大屏幕LED点阵显示屏设计制作.docx
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大屏幕LED点阵显示屏设计制作
大屏幕LED点阵显示屏设计制作
摘要
LED是Light-EmittingDiode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。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块组成的平面式显示屏幕。
由于它具有耗电少、发光率高、使用寿命长、成本低、组态灵活、故障少、视角大、可视距离远、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，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，已经成为新一代的信息传播媒体工具。
在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。
在今年春节晚会的舞台设计上，大屏幕LED点阵显示屏就成了一个最大的亮点。
LED与LCD相比较最突出的特点是，亮度高、成本低且屏幕尺寸可根据现场情况用标准LED单元板拼制。
按安装位置可分为室外、半室外和室内；按颜色可分为单色、双基色和彩色；按发光二极管点距可分为φ5.0、φ3.75及φ3.0等。
本文所设计的LED大屏幕显示系统，以AT89S52单片机为核心，采用RS-232通信标准，可显示汉字、字符、数字或图片。
由单片机完成与PC机的通讯，同时完成数据存储、循环显示等。
系统能脱机运行，具有结构简单、维护方便、显示刷新速度快、成本低等特点。
配合在线下载程序，随时更新显示的内容,通过级连更改显示屏面积的大小，使用起来非常方便。
大屏幕显示系统，由键盘显示、录放音模块、光电开关、温度采集、定时闹铃、LED大屏幕显示等功能模块组成。
基于题目基本要求，本系统对时间显示和大屏幕显示进行了重点设计。
此外，扩展单片机外围接口、温度采集、非接触式止闹、滚动屏幕显示、语音报时等功能。
本系统大部分功能由软件来实现，吸收了硬件软件化的思想，大部分功能通过软件来实现，使电路简单明了，系统稳定性大大提高。
本系统不仅成功的实现了要求的基本功能,发挥部分也得到完全的实现,而且有一定的创新功能，达到国内先进水平。
关键词：
LED大屏幕显示，AT89S52单片机，RS-232通信标准，温度采集，语音报时
摘要5
目录6
毕业设计任务书7
1.方案论证与比较7
1.1显示部分8
1.2控制系统9
1.3数字时钟13
1.4温度采集部分14
1.5芯片的选择2
1.6串口通讯芯片的选择20
2.系统硬件设计21
2.1LED显示屏屏体22
2.2LED显示屏控制系统23
2.3电源的选择24
3.系统软件设计25
3.1显示部分、通信部分流程图26
3.2显示时间子程序流程图27
3.3温度测量子程序流程图28
3.4应用程序设计29
4.安装及技术指标30
5.设计总结32
致谢及声明33
参考文献34
1方案论证与比较
1.1控制系统
控制系统部分是本次设计最核心的部分，有以下两种方案：
方案一：
即以AT89C51单片机为核心,采用串行传输、动态扫描技术，制作一款拥有PC机通信功能的，模块化LED多功能显示屏。
方案二：
DS80C320是美国DALLAS公司生产的与MCS-51系列完全兼容的单片微处理器产品。
它与80C32具有完全相同的封装，提供80C32具有的所有的功能，如I/O口，定时器/计数器，串行口等。
此外它还提供了另一个全双工串行接口，7个新的中断，可编程看门狗定时器，掉电中断和复位等。
在此基础上，DS80C320还增加了2个用于改善外部RAM数据存储器存取数据的功能，即双数据指针和可编程片外RAM存取周期扩展功能。
DS80C320可以工作在1MHZ～33MHZ的频率范围内。
普通8051的CPU的每个机器周期需要12个时钟，而DS80C320的每个机器周期只需要4个时钟。
而且DS80C320采用了重新设计的微处理器内核，去除了多余的时钟和存储周期，因此每一条指令的执行时间都比原8051CPU快1.5至3倍，在相同的晶振频率和代码条件下，其运行速度平均提高2.5倍。
此外DS80C320的双数据指针结构也将提高数据传送的效率。
在显示系统中，由于扫描显示与状态控制、移动控制分时复用CPU，扫描显示频率不能低于60HZ，这就需要加快CPU执行指令的速度。
DS80C320具有高的工作频率，高效的CPU内核以及很短的机器周期，应用于显示控制系统中可以大大提高显示效果，增强系统的稳定性和可靠性。
鉴于上述原因,我们采用方案二
1.2显示部分:
显示部分是本次设计核心的部分，对于LED8*8点阵显示有以下两种方案：
方案一：
