1、Led dot matrix based on single chip design billboardsAbstract: This design uses STC12C series MCU as a main controller, and depends on a simple external circuit to drive 9616 the lattice LED display. By using its own powerful functions and capacity of internal E2PROM, it is easy to accomplish the MC
2、U and PC and E2PROM for internal storage, data transmission equipment ,and it also can be used conveniently to show a variety of content changes. The other dot matrix display is widely used in hospitals, communications ,airports, banks and other public places. Therefore, the design has a strong prac
3、tical application. The LED Display dynamic scan can show the way at the same time six 16 16 dot matrix Chinese characters, and PC software can modify the content and effect shows, and so on. IAP used in the application of programmable technology, the characters within the code stored in the SCM free
4、 program memory space, so that the LED display system can store 1,024 brown-out characters. SPI used in the design of the interface standard GB2312 character, to support all the GB2312 standard ASCII characters and characters of the show. Because serial transmission used, so that the system can be e
5、nhanced scalability, for a number of display units of the cascade. This article from the start LED display principle, elaborated on the LED display dynamic process, as well as hardware circuit design, computing and software algorithms.Key Words: MCU；Serial Data Transfer；Llattice Llibrary目录1 前言51.1选题
6、的依据和意义51.2国内外发展状况51.3、本课题研究内容62 概述62.1 LED点阵显示屏介绍62.2 LED电子显示屏的分类62.3 LED点阵显示屏的特点：73 显示原理及控制方式分析73.1 LED点阵模块结构73.2LED 动态显示原理83.3 LED常见的传输方式94 硬件电路设计94.1 系统硬件概述94.2 1616LED点阵显示制作114.2.1 1616LED点阵的内部结构及工作原理114.2.2 用88LED点阵构成1616LED点阵124.3 LED显示驱动电路135 字模生成145.1 字模简介145.2 LED显示屏领域字模实现技术145.3字库生成166.软件设
7、计186.1 程序设计总体思路和结构186.1.1 程序设计总体思路186.1.2 程序流程图186.2 各模块程序设计186.2.1 系统初始化186.2.2 LED动态显示196.2.3 汉字显示的原理197系统功能测试207.1 单元模块电路测试207.2 系统整体功能测试20总结22致谢23参考文献24附录251 前言1.1选题的依据和意义LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具有发光率高、组态灵活、使用寿命长、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。自20世纪八十年代开始，LED显示屏的应用领域已经遍布电信、证券、教育、交通、广告宣传等各方面。随着社
8、会经济的不断进步，以及LED显示技术的不断完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广。 1.2国内外发展状况 LED显示屏的发展可分为以下几个阶段：第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。第三阶段从1999年开始，红、纯绿
9、、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩艳丽、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大
10、部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。就市场而言，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的一个契机。国内LED显示屏市场保持持续增长，目前在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近95%。国际上LED显示屏的市场容量预计以每年30%的速度在增长。LED显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地，我国LED制造厂商出口的份额在其中微不足道。据不完全统计，世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有30家左右。1.3、本课题研究内容本设计使用AT89C
11、51系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16利用AT89C51系列高速单片机本身强大的功能和内部EPROM，可以很方便的实现单片机与计算机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、通讯、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。采用IAP在应用可编程技术，把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。因为采用串行传输方式，使本系统的可塑性得到提升，便于多个显示单元的级联2 概述2.1 LED点阵显示屏介绍LED点阵显示屏的构成型式有多种，其中典型的有两种。一种把所需展示的广
12、告信息烧写固化到EPROM芯片内，能进行固定内容的多幅汉字显示，称为单显示型；另一种在机内设置了字库、程序库，具有程序编制能力，能进行内容可变的多幅汉字显示，称可编程序型。目前，国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型，其显示的内容相对较少，显示花样较单一。一般在产品出厂时，显示内容就已写入显示屏控制系统中的EPROM芯片内，当需要更换显示内容时就非常困难，这样使该类型的显示屏使用范围受到了限制。国内的另一种LED显示屏可编程序型LED显示屏，虽然增加了显示屏系统的编程能力，显示内容和显示花样都有所增加，但也存在着更换显示内容不便的缺点。随着社会经济的迅速发展，如今的广告牌都存在着显示内容丰富、
13、信息量大、信息更换频率快等特点。因此传统的LED显示屏控制系统已经越来越不能满足现代广告宣传业的需要。而利用计算机通信技术控制LED显示屏，则具有显示内容丰富，信息更换灵活多变等优点2.2 LED电子显示屏的分类LED显示屏的分类，可以从以下几个标准进行分类：安装方式LED显示屏，可以分为：立柱式LED显示屏（单立柱和双立柱），壁挂式LED显示屏，吊装式显示屏，嵌入式显示屏等。颜色LED显示屏，分为全彩显示屏，单色（单基色）显示屏（单红，单白，单黄）和双色（双基色）显示屏（红绿色，蓝绿色）形状LED显示屏，又可以分为常规屏和异型屏。用途LED显示屏分为：信息发布屏，交通诱导屏，广告发布屏，车载
