LED广告牌显示系统设计方法.docx

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LED广告牌显示系统设计方法

LED显示系统研究

摘要

进入21世纪，LED显示成为显示屏主要发展趋势，越来越多的应用到各行各业，各种广告传媒都采用LED显示。

随着LED显示技术的进一步提升，LED显示将带来巨大的社会效益和丰富的经济效益。

本文研究了用单片机控制单色显示屏的方法，并对LED显示单元模块如何进行信号扫描、列信号控制及驱动问题进行了分析。

本文设计的显示模块包含100*80的LED点阵显示屏、一个单片机控制系统和行列扫描及驱动电路。

在此基础上，采用分布式连接，通过多个单片机将多个显示模块拼接，可以实现一个大尺寸LED广告显示牌。

论文给出了显示系统的结构框图和电气原理图，并给出了控制软件流程图。

关键词：

LED；单片机；显示屏；驱动；扫描

Abstract

ResearchonLEDDisplaySystem

LEDdisplaytakesthemainroleinthelargescreenfieldswhenentering21stcentury.Moreandmoreapplicationsvariouscanbefoundineverywalkoflife.WiththeLEDdisplaytechnologyimprovement,itwillbringhugesocialefficiencyandricheconomicefficiency.

Singlechipmicroprocessorcontrolledmonochromaticdisplaymethodisstudiedinthisarticle.Andhowtorealizerowsignalscanning,columncontrolanddrivingmethodsinadisplaymoduleisanalyzed.Adisplaymodulewiththe100*80LEDsisdesignedwhichincludesaSinglechipmicroprocessorcontrolsystemandarowsignalscanninganddrivingcircuit.Basedonthis,adistributedmicroprocessorsystemisbuilttomakeseveraldisplaymodulesformalargesizeLEDscreen.Displaycontrolsystemstructurediagramanditselectricprinciplediagramareshown.Thedisplaysystemsoftwareisgivenalso.

KeyWords:

LED；Singlechipmicroprocessor；Display；Driver；Scanning

1绪论

1.1前言

社会日新月异的发展，人们的消费标准不断改变，户外灯箱、广告等更是扮演着越来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股市交易市场，娱乐门牌，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，但随着计算机技术的高速发展，LED（LightEmittingDiode）屏幕显示系统作为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”正快速步入社会生活的各个方面[1]。

它集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体，可以将信息通过文字、图案、动画及视频四种形式显示出来。

由于单片机技术的不断发展，高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子广告屏成为可能，与传统的霓虹灯广告无论在显示效果、可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。

另外，SMT技术的飞速发展，开关电源的大规模使用，使其无论在体积上还是在可靠性上都比传统的霓虹灯广告有明显的优势，为其在特殊领域的应用奠定了基础。

与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：

（1）LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。

（2）LED显示屏是集光电技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字及计算机屏幕同步的图形。

它具有超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。

（3）LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益[1]。

1.2国内外LED显示屏的研究现状

1923年，科学家罗塞夫在研究半导体SiC时，偶然发现了在含有杂质的PN结中有光发射出来，从而为发光二极管的发明奠定了基础，并且随着电子技术及半导体工艺不断发展最终研制出了LED[2]。

LED显示屏八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，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，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、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广泛的应用。

发光二极管（LED）是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等方面的性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。

进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。

LED显示屏发展经历了三个阶段：

1．1990年以前LED显示屏的成长形成时期。

一方面，受LED器件材料的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。

这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点4级调灰，产品的成本较高。

2．1990-1995年，这一阶段是LED显示屏迅速发展的时期。

进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。

蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高。

这一阶段，LED显示屏在我国发展非常迅速，从初期的几个企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。

LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。

3．1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高和产业格局调整完善的时期。

1995年以来，LED显示屏产业内部竞争加剧，形成了许多中小企业，产品价格大幅回落，应用领域更为广阔，产品在质量、标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对LED显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化。

