推荐 LED点阵毕业设计论文 精品.docx

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毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

LED显示系统设计

学生姓名：

指导教师：

二级学院：

信息技术学院专　　业：

通信工程

班　　级：

学　　号：

提交日期：

2012年4月20日答辩日期：

2012年5月12日

LED显示系统设计

摘要

在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用LED点阵显示图形和汉字。

LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。

本文介绍了一款以单片机AT89S51为控制器的LED点阵显示屏系统的设计。

该系统可实现汉字字符的显示和动态特效显示。

系统采用PC机作为上位机，上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储的显示代码，AT89S51单片机接收并处理PC机的控制命令以及显示代码，由显示驱动模块驱动一个16×16分辨率的LED点阵显示屏的扫描显示。

PC机与单片机之间的通信采用ISP下载编程器来实现。

除此之外，该系统只占用了单片机少量的I/O口和内存，为系统留下了功能扩展的空间。

关键词：

AT89S51；LED点阵显示；ISP

DesignofLEDdisplaysystem

Abstract

Nowadays,moreandmoreplacesneedtouseLEDdotmatrixtodisplayChinesecharactersandgraphics,suchasthelargeshoppingmalls,railwaystations,docks,subwaystations,variouskindsofservicewindowandsoon.LEDindustryhasbecomeanewandrapidlydevelopingindustrywithahugemarketspaceandforegroundcapacious.

ThispaperintroducesadesignoftheLEDlatticedisplaysystembaseonMCUAT89S51.ThesystemcandisplayinbothChineseandEnglishcharactersoftheshowandfromtoptobottomandmovearoundthemagicshow.ThePCsendscontrolcommandsanddisplayscodetomicrocontroller,AT89S51receivescontrolcommandsfromPCandshowsthecode.Drivermoduledrivesa16×16-resolutionLEDlatticeLED’spaneldisplayscanshowed.CommunicationbetweenPCandthemicrocontrollerusingISPdownloadprogrammerstandards.Inaddition,thesystemwilltakeuponlyasmallamountoftheMCUI/Oandmemory,sothatthesystemhasfunctionalspaceforexpansion.

Keywords:

AT89S51;latticeLED’spaneldisplay;ISP

第1章绪论

1.1LED显示屏的广泛应用

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、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。

LED点阵显示屏以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点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。

LED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。

LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：

（1）证券交易、金融信息显示。

（2）机场航班动态信息显示。

（3）港口、车站旅客引导信息显示。

（4）体育场馆信息显示。

（5）道路交通信息显示。

（6）调度指挥中心信息显示。

（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。

（8）广告媒体新产品等。

1.2最新的LED显示屏技术

随着液晶（LCD）产品价格的下降，LCD显示器也呈现出多样化的发展趋势：

尺寸越来越大，宽屏逐渐成为消费热点，个性化产品层出不穷，多媒体应用需求已经显现，黑插入技术取得进展，计算机应用向多媒体应用靠拢，平板显示器与若干视听设备相连的技术需求增加，如高分辨多媒体接口HDMI等数字传输技术，已开始应用在LCD显示器上。

高分辨多媒体接口HDMI（全称是High-DefinitionMultimediaInterface）是2006初年日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和SiliconImage等7家公司联合发布的接口规范，包括高清晰支持、高速传输以及与电脑的更简易的连接方法。

HDMI只需一条线就可以传输数字音频和视频数据，使消费者能够方便地体验到高品质的家庭影院效果。

HDMI接口技术引起了计算机行业的关注，因为HDMI定位于标准数字多媒体接口。

在应用方面，HDMI与低电压交流电计算机的画面控制终端的连接更加简单和方便，有利于计算机与消费电子类产品实现真正意义上的融合。

目前许多高清数字电视生产商都在产品中采用了HDMI接口，HDMI也已经被运用到计算机媒体播放器、DVD播放器、DVD录音设备、有线电视机顶盒、卫星电视机顶盒以及A/V接收器中，也被应用在游戏机和便携式摄像机中。