静态显示，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。
对于静态显示方式方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。
方案二：
动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示方式。
动态显示方式方式,可以避免静态显示的问题。
但设计上如果处理不当,易造成亮度低,闪烁问题。
因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。
动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式,复用的程度不是无限增加的,因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短,发光的亮度等因素.我们通过实验发现,当扫描刷新频率（发光二极管的停闪频率）为50Hz,发光二极管导通时间≥1ms时,显示亮度较好,无闪烁感.。
鉴于上述原因,我们采用方案二
1.3数字时钟
数字时钟是本设计的重要的部分。
根据需要，可利用两种方案实现。
方案一：
本方案完全用软件实现数字时钟。
原理为：
在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。
利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1；若分值达到60，则清零分字节，并将时字节值加1；若时值达到24，则将时字节清零。
该方案具有硬件电路简单的特点，但当单片机不上电，程序将不执行。
且由于每次执行程序时，定时器都要重新赋初值，所以该时钟精度不高。
方案二：
本方案采用Dallas公司的专用时钟芯片DS1302。
该芯片内部采用石英晶体振荡器，其芯片精度不大于10ms/年，且具有完备的时钟闹钟功能，因此，可直接对其以用于显示或设置，使得软件编程相对简单。
为保证时钟在电网电压不足或突然掉电等突发情况下仍能正常工作，芯片内部包含锂电池。
当电网电压不足或突然掉电时，系统自动转换到内部锂电池供电系统。
而且即使系统不上电，程序不执行时，锂电池也能保证芯片的正常运行，以备随时提供正确的时间。
基于时钟芯片的上述优点，本设计采用方案二完成数字时钟的功能。
1.4温度采集部分
能进行温度测量是本设计的创新部分，由于现在用品追求多样化，多功能化，所以我们决定给系统加上温度测量显示模块，方便人们的生活，使该设计具有人性化。
方案一：
采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。
方案二：
采用温度传感器DS18B20。
DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。
基于DS18b20的以上优点，我们决定选取DS18b20来测量温度。
1.5芯片的选择
方案一：
采取并口输入，占用大量I/O口资源
方案二：
选取串口输入，使用较少。
所以我们选用串口输入。
串口输入我们可以选用芯片有:
行信号选择译码器74HC138、驱动器74HC245、数据移位寄存器74HC595、行驱动器组成。
显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。
综合以上比较，我们选取方案二驱动LED点阵。
1.6串口通讯芯片的选择
AT89S52串行口采用的是TTL电平，因此必须的有电平转换电路，可以选择1488，1489，MAX232A.
方案一：
采用1488或1489芯片实现电平转换，但在使用中发现这两种芯片可靠性不高，且需要正负12V电源，使用麻烦。
方案二：
采用单电源电平转换芯片MAX232A可以使电路变得简单，可靠。
基于以上分析，我们选用方案二，选用芯片MAX232A
2.系统硬件设计
为使该模块化LED显示屏控制系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。
LED点阵显示屏主要由LED点阵LED显示屏屏体和LED点阵显示控制系统组成。
其中LED点阵LED显示屏屏体由LED点阵发光器件、LED点阵显示驱动及接口电路、PCB电路板组成；LED点阵显示控制系统由微处理器、数据存储器通信及接口电路、时钟模块、温度测量模块等组成。
总体硬件组成框图如图1所示：
2.1LED显示屏屏体
LED显示屏屏体是LED点阵显示屏的核心部件之一，完全采用模块化化标准设计，便于安装和维护，整屏由许多结构相同的小单元板组成，每个小单元板电路结构完全相同，单元板的好坏，直接影响到显示效果。
模块化结构还具有屏体安装拆卸方便等优点，当客户有搬迁、改装需求时，可方便改造。
