本科毕业设计汉字显示.docx
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本科毕业设计汉字显示
本科毕业设计
题目：
单片机汉字显示屏设计
学院:
信息科学与工程学院
专业:
自动化
学号:
201004134047
学生姓名:
张青原
指导教师:
陈林
日期:
二〇一四年五月
摘要
LED显示屏是一种新型信息显示媒体，集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。
以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定特点，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面。
本文设计了基于单片机的LED汉字显示屏。
给出了系统框图，硬件模块设计图、软件流程图和程序。
硬件模块设计方面，主控制系统采用单片机控制方式，实现点阵LED显示屏的驱动及信息的保存与显示。
LED显示点阵主要由LED、字模及其电路构成。
通过单片机的控制驱动电路，采用扫描方式进行显示。
用C语言进行软件设计，增加了程序的可读性和可移植性。
为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。
通过试验实现了汉字的滚动显示功能，达到了预期效果。
关键词：
LED,点阵,字模
Abstract
LEDdisplayisnewinformationshowsthatthemediasetmicroelectronictechnology,photonicstechnology,computertechnology,informationprocessingtechnologyinthelarge-scaleintegrateddisplaysystem.Withitscolorful,widedynamicrange,high-brightness,longlifeandperformancecharacteristicsofstability,widelyusedinadvertising,securities,informationdissemination,pressreleases,andsoon.
ThispaperwasdesignedbasedonSCMLEDdisplayChinesecharacters.ByGivensystemdiagram,hardwaremoduledesign,software,flowchartsandprocedures,hardwaremoduledesign,themaincontrolsystemusingSCMcontrol,anddot-matrixLEDdisplaydriverandthepreservationanddisplayofinformation.LEDdisplaylatticemainlybytheLED,word-modelanditscircuit.SCMcontrolthroughthedrivecircuit,ascanshowedthatway.Clanguagesoftwaredesignedtoincreasethereadabilityoftheprocedureandportability.Inordertofacilitatetheexpansionandchanges,thesoftwaredesignismodularstructure,sothatthelogicofrelationsmuchconcisely.ThroughthepilotrealizedtherollingdisplayChinesecharacters,achievedtheexpectedresults.
Keywords:
Led，field-array,word-model
第一章绪论
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。
它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面，是目前国际上极为先进的显示媒体。
1.1LED显示屏的研究背景及意义
在现代信息化社会的高速发展过程中，最具意义的莫过于大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。
随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。
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、二维动画、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显示屏是集光电子技术、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、计算机屏幕同步的图形。
它以其超大画面、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。
在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体：
但就其性能看：
如阴级管（crt）或石英管（dv）大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差（画面受光不均匀）；电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。
而LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。
LED显示屏的发展主要经历了三个阶段：
1、1990年以前LED显示屏的成长时期。