1.3本课题的主要内容

针对本课题的特点，对论文的内容和结构将做如下安排：

（1）初步方案的论证和选择

搜集题目的有关资料，并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分析比较。

最终选定了以PC机为上位机，单片机为核心控制器件，外加译码电路和驱动电路的设计方案。

（2）方案实现

以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想，选择器件时要从功能和电气特性两方面来选择和论证。

经过对比选择选定AT89S51单片机为核心控制器件，由串并转换器74HC138和锁存器74HC573为译码电路器件，74HC595为驱动电路器件。

论文列出了详细的器件参数和在系统中的连接使用方法。

（3）软件编写

根据硬件特点和设计要求，软件选用C语言编写。

程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几个功能上相对独立的模块。

然后按照所划分的模块逐个编写和调试，最后将独立的模块整合起来。

（4）验证与测试

调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。

在硬件调试中发现有单片机端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。

在软件调试中出现程序整合工作不协调等问题。

通过分析，查找找出了问题原因并设法将其解决。

（5）结论

设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。

第2章系统硬件方案论证与选择

大多数的LED显示屏都在户外，所以对硬件的质量要求非常的高。

为方便检修和维护硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。

硬件的设计采用模块化设计，既要满足模块本身功能又要能够和整个系统兼容。

如图2-1所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显示屏部分，控制部分，通信系统及上位机四部分组成。

上位机通过通信部分向控制部分发送控制指令和显示内容代码，控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示内容和显示方式[3]。

图2-1系统硬件组成框图

2.1上位机部分方案选择

其中系统采用现在已经非常普遍的PC机作为上位机，这样对该显示系统的硬件要求便降低了，增加了系统的通用性。

上位机的作用是存储并处理显示内容，然后通过通信系统传送到控制系统驱动显示。

LED显示上位机的内容一般有实时显示和存储显示两种方法。

实时显示及上位机屏幕上的内容同时显示在LED显示屏上，上位机上内容变化LED显示屏也跟着变化。

存储显示是将显示内容处理过后存储在上位机中通过通信系统传输到显示屏显示[9]。

两种显示方法相比较：

实时显示屏幕能及时反应上位机内容的变化，显示的效果和内容的实时性好多用于新闻播报、实况转播用，但实时显示硬件开销大，对通信系统要求高，工艺复杂，成本高；存储显示虽实时性不高但硬件开销小，成本低廉。

课题设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示屏尺寸不大同时显示的内容不多，所以实时显示就没有必要。

所以上位机选择存储显示的方法，控制LED显示屏的显示内容。

2.2通信部分方案选择

通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。

因为通常情况下显示屏和上位机的距离不会很远，所以通信距离的要求不是很高。

ISP（In-SystemProgramming）在系统编程，通过下载电缆直接对安装在用户目标板上的器件编程，给电子产品的设计和生产带来许多革命性的变化。

目前，比较成熟的ISP下载器大多是基于串口或者并口通信的，但是也存在着以下问题：

（1）用户PC机的主频、硬件和操作系统不同，可能会造成控制信号错误；

（2）不同的厂商提供不同的ISP下载器，互不兼容，给嵌入式开发带来不便；（3）限于串、并口的通信协议，ISP数据传输速率较低，影响嵌入式产品的开发。

而USBISP完美地解决了这些问题，它具有较强的易用性，可靠性和兼容性，数据传输速率也较快。

基于以上原因，本设计选择了一种将单片机和USB总线相结合，进行ISP下载的方法。

2.3控制部分方案选择

控制部分是整个系统的核心部分，其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。

（1）单片机

单片机是集成了CPU，ROM，RAM和I/O口的微型计算机。

它有很强的接口性能，非常适合于工业控制,因此又叫微控制器（MCU）。

单片机品种齐全,型号多样CPU从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O非常丰富，有的单片机集成有A/D，“看门狗”，PWM，显示驱动，函数发生器，键盘控制等。

它们的价格也高低不等，这样极大地满足了开发者的选择自由。

除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。

随着超大规模集成电路的发展，NMOS工艺单片机被CMOS代替，并开始向HMOS过渡。

供电电压由5V降到3V，2V甚至到1V，工作电流由mA降至μA，这在便携式产品中大有用武之地[4]。

（2）DSP芯片

DSP又叫数字信号处理器。

顾名思义，DSP主要用于数字信号处理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理。

现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域，DSP具有修正的哈佛结构，多总线技术以及流水线结构。

