智能远程控制LED显示设备设计.docx

1、智能远程控制LED显示设备设计智能远程控制LED显示设备设计摘要：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L

2、ED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Intelligent Wireless Control LED Display Equipment DesignAbstract：With the continuous developmen

3、t of the society, the application of LED in the social life has become more and more popular. Its high efficiency, environmental protection, energy saving, low cost and so on the advantages make it popular, in the display field has been widely used. However, the wired transmission, display data led

4、dot matrix screen to install the inconvenience, poor mobility. In addition, LED dot matrix screen size for block fixed, the installation can not according to need to adjust. To solve the above problem, this topic developed a using intelligent remote control model of LED lattice screen system, system

5、 by wireless communication control. At the same time, using modular design of LED display screen, makes the screen size can assembled according to the actual need, to improve the practicability and avoid the shortcoming of the LED display device.At first, the article introduces the intelligent remot

6、e control LED display of the overall design of the equipment, according to the functions of the application system is divided into five modules, respectively for the PC to send module, wireless transmission module, wireless receive module, display module and power supply module. Then, the hardware d

7、esign and software design of each module are described in detail. The hardware design aspects of the LED dot matrix display driver circuit design, software focus on the PC and the lower computer wireless control design. Finally, the LED lattice display part is simulated by Proteus, and the laborator

8、y prototype is made, and the basic function of the system is realized.Keywords:：Single Chip Microcomputer；LED；Wireless Control1.绪论1.1课题内容及意义本课题是在导师指导下选择的，课题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

9、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。1.2国内外研究现状1.2.1LED研究现状及发展趋势发光二极管又名LED（Light-Emitting Diode），它是一种能将电能转化为可见光的半导体电子元件。由于西方经济发达，对LED的研究也早于国内。LED显示设备在上世纪80年代后期在国外得到迅速发展，在照明、传媒等领域，基于

10、LED技术的各种显示设备渐渐崭露头角，成为受到广泛关注与应用的新型显示媒体。关于LED显示设备的发展，目前大致可以分成三个阶段：第一阶段是上世纪90年代之前，这个阶段是LED产品的实用化阶段，自1962年第一个商用型LED出现以来，受限于当时的科学技术水平，早期LED产品质量一般，功能单一，颜色种类较少，制造成本偏高，显示效果不理想，很难满足人们的各种使用要求；第二阶段是上世纪90年代到本世纪初，随着微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展，半导体制作技术和加工工艺的成熟和完善，LED灯的性能得到了较大的提升，成本更低，亮度更高，寿命更长，拥有了更广扩的应用前景，LED显示设备也得到了广泛

11、的关注和研究应用。在这个阶段相继出现了超高亮红色、蓝色、绿色LED，使得实现彩色LED显示屏成为了可能；第三阶段是21世纪初至今，LED显示设备因其种种优势得到了社会的广泛应用，人们对于其性能也提出了更高的要求，目前正朝着更高亮度、更强的环境适应能力、更高的发光均匀性以及全彩色化方向发展，采用智能控制的LED显示系统将给人带来更优质的服务，LED显示行业也将经历从单一的做产品，到设计产品，再到提供整体解决方案的发展历程。目前由单片机控制的LED点阵显示器方案已趋于成熟。目前的研究方向主要是LED显示设备控制的简化和多样化，如设计简易的控制器控制LED显示屏的显示内容、亮度、速度等，还有用多种方

12、式控制LED显示屏，如GPRS、GSM等各种无线控制方案。1.2.2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

13、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（Bl

14、uetooth）已经产生。（摘录：中国无线通信科技发展史和未来走向）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主要研究内容及论文结构远程控制LED显示设备，利用远程发布平台，可解决了连锁型商业网点宣传推广方面对于高效、统一的业务需求，可应用于金融、医药、校园、餐饮、社区、商超、企事业单位等行业。主要研究的内容有：1了解LED显示设备和无线数据传输原理；2熟悉智能远程控制LED显示设备功能，选择并设计控制电路、显示电路和信号处理电路，绘制系统总体结构图，控制单元、显示

15、电路和信号处理电路电气原理图。3根据工作原理，绘制软件工作流程图，编写算法软件。4制作实验室原型。5.详细分析和说明系统工作原理和工作过程，编写设计说明书。文章共分为五个章节，第一章为绪论部分，总体说明了本课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求，国内外对LED以及无线通信技术的研究现状及发展趋势，并给出文章的整体布局划分。第2章为系统总体设计部分，详细分析了智能远程控制LED显示设备的总体需求，给出了系统整体方案，对各个模块的选型及原因做了简要说明，对各种无线数据传输方式进行简要介绍及对比，选择相应技术方案。第3章为系统硬件设计部分，给出了系统各模块的硬件电路设计图，包括单片机最小系统、

16、电源模块、LED显示模块、无线数据收发模块、串口模块。第4章为系统软件设计部分，简单介绍了所使用的软件平台Keil、Proteus，给出了软件设计的思路及软件设计流程图，给出了相关的C程序。第5章为总结部分，给出所制作的系统实物测试成果，总结研究工作进行的归纳和综合，以及进一步开展研究的见解与建议。2.系统总体设计本章通过对课题具体要求加以分析，提出了系统设计总体结构框架，简要介绍比较了各种无线数据传输方式，根据系统需求选择了无线射频（RF）方式，对各个模块的功能及选型简要介绍。2.1系统总体框架智能远程控制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

17、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，从而实现实时显示汉字的目的。根据系统的功能需求，结合考虑各种因素，我们设计出了系统的总体框架。系统总体框架图如图2-1：图3-1 系统总体框架图由上图可以看出，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

