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点阵式电子显示屏论文
目录
摘要…………………………………………………………1
第一章绪论………………………………………………2
1.1点阵式电子显示屏课题的提出及研究现状…………2
1.2课题研究目标、内容、方法和手段……………………3
1.3课题研究方法和手段……………………………………4
1.4本章小结…………………………………………………5
第二章基于PC机控制的LED显示系统设计……………6
2.1系统设计…………………………………………………6
2.2下位机（单片机）部分的开发…………………………7
2.3本章小结…………………………………………………8
第三章硬件系统的设计…………………………………9
3.1单片机串口通讯…………………………………………9
3.2串行口工作方式…………………………………………10
3.3LED显示屏的驱动方案…………………………………12
3.4本章小结…………………………………………………15
第四章软件系统的设计…………………………………16
4.1单片机显示控制的软件设计……………………………16
4.2上位机软件设计…………………………………………32
4.3本章小结…………………………………………………36
第五章系统设计总结……………………………………37
致谢…………………………………………………………38
参考文献……………………………………………………39
附录…………………………………………………………40
摘要
本文主要介绍了一种基于PC机控制的以单片机AT89S52为核心的LED显示系统。
用户可以根据需要把要显示的内容通过本系统所配带的PC机软件，直接重计算机下载到LED显示系统，同时可以设置显示系统显示的颜色、显示内容的移动方式、移动速度等。
本系统主要应用于厅堂、车站、广场等公共场所；并详细介绍了在硬件上和软件上的实现过程。
关键词AT89S52单片机；Mscomm控件；74HC273；LED显示屏；达林顿管。
ABTRACT
ThisartilemainlyintroduceakindofLEDdisplaysystemthatbaseonPCcontrolandaccordingtoAT89S52asitscore'ssinglechip.ConsumerscanfoundationtheirneedtoholdthecontenttheymustdisplaythroughthePCsoftwarethatisqualifiedbythissystem,downloaddirectlyfromcomputertoLEDdisplaysystem,atthesametime,Itcansetthecolorofthescreen、movefashionofthedisplaycontent、speedandsoon.Thesystemmostlyapplytohall、station、squareetc;andparticularlyintroducetherealizationcourseinhardwareandsoftware.
KeywordsAT89S52singlechip；Mscommcontrol；74HC273；LEDdisplayscreen；dalinduncanal.
第一章绪论
1.1点阵式电子显示屏课题的提出及研究现状
1.1.1本课题的提出
随着我国经济的高速发展，对公共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。
目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。
LED显示屏已经广泛应用在信息显示系统中，LED点阵电子显示屏是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统。
它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点而成为众多显示媒体以及户外作业显示的理想选择。
同时也可广泛应用到军事、车站、宾馆、体育、新闻、金融、证券、广告以及交通运输等许多行业。
在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、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。
鉴于此，本课题提出了基于单片机的多功能点阵式电子显示屏的系统设计。
1.1.2国内外研究现状
LED电子显示屏是随着计算机及相关的微电子光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。
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、性能价格比高、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了广泛的应用。
现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，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。
高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。
基础材料的产业化。
使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。
LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、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，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。
全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。
未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展。
1.1.3国外研究现状
1923年，罗塞夫（lossen.o.w）在研究半导体sic时有杂质的p-n结中有光发射，研制出了发光二极管（led：
lightemittingdiode），一直不受重视。
随着电子工业的快速发展，在60年代，显示技术得到迅速发展，人们研究出pdp激光显示等离子显示板、lcd液晶显示器、发光二极管led、电致变色显示ecd、电泳显示epid，等多种显示技术。
由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管已日趋在固体显示器中占主导地位。
led之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身有很多优点。
例如：
亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定，其发展前景极为广阔。
目前正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀性、全色化发展。
1.1.4国内研究现状
我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。
据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。
全国从事LED显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。
在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。
技术水平相对领先,我国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平。
90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控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显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。
LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。
LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。
1.2课题研究目标、内容、方法和手段
1.2.1课题研究目标
本课题要求在搜集、查阅国内外相关资料、信息的基础上要求采用单片机对多功能点阵式电子屏进行检测和控制，系统具体要求如下：
（1）系统以单片机作为硬件开发平台，以汇编语言作为软件开发平台。
（2）系统可采用模块化的设计原理，对电子屏进行检测和控制。
（3）系统响应速度快、稳定性好、可靠性高。
（4）系统操作方便，性能价格比高。
（5）抗干扰能力强，能在现场环境下可靠运行。
1.2.2课题研究内容
（1）基于单片机多功能点阵式电子屏的系统总体方案设计。
（2）系统硬件设计。
本系统采用AT89C52单片机作控制器，整个电路主要由单片机控制及其接口电路、驱动显示电路、电源电路等部分组成。
为了简化显示屏电路，降低成本，本系统在单片机部分不加字库存储器。
而在PC机上编辑汉字和字符显示信息，并将其转换为相应的点阵显示数据，然后通过串口（采用RS－232通信标准）送给单片机存储并进行显示处理。
（3）系统软件设计。
软件系统采用模块化结构，包括主程序、显示子程序和串口中断服务程序。
（4）采取多种抗干扰措施，提高系统的稳定性和精度。
1.3课题研究方法和手段
1.3.1基于单片机的点阵式显示屏的设计
本系统提出一种利用PC机和单片机控制的LED显示系统通讯方法。
该方法可以对显示内容（包括汉字和特殊图符）进行实时控制，从而实现诸如左移、掉下、上升、上铺、下铺、打字等多种动态显示效果。
该方法同时还可以调节动态显示的速度，同时也可以任意选择显示显示的颜色（红、黄、绿），显示内容亦可以即时修改。
另外，通过标准的RS232/485转换模块还可以实现对显示系统的远程控制。
LED显示系统上位机软件的编程可以利用目前最流行的开发软件：
VisualBasic6.0，VB是由BASIC发展而来的，对于Windows应用程序而言，VB是目前所有开发言语中最简单、最容易使用的言语。
（见附录介绍VB的使用）
1.3.2系统硬件设计
LED显示系统框图（图1.1），由单片机构成主控部分，主要负责数据接收、数据处理和扫描显示。
总体可以分为四部分：
计算机通讯、数据存贮、列数据锁存、行扫描输出。
图1.1
1.3.3系统软件设计
本系统设计的LED点阵显示屏可以实现左移、掉下、上升、上铺和下铺五种显示方式。
软件流程图（图1.2），有红色、绿色、黄色三种颜色可选。
其中只有左移方式可以实现多于一屏内容的显示，其它的显示方式只能显示一屏的内容。
显示方式和显示颜色的设置由微机控制，串行中断软件流程图（图1.2）微机在传送点阵字模数据时，先传显示颜色，再传送显示方式，最后传送点阵数据。
图1.2
1.4本章小结
