LED屏实现文字显示.docx
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LED屏实现文字显示
目录
摘要iii
第1章概述1
1.1引言1
1.2LED显示屏的分类1
1.3LED显示屏的发展趋势1
1.4设计平台2
1.5设计思想2
第2章开发工具简介3
2.1单片机简介3
2.2AT89C52简介3
2.374154简介3
第3章总体设计实现5
3.1、时钟电路5
3.2、复位电路5
3.3系统硬件结构设计5
3.4显示模块硬件结构9
3.5LED器件的驱动10
第4章总结13
参考文献14
附录14
摘要
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，通过对单片机的编程可以实现滚屏、拉幕、霓虹灯效果等多种动画显示模式，动画速度可进行调节，文字和背景的颜色可以自由设定为无色、红色、绿色、黄色。
通过对PC机的软件编程，可以实现控制命令选择、发送命令、汉字录入、字体选择、字号更改、模拟演示、时间日期显示等功能。
本文主要从系统的硬件结构设计、软件设计、等方面介绍了点阵LED显示屏系统的设计与实现，说明了上述各方面的关键技术原理和实现方法，综合论述了该系统的性能及结构、系统研发过程、技术难点和创新点、以及目前存在的问题和改进意见。
关键词：
单片机；KeiluVision；Proteus；显示；点阵
第1章概述
1.1引言
LED显示屏是一种利用计算机和复杂数字信号处理的电子广告宣传屏。
它的屏体部分由微处理器（主要是单片机）和驱动电路控制运行，显示的图像或文字由计算机编辑软件编辑获得。
由于LED显示屏这种新一代信息显示设备具有显示图案稳定、功耗低、寿命长等特点，而且它综合了各种信息显示设备的长处，并且克服了自身的不足，特别是由于一幅显示屏可以显示不同的内容，显示方式丰富。
所以在公共场合，它具有强烈的广告宣传和信息传递效果，已日趋在固体显示中占主导地位。
LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、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。
由不同材料的半导体组成能发出不同色彩的LED晶点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色LED。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
本设计使用了8×8的点阵发光管模块，组成16×16发光点阵，显示待定的中文、字符以及数字。
它可以用单片机控制实现显示字符、数字、汉字等，可以根据需要使用不同字号、字型。
汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如16×16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言，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。
具体显示技术和原理将会在正文中得到详细论述。
1.2LED显示屏的分类
LED显示屏是多种技术综合应用的产品，涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方面，既有硬件又有软件。
LED显示屏是作为广播、电视、报纸、杂志之后的又一新传播媒体。
目前LED显示屏根据使用场所不同，可以分为室外屏和室内屏两种，其主要区别是发光管的发光亮度不同。
而根据所显示的内容不同也可以分为图像屏和文字屏两种，图像屏可以显示图像以及多媒体，而文字屏则主要显示文字或简单的固定图像。
显示图像的多媒体室外屏是投资巨大（高达数百万）的大型高档设备，主要应用在大型公共场所、形象工程和一些重要场所。
LED显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域，已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
LED电子显示屏的发展速度很快，几乎每年都有比较新的显示屏技术产生。
从技术方面可分为双基色、全彩LED电子显示屏两种。
双基色显示屏主要由红色和绿色组成，优点是价格低，比全彩屏的价格低4~5倍，距离显示屏5~30米观察有比较好的可视效果。
1.3LED显示屏的发展趋势
目前LED显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展，系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。
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将有更大的发展。
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设计平台
KeiluVision和Proteus
KeiluVision是一种编程软件，而Proteus是一款新颖的嵌入式系统软硬件设计仿真平台，特别适用于单片机仿真，能够在线、实时仿真多种类型的单片机，诸如MCS-51系列单片机、PIC单片机、AVR单片机等，能够像硬件仿真器一样进行软硬件调试，而没必要花钱去购买和维护价格不菲的仿真器。
而且Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
如此，对于初学单片机的人来说，既减少了学习成本，又达到了良好的学习效果。
1.5设计思想
本设计目的为了实现做校园信息公告的作用。
由于传统的信息公告都在黑板上，这让人感觉很呆板，为了改变一下信息发布的方法，使其变得新颖且具有吸引力，同时考虑到成本，坚固性与节能等问题，故选用LED点阵屏实现。
LED点阵屏特点：
