基于51单片机点阵式电子广告牌的设计.docx

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基于51单片机点阵式电子广告牌的设计

摘要

当今世界，电子技术迅猛发展，点阵式显示器件作为现代信息显示的重要媒体，在金融证券、体育、机场、交通、商业、广告宣传、邮电电信、指挥调度、国防军事等许多领域中得到了广泛应用。

因此点阵式显示器件的研制、生产也的到了迅速的发展，并逐步形成产业，成为光电子行业的新兴产业领域。

由于LED电子显示屏具有所显内容信息量大,外形美观大方,操作使用方便灵活.适用于火车,汽车站,码头,金融证券市场,文化中心,信息中心体育设施等公共场所.该项目广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术,单片机技术,数据通讯技术,显示技术,存储技术,系统软件技术,接口及驱动等技术.我国经济发展迅猛,对信息传播有越来越高的要求.可以相信,LED电子显示屏以其色彩鲜亮夺目,大的显示信息量,寿命长,耗电量小,重量轻,空间尺寸小,稳定性高,易于操作,安装和维护等特点,将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。

利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的字符。

显示方式分为三种：

逐字显示、上滚显示、左滚显示，其中显示字模数据由单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成，点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：

点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度比较高，而且亮度可以改变电阻进行调节。

本文以Proteus为软件平台，设计制作一套51系列单片机实验系统。

【关键词】单片机点阵LED电子显示屏

Abstract

Intoday'sworld,therapiddevelopmentofelectronictechnology,dot-matrixdisplaydeviceasamoderninformationdisplayoftheimportantmedia,inthefinancialsecurities,sports,airport,transportation,commercial,advertising,postandtelecommunications,commandandcontrol,nationaldefensemilitary,andmanyotherareashavebeenwidelyapplied.Sodot-matrixdisplaydevicesinthedevelopment,productionandtotherapiddevelopment,andgraduallyformedaoptoelectronicstradeindustry,thenewindustryfields.BecauseLEDelectronicdisplayhasshowninformativecontent,abeautifulappearance,convenientinoperationisflexible.Applytothetrain,busstation,wharf,financialsecuritiesmarket,culturalcenter,informationcentersportsfacilitiesinotherpublicplaces.Thisprojectinvolvesawidecomputerandelectronictechnologyofpowertechnology,singlechipmicrocomputer,datacommunicationtechnology,displaytechnology,storagetechnology,systemsoftwaretechnology,interfaceanddrivetechnology.China'seconomicdevelopmentofinformationtransmissionhasrapidly,andmoreandmorehighrequirements.CanbelievethatLEDelectronicdisplaybyitscolorbrightisdazzing,largedisplayinformation,longlife,smallpowerconsumption,lightweight,smallsize,highstability,space,easytooperate,installationandmaintenanceandothercharacteristics,inthesocialeconomydevelopmentwillplaymoreandmoreimportantrole.Usingsinglechipcomputerinoverallcontrolofthewholesystem,displayshouldshowthecharacters.Displaymodeisdividedintothreetypes:

wordforworddisplay,rollingdisplay,left,whichshowsthatfontthatrollofmicrocomputerdatainputthevideomemory,bitmaplightenedprocesshasprogramcontrol,bydrivingcircuitiscompleted,themonochromaticshowthatthedotmatrixdisplaycircuitfeaturesare:

dotmatrixthedynamicdisplayoftheprocesstaketimeisshort,brightnessishigher,andbrightnesscanchangeresistanceontheadjustment.

Inthispaper,thesoftwareplatform,Proteusfordesignasetof51seriesSCMexperimentsystem.