一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展；另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，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，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。
2、1990-1995年，这一段是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，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产业格局调整完善的时期。
进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展。
1.2LED显示屏的技术现状及发展趋势
LED显示屏的技术范围包括半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关技术。
1、显示颜色、亮度和视角
基础半导体工业的迅猛发展，带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃，高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并得到应用。
首先要按照亮度指标选择LED或者显示模块，其次是根据选择的产品红、绿、蓝颜色的亮度来确定哪一种颜色为基准，一般是将亮度比例低的一种作为亮度基准，当基准的一种已经达到最大亮度时，调整另外一种（双色）或两种（全彩）。
显示屏幕是双色时，大多数情况下以绿色为基准，调整红色二极管的工作电流。
一般是降低工作电流，一平衡颜色黄色为调整标准，这样就要减小整个显示屏幕的亮度。
显示屏的颜色调整至最佳平衡状态，则会使屏的亮度降低。
如果显示屏幕为了达到亮度要求，将每一种颜色都达到最大的亮度，那么就失去了颜色的平衡，例如：
双色屏幕的黄颜色偏红，或者偏绿。
目前LED显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求，四元素的红色LED器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用。
在显示屏制作上采用SMD表贴技术的LED器件，可以获得更好的视角和亮度，目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用，但相对成本比较高，随着器件成本的降低，未来会有比较大的市场潜力。
2、灰度控制技术
LED显示屏在进行图文显示时，对同一基色采用级差间隔亮度，实现颜色的组合，一般可做到16级、64级、256级灰度。
为使显示效果更符合人眼的视觉特性，出现了非线性级差调灰技术，即在低亮度区级差小，增加级数，逐步到高亮度区时增大级差，形成视觉效果上的“级差一致性”。
目前LED显示屏灰度控制一般都在256级，通过采用非线性调灰技术，显示屏的显示效果比较理想。
实际上、受数据、图像的信号源的制约，单纯追求大数量级的灰度控制，在使用中的实际价值是值得商讨的。
3、驱动电路
LED正向导通电压的典型值3.0V~4.0V，驱动电流为20mA。
如果只是用一个固定的正向电压驱动LED，可能会产生变化范围较大的正向电流，例如用3.4V驱动6只LED，相应的正向电流差别较大：
10mA~44mA，取决于具体的LED特性曲线。
为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求，典型最大值一般为30mA，但是，当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达到50℃时电流需限制在20mA以内。
在实际运用中，负载常采用通过串并连形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应该相应变化。
LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的，原理比较简单，价格便宜，产品的技术开放性比较强。
通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟，目前仍然是主流的驱动电路。
近年恒流驱动IC的发展较快并受到重视和广泛应用。
恒流驱动技术根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点，大大提高了LED显示的均匀性，同时，减少了显示驱动电路的阻容元件，降低了故障点，使LED显示屏更可靠、亮丽。
LED显示屏专用的IC一直受到关注。
一些IC制造商相继推出一些用于LED显示的专用IC驱动芯片，如TI公司推出的LEDDriver等，这类芯片对原来通用驱动IC的集成度进行了提高，使显示屏的驱动电路设计简捷方便，功能上也有所提高，经过研制开发设计适合发展需要的大规模或超大规模专用LED驱动电路，这类专用IC相对复杂，功能较强。
LED专用驱动IC简化了显示屏系统设计的复杂程度，在一定程度上增强了显示屏的功能，提高了整体的稳定性，具有积极的意义。
4、系统控制技术
控制系统是为了达到实现用“计算机”来控制“LED电子显示屏”而专门设计的。
显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为业内关注并研究开发和应用的关键技术包括：
串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制技术等。
显示屏后的单片机、电子部件实现电子显示的功能。
其信息的动态变换、刷新，就得通过通讯线，由计算机来控制。
“通用图文屏管理系统”就是专门为此而设计的电脑方面使用的软件。
能方便实现发布信息的内容输入、编辑排版、动态显示等全部功能。
力图实现“所见所得”的效果－－即电脑屏幕所见的效果，就是LED电子显示屏所显示的效果！
5、通信传输和网络控制
对于信息的发送方式：
一种是用232通讯，利用计算机串行口COM1～COM4通讯，此方式通讯速度较慢，且距离不能太远，只有30米左右；另一种是采用在计算机上加插一块通讯卡的422通讯方式，此方式通讯速度快，且距离远，可达1000米左右。