14、屏，球场屏，舞台租赁屏和楼梯屏等使用环境LED显示屏，又可以分为：室内LED显示屏，半户外LED显示屏和户外LED显示屏。 单基色显示屏室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，显示面积一般几至十几平方米。半户外显示屏：像素点大小之于室内和户外显示屏之间；常见于银行，商场或医院等门楣上。室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能单一颜色（红色，绿色，黄色，白色，蓝色等）。双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度或者512级灰度、可以显示65536种颜色。全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显 示一千六百多万种色。组合
15、型LED示器自八十年代开始出现，以发光二极管用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。具有高亮度、功耗低、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷腐蚀等特点。点阵显示器有单色和双色两类，可显示红，黄，绿，橙等。LED点阵有44、48、57、58、 88、1616、2424、4040等多种；根据像素的数目分为单、双基色、三基色等，根据像素颜色的不同所显示的文字、图象等内容的颜色也不同，单基色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级
16、灰度显示，即可实现真彩色显示。几种LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得，LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号如5 x 7点阵显示器用于显示西文字母58点阵显示器用于显示中西文，8 x 8点阵用于显示中文文字，也可用于图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过微机或单片机控制驱动。3 显示原理及控制方式分析3.1 LED点阵模块结构八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵LED模块，
17、具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED点阵规模常见的有48、816等等。根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。图3.1示出最常见的88单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。3.2 LED 动态显示原理 数码管的接口有静态接口和动
18、态接口。 静态接口为固定显示方式，无闪烁，其电路可采用一个并行口接一个数码管。数码管的公共端按共阴或共阳分别接地或Vcc。采用这种接法，显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，采用各数码管循环显示的方法。当循环显示的频率较高时，利用人眼的暂留特性，看不出闪烁显示现象。这种显示方式是各个数码管的段选并接在同一个接口上，该接口成为段选口，输出字形码，完成字形选择控制；各个数码管的公共端接在另一接口的不同位，完成数位选择，控制各数码管轮流点亮。点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性
19、。将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用图3.2 用动态扫描显示字符“B”的过程3.3 LED常见的传输方式目前常见的是串行传输方式，并行传输是通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结
20、构也不相同，可塑性较低，不利于厂家批量生产。所以采用串行传输。4 硬件电路设计4.1 系统硬件概述整个电路由单片机89C51，1个74159,4个88的LED。该电路所设计的电子屏可显示多个汉字，需要20个88 LED点阵模块，可组成8016的条形点阵 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATM
21、EL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51引脚即外观如图4.1所示图4.1 AT89C51的管脚图P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进
22、行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存
23、取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3
24、.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入，当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE乃以时钟振动频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
25、如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 译码器是组合逻辑电路的一个重要的器件，74LS138的输出是低电平有效，故实现逻辑功能时，输出端不可接或门及或非门，74LS138与前面不同，其有使能端，故使能端必须加以处理，否则无法实现需要的逻辑功能。发光二极管点亮只须使其正向导通即可，根据LED的公共极是阳极还是阴极分为两类译码器，即针对共阳极的低电平有效的译码器；针对共阴极LED的高电平输出有效的译码器。 LED,50年前人们已经了解半导体材料可产生光线
26、的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它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7树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好该电路的显示采用逐行扫描方式。工作时，由单片机取出第一行需要显示的内容经延时一段时间后再进行下一行点阵数据的显示。需要注意的是，每次只能选通一行数据，即要通过不断的逐行扫描来实现汉字或字符的显示。16LED点阵显示制作16LED点阵的内部结构及工作原理以Zimo2.1为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国家标准汉字
27、库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字，也可以显示在256像素范围内的任何图形。这里我们以“宜”字说明，如图4.2所示。图4.2 16*16LED汉字显示用8位的AT89C51单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分。一般把它拆分为上部和下部，上部由816点阵组成，下部也由816点阵组成。在本例中单片机首先显示的是左上角的第一列的上半部分，即第0列的p00p07口。方向为p00到p07 ,显示汉字“高”时,p02点亮,由上往下排列,为p0.0 灭，p0.1 灭, p0.2 灭,
28、 p0.3 灭, p0.4 灭, p0.5 亮,p0.6灭,p0.7 灭。即二进制00000100，转换为16进制为 04h。上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方 便，我们仍设计成由上往下扫描，即从p27向p20方向扫描，从上图可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，16进制则为00h。依照这个方法，继续进行下面的扫描，扫描的代码是0x00,0x10,0x0C,0x04,0xE4,0x24,0x24,0x25,0x26,0x24,0xE4,0x04,0x14,0x0C,0x04,0x00,0x00,0x40,0x40,0x40,0x7F,0x49,0x49,0x49,0x49,0x49,0x7F,0x40,0x40,0x40,0x40,0x00由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。不过现在有很多现成的汉字字模生成软件，就不必自己去画表格算代码了。比如说汉字字库、zimo21等等都可以自动生成16进制的代码得到想要的代码值。16LED点阵首先，从Proteus元件库中
