基于单片机的LED显示远程控制应用电子技术毕业设计.docx

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基于单片机的LED显示远程控制应用电子技术毕业设计

毕业设计（论文）

题目：

基于单片机的LED显示远程控制

指导教师：

陈军

姓名：

王亮

学号：

1303062

专业：

应用电子技术

班级：

应用电子技术一班

起止日期：

2015年11月1日至2016年5月1日

摘要

随着社会不断发展，LED在当今社会生活中的应用已经越来越多，越来越普及。

它的高效、环保、节能、低成本等优点使它倍受青睐，在显示领域受到了广泛应用。

然而目前采用有线方式传输、显示数据的LED点阵屏幕安装不便，移动性较差，另外，LED点阵屏尺寸多为整块固定的，安装时不能根据需要进行调整。

针对以上不足，本课题研制了一种采用智能远程控制的新型LED点阵屏系统，系统通过无线方式进行通讯控制，同时，采用模块化LED显示屏设计，使得屏幕尺寸大小可以根据实际需要来拼装，提高其实用性，避免了上述LED显示设备的缺点。

文章首先阐述了智能远程控制LED显示设备的总体方案设计，根据功能应用将系统划分为五大模块，分别为上位机发送模块、无线发射模块、无线接收模块、显示模块、供电模块。

然后详细叙述了各个模块的硬件设计和软件设计。

硬件设计方面重点研究了LED点阵显示驱动电路的设计，软件方面重点研究了上位机与下位机的无线控制设计。

最后，通过Proteus仿真了系统LED点阵显示部分，并制成了实验室原型，实现了系统的基本功能。

关键词：

单片机；点阵LED；无线控制

目录

第一章绪论.

1背景知识……………………………………………………………………..1

1.2LED的种类应用及其发展历史…………………………………………..2

1.3无线通信技术研究现状及发展趋势……………………………………4

第二章硬件设计方案

2.1主要内容与意义………………………………………………………..5

2.2设计思想………………………………………………………………….5

2.3硬件选择………………………………………………………………….6

2.3硬件选择…………………………………………………………………..8

2.33LED驱动电路设计……………………………………………………9

2.4AT89C52单片机介绍…………………………………………………..10

2.5设计连线………………………………………………………………….13

2.6实验仿真电路图………………………………………………………….14

第三章软件设计方案

3.1设计思想………………………………………………………………..15

第四章调试运行结果……………………………………………16

第五章现代LED显示智能控制的开发………………………18

第六章心得与体会……………………………………………….19

第一章绪论

随着科学技术的发展,运用LED显示屏来显示信息越来越受到人们的青睐。

它以亮度高、寿命长、功耗小、工作稳定可靠等优点迅速成为人们信息化生活中不可缺少的一部分。

LED显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成的大面积屏幕。

它已经被广泛应用于各行各业,我们走在大街小巷,随处都可见它的身影。

比如十字路口的交通指示灯,各大超市、商场门前的广告牌,银行、机场候客厅的显示牌,体育场的计分牌等目前大都是用的LED显示屏。

在短短的近十来年中,LED显示屏迅速成为平板显示领域的主流产品,也是目前国际上通用的先进显示媒体之一。

本论文主要介绍了基于STC89C51单片机控制LED点阵实现对汉字图形的智能显示的设计与开发。

论文在介绍有关LED显示技术的理论知识的基础上,深入分析了8×8LED点阵显示屏控制电路的设计与开发,进而介绍了16×16LED点阵显示屏控制电路的设计和开发过程。

在设计开发中,程序采用的是C语言编程；硬件电路采Protues软件进行了仿真,在仿真成功的基础上,最终实现了LED显示屏控制器,并在此基础上最终实现了LED显示屏扩展控制。

本论文主要介绍的设计与开发主要工作内容有：

1.用C语言编程实现单片机对LED显示屏的各种显示功能控制,实现对汉字、图形的智能显示。

2.设计与开发控制器硬件电路,用Protues软件、keil软件等实现硬件电路的仿真和系统软、硬件统调。

3.在仿真基础上绘制硬件电路布线图,制作LED显示屏控制器,并将程序下载到控制器中,实现对显示屏各显示功能的独立控制。

单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，就是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、中断系统、定时器/计数器以及I/O接口电路等部件集成在一个芯片上[1]。