发送功能涉及到上端与下端方面的通讯。
在电脑终端的信息数据通过“通讯协议”与单片机实现数据传递，达到电脑智能终端控制电子产品的“电子自动化”的目的。
根据对信息传输显示的实时性，LED显示屏的通信传输控制有通信传输和视频传输。
视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来，实现了在LED显示屏上实时显示计算机监视器上的内容，也可播放录像及电视节目，一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制方式。
具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。
另外，随着计算机网络技术的发展，LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。
现在一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏，其实LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，这里所谓的图形，是指由单色固定亮度的点阵线条组成的任意图形，其中LED点阵发光器件或发光或熄灭，即只有两种状态。
本系统设计正是基于LED图文显示屏实际应用，着重实现LED显示屏的图文编辑及设备驱动。
1.3LED图文显示屏软件模块工作原理
LED图文显示屏软件系统的功能是实现需要联机动态显示和更新部分或全部LED图文显示屏系统显示内容。
动态显示只是对文字显示来说的。
在应用软件的支持下，录入的文字实时的由计算机下载给主控制器，并实时进行显示；更新显示内容时，计算机将录入的文字或图形数据下载给主控器，并存入存储器中。
录入完毕移去计算机后，将显示更新后的内容；也可由计算机下达命令，显示固化的内容。
因此，相应的应用软件主要由主界面、动态显示界面、图象预览界面、串口校验等界面组成。
设计的应用软件在Windows操作系统下使用。
1.3.1主控制界面的工作原理
系统采用Windows标准风格的下拉菜单主界面，应该实现如下功能：
在窗体菜单栏选择在更新显示内容时的图形、文字的编辑，颜色的选取控制，对于字模的提取与保存的控制以及对于存储的待显示信息的优化处理，动态效果的添加，文件传输前的调整和设备通讯前的设置功能。
1.3.2效果处理界面原理
系统要求满足：
将保存后的单屏静态显示效果的信息文件打开，通过手工设置，确认将要实现如瞬间显示，由左至右滚动显示的效果；可以通过手工添加实现多屏文件保存成一个文件通过串口传输。
1.3.3设备通讯界面功能
系统要求满足：
在遵循串口通讯协议基础上，通过设置各项属性参数，实现文件传输功能。
界面能够显示传输状态的文件信息，传输状态以及传输进度等。
1.4LED图文显示屏硬件模块工作原理
图文显示屏的硬件模块基本结构可以分为屏体和控制器两大部分。
1.4.1屏体部分结构与功能
屏体部分主要是LED和行列驱动电路构成。
不论是图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光。
根据屏幕所需的平面面积大小，选择一定数量的LED。
像数码管一类的LED显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置都是空白的，因此相对价格比较便宜。
但是，由于数码管显示的信息有限，只有0--9（或再扩展到A--F）几个字符，这些字符的变化是靠组合7段LED的发光与否实现的。
由于段数不多，组合形成的字符也不多。
而用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，每个LED发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部的LED进行控制，在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否则填0，这样依照所需显示的图形文字，按显示屏的各行各列逐点填写显示数据，就可以构成一个显示数据文件，得到满意的显示效果。
由于文字的显示点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模，如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有8*8、16*16、24*24、32*32、48*48等不同规格。
图文显示屏的颜色，有单色、双色和多色几种。
本系统根据实际应用环境采用的是单色图文屏，采用红色的LED点阵单元，具体设计将在后面章节阐述。
对于双色图文屏和多色图文屏来说，在LED点阵的每一个“点”上布置两个或多个不同颜色的LED发光器件，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。
显示的时候，各个颜色的显示点阵是分开控制的。
事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期的效果。
每一种颜色的控制方法和单色的完全相同。
在显示效果方面，完全可以通过扫描驱动方式实现可以感知的静止不动的效果---静态显示模式；通过随时间变化不断控制刷新显示数据可以实现各种动态显示模式，如闪烁、平移、旋转、缩放等，但这里对显示的数据进行的刷新并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。
1.4.2控制器结构与功能
由M行N列组成的M*N图文显示屏其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路，而采用多行的同名列共用一套列驱动器。
控制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。
这一行上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。