具有高亮度、功耗低、价格低、引脚少、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。
第2章开发工具简介
2.1单片机简介
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。
单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。
正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。
在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。
我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。
更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
这种以软件结合硬件或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。
例如，本组设计所要论述的通过单片机来控制LED点阵显示。
2.2AT89C52简介
AT89C52提供以下标准功能：
8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM,32个I/O口线，3个16位定时器（计数器），一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信接口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可以降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作。
但允许RAM，定时器（计数器），串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所以部件工作直到下一个硬件复位。
2.374154简介
74154是4线-16线译码器，将数据从一个输入线分配到16个输出的任意一个而实现解调功能，与大部分TTL和DTL电路完全兼容这种单片4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。
它可将4个二进制编码的输入译成16个互相独立的输出之一。
实现解调功能的办法是：
用4个输入线写出输出线的地址，使得在一个选通输入为低时数据通过另一个选通输入。
当任何一个选通输入是高时，所有输出都为高。
2.474LS595简介
74595是8位串行输入转并行输出移位寄存器，它的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。
595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时SCLR为高电平，G为低电平。
从SER每输入一位数据，串行输595是串入并出带有锁存功能移位寄存器，它的使用方法很简单，在正常使用时SCLR为高电平，G为低电平。
从SER每输入一位数据，串行输入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。
入时钟SCK上升沿有效一次，直到八位数据输入完毕，输出时钟上升沿有效一次，此时，输入的数据就被送到了输出端。
图2-174LS595外形图
2.5点阵屏简介
图2-28×8点阵——16×16点阵
点阵结构如上，8X8点阵共由64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置1电平，某一列置0电平，则相应的二极管就亮；
本组设计使用点阵显示汉字是用的16*16的点阵宋体字库，所谓16*16，是每一个汉字在纵、横各16点的区域内显示的。
也就是说得用四个8*8点阵组合成一个16*16的点阵。
如图所示。
需要注意的是，做成的LED点阵的行线为左侧的16个引脚，字符取点：
16×16汉字按每行16字节,共2行取字模,每个汉字共32字节,本设计的点阵四个角取字顺序为：
左上角→左下角→右上角→右下角。
第3章总体设计实现
3.1、时钟电路
系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。
AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C2和C3构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为11MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30μF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
3.2、复位电路
复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示。
当时钟频率选用6MHz时，C1取10μF，RA1,R49为10K。
3.3系统硬件结构设计
3.3.1光度学和视觉特性
为了使LED显示屏达到理想的显示效果，需要对LED器件本身的工作原理及特性有很好的理解。
首先要对光学特性（亮度、色彩视角）等和人眼的视觉特性有所了解。
由于图像显示的最终效果是与光源特性（如果是反射光的话，还要考虑反射体的光学特性）和视觉特性双方有关的，它既有光学原理所描述的客观存在，也有人眼视觉主观感受的因素，两者兼顾才能收到良好的效果。
光度是对有关的辐射能量与人眼亮度感受两者关系的描述；色度是对有关彩色形成与彩色视觉关系的描述。
人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围并不是均匀的。
图3-1视锥细胞视敏函数曲线
人眼对不同颜色光线的敏感程度不同，人眼对颜色的感觉来源于视网膜上三种不同类型的视锥细胞。