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

单片机具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点[2]。

因此，它应用广泛前景美好，它的实用性大大地提高了我对毕业设计的兴趣。

在我国，单片机的开发应用已有15年左右，已经形成一支庞大的技术开发队伍，为我国单片机应用积累了丰富的经验。

随着电子技术、计算机芯片技术和微电子技术的飞速发展促进了单片机技术一日千里的变化[3]。

随着半导体技术的飞速发展，以及移动通信、网络技术、多媒体技术在嵌入式系统设计中的应用，单片机从4位、8位、16位到32位，其发展历程一直受到广大电子爱好者的极大关注。

单片机功能越来越强大，价格却不断下降的优势无疑成为嵌入式系统方案设计的首选，同时单片机应用领域的扩大也使得更多人加入到基于单片机系统的开发行列中，推动着单片机技术的创新进步。

然而传统的单片机系统开发除了需要购置诸如仿真器、编程器、示波器等价格不菲的电子设备外，开发过程也较繁琐。

来自英国LabcenterElectronics公司的Proteus软件很好地诠释了利用现代EDA工具方便快捷开发单片机系统的优势。

它包括PROTEUSVSM（VirtualSystemModelling）、PROTEUSPCBDESIGN两大组成部分，在PC机上就能实现原理图电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证以及形成PCB文件的完整嵌入式系统设计与研发过程。

单片机系统作为一种典型的嵌入式系统，其系统设计包括硬件电路设计和软件编程设计两个方面，其调试过程一般分为软件调试、硬件测试、系统调试3个过程。

如果采用单片机系统的虚拟仿真软件——Proteus，则不用制作具体的电路板也能够完成以上工作。

1背景知识

1.1LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

1.2LED的种类应用及其发展历史

LED（lightemittingdiode）是发光二极管的英文缩写，它是一种电致发光器件。

目前，LED产业已经走过了它的发展初期和中期，普通LED的应用已经成为过去，高亮度LED的使用也已无需着力推广。

另外，中小功率超高亮LDE亦已诞生，并正在以极快的速度走向应用。

显示方面，LED被广泛应用于电子电器、工业设备等各类产品的状态性能显（指）示，也被越来越多地制作成多媒体平板显示屏、交通信号灯等等。

LED的应用虽然已经具有了很广的范围、很大的规模，但是,由于LED拥有很多社会应用所需的优点、相关技术也有很大的发展空间，因此，LED有着更为美好的前景。

目前技术条件下，LED已经显示出了众多的优点与传统的显示媒介相比，有以下特点：

（1）是寿命超长，业内公认的平均值达10万小时，可期望目标将会达到25万小时；

（2）是色彩丰富，LED已经实现了多个波长的单基色，有红、琥珀黄、黄、绿、蓝等，基本满足了应用领域对LED色彩的要求，随着更多新材料的开发，还会实现更多的基色及至全彩色；

（3）稳定可靠，在LED的寿命期内，LED

差不多都能稳定的工作，维护工作量极小；

（4）电气安全性高，LED一般工作在低电压（6-24V、小电流（10-20mA）

情况下，属弱电级工作器件，有较好的电气安全性能；

（5）节能环保效率高，在同等亮度下，LED的耗电仅为普通白炽灯的1/10，而且不存在有害金属汞污染等问题，符合社会发展趋势；

（6）应用灵活性好，LED可进行低压供电，也可110V/220V电源供电，加上单粒LED的体积小（芯片更小），只用3-5平方毫米，大大方便了工程应

（7）受控制能力强，现有的技术已经可以实现LED的亮度、灰度、动态显示，分

布控制等，是其它发光装置无可比拟的；

（8）抗震性能优越，LED的坚固、耐震、耐冲击性能，超过了目前所有其它类型的电光源产品；

（9）响应速度快，LED的响应速度在毫秒级，可以自如有效地应用于显示屏、汽车刹车灯、相机闪光灯等；

（10）显色性能良好，白色LED目前的显色指数Ra达到了70以上，色温范围从3600K11000K（随荧光粉不同而变），而且已经获得了实验室提高的方案；另外还有亮度、无干扰、方向性好等等也是十分有用的优点。