模块化结构还具有散热性能好、电路简单、省电、可靠性高、方便维护、维护费用低、防潮、防静电等优点。
2.1.1LED点阵发光器件
在我们生活中LCD的应用日益广泛，带给我们许多便利。
但是，LCD的成本高，尤其是要构成大尺寸的显示屏，成本令大多数人无法接受。
还有LCD本身不发光，需要另带光源。
正因为LCD的这些特点，LCD的应用受到一定的限制。
由于LED自身就是发光器件它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，且较容易做成大的尺寸，是随着计算机及相关的微电子﹑光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。
以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，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。
如室外广告，公交车报站牌，银行，邮电等室内的大屏幕，应用LED有着独特的优势。
在LED显示屏中，发光器件性能质量的优劣直接影响显示屏的显示效果和显示屏功能的正常发挥。
屏体材料我们采用台湾国联LED管芯，确保显示屏发光器件的视觉均匀性，色度、亮度、均匀度及衰减度。
2.1.2LED点阵显示驱动及接口电路
显示驱动是整个显示屏系统中最重要、最庞杂的部分，驱动电路设计的好坏直接关系到LED显示屏的亮度、稳定度等重要指标。
LED的扫描原理简要介绍如下。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
由行译码器给出行有效信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源一端接通）。
另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。
接通的列，就在该行该列点亮LED，未接通的列所对应的LED熄灭。
当一行的持续扫描时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。
全部各行都扫过一遍后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期的扫描。
只要扫描周期的时间比人眼1/25s的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象。
采用串行传输方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位地传往列驱动器，数据要经过并行到串行和串行到并行2次转换。
首先，微处理器从存储器中读出的16位并行数据要通过并串转换，按顺序一位一位地输出给列驱动器，与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，一直到全部各列数据都传输完为止。
只有当一行的各列数据都已传输到位之后，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和列数据显示2个部分。
对于列准备数据来说，它应该实现串入并出的移位功能；对于列显示数据来说，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数据，而不会影响本行的显示，这种列驱动电路可以用74HC595来实现。
由74HC595组成的显示驱动电路（以1/16扫描为例）如图9.5所示。
74HC595具有串入并出的移位功能和并行锁存功能，它可以有效解决数据串行传输和数据显示在时间上的矛盾问题，即采用重叠处理的方法，在显示本行各列数据的同时，准备下一列的数据。
CLK是移位时钟，数据在时钟的控制下移位进入74HC595，当全行移到位之后，在行锁存信号STR的控制下由74HC595的后台移入前台锁存。
A、B、C、D信号是行扫描信号，可直接通过对STR信号计数得到，并通过4/16译码器得到16根行扫描线。
OE信号是消影信号，它即可以选择控制列信号，也可以选择控制行信号。
如果选择控制列信号，它可接74HC595的输出使能端E。
因为，只有当E为低时74HC595的输出才有效，而E为高时输出为三态，这个信号对灰度的实现非常有用。
同理，如果选择控制行信号，它也可以接4/16译码器的使能信号端，为低时使行扫描信号无效。
LED单元板电路框图如图所示。
各个信号走向如下：
1、输入排针的A信号－＞由74HC245的第2脚进入,经245信号放大,由245的第18脚输出－＞74HC138的第1脚－＞输出排针的Ａ信号
2、输入排针的Ｂ信号－＞由74HC245的第３脚进入,经245信号放大,由245的第１７脚输出－＞74HC138的第２脚－＞输出排针的Ｂ信号
