智能远程控制LED显示设备设计毕业设计.docx
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智能远程控制LED显示设备设计毕业设计
智能远程控制LED显示设备设计
设计总说明
随着社会不断发展，LED在当今社会生活中的应用已经越来越多，越来越普及。
它的高效、环保、节能、低成本等优点使它倍受青睐，在显示领域受到了广泛应用。
然而目前采用有线方式传输、显示数据的LED点阵屏幕安装不便，移动性较差，另外，LED点阵屏尺寸多为整块固定的，安装时不能根据需要进行调整。
针对以上不足，本课题研制了一种采用智能远程控制的新型LED点阵屏系统，系统通过无线方式进行通讯控制，同时，采用模块化LED显示屏设计，使得屏幕尺寸大小可以根据实际需要来拼装，提高其实用性，避免了上述LED显示设备的缺点。
首先需要进行总体方案设计，由设计需求确定系统结构，由此再得到硬件选型。
然后分模块设计具体系统电路，设计上位机、下位机端的软件程序，最终制作实验室原型进行测试。
本系统硬件部分单片机选择STC89C52RC，无线数据传输模块采用WSN-1101无线透传模块，LED显示模块采用74HC595和74HC164进行控制，电源使用7V蓄电池转5V供电。
经最终调试，系统稳定可靠，基本达到设计要求。
关键词：
单片机；点阵LED；无线控制
DesignofIntelligentWirelessControlLEDDisplayEquipment
DesignDescription
Withthecontinuousdevelopmentofthesociety,theapplicationofLEDinthesociallifehasbecomemoreandmorepopular..Itshighefficiency,environmentalprotection,energysaving,lowcostandsoontheadvantagesmakeitpopular,inthedisplayfieldhasbeenwidelyused.However,thewiredtransmission,displaydataleddotmatrixscreentoinstalltheinconvenience,poormobility.Inaddition,LEDdotmatrixscreensizeforblockfixed,theinstallationcannotaccordingtoneedtoadjust.Tosolvetheaboveproblem,thistopicdevelopedausingintelligentremotecontrolmodelofLEDlatticescreensystem,systembywirelesscommunicationcontrol.Atthesametime,usingmodulardesignofLEDdisplayscreen,makesthescreensizecanassembledaccordingtotheactualneed,toimprovethepracticabilityandavoidtheshortcomingoftheLEDdisplaydevice.
Atfirst,weneedtocarryouttheoverallplandesign,thesystemstructureisdeterminedbythedesignrequirements,andthenthehardwareselection.Thenthesubmoduledesignofthespecificsystemcircuit,thedesignoftheuppercomputer,thelowerendofthesoftwareprogram,thefinalproductionoflaboratorytests.ThehardwarepartofthesystemismicrocontrollerSTC89C52RCandwirelessdatatransmissionmodule,thewirelessWSN-1101fortransparenttransmissionmodule,LEDdisplaymoduleusing74HC595and74HC164control,poweruse7Vbatteryswitch5Vpowersupply.Afterfinaldebugging,thesystemisstableandreliable,basicallymeetthedesignrequirements.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer；LED；WirelessControl