国内LED显示屏发展现状由于半导体发光器件的出现和技术性能方面的不断提高，使得LED显示屏已经占了主导地位，因为LED的光电特性、亮度、色度、功耗及全天候特性都优于其他的光子器件，所以说LED显示技术及产品在未来的相当长时间内将具有很大的市场发展空我国的LED显示屏产业经过这十几年来的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干业。

LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水90年代初期即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进技术平。

近年来在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无线控制、多级群技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。

LED显示屏专用的大规控制集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。

LED显示屏产业正成为我国电子息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足于国内形成的民族高科技产业[8]。

1.3LED显示屏的发展趋势

现代信息社会，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品，显示技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

具体体现在三个方面。

1．高亮度、全彩化

蓝色及绿色超高亮度LED产品出现以来，成本逐年快速降低，使LED全彩色显示屏产品成本下降，推广速度加快。

同时，随着控制技术的发展和LED显示屏体稳定性的提高，全彩色LED显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，而且图像更清晰、更细腻、更亮丽。

2．标准化、规范化

材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个趋势。

近几年业内的发展中，几番价格回落调整达到基本均衡后，产品质量、系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。

行业规范和标准体系的形成，IS09000系列标准的应用，使LED显示屏行业的发展趋于有序。

3．产品结构多样化

随着信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。

预计大型或超大型LED显示屏为主流产品的局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高。

1.4本课题主要研究内容

本课题主要是设计一个大型LED广告牌，其显示屏的点阵数为100*80，整个显示屏采用分布式结构，分成50个显示模块，每个显示模块都可在单片机控制下独立工作。

本文研究了用单片机控制单色显示屏的方法，并对LED显示单元模块如何进行列信号扫描、行列信号控制及驱动问题进行了分析。

用100*80LED点阵连接形成一个显示模块，设计了显示模块的硬件电路，包括一个单片机控制系统和一个行列扫描驱动电路。

在此基础上，采用分布式连接，将多个显示模块拼接实现了一个大尺寸LED广告显示牌，并用程序实现了显示功能。

2LED广告牌显示系统原理与设计

2.1系统原理

P2口

列扫描驱动

单

片

机

2.1.1总体框架

电源

PC机

LED

显示屏

行扫描驱动

P1口

图2.1点阵显示的总体框图说明

LED点阵总体框图如图2.1所示，大体上可以分成PC机、单片机、电源、行列扫描驱动、显示屏五部分。

主要控制电路部分包括一个89C51单片机和一些外围电路。

在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机，它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。

2.1.2扫描

图2.2单个10*8显示模块

本设计采用动态扫描，意思简单地说就是逐行轮流点亮，如图2.2所示，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如10行）的同名列共用一套列驱动器。

具体就一个10*8的点阵来说，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，再去驱动这一列LED（共阳接法），每一列先送出对应第1行发光管对应的数据并锁存，再选通第1行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，再选通第2行使其点亮相同的时间，然后熄灭……第10行之后，又重新点亮第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，就能看到显示屏上稳定的图形了。

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。

显示数据通常存储在单片机的程序存储器中，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行方式或串行方式。

采用并行方式时，100*50的LED点阵有8列10*8的点阵，需要5个8*10共400个列数据输入口，而一个89C51只有32个I/O接口，还要同时驱动行数据，根本不够用；并且从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多，由此可以得出，当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。

采用串行传输的方法，控制电路可以只用2根线：

数据线、时钟线。

将行数据一位一位传往行驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。

但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给行驱动器，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传输和列数据显示两个部分。

对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。

2.2系统设计

PNP

2.2.1驱动电路的设计

T2

T1

图2.3扫描驱动简易原理图

显示屏扫描驱动电路原理见图2.3所示，显然，在脉冲周期的T1期间，LED处于发光状态，而在脉冲周期T2期间，LED处于熄灭状态。

由于LED发光管没有余晖效应，则当扫描周期T（T1+T2）较大时，也即亮度重复的不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁；而当重复频率较高，即T较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的LED就为连续稳定的发光。

