基于单片机控制的无线电子广告牌的设计.docx
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基于单片机控制的无线电子广告牌的设计
编号：
审定成绩：
##邮电大学
毕业设计〔论文〕
设计〔论文〕题目：
基于单片机控制的无线电子广告牌的设计
学院名称：
学生##：
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指导教师：
辩论组负责人：
填表时间：
年月
##邮电大学教务处制
摘要
LED电子广告牌是一种面向公众的信息显示终端，有着非常广泛的民用和商用价值，已经被广泛用于体育场、公交汽车、车站、高速公路、银行、学校、商店等公共场所信息的发布和广告宣传。
随着电子产品快速的开展，单片机以其控制功能强、集成度高、低功耗、低电压、可靠性强等特点，被广泛运用和渗透到我们生活的各个领域。
本论文就根据目前电子广告牌的开展现状，介绍了一款以STC89C52单片机为核心的无线电子广告牌的系统设计。
本次设计的电子广告牌主要为以单片机为控制核心，以无线方式通过串口对数据进展发收，LED点阵屏为终端显示器的无线电子广告牌。
本文介绍了无线电子广告牌制作过程中的系统设计方案、芯片选择、电路设计原理和软件设计原理，以与后期的调试过程。
目前市场上面已经有了很多种类的电子广告牌，各有各的优缺点。
本次设计的广告牌最大的优点便是以无线的方式实现单片机与PC机的通信。
打破了传统的有线传输方式，大大的增加了电子广告牌使用的便易程度，提高了产品的市场竞争能力。
【关键词】单片机LED行驱动列驱动
ABSTRACT
Wirelesselectronicbillboards,withitssimpleoperation,functionaldiversity,thecharacteristicsoflowcost,hasbeenwidelyusedinstadium,buses,railwaystations,highways,Banks,schools,shopsandotherpublicinformationpublishingandadvertising.Single-chipmicroputerasitscontrolfunctionisstrong,highintegration,lowpowerconsumption,lowvoltage,reliabilityandothercharacteristics,widelyusedandpenetratedintoallareasofourlives.Thisthesisisbasedonthepresentsituationofelectronicbillboards,introducesaSTC89C52MCUasthecoreofwirelesselectronicbillboardsystemdesign.
Abovethemarketatpresenttherehavebeenmanykindsofelectronicbillboard,thedesignoftheelectronicbillboardsaremainlybasedonsinglechipmicroputerascontrolcore,wirelesswaytosenddata,LEDdotmatrixscreendisplayinformationofwirelesselectronicbillboard,Wirelesselectronicbillboardmanufactureprocesswereintroducedinthispaperthesystemdesign,chipselection,circuitprincipleandsoftwaredesignprinciple.
Withthedevelopmentofthesociety,ordinaryelectronicbillboardhasbeendifficulttomeetpeoplenowuserequirements.Thesignificanceofthisdesignmainlyistobreakthetraditionalwayofcabletransmission,totransmitdatainwirelesswaygreatlyincreasestheelectronicbillboarduseoftheeasydegree,improvetheproductmarketpetitionability.