1绪论
1.1课题内容及意义
课题主要研究的内容是研究制作一种基于无线数据传输的LED点阵显示系统，系统下位机部分可以完成文字、图形、符号的显示以及简单的滚动动画效果，用户可以通过电脑上位机进行控制，以无线数据传输的方式远程实时改变下位机的显示内容及动画效果。
研究如何将无线数据传输技术应用于LED显示设备，可以促进无线通信领域的发展，扩大LED显示在各个领域的应用范围，具有重要的科学意义。
我国经济发展迅猛，对于信息传播的要求越来越高，可以预见LED显示屏将以其色彩鲜亮、显示信息量大、耗电量小、寿命长、空间尺寸小、重量轻、稳定安全、易于安装控制等优点代替传统灯箱、霓虹灯的地位，在未来社会发展中扮演越来越重要的角色，前景十分广阔。
1.2国内外研究现状
1.2.1LED研究现状及发展趋势
发光二极管又名LED（Light-EmittingDiode），它是一种能将电能转化为可见光的半导体电子元件。
由于西方经济发达，对LED的研究也早于国内。
LED显示设备在上世纪80年代后期在国外得到迅速发展，在照明、传媒等领域，基于LED技术的各种显示设备渐渐崭露头角，成为受到广泛关注与应用的新型显示媒体。
关于LED显示设备的发展，目前大致可以分成三个阶段：
第一阶段是上世纪90年代之前，这个阶段是LED产品的实用化阶段，自1962年第一个商用型LED出现以来，受限于当时的科学技术水平，早期LED产品质量一般，功能单一，颜色种类较少，制造成本偏高，显示效果不理想，很难满足人们的各种使用要求；第二阶段是上世纪90年代到本世纪初，随着微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展，半导体制作技术和加工工艺的成熟和完善，LED灯的性能得到了较大的提升，成本更低，亮度更高，寿命更长，拥有了更广扩的应用前景，LED显示设备也得到了广泛的关注和研究应用。
在这个阶段相继出现了超高亮红色、蓝色、绿色LED，使得实现彩色LED显示屏成为了可能；第三阶段是21世纪初至今，LED显示设备因其种种优势得到了社会的广泛应用，人们对于其性能也提出了更高的要求，目前正朝着更高亮度、更强的环境适应能力、更高的发光均匀性以及全彩色化方向发展，采用智能控制的LED显示系统将给人带来更优质的服务，LED显示行业也将经历从单一的做产品，到设计产品，再到提供整体解决方案的发展历程。
目前由单片机控制的LED点阵显示器方案已趋于成熟。
目前的研究方向主要是LED显示设备控制的简化和多样化，如设计简易的控制器控制LED显示屏的显示内容、亮度、速度等，还有用多种方式控制LED显示屏，如GPRS、GSM等各种无线控制方案。
1.2.2无线通信技术研究现状及发展趋势
随着科学技术的发展，信息化成为了目前的潮流，无时无刻的影响着人类的生活方式。
人们要通过信息化来开创新的工作管理方式、金融贸易模式、交流教育模式以及消费生活模式，对无线通信技术也提出了更高的要求，无线通信技术由此得到了飞速发展，大约分为五个阶段：
第一阶段为20世纪20年代到50年代，主要为军用，采用短波频及电子管技术，在该阶段末出现了150MHzVHF单工汽车公用电话系统MTS；第二阶段是50至60年代，通信频段扩展至450MHz，器件技术向半导体过渡，解决了移动电话与公共电话网的连接问题；第三阶段是70至80年代，通信频段扩展至800MHz，美国贝尔研究所提出了蜂窝系统概念并进行了AMPS实验；第四阶段是80至90年代中，此阶段移动数字通信得到了极大发展，并逐渐向个人通信业务迈进，此时出现了D-AMPS、GSM、CDMA等各类系统，频段扩展至1.9GHz，无线寻呼、无绳电话、集群系统等各类通信手段也随着用户市场需求而兴起；第五阶段是90年代中至今，随着通信业务及多媒体技术的发展，适应移动数据、移动计算、移动多媒体控制需要的第三代移动通信技术开始发展，全球标准开始统一，开始由第二代移动通信技术向第三代平滑过渡，移动设备接入Internet的无线通信协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Bluetooth）已经产生[13]。
就目前来说，长距离无线通信技术的代表为GSM、GPRS、3G，短距离无线通信技术的代表为WLAN、蓝牙、RFID等。
未来无线通信技术将向着宽带化、分组化和个人化发展。
1.3主要研究内容及论文结构
远程控制LED显示设备，利用远程发布平台，可解决了连锁型商业网点宣传推广方面对于高效、统一的业务需求，可应用于金融、医药、校园、餐饮、社区、商超、企事业单位等行业。
主要研究的内容有：
（1）了解LED显示设备和无线数据传输原理；
（2）熟悉智能远程控制LED显示设备功能，选择并设计控制电路、显示电路和信号处理电路，绘制系统总体结构图，控制单元、显示电路和信号处理电路电气原理图。