理论与实践证明，当T<20ms，即重复频率>50ms时，在常规的背景亮度下，LED的显示就不会有闪烁感。

如图3.4所示，用74194作为列数据锁存器，其工作原理为：

利用串行时钟CLK信号，将第一行要显示的数据逐位移入74194中，当全行数据全部移到位后，产生的数据所存信号STR将数据由74194的后台移入前台锁存，同时利用STR信号进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行PNP管饱和导通，即第一行的LED正端全部接为高电平，由于在74194中锁存的数据将使对应的列驱动三极管8050导通或截止，所以第一行LED的亮暗将由所移入的数据确定，在第一行有效的时期内，移位时钟移入第二行有效信号，显示第二行数据一一如此重复，当移位时钟足高使整平刷新速率>50HZ时，就显示一副稳定完整的画面。

2.2.2电源驱动设计

图2.4电源驱动电路图

如图所示，采用的电源如图2.4所示，此部分主要有变压器、桥式整流、LM2940三部分组成。

本显示屏所用的二极管个数为80000个，经计算电流为1A左右，电压为5V，所以选择6V变压器；要是显示屏持续显示，那就需要直流提供，所以选择桥式整流，作用就是把变压器之后的交流电压变为直流电压；LM294作用为稳压，因为LM2940在电容C1和C2取如图值时电流时非常稳定，正好电流也为1A，所以选择次稳压芯片。

2.2.2显示模块

图2.5单个显示模块内部结构图

如图2.5所示，为一个模块的内部结构图，10*8的点阵，为了是每个二极管正常发光，采用PNP三极管，当同时有效是二极管导通。

每行和列的基极分别为一组，分别由单个三极管控制驱动，十行由十个三极管驱动组成行驱动。

八列由八个三极管驱动组成列驱动。

本设计的屏幕大小为1米*0.4米,由50个这样的模块组成。

如图3.3所示，串行方式可同时显示10×8点阵汉字。

显示屏每个单元由50个100×80点阵LED显示模块、行信号选择译码器74HC138、数据移位寄存器74194和行驱动器、列驱动器组成。

单元显示屏可以接收控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。

并行方式显示可以通过锁存器芯片来扩展I/O口，达到控制LED点阵的40个列线的目的。

就一个模块运用20片锁存器74LS373来组成10组双缓冲寄存器，用3/8译码器74LS138对LED点阵的10行进行扫描。

在送每一行的数据到LED点阵前，先把数据分别送到第一级的10个74LS373，然后再给第二级的10个74LS373送锁脉冲，数据一起输出到LED点阵列中，这样就避免了各行数据显示不同步问题。

由于并行数据传输速度比串行快，所以字符闪烁的问题得到较好地解决，文字左右移动也比较容易控制。

3单个模块硬件设计

3.1硬件框图介绍

单

片

机

列扫描驱动

单个10*8的显示模块

行扫描驱动

图3.1硬件系统结构框图

LED点阵总体框图如图3.1所示，为单个显示模块框架图，控制电路部分包括一个89C51单片机和一些外围电路。

点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。

由于两部分的电路在制板时可以放到一起，所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通讯方式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。

此显示电路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。

由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源的一端接通）。

另一方而，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，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。

3.1.1单片机控制系统

图3.2单片机复位电路

如图3.2所示，这是一个单片机复位电路。

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机，是一种带4K字节闪烁可编程可搽除只读存储器的低电压，高性能CMOS8微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。

将多多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，ATMEL89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。

3.1.2行扫描电路设计

图3.3行驱动硬件电路图

如图3.3所示，为一个模块的行扫描，主要由三种芯片组成，74LS138译码器，74LS373为一级锁存器，373为二级锁存，总共为10行，所以需要两个74LS138译码器，这样的话一个显示模块就需要，两个74LS138译码器，20个74LS373锁存器和20和244锁存器。