【Keywords】MCUMicroControllerLinedriveColumndriverLED
前言
LED点阵显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示幕。
它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以与对室内外环境适应能力强等优点。
LED显示屏经历了从单色，双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的开展过程，自20世纪八十年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。
电子广告牌是一种比拟常见的信息显示终端，具有非常广泛的商用和民用价值。
但是现在很多的LED电子广告牌都是事先将需要显示的信息固化在系统中，这样便失去了信息的实时性，如果需要更换显示内容就会十分麻烦；还有局部LED电子广告牌为了方便更换显示信息采用与微机直接相连的方法，用微机来传送需要改变的信息，这种系统解决了信息更新问题，但由于有线连接，一定程度上制约了系统放置的随意性。
本文提出了通过UTC1212无线数传模块实现单片机与PC机通信的新方案，去掉了有线连接的制约条件。
实现了对广告牌内容与显示方式的灵活改变，提高了操作的变易程度。
本次设计主要分为三个模块：
单片机控制模块，输出显示模块和无线模块。
单片机控制模块以单片机为核心，以Kiel为程序编写软件，显示模块主要为16*16LED点阵通过行驱动和列驱动控制显示信息。
无线模块主要为UTC1212的发送机的调制和接收机的解调实现信息的无线传输。
第一章LED电子广告牌的概述
第一节LED电子广告牌的历史
2011年全球著名市场研究公司权威尼尔森公司把户外LED显示屏称为继电脑、电视、手机之后的“第四屏〞。
LED电子广告牌作为一种新兴的电子文字动态图点阵显示屏，是处于大众之中可以连续自动发布广告信息的媒体，是在消费最前沿的吸引着万千眼球的广告神器。
无论是个体经商户，还是大品牌的厂商都在利用LED电子显示屏来吸引顾客、推广产品、扩大品脾和装饰环境,从而给商家带来更巨大的财富。
第二节LED电子广告牌的主要特点
LED显示屏具有耗电量少、寿命长、亮度高、工作性能稳定等优点。
在很多领域都得到了比拟广泛的运用：
比如在机场、码头、广场、银行等公共场所都使用LED显示屏来发布信息[1]。
现在LED显示屏的品种越来越多,从使用场所和亮度考虑可将LED屏分为室内屏和室外屏。
从扫描的方式可分为静态扫描显示屏和动态扫描显示屏。
LED显示器是单片机应用产品中一种比拟常用的物美价廉的输出设备。
其主要优点在于可以降低本钱，提高稳定性性和容易实现。
简易的LED电子广告板设计主要是通过利用单片机控制系统来实现显示汉字，汉字的左右动和上下移动的功能。
在我国改革开放以后，随着国民经济的不断增长，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需求。
从而使得LED显示技术得到了快速开展，LED显示屏幕可以用来显示变化的文字、数字、图像信息，不仅可以用于室内环境，也可以用于室外环境，具有液晶显示屏、电视墙、投影仪无法比拟的长处。
同时LED灯与传统日光灯比拟有如下优点：
1.环保、无污染。
普通的日光灯中通常含有大量的水银蒸汽。
如果弄破的话水银蒸汽便会挥发到大气之中污染环境。
LED灯不含水银，而且不含铅汞等物质，对环境的污染小。
LED灯是公认为的二十一世纪的绿色照明灯。
2.高效转换、减少发热。
普通灯具在发光过程中会产生大量热量，而LED灯具那么是把电能全部转化为光能，不会造成能源的浪费。
并且不会使文件、衣物等褪色现象。
3.清静舒适、没有噪音。
LED灯具工作时不会发出噪音，在使用精细仪器的场所视为上上之选。
也适用于图书馆、办公室之类的比拟安静的场所。
4.光线柔和、不伤眼睛。
普通的日光灯是直接使用交流电，所以每秒钟会产生100-120次的闪烁，对眼睛有一定的伤害。
LED灯具是把交流电直接转换为直流电，不会产生频闪现象。
5.无紫外线、不吸引蚊虫。
LED灯具工作时不会发出紫外线，因此不会像普通灯具那样引来许多蚊虫围绕在灯源旁边。
室内会变得更加干净整洁。
6.可调电压。
普通的日光灯通常需要利用镇流器释放的高电压来点亮的，当电压不足时那么无法点亮。
而LED灯具能够在一定X围的电压之内工作，还能调整亮度。
7.节省能源、寿命更长。
在一样的发光程度下，LED灯的耗电量不到普通灯的三分之一，寿命也是普通灯具的10倍左右，可以长时间使用而无需更换，减少人工与其他费用，更为适合使用于较难更换的场所。
8.巩固牢靠、长久使用。
LED灯的体自身使用的是环氧树脂而非普通的玻璃，更为巩固牢靠，即便掉到地板上也不会轻易被摔坏，可以放心使用，这样更便于运输。
LED点阵电子显示屏是集计算机技术、微电子技术、信息处理技术于一体的大型综合显示屏系统。
本系统采用的是16*32LED点阵图文显示屏。