18、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。2.2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9K

19、B/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）GSMGSM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）GPRSGPRS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

20、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短距离数据交换，使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包

21、，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主要模块基本功能及选型将整个系统划分为以下模块，各个模块之间相互配合实现智能远程控制LED显示设备的功能。（1）单片机模块单片机模块是整个下位机系统的大脑部分，他接收来自无线接收模块的数据，将其解析处理后送入缓存并发送给LED显示。本设计中选用STC公司的STC89C52系列芯片，它是采用了8051内

22、核的在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，拥有40个引脚，片上集成512字节RAM数据存储空间，6K字节FLASH程序存储空间，2K字节E2PROM存储空间，数据可反复擦写100000次以上。此外他还有8个中断源，4个优先级，3个定时器，完全可以满足本设计的需求。（2）无线收发模块本设计中选用WSN-1101无线数传模块，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。用户可以通过PC串口、单片机串口

23、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。 （3）LED显示模块本设计采用四块型号为LDM-1088BS的88红色共阳LED点阵组成1616大小的点阵屏幕，驱动部分采用两块74HC595移位寄存器芯片负责行输出数据，两块74HC164移位寄存器芯片负责列扫描数据，列扫描采用三极管放大驱动电流，提高LED显示屏的亮度。（4）串口模块串口模块主芯片采用CP2102，CP2102其集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件，安装驱动后即可生成虚拟串口，通过USB

24、取电，引出接口有3.3V、5V、RX、TX、GND五种，可以方便的将USB接口扩展为RS232串口以连接无线发射模块。（5）电源模块电源模块采用7V蓄电池供电，采用低压差三端稳压器LM2940T，可以将7V输入电压转化为5V电压输出，输出电流1A，内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。并在电源模块中加入了一个六角拨动开关控制电路的通断。3硬件设计3.1单片机最小系统单片机选择STC公司的89C52RC系列单片机，它是STC公司推出的新一代单片机，完全兼容8051单片机的程序指令，具有超强抗干扰、高速、低功耗等优点，其主要性能参数如下：适应3.4V-5.5V工作电压

25、；工作频率范围为0-40MHz，相当于8051单片机的0-80MHz，最高可达80MHz；拥有512字节RAM数据存储空间，6K字节FLASH程序存储空间，2K字节E2PROM电可擦除只读存储器；具有40个引脚，32个通用I/O口；具有ISP功能，无需专用编程下载器，通过串口（P3.0，P3.1）即可下载程序至单片机；具有8个中断源，4个优先级，3个定时器；具有看门狗定时器功能；支持通用异步串行口（UART），还可通过定时器软件实现多个UART。单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，基于8051系列单片机的最小系统应该包括单片机、复位电路、晶振电路，

26、如图3-1：图3-1 单片机最小系统单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，可以按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。8051系列单片机在当RST引脚上的高电平持续两个机器周期以上即可复位，所以VCC上电时，电容C3充电，在电阻R1上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，电阻R1上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下按钮，C3放电。按钮松开，C3又充电，在电阻R1上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。晶振全称

27、晶体振荡器，在单片机工作中晶振电路起到了非常重要的作用。它结合了单片机的内部电路，为单片机工作提供了最基本的时钟信号。晶振选择11.0592MHz，用于得到精确的9600及19200波特率。在实际焊接最小系统的过程中，VCC口额外添加了一个LED电源指示灯，只要联通电源指示灯就会亮起，电源按钮用来控制最小系统的通/断电。实际单片机最小系统成品如图3-2：图3-2 单片机最小系统成品3.2无线收发模块无线收发模块选择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

28、、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：工作频段：433MHz；GFSK调制方式，半双工通讯，空中收/发转换、连接、控制自动完成；接收灵敏度高达-116dBm，传输距离100-200米；接收工作电流10mA，休眠电流20uA；通讯协议转换及射频收发切换自动完成，简单易用；串口速率1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600/115200，可通过软件配置；宽电压范围工作：3V-5.5V；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

29、数。模块具体外观如图3-3：图3-3 WSN-1101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3-4：图3-4 设备数据发送原理图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

30、的方式发送到空中，右边的模块能自动感应并接收数据，从TXD端口还原发送最初左边设备所发的串口数据至接收端的RXD端口，反之亦然，原理图如图3-5：图3-5 无线透传模块数据发送原理图无线透传模块拥有5个管脚，各管脚定义如下表：表3-1 管脚定义表管脚名称方向说明1VCC-模块供电2GND-模块接地3TXDOUTPUT模块发送4RXDINPUT模块接收5SETINPUT模块配置具体连接方式为，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

31、到对应管脚，即可完成连接。3.3LED显示模块3.3.1 LED发光原理罗瑟夫（O.W.Lossew）在1923年就发现了半导体中偶然形成的P-N结光发射现象，其发光机理是，当在P-N结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子-空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。我们最常用的LED是INGaAsP/INP双异质结边发光二极管。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，在热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多迁移率较低的空穴，由于P-N结阻挡层的限制，常态下两者不能发生复合。而当给P-N结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过P-N结的势垒进入到P

32、区另一侧，于是在P-N结稍偏于P区一边的地方处于高能态德尔电子与空穴相遇时，便产生发光复合，光的波长则取决于材料的禁带宽度Eg。由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的LED可以发出不同波长的光。3.3.2 88LED模块显示原理88LED模块由8行8列共64个LED组成，用以显示各种文字或图形，如图3-6。图3-6 88LED模块外观数据它的工作原理如图3-7，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。88LED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。图3-7 8