当然，LED产业内还有不少问题需是可见光波段实现全覆盖，最好能达到自然光的水平；显色性仍显不高，理想水平是黑体相达到Ra=100；亮度需要有效地提高，包括发光效率的两个方面（内量子效率和光输出效率）和功率的提高；另外还有体积、成本、专用集成电路、驱动器、“冷光”感等问题。

纵观LED的发展，我们不难发现，LED产业的发展极大地缘于技术的进步，而技术进步的动力则是来自于应用的需求，亮度的提高、基色的丰富、功率的增加等等无不此。

可以推想，未来的LED产业，一定会根据应用的要求，在亮度、功率、基色等技术方面进一步突破，使不同类型的LED更加广泛地被使用，并且还会逐步地建立起各自相对独立的应用领域，从而步入LED细分时代，我们有理由相信，亮饰、照明、显示将会首先独立出来，形成LED应用的专门领域。

当然,从技术关联角度看，未来的LED产业会像一棵树，细分出来的专门领域其源头仍会统一在芯片材料的生产上，不同领域的LED应用会得到不同技术支持

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。

到了80年代初，出现GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。

90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料开发成功，大幅度地提高了LED的光效。

在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。

最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。

当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1 lm/W。

70年代中期，引入元素In和N，使LED产生了绿光（λp=555nm）、黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1 lm/W。

到80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。

进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1992年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明[7]。

这样整个可见光 波谱内的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。

 A．发光颜色 从出光颜色上可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光、白光等。

B．按发光强度分 

按发光强度分有普通亮度的LED（发光强度<100mcd），高亮度LED（发光强度>l00mcd），发光强度在10000mcd以上的称超高亮度发光二极管。

 C．按发光管出光面特征分 

按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。

圆形灯按直径分为φ2mm,φ4.4mm,φ5mm,φ8mm,φ10mm及φ20mm等。

人们通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的记作T-1（3/4）。

 D．按发光强度角来分 

从发光强度角分布图来分有三种：

高指向型，标准型和散射型。

高指向型一般为尖头形环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂，半强度角为50-200或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用；标准型的半强度角为200-450，通常作指示灯用；而散射型的半强度角为450-900或更大，散射剂的量较大。

LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。

最初，LED的发光量很小，主要采用支架式封装，应用于电子电气、自动化系统、家用电气和交通运输工具等上面作指示性照明。

进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，AlGaInP等超高亮度LED逐渐进入市场并占据重要地位。

1998年，蓝色和白光LED研制成功，LED照明进入了实施阶段。

此后国内外科研机构对高亮度LED器件中存在的散热、光衰和显色指数的控制等重大问题进行了深入的研究，获得了很大的进步，其发光效率迅速提高，高亮度LED显示出在照明领域的巨大潜力。

就目前来说，长距离无线通信技术的代表为GSM、GPRS、3G，短距离无线通信技术的代表为WLAN、蓝牙、RFID等。

未来无线通信技术将向着宽带化、分组化和个人化发展

1.3无线通信技术研究现状及发展趋势 

随着科学技术的发展，信息化成为了目前的潮流，无时无刻的影响着人类的生活方式。

人们要通过信息化来开创新的工作管理方式、金融贸易模式、交流教育模式以及消费生活模式，对无线通信技术也提出了更高的要求，无线通信技术由此得到了飞速发展，大约分为五个阶段：