3、
输入排针的ＯＥ信号－＞由74HC245的第４脚进入,经245信号放大,由245的第1６脚输出－＞74HC04的第1脚－＞74HC04的第2脚输出分两路―――＞一路74HC138的第5脚
另一路74HC04的第3脚－＞74HC04的第４脚－＞输出排针的ＯＥ信号
4、输入排针的R信号－＞由74HC245的第９脚进入,经245信号放大,由245的第１１脚输出－＞最左上角74HC595的第１４脚输入－＞最左上角的７４ＨＣ５９５的第９脚输出－＞……－＞最右下角７４ＨＣ５９５的第１４脚输入－＞最右下角７４ＨＣ５９５的第９脚输出－＞输出排针的Ｒ信号
5、输入排针的ＳＣＬＫ信号－＞由74HC245的第７、８脚进入,经245信号放大,由245的第12、13脚输出
－＞２４５的第１２脚信号－＞所有５９５芯片的第１２脚
２４５的第１３脚信号－＞输出排针的ＳＣＬＫ信号
6、输入排针的ＣＫＬ信号－＞由74HC245的第５、6脚进入,经245信号放大,由245的第1４、1５脚输出
－＞ ２４５的第１５脚信号－＞所有５９５芯片的第１１脚
－＞ ２４５的第１４脚信号－＞输出排针的ＣＫＬ信号
驱动集成IC芯片我们采用PHILIPS、MOTOROLA、ST、NEC、日立等公司之产品，，确保显示屏显示驱动寿命＞10万小时，连续工作时间＞48小时。
2.1.3PCB电路板
2.2LED显示屏控制系统
从技术等级上讲，LED显示屏系统是一个可以集计算机网络技术、多媒体视频控制技术和超大规模集成电路综合应用于一体的大型电子信息显示系统，具有多媒体、多途径、可实时传送的高速通信数据接口和视频接口。
计算机网络技术的使用使显示屏的制作、处理、存储和传输更加安全、迅速、可靠。
2.2.1微处理器
本显示系统微处理器本显示系统采用ATMEL公司新推出的AT89S51作为主控芯片，AT89S51拥有与INTEL公司的8051相同的内核和引脚排列。
表1为AT89S51的内部功能表，AT89S51除了具有8051的全部功能外，还内置了一些比较实用的功能部件。
如AT89S51内部的程序存储器是4KB可擦写的flashROM，下载程序代码整个过程仅用几秒钟，使用起来非常方便。
而8051内部的程序存储器是4KB的PROM，只能一次性写入程序代码，以后就无法修改。
另外AT89S51提供了一个ISP下载接口。
很适合用于单片机应用系统的设计或开发。
利用单片机AT89S51作为本系统的中控模块。
单片机可把由DS18B20、DS1302读来的数据利用软件来进行处理，从而把数据传输到显示模块，实现温度、日历的显示。
点阵LED电子显示屏显示器为主要的显示模块，把单片机传来的数据显示出来,并且可以实现滚动显示。
利用光电传感器来实现非接触止闹功能。
在显示电路中，主要靠按键来实现各种显示要求的选择与切换。
系统中采用了以下的设计理念：
①由P0口同步输出8位字型点阵数据。
②用P3.6产生SCK信号，软件中相应使用“MOVX@R0，A”指令，在形成SCK信号的同时减少指令的字节数。
③由P2.0至P2.3输出行扫描信号，软件中将A、B、C、D存放在DPH的低4位中。
④RCK和EN分别由P3.4、P3.5控制。
⑤SST89E516单片机的串行口与PC机通信。
利用该单片机的IAP功能下载显示所需的字型数据和控制程序。
2.2.2、数据存储器通信及接口电路
采用AT89S51作为中央控制器，完成与PC机的通信，实现对显示屏显示数据和显示状态的控制。
数据存储器使用一片静态RAM62256和一片FLASH存储器29F040。
29F040容量很大，可以用于存储显示的内容，也可根据需要存储汉字的点阵库。
控制器与计算机的连接根据通信距离的远近选用RS-232或RS-485标准总线接口。
静态数据存储器成本低﹑功耗小，读写速度快，但是掉电后片内信息随即丢失，在显示控制系统中需要保存由PC机传送过来的显示数据信息，所以在系统中还扩展了一块FLASH存储器。
闪速存储器（FlashMemory）是一种非易失性存储器，即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息。
闪速存储器集其它非易失性存储器的特点于一身：
与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势--电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点，其独特的性能使其广泛地运用于各个领域。
在系统设计中，选用容量为4Mbit的29F040。
该芯片内部由8个64Kbyte的读写块组成，可分块进行读、写和擦除的操作。
采用单电源+5V供电。
通信及接口该部分电路由芯片MAX232组成。
其电路原理图如图3-3-1所示：
单片机的串口通过MAX232将TTL电平转换成EAI适合的电平，实现了单片机和PC机之间的通信。