①显示文字和各种常见字符信息，可较为广泛的应用于各种场所。
具有安装方便、结构简单、图案清析、字型美观等特点。
采用高性能单片机控制达到性能稳定，可靠性高的特点，有掉电保护功能，同时可以完全脱机运行。
②较大的屏幕显示系统一般都是由多个小的LED点阵模块搭建组合而成的，每一个小模块都拥有自己独立的控制系统，组合在一起后只要引入一个总控制器控制各模块的命令和数据即可。
这种方法既简单又具有易展、易维LED电子广告牌应用。
第三节LED电子广告牌使用现状
“激情盛会，和谐亚洲〞，于2010年11月12日至27日在中国##举办的第16届亚洲运动会开幕。
在##海心沙岛亚运会开闭幕式的主场，坐落着四艘气势磅礴的“亚运之舟〞，分别利用上下两块大型LED风帆组成一艘船，共用八块风帆并列组成了开闭幕式的舞台背景。
每块LED风帆屏宽达30米，安装高度达86米，显示面积达8000于平米，是当今世界显示面积最大的LED显示屏。
当今LED显示屏有PH10、PH12、PH16、PH20、PH25、PH31.5，可以播放多种视频，还可显示图文信息，影像画面清晰，可显示各种计算机信息、图画、图形以与二、三维动画等，并具有同步显示功能。
可应用于大型广场、税务、金融、工商、体育、邮电、厂矿企业、户外广告、大型体育场馆、教育系统、交通运输、机场、码头、车站、医院、商场百货大楼、宾馆大厦、银行、演唱会现场、建筑市场、证券市场、拍卖行、酒店会议室、工业企业管理和其它公共场所。
第四节LED电子广告牌的开展趋势
随着社会的开展，广告牌跟着经历了雕刻、印刷、电子等形式的开展。
广告牌在如今的生活中已是随处可见，可以说广告牌具有很广阔的市场前景。
其中LED显示屏是一个新起的显示技术，由于LED的本身特征决定了它可以作为最理想的光源去替代传统的光源，同时它有着广泛的用途。
LED灯是被封装在环氧树脂里面的一块很小的芯片[2]。
所以它非常小非常轻；LED耗电量非常低，一般来说LED的工作电流是0.02-0.03A，工作电压是2-3.6V，这就说明它没小时消耗的电量不超过0.1W；使用寿命长，在额定的工作电流和电压下，LED灯的使用寿命可长达10万小时；高亮度、低热量、环保，LED灯是由无毒材料做成，不像荧光灯那样含水银会造成环境污染，而且LED灯还可以回收再利用；巩固耐用，LED灯是被完全封装在环氧树脂里面的，它比荧光灯管和灯泡都要巩固，灯体内也不会有松动局部，这使得LED灯不易损坏[3]。
这些特点使得LED显示屏受到市场的青睐。
但是目前由于LED显示屏造价比拟昂贵，主要用于比拟高档的场所，主要集中在城市的繁华场所，作为多媒体广告的一局部。
单双色LED显示屏主要应用于交通,高速公路,银行、证券交易等金融场所。
以后随着人们生活水平的提高，户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。
第五节本设计的意义
目前LED屏已经得到了比拟广泛的应用，但由于它的造价比拟高昂，主要还是用于比拟高昂的场所。
本次设计主要运用单片机集成度高，价格低廉的特点，采用以SCT89C52单片机为核心的电子广告牌设计，降低其造价。
同时，现在很多LED显示屏的能容为一开始就固化在单片机里面的，使得在需要改变其显示内容的时候变得很麻烦。
而有一局部的LED显示屏通过与电脑连接，可以比拟方便的改变其显示内容，可是连接线路制约了设备的使用环境和摆放形式。
为了方便更换显示内容和设备摆放，本设计采用UTC1212无线数传模块作为发射机和接收机，建立PC机与单片机通信，简化了电子广告牌的操作难度和设备安装难度，提高了其市场竞争力。
第六节本章小结
本章主要对LED电子广告牌的历史背景和开展趋势做出了简要的介绍，讲解了LED点阵的优缺点，以与通过对LED点阵优点的讲诉说明了LED将成为主流电子广告牌显示器的必然趋势。
本章还简单提与了本次设计的意义。
第二章系统整体设计思路
第一节系统方案
基于单片机控制的无线电子广告牌设计，首先要考虑到电子广告牌的根本功能，与通过LED点阵显示屏显示使用者所希望显示的广告内容。
基于单片机的电子广告牌，显示功能有多种。
比如只显示固定内容，这样的电子广告牌设计简单，只需要单片机与LED点阵显示模块即可，将需要显示的内容固话在单片机之中，通过一定的程序和电路控制，便可以实现显示功能。
这样的电子广告牌在使用时如果需要改变显示内容便会变得十分麻烦；另外就是通过有线连接，将单片机连接到PC机上，通过一定的软甲设计，实现PC机对单片机的控制。
这样便可以实现人工实时控制改变LED屏的显示内容了。
但是这样的广告牌由于有线连接线路制约了设备摆放的随意性。
为了解决以上电子广告牌的缺点，本次设计的基于单片机控制的无线电子广告牌，本系统采用了无线模式建立单片机和PC机之间的联系，可以实现PC机对单片机的实时控制，使用者可以随时通过PC机发送显示内容给单片机，通过单片机的处理与时改变LED屏显示内容。
达到了可实时更改LED屏显示内容的目的。
同时它利用无线的模式实现PC机对单片机进展控制，去掉了PC机与单片机之间有线连接的制约性，极大的提高了其设施摆放的随意性。