将程序与数据存储器分开，使用多总线，取指令和取数据同时进行，以及流水线技术，这使得速度有了较大的提高。

DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令，速度慢。

而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算，而且还具有专门的信号处理指令，如TM320系列的FIRS，LMS，MACD指令等[5]。

两种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。

现在市场上常用的单片机主要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。

其中应用最广泛的单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。

且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。

当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。

所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。

2.4显示部分方案选择

显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏，以及驱动该显示屏的驱动电路。

由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏，所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。

LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的，要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。

构成LED屏幕的方法有两种，一是由单个的发光二极管逐点连接起来，如图2-2所示；二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。

目前市场上普遍采用的点阵模块有8×8、16×16几种；这两种屏幕构成方法各有有缺点，单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可，检修的成本较低，缺点在于连接线路复杂；而点阵模块构成的方法却正好与之相反，模块构成省约了大量的连线，不过当一个LED出现问题时同在一个模块的所有LED都必须被更换。

这就加大了维修的成本。

两种方法相比较，决定采取模块构成的方法来制作一个LED点阵显示屏。

为了避免模块的缺点，选择点阵数较小的模块来减小出现这一问题的风险。

所以构建一个16×16的LED点阵屏选用四块8×8点阵模块。

图2-2LED点阵图

一个16×16的LED显示屏行和列各有16支引脚，不能单靠51单片机的端口驱动所以必须要对单片机的端口个数进行扩展。

经常采用的端口扩展方法是用串并转换芯片进行译码。

常用的串并转换芯片有74LS154（4线-16线译码器）、74HC138（8位串并转换器）、74HC595等。

51系列单片机端口低电平时，吸入电流可达２０ｍＡ，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μＡ甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力，所以单片机不能直接驱动LED显示屏显示。

在单片机和显示屏之间还需要增加以功能放大位目的的驱动电路[7]。

2.5最终确定硬件设计方案

最终方案如图2-3所示，以PC机作为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令传输到单片机系统，单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块8×8LED点阵模块构成的16×16的LED点阵显示屏。

题目将以此方案为指导思想展开具体的硬件电路设计。

图2-3硬件设计方案

第3章系统硬件设计

3.1硬件整体设计概述及功能分析

显示系统具体设计主要由上位机、通信系统、单片机系统、译码电路、显示驱动电路和16×16的点阵屏组成。

具体工作流程为：

上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示内容[11]。

根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。

通过查阅资料和对比最终的硬件原理框图如图3-1所示：

图3-1硬件原理框图

该系统所要实现的功能和要求有以下几点：

（1）LED显示屏的面积必须满足至少显示一个汉字的标准。

并且显示要清晰。

（2）驱动电路要能提供LED显示所需范围内的电压和电流要求。

（3）译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路的要求。

（4）单片机要能接收上位机的指令和显示内容且能够处理后控制LED显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。

执行频率要能达到扫描显示的最低要求。

（5）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。

（6）由USB接口完成与上位机的通信速度和数据传的可靠性要达到显示要求。

3.2控制单元设计

3.2.1控制系统设计

控制电路设计中采用的是单片机系统，该系统必须要是工作在一个最小系统（指单片机的可以的最小配置系统）。

AT89S51的最小系统包括了外界时钟电路和复位电路，选定一定数量的IO口作为控制口控制外部的各种器件和数据的输出。

根据功能选择一定的单片机端口添加外围的器件，具体电路如图3-2所示。

在该系统中，P0各口主要用作LED显示数据的行控制输出。

具体接法为：

P0.4，P0.5,P0.6分别接74HC138的A端，B端,C端向74HC138送入串行数据经过其转换后并行输出；P0.3,P0.7接138芯片的使能控制端，当为低电平使允许输出；P0.0,P0.1,P0.2接595的SH_CP端,ST_CP端,DS端控件系统的列输入，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