（3）根据工作原理，绘制软件工作流程图，编写算法软件。
（4）制作实验室原型。
（5）详细分析和说明系统工作原理和工作过程，编写设计说明书
文章共分为五个章节，第一章为绪论部分，总体说明了本课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求，国内外对LED以及无线通信技术的研究现状及发展趋势，并给出文章的整体布局划分。
第二章为系统总体设计部分，详细分析了智能远程控制LED显示设备的总体需求，给出了系统整体方案，对各个模块的选型及原因做了简要说明，对各种无线数据传输方式进行简要介绍及对比，选择相应技术方案。
第三章为系统硬件设计部分，给出了系统各模块的硬件电路设计图，包括单片机最小系统、电源模块、LED显示模块、无线数据收发模块、串口模块。
第四章为系统软件设计部分，简单介绍了所使用的软件平台Keil、Proteus，给出了软件设计的思路及软件设计流程图，给出了相关的C程序。
第五章为总结部分，给出所制作的系统实物测试成果，总结研究工作进行的归纳和综合，以及进一步开展研究的见解与建议。
2系统总体设计
本章通过对课题具体要求加以分析，提出了系统设计总体结构框架，简要介绍比较了各种无线数据传输方式，根据系统需求选择了无线射频（RF）方式，对各个模块的功能及选型简要介绍。
2.1系统总体框架
智能远程控制LED显示设备设计任务基本可分为两步：
1.单片机如何正确接收由上位机远程发送的控制命令及显示代码。
2.单片机如何驱动LED点阵显示屏完成动态扫描显示，从而实现实时显示汉字的目的。
根据系统的功能需求，结合考虑各种因素，我们设计出了系统的总体框架。
系统总体框架图如图2-1：
图3-1系统总体框架图
由上图可以看出，系统大致分为上位机部分和单片机终端两部分。
上位机部分由上位机、串口转换模块、无线发射模块组成，单片机终端部分由单片机最小系统、电源模块、LED显示模块、无线数据接收模块组成。
上位机由用户输入控制指令及显示代码信息，用户可以选择要显示的信息、显示控制指令如滚动等，然后将其通过USB转TTL芯片发送给无线发射模块，无线发射模块将数据进行调制然后发送。
无线接收模块接收上位机远程发送的控制命令及显示代码，将其存入缓存，待全部数据接收完毕后，通过驱动程序将数据发送到显示模块，通过LED显示模块将数据显示出来，单片机由蓄电池供电。
各个模块相辅相成，构成整个系统。
2.2无线数据传输方式的选择
目前市场上现有的比较成熟的无线数据传输方式主要有RF无线（RadioFrequency）、GSM、GPRS、红外传输、蓝牙（Bluetooth）几种。
（1）RF无线
RF射频技术目前已经较为成熟，广泛应用在小区门禁、无线抄表、安防系统、数据传输等各种领域，市场上相关的RF模块也种类繁多。
RF模块的工作频率通常有315MHz、433MHz、2.4GHz几种，对应的数据传输速度也不同，约从9KB/s到1MB/s不等，数据传输距离通过增大发送功率和延长天线最远可以达到上百米。
（2）GSM
GSM是全球移动通信系统（GlobalSystemforMobilecommunications）的简称，是当前应用最为广泛的移动电话标准。
GSM一般通过手机发送含有控制指令的短信，通过移动网络进行远程数据传输，但是手机短信能够包含的信息数量有限，只能预先约定对应的控制指令，并由单片机从子库中调用点阵数据，无法显示复杂图形，虽然控制距离较远，但会产生流量费用。
（3）GPRS
GPRS是通用分组无线服务技术（GeneralPacketRadioService）的简称，GPRS可以看成是GSM的进阶版本，数据发送速度较GSM方式有了较大提升，理论上只要有移动网络覆盖的地方都可以进行无线数据传输，但是实际价值不大，仍然会产生流量费用。
（4）红外传输
红外传输是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的载体。
发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。
接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。
传输速度较快，但是距离很短，而且只能直线传输，不符合本设计的要求。
（5）蓝牙
蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。
蓝牙方式也如红外传输方式一样受到距离限制，而且传输速度一般，不适合在本设计中使用。
RF技术现今已较为成熟，无线数据传输速率与距离也可以满足设计要求，成本较低，较GSM及GPRS方案不会产生流量费用，综上所述，我们选用RF无线传输方式进行无线数据传输。
2.3主要模块基本功能及选型
将整个系统划分为以下模块，各个模块之间相互配合实现智能远程控制LED显示设备的功能。