其工作流程如图2.1所示。
图2.1系统流程图
通过USB接口将无线模块的发射机连接到PC机上面，将接收机连接到单片机的串口上面；在PC机里面利用上位机发送程序里面输入需要发送的信息，通过上位机发送程序解码将输入的信息解码为一个八位数据；发射机将PC机传来的八位数据通过无线串口通信协议发送给接收机；接收机在接收到数据解调过后通过串口发送给单片机；单片机接收到信息过后通过内部程序处理，单片机的相应I/O口输出对应的输出信息；到达控制LED屏显示PC机里输入的信息，实现无线电子广告牌根本功能。
第二节方案选择
了解本次设计的具体要求，进展了对基于单片机的无线电子广告牌的初步设计。
一个完整无线电子广告牌需要一台上位机PC机，一个用于数据发送的无线模块，一个用于处理信息和控制显示屏的最小系统，一个用于显示信息的显示模块。
根据设计要求可以通过多种方案实现系统的功能。
但是为了设计出最合理的作品，不能随意选材，每一个模块的器件选择上面都需要非常认真的考虑。
在对各种材料的个方面优缺点进展比照之后才能作出正确的选择。
下面介绍一下对于每个模块，每个器件的选择原那么。
一、最小系的统设计
设计一个基于单片机控制的无线电子广告牌，需要设计一个合理的最小系统作为其控制核心，而最小系统的设计需要选择一片合理的单片机和设计一个合理的电源电路。
1、最小系统电源设计
最小系统需要给单片机供电，需要设计一个适合给单片机供电的电源电路。
单片机工作电源为5V。
对应电源电路的设计作出了两种方案：
方案一：
采用电脑USB接口直接供电，这样电路设计简单，只需要一个插槽，将正负极分别接到单片机的VCC和GND上面就可以了。
为了方便观察是否通电，还可以加一个指示灯电路。
由于是USB供电，提供电流小，虽然满足单片机工作条例，但是LED点阵工作需要较大的电流，可能会达不到稳定工作条件。
需要另行设计LED点阵电源，电路设计复杂。
方案二：
采用稳压芯片提供稳定5V电源。
在选取稳压芯片时考虑到78/79系列产品。
78系列为正电压输出，79系列为负电压输出，7805稳压芯片主要用于7.2-15V电压稳定到5V的情况，同时可以提供1.5A的稳定输出电流，满足单片机工作条件。
但是在使用是如果电源电压过高，稳压管会出现发热的现象，需要较大的散热片，如果电压过高，稳压管会被烧坏。
所以电源选择居中的9V电源。
综合考虑，为了单片稳定工作，本设计选用方案二。
7805是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压为5V。
2、单片机的选择
本设计是以单片机为控制核心的无线电子广告牌，目前市场上单片机的种类繁多，各有有各的优点和适用场所，所以想要选择最适合本设计的单片机需要比拟全面的考虑和比照。
本人通过单片机的学习了解，作出三种方案：
方案一：
使用51系列单片机。
51系列是应用最广泛的单片机，因为其产品硬件结构合理，指令系统规X。
51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称为位处理器，它的处理对象不是字或字节而是位[4]。
它不光能对片内某些特殊功能存放器的某位进展处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进展位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进展位逻辑运算的实属少见。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。
51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，但高电平时无输出能力，可谓有利有弊。
故其他系列的单片机（如PIC系列、AVR系列等）对I/O口进展了改良，增加了方向存放器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。
方案二：
使用PIC单片机。
PIC单片机CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令（视单片机的级别而定），属精简指令集。
采用Haryard双总线结构，运行速度快（指令周期约160～200nS），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两局部工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外），这也是高效率运行的原因之一。
此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点[5]。
该系列单片机的专用存放器）并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内（80～FFH），而是分散在四个地址区间内，即存储体0（Bank0：
00-7FH）、存储体1（Bankl：