Keywords:

SCMlatticeLEDelectronicdisplay

目录

一．引言···························································3

二．LED概述·······················································4

1.LED电子显示屏概述············································4

2.LED电子显示屏的分类···········································4

三．系统概述·······················································7

1.整体结构······················································7

2.单片机系统作用及应用··········································7

3.发展趋势······················································8

四．LED显示屏控制技术状况·········································10

1.串行传输与并行传输技术········································10

2.动态扫描与静态锁存技术········································10

3.自动检测及远程控制技术········································10

五．硬件电路设计···················································11

1.总体设计······················································11

2.系统硬件选择··················································12

3.系统硬件概述··················································12

4.LED点阵的内部结构及工作原理··································13

5.系统总体电路图················································15

6.硬件焊接······················································15

六．软件设计·······················································17

1.程序设计总体思路··············································17

2.程序流程图····················································17

3.各模块程序设计················································18

七．系统的硬件及软件调试···········································20

总结·······························································22

致谢·······························································23

参考文献···························································24

附录

引言

LED（LightEmittingDiode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，即形成LED点阵图文显示屏。

其主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。

LED点阵的汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如8×8点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。

LED点阵显示具有如下特点：

（1）电压：

LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一种比使用高压电源更安全的电源。

（2）效能：

消耗能量比同光效的白炽灯减少80%。

（3）适用性：

每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

（4）稳定性：

10万小时，光衰为初始的50%。

（5）响应时间：

其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。

（6）对环境污染：

无有害金属汞。

由于LED的众多优势，在市场中得到了广泛的应用，主要应用领域有：

（1）、信号指示应用：

信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域，约占LED应用市场的4%左右。

（2）、显示应用：

指示牌、广告牌、大屏幕显示等，LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%—25%，显示屏幕可分为单色和彩色。

（3）、照明应用：

便携灯具，汽车用灯，特殊照明。

由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。

背光照明：

普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD显示器背光源等。

二．LED概述

1.LED电子显示屏概述

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显示屏是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、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。

LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。

因而被广泛应用于车站、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。

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。

2.LED电子显示屏的分类

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。

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。

按使用场合分类：

室内显示屏：

发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般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。

按发光点直径分类：

室内屏：

Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、

室外屏：

Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ21mm、Φ26mm

室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。

三．系统概述

1.整体结构

总体硬件组成框图

图一总体硬件组成框图

系统框图如图一所示，系统主要由三大模块组成即LED驱动模块、数据存储模块、PC机通信模块。

2.单片机系统作用及应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。

它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：

1.单片机在智能仪表中的应用

单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

2.单片机在机电一体化中的应用

机电一体化是械工业发展的方向。

机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。

单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。

单片机在实时控制中的应用：

单片机广泛地用于各种实时控制系统中。

例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。

单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。

单片机在分布式多机系统中的应用

在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。

多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。

单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。

单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。

单片机在人类生活中的应用

自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。

单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。

综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。

另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

3.发展趋势

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

下面是单片机的主要发展趋势。

CMOS化近年，由于CHMOS技术的进小，大大地促进了单片机的CMOS化。

CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。

这也是今后以80C51取代8051为标准MCU芯片的原因。

因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。

CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。

采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。

随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。

CHMOS和HMOS工艺的结合。

目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。

因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。

低功耗化单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。

低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。

低电压化几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。

允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。

低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。

目前0.8V供电的单片机已经问世。

低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。

大容量化以往单片机内的ROM为1KB~4KB，RAM为64~128B。

但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。

为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。

目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB。

高性能化主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。

采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。

现指令速度最高者已达100MIPS（MillionInstructionPerSeconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。

这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。

由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。

小容量、低价格化与上述相反，以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。

这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。

四．LED显示屏控制技术状况

显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。

1.串行传输与并行传输技术

LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。

日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。

采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。

2.动态扫描与静态锁存技术

LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。

一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4,1/16扫描等。

3.自动检测及远程控制技术

LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。

在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等

五．硬件电路设计

1.总体设计

图二显示屏电路框图

如图二所示，本产品拟采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、电源、74HC154、8×8LED点阵5部分组成。

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。

8ｘ8的点阵共有64个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，这个数字很庞大，因为我们仅仅是8ｘ8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8行）的同名列共用一套驱动器。

具体就8ｘ8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8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