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ThemainchipofthecontrolpartisATM89C51,itisthecoreofthesystem,andthendownloadedtheCprogramminglanguagetoMCUtocontrolitspins;
ThedisplayscreenofLEDdotmatrixincludesdrivecircuitanddisplayscreen,74LS154decodercontrolsthelinescanning,74LS595(shiftregisterthatoutputseightparalleldata)controlsthecolumnscanning.Becauseofhumanvisualretentionphenomenon,drivingcircuitachievesthedisplayoftheChinesecharactersthroughtheranksofthedynamiccontrol.
ComparedwithLEDdotmatrixdisplayofChinesecharactersbasedonMCU,itcandisplaydynamicinformation,changeinformationatanytime,comparedwithvideoadvertising,lowcost,arbitraryoftheinformationdisplaysiteishigh.Sowhethercommercialadvertisingorgeneralinformationannouncement,thedisplayscreenofLEDisappliedwildly.
Keywords:
MCU;
displayscreenofLEDdotmatrix;
Proteussimulation;
drivecircuitofdisplayscreen
第一章绪论
1.1课题背景
随着计算机技术的高速发展,LED(LightEmittingDiode)屏幕显示系统作为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”正快速步入社会生活的各个方面。
它集微电子技术、计算机技术、信息处理技术十一体,可以将信息通过文字、图案、动画及视频四种形式显示出来。
与电视墙、磁翻板等媒体相比,LED大屏幕显示系统具有图案美观、色彩亮丽;
图案、色彩变化丰富、快速低功耗、长寿命、使用成本低、工作稳定可靠等特点。
它显示的图文视角大、视距远,因此已广泛应用十大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易;
它还应用于工业控制和工业调动系统,便于把各种参数、报警点、工艺流程显示得更加清晰完美,可以满足不同环境的需要。
LED显示屏是一种利用计算机和复杂数字信号处理的电子广告宣传屏。
它的屏体部分由微处理器(主要是单片机)和驱动电路控制运行,显示的图像或文字由计算机编辑软件编辑获得。
由于LED显示屏这种新一代信息显示设备具有显示图案稳定、功耗低、寿命长等特点,由于它综合了各种信息显示设备的长处,并且克服了自身的不足,特别是由于一幅显示屏可以显示不同的内容,显示方式丰富。
所以在公共场合,它具有强烈的广告宣传和信息传递效果,已日趋在固体显示中占主导地位。
LED显示屏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。
由不同材料的半导体组成能发出不同色彩的LED晶点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色LED。
而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。
LED显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体,显示屏由几万甚至几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。
利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。
目前应用最广的是红色、绿色、黄色。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像;
不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境,具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。
在短短的二十来年中,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。
1.2我国LED产业发展现状
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,它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单兀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、性价比高、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,随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和P-N结形成技术的研究进展,发光二极管在发光颜色、亮度等方面的性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。
LED在发光波长范围和性能方面大大提高,并开始形成平板显示产品即LED显示屏。
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。
1.3LED显示屏的分类
LED显示屏是多种技术综合应用的产品,涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方面,既有硬件又有软件。
LED显示屏是作为广播、电视、报纸、杂志之后的又一新传播媒体。
目前LED显示屏根据使用场所不同,可以分为室外屏和室内屏两种,其主要区别是发光管的发光亮度不同。
而且根据所显示的内容不同也可以分为图像屏和文字屏两种,图像屏可以显示图像以及多媒体,而文字屏则主要显示文字或简单的固定图像。
显示图像的多媒体室外屏是投资巨大(高达数百万)的大型高档设备,主要应用在大型公共场所、形象工程和一些重要场所。
LED显示屏的应用涉及到社会经济的许多领域,已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。
LED电子显示屏的发展速度很快,几乎每年都有比较新的显示屏技术产生。
从技术方面可分为双基色、全彩LED电子显示屏两种。
双基色显示屏主要由红色和绿色组成,优点是价格低,比全彩屏的价格低4~5倍,距离显示屏5~30米观察有比较好的可视效果。
1.4LED显示屏的发展趋势
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。
目前LED显示屏的显示向更高亮度、更高耐气候性、更高的发光均匀性、更高的可靠性、全色化、多媒体方向发展,系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。
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将有更大的发展。
(1)高亮度、全彩化
蓝色及绿色超高亮度LED产品出现以来,成本逐年快速降低,使LED全彩色显示屏产品成本下降,推广速度加快。