不同的对不同的颜色敏感，不同视锥细胞的视敏曲线表示在图3-1上，分别为Rs（λ）、Gs（λ）、Bs（λ），即三种视锥细胞分别对红﹑绿﹑蓝三色最敏感。
三种细胞的共同作用下，就可以得到人对颜色的总体感觉。
根据对人眼的研究，可知用R﹑G﹑B三基色的不同比例，可以合成不同的颜色。
三种颜色不同比例的混合就能发出从白到黑的各种颜色的光。
这就是全色LED显示屏为什么把R﹑G﹑B作为三基色。
人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，而有一个延迟时间，这就是视觉惰性。
视觉惰性可理解为光线对人眼的作用、传输﹑处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一定的低通特性。
实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小的。
这样当一个电源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化；而通断频率增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。
视觉惰性是LED显示屏得以广泛应用的基础。
在LED显示屏中利用视觉惰性，改善了驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。
扫描驱动方式的优点在于LED显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点亮，只要扫描频率高于临界闪烁频率，人眼看起来各组灯都在发光。
由于LED显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千只到几万只的范围，所以利用视觉惰性以节约驱动电路，具有十分可观的效益。
3.3.2发光二级管特性
发光二极管（lightemittingdiode,LED），是一种把电能变成光能的特种器件，当电流达到门限电流时，发光二极管导通，随着电流的通过，产生可见光。
发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。
当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在PN结的注入和复合中产生辐射而发光。
它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。
描述LED的特性有许多参数，这些参数之间的关系呈现非线性。
因此，用特性曲线来描述这些关系，在工程应用中更具有使用价值。
下面对其主要的特性曲线作简单介绍。
1．发光强度Iv与正向电流If的关系曲线。
图3-2中给出了由A-GaAsP（N）﹑B-GaP（N）和C-GaP（Zn-O）三种不同半导体材料制成的黄﹑绿﹑红LED器件的Iv与If的关系曲线。
从总体上看，Iv是随着If的增加而增加的，但是变化的规律有所不同。
图3-2LED发光强度与正向电流的关系
2．发光二极管的伏安特性。
发光二极管的电流与电压之间的关系和其它电器元件一样，称为伏安特性。
由于LED器件的主要功能是发光，因此正向特性十分重要，而反向特性意义不大，所以LED器件的伏安特性都是指它的正向特性。
发光二极管的伏安特性与一般二极管基本相似，只是开始导通的正向电压较大，大约在1.6V~3.0V之间，具体数值视不同的半导体材料而定。
3．红绿双色发光二极管。
为了显示多种颜色，往往将多种颜色的发光二极管封装到一个管子中，构成变色发光二极管，最常见的变色发光二极管就是红绿双色发光二极管。
图3-3红绿双色发光二极管外形图和电路符号
红绿双色发光二极管是一种三端变色发光二极管，其结构如图3-3所示。
一般由红色和绿色两个发光二极管共阳（阴）连接而成，红、绿可以单独点亮，也可以同时点亮显示黄色。
3.3.3LED显示屏屏体
LED显示屏由多个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。
利用不同的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、绿色和黄色。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字和图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
图3-48*8点阵LED显示单元外观图和引脚图
LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成，最常见的LED点阵显示单元有5*7,7*9,8*8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符，8*8LED点阵显示单元的外观及引脚如图3-4所示。
外观图中每个圆形代表一个发光二极管，这些发光二极管通过行共阳（阴）、列共阴（阳）的方式连接起来，共引出16个引脚。
其中0～7引脚分别连接8个行共阳（阴）行输入，A～G引脚分别连接8个列共阴（阳）输入，通过行列输入高低电平进行显示控制。
8*8LED点阵显示单元内部结构如图3-5所示。
图3-58*8点阵LED显示单元内部结构图
3.4显示模块硬件结构
LED显示屏的显示数据通常以字节的形式按顺序存放在控制系统的存储器中。
在“行扫描、列控制”方式显示时，需要把显示数据从存储器中取出传送到每一行对应的列驱动器上，这就存在列数据传输方式的问题。
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，它们各有优缺点：
数据串行传输可以大大简化传输线路，但它的速度比较慢；数据并行传输虽然线路相对复杂，但其传输速度比较快。
由于我们采用分布式的结构，已经将显示屏划分为多个显示模块，所以采用并行传输方式，既发挥了分布式结构的优势，又显著提高了传输速度。
图3-6显示模块硬件结构