这种时序控制电路，可以由布线逻辑完成，但考虑显示数据的存储和设计的灵活性及通用性，一般都采用单片机实现。
1.5设计研究的主要内容和要求:
1）掌握LED点阵汉字显示屏工作的基本原理，设计点阵式LED显示电路，实现汉字2）滚动显示；
3）设计系统硬件原理图，并对硬件电路构成及其工作方式详细描述；
4）设计系统应用软件，给出系统程序框图，编制应用系统程序；
5）学习PROTEUS软件，完成单片机汉字显示屏的硬件原理图的设计；
6）调试系统软件,并模拟系统各种运行状态,实现LED汉字显示；
7）在此基础上,撰写毕业设计（论文）。
1.6本章小结:
本章介绍了关于LED的基本概念,包括其工作原理,发展现状及相关技术,与此同时,还述及了LED图文显示屏硬件模块工作原理,控制模块、驱动电路等相关内容,最后归纳了本文研究的基本内容。
第二章系统分析与设计
2.1汉字显示原理
在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用两个字节长度，为了和ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始（小于80H的为ASCII码）；将机内码每个字节的最高位屏蔽掉，再以十六进制的形式显示出来，则为国标码；将机内码的每个字节各减去0A0H再以十进制显示出来，即为该汉字的区位码。
例如“国”字的机内码国标码和区位码:
区位码=机内码—0A0AOH,就“国”字而言,其区位码和机内码的关系为：
195AH（区位码）＝0B9FAH（机内码）—0A0A0H
根据对汉字使用频率程度的研究，可把汉字分成高频字（约100个）常用字（约3000个），次常用字（约4000字），罕见字（约8000个）和死字（约45000个），即正常使用的汉字达15000个。
我国1981年公布了《通讯用汉字字符集（基本集）及其交换码标准GB2312-80方案，把高频字、常用字和次常用字集合成汉字基本字符集（共6763个），在该字符集中按汉字使用的频度，又将其分为一级汉字3755个（按拼音排序）、二级汉字3008个（按部首排序），再加上西文字母、数字、图形符号等700个，国家标准的汉字字符集（GB2312-80）在汉字操作系统中是以汉字库的形式提供的。
汉字库结构作了统一规定如图所示：
图1.1国标（GB2312-80）汉字字符集
即将字库分成94个区，每个区有94个汉字（以位作区别），每一个汉字在汉字库中有确定的区和位编号（用两个字节），这就是所谓的区位码（区位码的第一个字节表示区号，第二个字节表示位号，因而只要知道了区位码，就可知道该汉字在字库中的地址，每个汉字在字库中是以点阵字模形式存储的，如一般采用16×16点阵形式，每个点用一个二进制位表示，存1的点，当显示时，可以在屏上显示一个亮点。
存0的点，则在屏上不显示，这样就把存某字的16×16点阵信息直接用来在显示器上，按上述原则显示则将出现对应的汉字。
如一个“豪”字的16×16点阵字模如图所示，当用存储单元存储该字模信息时，将需32个字节地址，在的右边写出了该字模对应的字节值[3]。
图1.216×16点阵字模图
每一个小方格代表一个点，黑色的为1，白色为0；每一个点看作为一位（bit）。
据此可以描绘出“豪”字的位（bit）信息。
采用行扫描的方式，每八位（bit）为一个字节，这里采用十六进制表示，这样就得到了字模数据。
汉字的显示和输出，普遍采用点阵方法。
由于汉字数量多且字形变化大，对不同字形汉字的输出，就有不同的点阵字形。
所谓汉字的点阵码，就是汉字点阵字形的代码。
存储在介质中的全部汉字的点阵码又称为字库。
16x16点阵的汉字其点阵有16行，每一行上有16个点。
如果每一个点用一个二进制位来表示，则每一行有16个二进制位，需用两个字节来存放每一行上的16个点，并且规定其点阵中二进制位0为白点，1为黑点，这样一个16×16点阵的汉字需要用2×16即32个字节来存放。
依次类推，24×24点阵和32×32点阵的汉字则依次要用72个字节和128个字节存放一个汉字，构成它在字库中的字模信息。
要显示或打印输出一个汉字时，计算机汉字系统根据该汉字的机内码找出其字模信息在字库中的位置，再取出其字模信息作为字形在屏幕上显示或在打印机上打印输出[4]。
2.2LED点阵驱动原理
发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。
我们知道，发光是一种能量转化现象。
当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态越迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式释放数来，就会产生发光现象。
制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。
由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。
而当给PN结加以正向电压时，导带中的电子则可越过PN结的势垒进入到P区一侧。
于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇后便产生发光复合。
这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。
LED发光二极管分为正负二个脚当正负之间加入一定的电压时LED会点亮[5]。
图2.1开启一个LED
图2.2LED显示原理
LED发光时一般电流为3至30mA左右，LED有一定的稳压作用点亮时LED的正负之间的电压为1.8V至2.1V左右，LED加入电压时必须限流，否则会损坏LED。
根据发光亮度的需要，LED的限流电阻可为1K至3K之间这时流过几毫安的电流，当需要较高亮度的显示时，可加入较大的电流。
例如使用+5V供电串接100R的限流电阻则在100R的电阻上有3V的压降，因为LE
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