因为没有扩展外部程序存储器所以将EA置为高电平。

P1.5,P1.6,P1.7分别接ISP的1，7，5引脚，用于向芯片烧写程序。

具体电路如图3-2所示：

图3-2控制部分电路图

3.2.2AT89S51简介

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT989S51具有以下特点：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：

0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I/O口线

·2个16位定时/计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·中断可从空闲模唤醒系统

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

AT89S51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可降至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/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有部件工作直到下一个硬件复位。

3.3行驱动模块设计

3.3.1行驱动系统设计

行驱动电路的功能是为了解决单片机I/O端口不足。

行译码所用器件为串并转换器74HC138。

两个138级联成4线-16线译码器，三级管Q1-Q16接显示屏H1-H8解决了显示屏供电不足的问题。

具体电路如图3-3所示：

图3-3行驱动电路图

3.3.2串并转换器74HC138

行译码采用的是芯片74HC138。

如果不采用译码电路完全依靠单片机的端口输出来控制16×16的LED点阵屏显示，需要32个端口。

而采用了译码电路后仅仅需要7～9个端口便可实现控制显示。

大大减少了I/O口的占用数目，为单片机扩展其他功能预留下来了空间。

74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。

74HC138特有3个使能输入端：

两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。

除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。

表3-174HC138集成译码器功能表

3.4列驱动模块设计

列驱动电路由74HC595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器，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，达到重叠处理的目的。

数据在SH_CP的上升沿输入，在ST_CP的上升沿进入的存储寄存器中去。

如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。

移位寄存器有一个串行移位输入（DS），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。

工作顺序：

单片机先送1个8位数据到第一个595的内部移位寄存器->然后数据会送到内部的输出寄存器->输出,当MR（10引脚）为高电平，OE（13引脚）为低电平时，数据在SHCP上升沿进入移位寄存器，在STCP上升沿输出到并行端口。

具体电路如图3-4所示：

图3-4列驱动原理图

3.5点阵显示模块设计

如图3-5所示，本设计采用了4个8*8的点阵发光二级管模块，组成了16*16的LED点阵显示屏。

LED驱动显示采用的动态驱动扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起，先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其点亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其点亮相同的时间，然后熄灭；…第十六行之后，又重新点亮第一行，反复轮回。

当这样的轮回速度足够快（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。

该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。

图3-5点阵显示电路

3.5单片机ISP下载编程器

单片机系统传统的编程方式是将单片机先从电路板上取下，放入专用的编程器进行编程，再放人电路板进行调试。

其缺点是频繁的拔插器件容易损坏器件的引脚；如果频繁的调试程序，必须重复拔插，大大降低了开发效率。

ISP技术是未来发展的方向，其优势是无需编程器就可进行单片机的实验和开发，单片机器件可直接焊接到电路板上，调试结束即为成品，免去调试时由于频繁插入取出对器件和电路板造成的损坏和带来的不便。

ISP可降低研发成本；缩短从设计、制造到现场调试的时间，简化生产流程，大大提高工作效率；在试验新品或学生试验等常需用不同的程序调试器件的场合中，在线编程技术尤为重要。

设计AT89S51单片机开发板，采用ISP下载线实现在KeilC软件开发环境下调试的汇编语言程序机器码能即时下载到AT89S51单片机片内Flash中，并可在线修改。

在系统可编程ISP（In-SystemProgrammable），指电路板上的空白器件可编程写入最终用户代码，而无需从电路板取下器件，已编程的器件也可用ISP方式擦除或再编程。

ISP的提出改变了传统硬件系统开发的流程，大大方便了开发者，加快了开发速度，将单片机和USB总线相结合，进行ISP下载。

本设计中ISP电路如图3-6所示：

图3-6ISP下载电路

3.6USB电源接口

本设计除了可以用ISP接口供电，还可以采用USB电源接口供电，开关S1连接了一个发光二级管，用于指示电源的通断。

具体电路如图3-7所示：

图3-7USB电源接口电路

3.7MAX232串口通信电路

本课题中还设计了另一种通信方式，当所采用控制芯片不为AT系列，而是STC系列时，采用MAX232串口通信。

具体电路如图3-8所示：

图3-8232串口通信电路

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设