本章主要介绍了点阵式电子显示屏的背景及发展前景，并介绍了该课题的提出及国内外研究现状和系统硬件软件的设计方案等。
第二章基于PC机控制的LED显示系统设计
2.1系统设计
2.1.1LED显示屏模块技术指标
LED显示屏模块技术指标参数一览表：
规格（mm）
φ5
显示像素/平米
17300
模块
1R1YG（绿红）
显示屏
像素点数
64*16=1024
尺寸（mm）
480*120
面积（㎡）
0.576
最大功耗（瓦/平方米）
100（单）/200（双）
扫描速度
大于75Hz
视角
水平视觉160℃，垂直视觉160℃
环境要求
-20℃—60℃
供电要求
220VAC±10%50Hz
驱动方式
1/16扫描
使用寿命
10万小时
2.1.2系统总体设计思想
为了设计并开发出高性能、高可靠性、可行实用的显示系统，采用以下的设计思想：
（1）在系统总体设计中将贯彻学术性与实用性相结合、先进性与可行性相结合、功能性与经济性相结合的原则，尽量采用成熟的技术和已有的科研积累，在关键难点问题上尝试采用相关学科的最新成果，使系统既具有稳定可靠的运行性能又有一定的技术含量和创新价值；
（2）在硬件上采用了完全模块化设计思想，选用通用IC芯片，所有电气连线采用接插方式，并各模块都有独立的电源，以保证系统安装方便、运行可靠、维护简单；
（3）LED显示屏的下位机控制用8位微处理器（MPC）AT89S52做控制器，完成字模数据的接收和LED显示屏的动态扫描显示，在整个系统中处于下位机的地位；中央控制计算机由通用PC机实现，实现显示内容的输入、显示模设置、显示颜色设置和字模数据的传输；中央控制器与下位机的通讯采用成熟的RS232接口标准；
（4）在软件编制上，采用结构化设计思想，下位机采用适应于MCS-51系列单片机的C51语言进行编程，中央控制计算机程序的编制采用面向对象的可视化编程言语VB。
2.2下位机（单片机）部分的开发
2.2.1下位机的设计及总体结构
LED显示系统框图（图2.1），由单片机构成主控部分，主要负责数据接收、数据处理和扫描显示。
总体可以分为四部分：
计算机通讯、数据存贮、列数据锁存、行扫描输出。
图2.1下位机系统框图
2.2.2LED显示屏的工作原理
整个显示系统，由微机和LED点阵显示屏组成，LED显示屏主控部分原理图（图2.2），微机通过串行口传送显示内容。
点阵显示屏接收微机传送的数据，并控制LED点阵显示屏的显示。
由于AT89S52片内只有8K的EEPROM，无法存贮大量的汉字点阵字模。
因此，本系统采用由微机传送汉字或字符的点阵字模的方式来控制显示屏的显示内容。
微机传送的点阵字模经过计算机的处理后以8*16的方式传输给单片机，单片机接收到后再保存到数据存贮器6264中。
数据接收正确并处理存入显示缓冲区后，即控制显示屏的显示。
显示方式采用逐行扫描方式，单片机首先从显示缓冲区中取出第一行点阵数据，通过数据口（P0）口写入LED显示屏的列锁存器74HC273，由于74HC273是采用了首尾级联的方式连接，所以数据的传输属于并行数据的串行传输。
送数据的顺序是，先送该行数据的最后一个，最后送第一个。
一行的数据写完后，再启动74LS154（4-16译码器）点亮相应的行。
2.2.3计算机通讯
LED显示屏和电脑的通讯方式采用了标准RS232接口，电路原理图（图2.2），通讯方式为10位的异步通讯。
RS232接口实际上是一种串行通信标准，是由美国EIA（电子工业联合会）和BELL公司一起开发的通讯协议，它对信号线的功能、电气特性、连接器等都有明确的规定。
由于RS-232接口的EIA是用正负电平表示逻辑关系的（-3V—-15V为1、+3V—+15V为0）。
与TTL以高低电平表示逻辑关系不同，因此，为了能够和计算机接口通信，必须在EIA电平和TTL电平之间进行电平转换。
MAX232芯片可完成TTL-EIA电平转换，且只用单一+5V电源，因此得到广泛应用。
由于采用的是标准RS232接口，所以传输距离不能很远，当传输距离超过15M，就要采用422或485接口，则只要加上一块RS232转422/485电路模块就可以了。
图2.2
2.3本章小结
本章针对LED显示屏的应用领域广泛，采用模块化、规范化设计方案，从基本的显示功能入手，逐步完成系统各部分的设计。
在设计过程中既保证实施上可行、运行上可靠，又运用专家控制、实时数据库等先进技术提高系统性能，使系统智能化，并充分考虑到应用上的灵活性，系统实现的经济性，使之成为一个实用的、有效益的系统。
第三章硬件系统的设计
3.1单片机串口通讯
3.1.1串行口的控制寄存器
串行口的控制寄存器SCON89C51串行通信的方式选择，接收和发送控制及串行口的标志均由专用寄存器SCON控制和指示，其格式如下：
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
方式选择
多机控制
接收允许/禁止
欲发的第九位
收到的第九位
发送中断有/无
接收中断有/无
SM0，SM1：
串行口工作方式控制位
00方式0，01方式1，10方式2，11方式3
REN：
串行接收允许位。
0——禁止接收1——允许接收
TB8：
在串行方式2、3中，TR8是发送机要发送的第九位数据。
RB8：
在串行方式2、3中，RB8是接收机接收到的第九位数据，该数据来自发送机的TB8。
TI：
发送中断标志位。
发送前必须用软件清零，发送过程中TI保持低电平，发送完一帧数据后，由硬件自动置1。
如果再发送，必须用软件再清零。
RI：
接收中断标志位。
接收前必须用软件清零，接收过程中RI保持低电平，接收完一帧数据后，由片内硬件自动置1。
如果再接收，必须用软件再清零。
SM2：
仅用于方式2、方式3的多机通信控制位。
当选择方式2或3时，发送机设置SM2=1，以发送第九位TB8为1作为地址寻找从机，以TB8=0作为数据进行通信。