（1）单片机模块
单片机模块是整个下位机系统的大脑部分，他接收来自无线接收模块的数据，将其解析处理后送入缓存并发送给LED显示。
本设计中选用STC公司的STC89C52RC系列芯片，它是采用了8051内核的在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，拥有40个引脚，片上集成512字节RAM数据存储空间，6K字节FLASH程序存储空间，2K字节E2PROM存储空间，数据可反复擦写100000次以上。
此外他还有8个中断源，4个优先级，3个定时器，完全可以满足本设计的需求。
（2）无线收发模块
本设计中选用WSN-1101无线数传模块，是一款高稳定性、高性价比、低功耗的无线微功率透明数据收发模块。
该模块相对一般模块具有尺寸小、灵敏度高、传输距离远、通讯速率高、内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。
模块利用了多频段、多信道来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。
用户可以通过PC串口、单片机串口以及远程无线配置方式，设置串行速率、工作信道、发射功率等参数。
（3）LED显示模块
本设计采用四块型号为LDM-1088BS的8×8红色共阳LED点阵组成16×16大小的点阵屏幕，驱动部分采用两块74HC595移位寄存器芯片负责行输出数据，两块74HC164移位寄存器芯片负责列扫描数据，列扫描采用三极管放大驱动电流，提高LED显示屏的亮度。
（4）串口模块
串口模块主芯片采用CP2102，CP2102其集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件，安装驱动后即可生成虚拟串口，通过USB取电，引出接口有3.3V、5V、RX、TX、GND五种，可以方便的将USB接口扩展为RS232串口以连接无线发射模块。
（5）电源模块
电源模块采用7V蓄电池供电，采用低压差三端稳压器LM2940T，可以将7V输入电压转化为5V电压输出，输出电流1A，内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。
并在电源模块中加入了一个六角拨动开关控制电路的通断。
3硬件设计
3.1单片机最小系统
单片机选择STC公司的89C52RC系列单片机，它是STC公司推出的新一代单片机，完全兼容8051单片机的程序指令，具有超强抗干扰、高速、低功耗等优点，其主要性能参数如下：
（1）适应3.4V-5.5V工作电压；
（2）工作频率范围为0-40MHz，相当于8051单片机的0-80MHz，最高可达80MHz；
（3）拥有512字节RAM数据存储空间，6K字节FLASH程序存储空间，2K字节E2PROM电可擦除只读存储器；
（4）具有40个引脚，32个通用I/O口；
（5）具有ISP功能，无需专用编程下载器，通过串口（P3.0，P3.1）即可下载程序至单片机；
（6）具有8个中断源，4个优先级，3个定时器；
（7）具有看门狗定时器功能；
（8）支持通用异步串行口（UART），还可通过定时器软件实现多个UART。
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，基于8051系列单片机的最小系统应该包括单片机、复位电路、晶振电路，如图3-1：
图3-1单片机最小系统
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，可以按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
8051系列单片机在当RST引脚上的高电平持续两个机器周期以上即可复位，所以VCC上电时，电容C3充电，在电阻R1上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，电阻R1上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下按钮，C3放电。
按钮松开，C3又充电，在电阻R1上出现电压，使得单片机复位。
几个毫秒后，单片机进入工作状态。
晶振全称晶体振荡器，在单片机工作中晶振电路起到了非常重要的作用。
它结合了单片机的内部电路，为单片机工作提供了最基本的时钟信号。
晶振选择11.0592MHz，用于得到精确的9600及19200波特率。
在实际焊接最小系统的过程中，VCC口额外添加了一个LED电源指示灯，只要联通电源指示灯就会亮起，电源按钮用来控制最小系统的通/断电。
3.2无线收发模块
无线收发模块选择WSN-1101无线透传模块，WSN-1101无线透传模块是一款高稳定性、高性价比、低功耗的无线微功率透明数据收发模块。