第一阶段为20世纪20年代到50年代，主要为军用，采用短波频及电子管技术，在该阶段末出现了150MHz VHF单工汽车公用电话系统MTS；第二阶段是50至60年代，通信频段扩展至450MHz，器件技术向半导体过渡，解决了移动电话与公共电话网的连接问题；第三阶段是70至80年代，通信频段扩展至800MHz，美国贝尔研究所提出了蜂窝系统概念并进行了AMPS实验；第四阶段是80至90年代中，此阶段移动数字通信得到了极大发展，并逐渐向个人通信业务迈进，此时出现了D-AMPS、GSM、CDMA等各类系统，频段扩展至1.9GHz，无线寻呼、无绳电话、集群系统等各类通信手段也随着用户市场需求而兴起；第五阶段是90年代中至今，随着通信业务及多媒体技术的发展，适应移动数据、移动计算、移动多媒体控制需要的第三代移动通信技术开始发展，全球标准开始统一，开始由第二代移动通信技术向第三代平滑过渡，移动设备接入Internet的无线通信协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Bluetooth）已经产生。

第二章硬件设计方案

2.1主要内容与意义

主要研究的内容是研究制作一种基于无线数据传输的LED点阵显示系统，系统下位机部分可以完成文字、图形、符号的显示以及简单的滚动动画效果，用户可以通过电脑上位机进行控制，以无线数据传输的方式远程实时改变下位机的显示内容及动画效果。

 研究如何将无线数据传输技术应用于LED显示设备，可以促进无线通信领域的发展，扩大LED显示在各个领域的应用范围，具有重要的科学意义。

我国经济发展迅猛，对于信息传播的要求越来越高，可以预见LED显示屏将以其色彩鲜亮、显示信息量大、耗电量小、寿命长、空间尺寸小、重量轻、稳定安全、易于安装控制等优点代替传统灯箱、霓虹灯的地位，在未来社会发展中扮演越来越重要的角色，前景十分广阔

2.2设计思想

智能远程控制LED显示设备设计任务基本可分为两步：

1.单片机如何正确接收由上位机远程发送的控制命令及显示代码。

2.单片机如何驱动LED点阵显示屏完成动态扫描显示，从而实现实LED流星雨灯的左右循环显示、调速、控制亮度的功能。

系统大致分为上位机部分和单片机终端两部分。

上位机部分由上位机、串口转换模块、无线发射模块组成，单片机终端部分由单片机最小系统、电源模块、LED显示模块、无线数据接收模块组成。

上位机由用户输入控制指令及显示代码信息，用户可以选择要显示的信息、显示控制指令如滚动等，然后将其通过USB转TTL芯片发送给无线发射模块，无线发射模块将数据进行调制然后发送。

无线接收模块接收上位机远程发送的控制命令及显示代码，将其存入缓存，待全部数据接收完毕后，通过驱动程序将数据发送到显示模块，通过LED显示模块将数据显示出来，单片机由蓄电池供电。

各个模块相辅相成，构成整个系统。

分别控制流水灯的调向、加速、减速、变亮、变暗。

在设计过程中，

无线数据传输方式的选择 

目前市场上现有的比较成熟的无线数据传输方式主要有RF无线（Radio Frequency）、GSM、GPRS、红外传输、蓝牙（Bluetooth）几种。

（1）RF无线 RF射频技术目前已经较为成熟，广泛应用在小区门禁、无线抄表、安防系统、数据传输等各种领域，市场上相关的RF模块也种类繁多。

RF模块的工作频率通常有315MHz、433MHz、2.4GHz几种，对应的数据传输速度也不同，约从9KB/s到1MB/s不等，数据传输距离通过增大发送功率和延长天线最远可以达到上百米。

（2）GSM GSM是全球移动通信系统（Global System for Mobile communications）的简称，是当前应用最为广泛的移动电话标准。

GSM一般通过手机发送含有控制指令的短信，通过移动网络进行远程数据传输，但是手机短信能够包含的信息数量有限，只能预先约定对应的控制指令，并由单片机从子库中调用点阵数据，无法显示复杂图形，虽然控制距离较远，但会产生流量费用。

（3）GPRS GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service）的简称，GPRS可以看成是GSM的进阶版本，数据发送速度较GSM方式有了较大提升，理论上只要有移动网络覆盖的地方都可以进行无线数据传输，但是实际价值不大，仍然会产生流量费用。