从机初始化时设置SM2=1，若接收到的RB8=1，置位RI，引起接收中断，中断程序中判断所接收的地址和本机的地址是否符合，如果不符合，则维持SM2=1，继续监听，如果符合，则清SM2，接收发送方发来的后续信息。
综上所述，SM2的作用为：
在方式2或3中发送机SM2=1（程序设置）
接收机SM2=1，如果RB8=1，激活RI，引起接收中断。
RB8=0，不激活RI，不引起接收中断。
SM2=0，无论RB8=0还是1都激活RI，引起接收中断。
在方式1中，当接收时，SM2=1，则只有收到有效停止位才激活RI。
在方式0中，SM2应置为0。
3.1.2电源控制寄存器PCON
PCON的字节地址为87H，无位地址，PCON的格式如下图所示。
串行通信中只用了其中的最高位SMOD，在初始化时，SMOD=0。
SMOD
×
×
×
×
×
×
×
SMOD：
波特率加倍位。
在串行方式1、2、3的波特率时：
0——不加倍；1——加倍。
3.2串行口工作方式
3.2.1方式0
串行数据通过RXD输入或输出，TXD输出频率为fosc/12的时钟脉冲。
方式0的数据格式为8位，低位在前，高位在后，波特率固定为fosc/12（fosc为单片机外接的晶振频率）。
发送过程以写SBUF寄存器开始，当八位数据传输完，TI被置为1方可再发送下一数据。
接收必须预先置REN=1（允许接收）和RI=0，当八位数据接收完之后，RI被置为1时，可通过读SBUF指令，将串行数据读入。
3.2.2方式1
方式1为10位异步通信方式，即每帧数据由1个起始位‘0’、八个数据位和1个停止位‘1’构成。
其中起始位和停止位在发送时自动插入的。
方式1以TXD为发送端，RXD为接收端。
由T1提供移位时钟，是波特率可变方式，计算公式为：
波特率=2SMOD×fosc/32×12（256-X）其中X为T1的初值（T1都设为方式2）
3.2.3数据存贮
本LED显示系统的一个特点是，不带字库。
要显示的内容直接从PC机上下载点阵数据。
所以扩展了一块8KByte数据存贮器,用于存点阵数据，和作显示缓冲区。
显示缓冲区又要分为两个，每个的大小和屏幕大小一样，屏幕最大是：
（48*128）Bit等于768Byte一共有两个则为：
1.5Kbyte，那么就只剩下6.5Kbyte的空间用来存贮点阵数据。
一个汉字（16*16）的点阵数据为32个字节，则最多可以存208个汉字的字模。
3.2.4列数据锁存
刷新的状态下，整个屏幕分为16行扫描显示，以屏最大时为例：
一屏可以显示24个字，在一行中，每个字占两个字节数据，则扫描一行的时候要传输48个字节的数据，而扫描行与行之间的时间间隔不能大于1.25ms（刷新率50Hz）。
为了保证LED的显示亮度，则传完数据后要有时间让LED发亮，所以传输数据的时间最好不能大于行与行之间的扫描间隔时间的一半。
因此数据的传输速度直接影响到LED显示屏的面积大小和显示的好坏，同时考虑到主机和显示模块的连接，和显示模块之间的级联，连线越少越好，针对这种情况，本系统的采用了并行数据串行传输的方案（图3.1）。
数据锁存器取用74HC273。
74HC273是采用首尾相连的方式。
图3.1
第一块74HC273的输入端是通过一片总线驱动器74HC245直接挂在单片机的数据口（P0口）上，单片机把74HC273作为外部存贮器一样的访问（只写，不读），为了不存储器的地址混淆，由于外部存储器为8Kbyte，所以74HC273的地址不能低于8Kbyte，即要在：
0x2000（2000H）以上；访问时都是用语句：
MOVX@DPTR，A，为了区分是写存储器操作还是写74HC273操作，每一块74HC273的时钟（CLK）端相连在一齐连到或门的输出端（图3.2），或门的输入端接单片机的P3.3口和写信号P3.6口，其中P3.3口作为或门的控制信号，当P3.3口为高电平时，或门关闭，此时写存储器时就不会干扰74HC273；当P3.3为低电平时，或门打开，此时CLK和P3.6口相通，此时就可以写74HC273，由于写之前已经把它的地址定为8Kbyte以上，所以也不会影响存储器。
经过这样处理后，CPU向74HC273每写一个字节的数据只占用两个机械周期，不用等待，速度可以上到很高；同时，连接线只用到9根，而且显示模块之间的级联变得非常简单。
图3.2
3.2.5行扫描输出
由于本系统的显示颜色有3种，可以任意选择。
而改变显示屏显示颜色的方法有两种：
一、列数据分为红、绿两种锁存，只要把数据锁存到红色的锁存器里，那么就显示红色，把数据锁存到绿色的锁存器里，那么就显示绿色，把数据同时锁存到红色和绿色的锁存器里，那么就显示黄色，这样就可以实现颜色的改变。
但由于显示屏比较大，列数据锁存器就需要很多，所以这种方案的缺点是：
硬件电路复杂、布线困难、电路可靠性差、成本高；二、行扫描分为红色扫描、绿色扫描，当启动红色扫描时就显示红色，当启动绿色扫描时就显示绿色，若同时启动红色、绿色扫描，就显示黄色。
由于整个屏幕都是采用16行扫描的方式，所以行扫描电路（图3.3）不会受到显示屏大小的影响，经过比较后，本系统最后采用了第二种方案。
图3.3行扫描框
行选通信号，通过两块74LS154（4—16译码器）译码获得，一块选通红色，另一块选通绿色。
通过P3.4、P3.5口控制选择颜色：
P3.4控制选择红色（低电平有效），P3.5控制选择绿色（你电平有效）。
两块74LS154的数据端口分别相连后挂在单片机的P1口上（只用到低四位，高四位留空）。
控制示例，如选通第三行，颜色为黄色，那么程序为：
line（2,2）;//调用子函数（参数1为行号，参数2为颜色）
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