为32个字节。
例如从接收缓冲器读取数据包，直接调用指令R_RX_PAYLOAD就可以读出最长32个字节的数据。
FLUSH_TX和FLUSH_RX是用来清除发送数据包寄存器（TXFIFO）或者接收数据包寄存器（RXFIFO）中的内容。
REUSE_TX_PL指令是当发送不成功时，再次把发送数据包寄存器中的指令重新进行使用，不会再写入新的数据。
NOP是空操作。
NRF24L01工作模式的介绍
模式
PWR_UP
PRIM_RX
CE
FIFO寄存器状态
接收模式
1
1
1
-
发送模式
1
0
1
数据在TXFIFO寄存器中
待机模式2
1
0
1→0
停留在发送式，直至数据发送完
待机模式1
1
-
0
TXFIFO为空
掉电模式
0
-
-
-
表2-2NRF24L01工作模式
PWR_UP和PRIM_RX是配置寄存器CONFIG中的参数，直接对配置寄存器设置就可以，CE是一条物理连线，当其置一时发送模式和接收模式就都满足了，相当于一个最后的启动开关。
在发送数据时，先把发送数据放到TXFIFO寄存器里，设置好本机地址，设置为发送模式，在将CE设置为1，数据包就会带着CRC校验码发送出去，完成一次数据的发送。
2.2.3驱动芯片
74HC154是一款高速CMOS器件，是一种4线—16线译码器，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。
74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。
该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。
任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。
当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。
图2-674HC154
74HC154非常适合用于高性能存储器的译码器。
当两个选通输入E1和E2为低时,它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。
实现解调功能的办法是：
用4个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。
当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。
2.2.4LED显示屏
LED显示屏（LEDdisplay,orLEDscreen）:
有些地方也称其为电子显示屏或者是飘字屏幕LED显示屏由LED点阵和PC面板组成，通常有红色，绿色，蓝色，白色的LED灯的点亮和熄灭来显示图片、文字、动画、视频等各种内容。
LED显示屏是由多个发光二极管组成的，通过单个二极管的亮灭来显示字符和图形。
以8*8的共阳极LED显示屏为例来介绍LED显示屏显示的原理
图2-7LED显示屏
8*8的共阳极LED显示屏是每行的LED阳极连在一起，每列的阴极连接在一起。
要点亮一个发光二极管需要阳极接高电平，阴极接低电平才能形成一个电流通路使得发光二极管点亮。
例如要点亮第一行第一列所确定的一个发光二极管，就需要使第一行为高电平，第一列为低电平，对应的发光二极管就可以点亮。
二极管的显示方式有两种：
静态驱动显示和动态扫描显示。
静态驱动显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用0和1表示,若为0,则表示LED无电流,即暗状态;若为1则表示二极管被点亮。
若给每一个发光二极管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有LED的状态保持到下一幅画。
动态扫描显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态扫描显示，以8*8共阳型的LED显示屏为例，先送出对应第1列发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1列使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2列的数据并锁存，然后选通第2列使其燃亮相同的时间，然后熄灭；一次往后递推，当第8列之后，又重新发送第1列LED的亮灭数据，反复轮回。
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。
2.3系统的软件设计
在编写程序时采用了分模块编写的方法，本系统主要分为两个模块：
LED电子点阵屏显示模块和无线数据传输模块。
先把LED模块编写完成，在此基础上再加入无线模块的程序。
2.3.1LED显示模块的软件设计
LED显示方法介绍
LED动态显示的方法有很多种：
逐行式扫描法，逐列式扫描法，行列式扫描法，列行式扫描法。
本系统采用列行式式扫描法，在字模软件PCtoLCD2002完美版中列行式扫描法的具体方法是：
先纵向取第一列的前8个点作为第一个字节然后纵向取第二列的前8个点作为第二个字节，依次进行下去，直到取完第十六列的后8个点为第三十二个字节。
这样的取字节方法有利于实现滚动等动态特效的实现。
LED的具体显示原理
图2-816*16LED点阵仿真图
LED点阵屏在显示的时候是分屏显示的，如上图整块LED显示屏被分为上下两部分来进行显示控制的，上半部分由8*16的点阵组成，下半部分也是由8*16的点阵组成。
每部分又分成16个小部分，每一小部分有8个点对应一个字符的字节。
本系统中先选通上半部分左边L0所控制的8个点发送相应的字符字节，再选通下半部分H0所控制的8个点发送相应的字符字节，再选通上半部分，然后是下半部分，依次进行下去直到扫描完成整个LED点阵屏，只要进行的速度足够快就可在LED显示屏上看到一幅完整的字符或者是图像。
LED文字特效实现原理
左移显示
左移显示的原理就是主要利用数组的偏移，实现一次静态扫描之后要进行左移的显示就要要把之前在第二列显示的字节放到第一列去显示，之前第三列显示的字节放到第二列去显示，依次类推，之前第一列显示的字节反复到最后一列去显示，循环十六次，就可以实现一个字符的左移。
消失再现显示
此种文字特效所用的原理就是用LED灯的点亮来使原来的字符有一种消失再现的效果。
要做到一种慢慢消失和再现的效果，就要逐渐使整个屏幕都亮起来，在编程实现时就是把字符的字节分别与0x00,0x11,0x33,0x77,0xff按位或，与0x00按位或就实现原来的静态显示，在这个显示的时候延时的时间要长一点，这样就可以使完整的字符显示比较长的时间，与0x11，0x33,0x77按位或就可以实现屏幕部分列完全点亮，其他部分显示原来相应的字符，与0xff按位或整个屏幕所有的点完全点亮，在送入下一个字符要显示的字节，分别与0xff，0x77，0x33，0x11，0x00按位或就可以出现新字符再现的效果。
图2-9字符显示效果图
2.3.2发送机系统的整体设计
在主机系统的设计中主要是无线模块NRF24L01的设计，NRF24L01成功发送一次数据发送过程并不是发送机能够独自完成的，还需要从机的配合。
发送机发送连同身份地址在内的数据包给接收机，接收机收到数据并确认正确后，就回发一个确认信号给发送机，收到确认信号与通道零的地址进行比较，地址吻合就说明接收机收到信号。
这个过程是模块内部自动完成的，这就叫做增强模式。
如果没有收到确认信号，可以设置允许重发，并设置好发射次数，在一定的时间内，如果发送机没有收到应答信号，发送机就会重发一次，如果发完设定次数还是没有收到应答信号就会产生中断信号给IRQ，说明模块没有发送成功，由程序情况决定是否重发。
设置一次发送数据的步骤
1）写本机身份地址到TX_ADDR
2）写0道接收地址到RX_ADDR_P0（与TX_ADDR地址一样，为了接收应答信号）
3）设置自动应答允许，EN_AA
4）设置0通道允许接收，EN_RXADDR
5）配置自动重发次数SETUP_RETR
6）选择通信频道RF_CH（要求发送接收的一组通信使用同一个频道）
7）设置发射参数RF_SETUP
8）设置0通道有效
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