2.2.3时钟模块
时钟模块采用DS1302芯片，DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日日期月年的信息每月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1RES复位2I/O数据线3SCLK串行时钟时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信DS1302工作时功耗很低保持数据和时钟信息时功率小于1mW，其接线电路如图4:
2.2.4温度测量模块
温度测量传感器采用DALLAS公司DS18B20的单总线数字化温度传感器，测温范围为-55℃~125℃，可编程为9位~12位A/D转换精度，测温分辨率达到0.0625℃，采用寄生电源工作方式，CPU只需一根口线便能与DS18B20通信，占用CPU口线少，可节省大量引线和逻辑电路。
接口电路如图3所示。
2.3电源的选择
电源电路的设计考虑以下因素:
输出的电压、电流、功率；输入的电压、电流；安全因素；输出纹波；功耗限制。
采用LED显示屏专用电源，具有空载、短路、过热保护功能。
使用的是开关电源，220V输入，5V直流输出。
需要指出，由于LED显示屏幕属于精密电子设备，所以要采用开关电源，不能采用变压器。
对于1个单红色户内64x16的单元板，全亮的时候，电流为2A。
推出，128x16双色的屏幕全亮的时候，电流为8A。
应该选择5V10A的开关电源。
3.系统软件设计
软件程序是整个控制系统的核心部分,是用汇编语言编写的。
在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。
整个软件设计主要分为四大部分：
显示部分、通信部分、温度测量部分、显示时间部分。
3.1显示部分、通信部分流程图
3.1.1下位机软件流程
本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现LED显示屏上字样的移位、显示、数据的读取等功能。
其主程序流程如图4-2-1所示。
显示部分采用动态扫描的方式，实现对显示屏要显示的汉字、图象、字符等数据信息进行传输控制以及显示等功能。
与PC机的实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收和发送数据信息，实现与计算机的实时数据信息传输。
程序中将数据存储器分为三个区：
显示缓冲区、数据存储区和接收缓冲区。
单片机通过串口中断接收PC机传来的数据（包括显示内容、显示方式和显示状态），暂时存放在接收缓冲区，经分析处理后按一定的规律放入数据存储区保存起来，然后再根据显示方式依次从数据存储器中取出数据放入显示缓冲区中用于显示。
显示采用逐行扫描的方式，因此扫描频率需达到60HZ以上。
多种显示方式（左移﹑右移﹑上移﹑下移和替换等）的实现取决于从数据存储区取出数据放入显示缓冲区时取数的顺序，左右移时每次从数据存储区取出一位数移入显示缓冲区，上下移动时则每次取出一行数据移入，替换时每次取出整屏数据放入显示缓冲区。
扫描显示时并不识别显示缓冲区中的数据，只是依次从显示缓冲区中取出数据由串行口向显示屏发送，并送出相应的锁存﹑消隐和行值信号，完成一次扫描。
3.1.2上位机软件流程
本系统的上位机软件主要是编辑LED显示屏显示的内容，在设计中采用VisualBasic语言编写了LED显示屏控制系统的内容下载软件。
软件界面如图4-2-1所示。
使用VB在标准串口通信方面提供的具有强大功能的通信控件MSCOMM，该控件可设置串行通信的数据发送和接收，对串口状态及串口通信的信息格式和协议进行设置，直接利用PC机的RS-232/RS-485串口发送数据。
为实现单片机与PC机的可靠通信，须保证双方具有相同的数据格式和波特率。
该软件的使用比较简单，如图所示。
使用时可以先用MicrosoftWord处理好需要显示的内容（注意页面设置的宽度跟LED显示屏的宽度应该相同），然后选择编辑菜单里面的全选命令和复制命令，然后运行LED显示下载软件V1.1。
在界面中选择“来自剪贴板”按钮，需要下载显示的内容即可在右边的预览框中显示，检查无误后选择合适的波特率和连接的串行通信口，按下“下载”按钮，即可下载到显示屏上显示。
需要修改或要显示新的内容时重复上述操作即可完成。
该VB软件的主要难点在于将上位机的数据写入下位机，其子函数如下：
PrivateSubComWrite_Click（）
IfREAD=FalseThen
IfTEXTSEND.Text<>""Then
CallTEXTSEND_Change
ComWr
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