80-FFH）、存储体2（Bank2：
100-17FH）、存储体3（Bank3：
180-1FFH）。
只有5个专用存放器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4个存储体内同时出现。
在编程过程中，少不了要与专用存放器打交道，得反复地选择对应的存储体，也即对状态存放器STATUS的第6位（RPl）和第5位（RPO）置位或清零。
这多少给编程带来了一些麻烦。
方案三：
使用AVR单片机。
AVR单片机其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。
它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。
AVR单片机指令以字为单位，且大局部指令都为单周期指令。
而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。
AVR的专用存放器集中在＄00～＄3F地址区间，无需像PIC那样得先进展选存储体的过程，使用起来比PIC方便。
AVR的片内RAM的地址区间为＄0060～＄00DF（AT90S23131）和＄0060～＄025F（AT90S85l5、AT90S8535），它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用存放器的功能。
当程序复杂时，通用存放器R0一R31就显得不够用；而51系列的通用存放器多达128个（为AVR的4倍），编程时就不会有这种感觉。
与AVR、PIC相比51单片机的应用最为广泛，由于产品硬件结构比拟合理，指令系统相对规X，加上历史悠久，有先入为主的先天优势。
世界许多芯片公司都购置了51芯片的核心专利技术，并且在其原有根底上进展了性能上的优化和扩大，使51芯片得到了进一步完善，从而形成了一个庞大的体系，一直到现在仍在不断地翻新。
51单片机比其它单片机更适合初学者操作，故本设计选用方案一，采用AT89C52单片机为主控芯片。
二、显示模块的设计
1、显示屏的选择
基于单片机控制的电子广告牌的设计需要设计一块显示终端，用于显示广告内容。
而现在市场上比拟常见的显示器主要有LCD液晶显示器和LED点阵显示器。
根据设计的要求初步提出了设计显示屏的两种方案：
方案一：
本设计主要是为了实现显示汉字和局部图像功能，可以采用LCD液晶显示屏。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由假设干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。
1602LCD是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块〔显示字符和数字〕。
市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全一样的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大局部的字符型液晶[6]。
使用液晶显示屏电路简单，易于实现显示功能，但是不够醒目。
作为广告牌使用不是最正确选择。
方案二：
采用LED点阵显示屏。
由于每一个汉字都可以通过16*16点阵显示出来，并且16*16LED点阵可以显示局部图像信息LED点阵亮度充足而且均匀，图像清晰稳定无串扰，显示效果非常理想，16*16点阵模块既可以显示静态的图文信息，也可以通过编程让图文运动起来，方式灵活多样，作为广告牌效果十清楚显[7]。
但是使用LED显示屏时，电路设计较为复杂，程序编写也比拟麻烦。
比照LED与LCD之间，LED点阵明显有比拟好的显示效果，以与其低功耗和丰富的显示效果，能够更好的达到本设计的要求。
本设计选用了方案二。
2、驱动电路的设计
16*16LED点阵显示系统由4片8*8LED点阵组成，从理论上来说，不管是显示图像还是文字，只要控制组成这些图形或文字的各个点所在位置对应的LED灯发光，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。
16*16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16*16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是16*16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本钱将是一个很庞大的数字。
因此在本次设计中的显示屏都不采用这种设计，而采用另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16行）的同名列共用一套列驱动器。
具体就16*16的点阵来说，把所有同l行
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