（4）红外传输 红外传输是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的载体。

发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。

接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

传输速度较快，但是距离很短，而且只能直线传输，不符合本设计的要求。

（5）蓝牙 蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的距离数据交换，使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。

蓝牙方式也如红外传输方式一样受到距离限制，而且传输速度一般，不适合在本设计中使用。

RF技术现今已较为成熟，无线数据传输速率与距离也可以满足设计要求，成本较低，较GSM及GPRS方案不会产生流量费用，综上所述，我们选用RF无线传输方式进行无线数据传输。

2.3硬件选择

2.31无线收发选取

无线收发模块选择WSN-1101无线透传模块，WSN-1101无线透传模块是一款高稳定性、高性价比、低功耗的无线微功率透明数据收发模块。

该模块相对一般模块具有尺寸小、灵敏度高、传输距离远、通讯速率高、内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。

模块利用了多频段、多信道来降低传输过程中的干扰以提高传输性能。

模块具体功能参数如下：

①工作频段：

433MHz； 

②GFSK调制方式，半双工通讯，空中收/发转换、连接、控制自动完成； ③接收灵敏度高达-116dBm，传输距离100-200米； ④接收工作电流<10mA，休眠电流<20uA； 

⑤通讯协议转换及射频收发切换自动完成，简单易用； 

⑥串口速率1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200，可通过软件配置

⑦宽电压范围工作：

3V-5.5V； 

⑧用户可以通过PC串口、单片机串口以及远程无线配置方式，设置串行速率、工作信道、发射功率等参数。

图1模块外观 

透明传输就是在传输过程中，对外界透明，就是说你看不见他是传送网络，不管传输的业务如何，只要负责将需要传送的业务传送到目的节点，同时保证传输的质量即可，而不对传输的业务进行处理，简单的来说就是发送什么接收的就是什么，这样就省去了普通无线收发模块之间的收发协议的编写。

不使用无线透传模块时，左边设备向右边设备发送数据是通过TXD端口串口发送，右边设备的RXD端口接收发送的串口数据，反之亦然，如图2。

图2

而使用了无线透传模块后，左边的设备向模块发送串口数据，左边模块的RXD端口收到串口数据后，自动将数据以无线电波的方式发送到空中，右边的模块能自动

图3

具体连接方式为，电脑上位机通过USB转TTL串口模块引出5V、GND、TXD、RXD四条引线并连接到无线透传模块作为发送模块的对应管脚，而无线透传模块作为接收模块的一端由单片机引出5V、GND、TXD、RXD四条引线并连接到对应管脚，即可完成连接。

2.32LED的选取

图48×8LED

图58×8LED内部电路图

模块内部分别将各行LED的正极串联，将各列LED的负极串联，当第x行接通电源正极，第y列接通电源负极，当正向电压大于LED死区电压时，电流导通，对应的第x行第y列LED灯点亮。

8×8LED模块的两排引脚一排是阳极引脚，分别对应模块从上到下的8行，另一排为阴极引脚，分别对应从左到右的8列，在对应引脚上给电即可使对应行列的LED灯点亮。

2.33LED驱动电路设计

当向LED原件施加正向电压时，流过它的正向电流使其发光。

因此LED的驱动就是解决如何使其P-N结处于正向偏置的问题。

而且为了控制它的发光强度，还要解决其正向电流的调节问题。

具体的驱动方法可以分为直流驱动、恒流驱动和脉冲驱动：

①直流驱动直流驱动是最简单的驱动方式，LED的工作点由电源电压Vcc、串联电阻R和LED器件的伏安特性共同决定。

这种驱动方式适合于LED器件较少，发光强度恒定的情况。

例如公交车恒定显示“XX路”等字样的情况。

②恒流驱动由于LED器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。

若对LED器件进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近，晶体管的输出具有横流特性，所以可以用晶体管驱动LED。

一般LED允许的连续工作电流在20mA左右，除了红色LED有饱和现象外，其他颜色LED的亮度基本上与流过的电流成比例。

③脉冲驱动利用人眼的视觉惰