单片机是控制电路的核心，主要作用是：
P0口输出数据，为显示屏的锁存器并行置入点阵数据；P1.0口为显示屏送入列脉冲，进行逐行扫描；P1.6口为显示屏送入行脉冲，向8个锁存器分别置入每行的8字节点阵数据。
P1.7口清零，结束前面操作，开始从头刷新，对于分布系统的同步有重要作用。
图3-7单片机最小系统
3.5LED器件的驱动
LED的驱动就是要使它的PN结处于正向偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。
具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本系统中LED器件的驱动为扫描驱动。
扫描驱动：
扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。
LED显示屏将发光灯按行按列布置，驱动时也按行按列驱动。
在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制。
所谓“扫描”的含义，就是指一行一行地循环接通整行的LED器件，而不管这一行的哪一列的LED器件是否应该点亮，具体某一列的LED器件是否应该点亮，则由所谓的列控制电路来负责。
图3-8所示为一个m行n列结构的LED显示屏，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。
例如在LED显示屏上需要LED11熄灭，LED21点亮，那么当扫描到H1行时，A11列的电位就应该为高；当扫描到H2行时，L1列的电位就应该为低。
图3-8M行*N列LED显示屏扫描驱动示意图
3.6滚屏的实现
向左滚屏，缓慢进入，循环滚出
具体实现程序如下：
{for（k=0;k<32;k++）
{for（i=1;i<102-set_speed%101;i++）//输出多屏数据的循环
{P1_7=1;//高电平清零
P1_7=0;//清零完毕
x=set_start_hang;
leftin（k,set_start_lie*2-2）;//向左进入
for（j=1;j<17;j++）
{hangout（）;//行输出函数
x++;//行数加1
leftin（k,set_start_lie*2-2）;
delay（70-k*2）;//延时让本行持续显示一段时间
hang_xiaoyin（）;//行消隐
P1_0=0;//换行脉冲
P1_0=1;//换行脉冲}}}}
输出一屏数据后，调用leftin函数。
voidleftin（uintwei,uintstart）
{uinti,j,k;
j=wei%8;
k=wei/8;
for（i=0;i<4;i++）ttt[i]=0;
switch（k）
{case3:
ttt[6-k]=save_pic[x][start+3]>>
（8-j）|save_pic[x][start+2]<case2:
ttt[5-k]=save_pic[x][start+2]>>
（8-j）|save_pic[x][start+1]<case1:
ttt[4-k]=save_pic[x][start+1]>>
（8-j）|save_pic[x][start+0]<case0:
ttt[3-k]=save_pic[x][start+0]>>（8-j）;}}
将显示数据的第一字节向左移一位，第二字节向右移七位，把第一、第二字节剩余的数相或，结果为第一字节的后七位加上第二字节的第一位，窗口向右移了一位，为第一字节的第二位至第五字节的第一位；将第一字节向左移两位，第二字节向右移六位，把第一、第二字节剩余的数相或，结果为第一字节的后六位加上第二字节的前两位，窗口向右移了两位，为第一字节的第三位至第五字节的第二位。
以此类推，窗口逐位向右移动，实现数据的左滚屏。
3.7屏显的主体流程图
图3-9整体流程图
第4章总结
此次设计我们组的题目是“LED屏实现文字显示”。
在这次课程设计中，我的能力得到了锻炼，自己是深有体会。
通过这次的毕业设计，我对那些耳熟能详的XX项目设计有了切身的体会。
一个课题的设计并不像我原来所想的那样十分神秘，而是有着一个相对固定的模式和流程。
我们只要按照这个模式和流程，就能够比较规范的完成项目的制作。
本组的课题主要是电路与程序的设计。
而实现这一课题则是一个系统的工程，需要我们掌握多方面的知识。
在这次课程设计中，我觉得自己的知识面还是有欠缺的。
需要在以后的学习中加以注意，要全面的提高自己的知识面与知识层次。
在这次课程设计之前，我虽然已经学过KeiluVision和Proteus软件，但是由于当时学的不是太好，加上较长时间没有接触我已基本上把软件的操作方式忘光了。
然而通过本次设计，我在设计的过程中通过学习以及老师的指导，我已经能够熟练使用这些软件。
在电路连接的过程中，虽然步骤比较繁琐，工作量比较大，但一旦你设定了目标，静下心来一步一步的做下去。
当目标完成时你会发觉这点量也不过如此。
在软件编程方面我最大的感触就是学好一门主要的计算机语言尤为重要，在本组的课题中老师为我们提供了一些程序刚开始我根本就读不懂这些程序，后来经过学习与老师的指导才慢慢入门。
编程的过程中，我体会到编程是十分辛苦的。
这种过程令人感到乏味和疲倦，但是在这种近似枯燥的生活中，我对程序设计有了一定程度的提高，这是课程设计中我最大的收获。
经过这件事我觉得自己在编程这方面上升的空间可以用巨大来形容，所以我应该好好的学习一门计算机语言。
所以在以后的学习中，自己全身心的投入，这样学习才会有效率，才会有效果。
本组的设计虽然已达到预期的目标，但是还存在一些不足的地方。
如屏幕不能显示图片，颜色过于单一等。
这些都是有待于提高的地方，相信在不久的将来，通过自己的努力一定会实现这些不足之处。
这次的毕业设计是按组进行的，课题的设计本来就是一个团体的智慧结晶。
这次毕业设计也给了我们一次体验团体合作的机
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