该模块相对一般模块具有尺寸小、灵敏度高、传输距离远、通讯速率高、内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。
模块利用了多频段、多信道来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。
模块具体功能参数如下：
①工作频段：
433MHz；
②GFSK调制方式，半双工通讯，空中收/发转换、连接、控制自动完成；
③接收灵敏度高达-116dBm，传输距离100-200米；
④接收工作电流<10mA，休眠电流<20uA；
⑤通讯协议转换及射频收发切换自动完成，简单易用；
⑥串口速率1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200，可通过软件配置；
⑦宽电压范围工作：
3V-5.5V；
⑧用户可以通过PC串口、单片机串口以及远程无线配置方式，设置串行速率、工作信道、发射功率等参数。
模块具体外观如图3-2：
图3-2WSN-1101模块外观
透明传输就是在传输过程中，对外界透明，就是说你看不见他是传送网络，不管传输的业务如何，只要负责将需要传送的业务传送到目的节点，同时保证传输的质量即可，而不对传输的业务进行处理，简单的来说就是发送什么接收的就是什么，这样就省去了普通无线收发模块之间的收发协议的编写。
不使用无线透传模块时，左边设备向右边设备发送数据是通过TXD端口串口发送，右边设备的RXD端口接收发送的串口数据，反之亦然，如图3-3：
图3-3设备数据发送原理图
而使用了无线透传模块后，左边的设备向模块发送串口数据，左边模块的RXD端口收到串口数据后，自动将数据以无线电波的方式发送到空中，右边的模块能自动感应并接收数据，从TXD端口还原发送最初左边设备所发的串口数据至接收端的RXD端口，反之亦然，原理图如图3-4：
图3-4无线透传模块数据发送原理图
无线透传模块拥有5个管脚，各管脚定义如下表：
表3-1管脚定义表
管脚
名称
方向
说明
1
VCC
-
模块供电
2
GND
-
模块接地
3
TXD
OUTPUT
模块发送
4
RXD
INPUT
模块接收
5
SET
INPUT
模块配置
具体连接方式为，电脑上位机通过USB转TTL串口模块引出5V、GND、TXD、RXD四条引线并连接到无线透传模块作为发送模块的对应管脚，而无线透传模块作为接收模块的一端由单片机引出5V、GND、TXD、RXD四条引线并连接到对应管脚，即可完成连接。
3.3LED显示模块
3.3.1LED发光原理
罗瑟夫（O.W.Lossew）在1923年就发现了半导体中偶然形成的P-N结光发射现象，其发光机理是，当在P-N结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子-空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。
我们最常用的LED是INGaAsP/INP双异质结边发光二极管。
制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，在热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多迁移率较低的空穴，由于P-N结阻挡层的限制，常态下两者不能发生复合。
而当给P-N结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过P-N结的势垒进入到P区另一侧，于是在P-N结稍偏于P区一边的地方处于高能态德尔电子与空穴相遇时，便产生发光复合，光的波长则取决于材料的禁带宽度Eg。
由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的LED可以发出不同波长的光。
3.3.28×8LED模块显示原理
8×8LED模块由8行8列共64个LED组成，用以显示各种文字或图形，8×8LED模块外观数据如图3-5所示：
图3-58×8LED模块外观数据
它的工作原理如图3-6，模块内部分别将各行LED的正极串联，将各列LED的负极串联，当第x行接通电源正极，第y列接通电源负极，当正向电压大于LED死区电压时，电流导通，对应的第x行第y列LED灯点亮。
8×8LED模块的两排引脚一排是阳极引脚，分别对应模块从上到下的8行，另一排为阴极引脚，分别对应从左到右的8列，在对应引脚上给电即可使对应行列的LED灯点亮。
图3-68×8LED模块内部电路
而本设计所使用的16×16LED模块是由4块8×8模块组成的，同8×8模块一
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