因为本设计由50个显示模块组成，因此需要100个74LS138译码器，锁存器和缓冲器也分别需要1000个。

当信号变换一次经过非门扫描一次，达到逐行扫描的目的。

373的输出端O0~O7可直接与总线相连。

当三态允许控制端OE为低电平时，O0~O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。

当OE为高电平时，O0~O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。

当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。

当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。

当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。

引出端符号：

D0～D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端O0~O7输出端。

3.1.3列扫描硬件介绍

图3.4列扫描硬件电路图

如图3.4所示，列扫描为了使其达到重复扫描的目的，把10个74194芯片连接起来组成五组，使其重复的扫描，提高扫描效率。

移位寄存器工作原理为，当输入端SER为低电平时，输出端口（QA、QB、QC、QD）均为低电平；当工作方式控制端S1和S0均为高电平时，在时钟CLK上沿作用下，并行数据（QA、QB、QC、QD）被送入相应的输出端（A、B、C、D），此时串行数据SER被禁止。

当S0为高电平，S1为低电平时，在CLK上升沿作用下进行右移操作，数据由SER送入；当S0为低电平，S1为高电平时，CLK上升沿作用下进行操作右移，数据由SER送入；当S0和S1均为低电平时，CLK被禁止。

只有相当于CLK为高电平时S0和S1才可改变。

3.2系统主控电路

图3.5系统主控电路图

如图3.5所示，电源采用桥式整流电路提供稳压直流电源，电路主要将单片机发送来的输出点阵数据，通过锁存器芯片扩展的I/0口，来控制LED点阵的8个列线端。

用译码器74LS138对LED点阵的10行进行扫描。

列扫描由74194芯片构成，它具有移位寄存器功能和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。

显示屏驱动分别有PNP三极管进行行列驱动，总共18个三极管。

4分布式系统

为了实现多模块拼接，设计一个分布式控制系统。

图4.1系统总体分布式框图

如图4.4所示，系统采用一主多从的RS485总线连接方式，根据RS485总线的特点，2个120欧的电阻连接在总线两端，使用芯片MA485,驱动器最多可带128个单片机，因此可以满足本设计要求。

具体每个单片机执行过程如下，首先PC机先向单片机发送地址信息，PC机采用查询方式，下来单片机接受到PC发送的地址信息后马上执行串口通信中断服务程序，并由自己固定的地址比较。

若地址与自己设定的地址一致，则单片机发送一个应答信号，中断返回；再就是PC机接受到地址信息后，就开始发送数据，若没有接收到地址发送的正确应答信号，则继续发送地址。

单片机接收数据后，执行相应的命令。

最后单片机接收到PC发送的数据信息后，马上执行串口通信中断服务程序，如果单片机接收数据完毕就发送数据应答信号到PC机。

5软件设计

5.1主程序流程图

N

Y

5.2程序代码

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0030H

MAIN:

MOVDPTR,#TAB;字码表初址赋值

MOVR1,#00H;列控制码

MOVR4,#50;移动“”及“单片机仿真”5个字符，共50列

CM:

MOVR5,#5;每屏反复显示5次

MOVR3,#8;列数

C1:

MOVR2,#0;取码指针

C16:

MOVP0,#00H

MOVP2,#00H;关显示

CLRP3.0

MOVA,R2

MOVCA,@A+DPTR;取当前列显示字码的第一个字节

MOVP0,A;送1~5行控制口

INCR2

MOVA,R2

MOVCA,@A+DPTR;取当前列的显示字码的第二个字节

MOVP2,A;送6~10行控制口

INCR2

MOVP1,R1;送列控制码

INCR1

ACALLD1MS;显示2MS

ACALLD1MS

DJNZR3,C8;一屏8列是否显示完

MOVR3,#8

DJNZR5,C1;未显示5次，继续

INCDPTR;一屏反复显示5次完，字码表初值加2

INCDPTR

DJNZR4,CM;50列未移动完，继续

AJMPMAIN;50列移动完，返回，重新从“”开始显示

D1MS