同时,随着控制技术的发展和LED显示屏体稳定性的提高,全彩色LED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,使图像更清晰、更细腻、更亮丽。
(2)标准化、规范化
材料、技术的成熟及市场价格基本均衡之后,LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个趋势。
近几年业内的发展中,几番价格回落调整达到基本均衡后,产品质量、系统的可靠性等将成主要的竞争因素,这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高的要求。
行业规范和标准体系的形成,IS509000系列标准的应用,使LED显示屏行业的发展趋于有序。
(3)产品结构多样化
随着信息化社会的形成,信息领域愈加广泛,LED显示屏的应用前景更为广阔。
预计大型或超大型LED显示屏为主流产品的局面将会发生改变,适合十服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高,面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富,部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破,如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高。
1.5选题意义
该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法,对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。
并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践,使我们对所学过的理论知识有了新的认识。
并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工具的使用方法,为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。
目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越练越广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。
但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。
因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。
第二章总体方案
2.1方案概述
从理论上讲,不论显示图形还是文字,只要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,就可以得到想要的显示结果。
这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
每个16×
16的点阵共有256个发光二极管,显然控制器没有这么多的端口。
如果采用锁存器来扩展端口,那么按8位的锁存器来计算,一个16×
16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大,因为这里仅仅是16×
16的点阵,而在实际应用中的显示屏往往要大得多,这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中,显示屏都不采用这种设计,而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
所谓动态扫描,简单地说就是逐行轮流点亮,这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列公用一套列驱动器[1]。
以16×
16点阵为例,把所有同一行发光管的阳极连在一起,把所有同一列发光二极管的阴极连在一起,先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第一行使其点亮一定的时间,然后熄灭,第十六行之后又重新点亮第一行,这样反复轮回。
当这样轮回的速度足够快时,由于人眼的视觉暂留现象,我们就能看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时,每行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个列驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储中,按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时,要把一行中各列的数据都送到相应的列驱动器上去,这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。
显然,采用并行方式时,从控制电路到列驱动器的线路数量大,相应的硬件数目多。
当列数很多时,并行传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法,控制电路可以只用一根信号线,将列数据逐位的传往列驱动器,在硬件方面无疑是十分经济的。
但是,串行传输过程较长,数据按顺序逐位的输出给列驱动器,只有当一行中的各列数据都已经传输到位之后,这一行的各列才能并行的进行显示。
这样,对于一行的显示过程就可以分解成列数据传输和列数据显示两个部分。
解决串行传输中列数据传输和列数据显示的时间矛盾问题,可以采用重叠处理的方法来解决。
即在显示本行格列数据的同时,传输下一行的列数据[1]。
为了达到重叠处理的目的,列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析,可以归纳出列驱动器电路应具有的主要功能:
对于数据准备来说,应能实现串入并出的以为功能;
对于数据显示来说,应具有并行锁存的功能。
2.2显示屏主控制器
控制部分是整个系统的核心部分,其功能为与上位机通信接收上位机发送的数据和控制指令处理过后控制显示部分显示内容。
其常用的电子设计方法有单片机、DSP,几种设计方法比较各有其特点:
(1)单片机
单片机是集成了CPU,ROM,RAM和I/O口的微型计算机[2]。
它有很强的接口性能,非常适合于工业控制,因此又叫微控制器(MCU)。
单片机品种齐全,型号多样CPU从8,16,32到64位,多采用RISC技术,片上I/O非常丰富,有的单片机集成有A/D,“看门狗”,PWM,显示驱动,函数发生器,键盘控制等。
它们的价格也高低不等,这样极大地满足了开发者的选择自由。
除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。
随着超大规模集成电路的发展,NMOS工艺单片机被CMOS代替,并开始向HMOS过渡。
供电电压由5V降到3V,2V甚至到1V,工作电流由mA降至μA,这在便携式产品中大有用武之地。
(2)DSP芯片
DSP又叫数字信号处理器。
顾名思义,DSP主要用于数字信号处理领域,非常适合高密度,重复运算及大数据容量的信号处理。
现在已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域,DSP具有修正的哈佛结构,多总线技术以及流水线结构。
将程序与数据存储器分开,使用多总线,取指令和取数据同时进行,以及流水线技术,这使得速度有了较大的提高。
DSP区别于一般微处理器的另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令,一般微处理器用软件实现乘法,逐条执行指令,速度慢。
而DSP依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算,而且还具有专门的信号处理指令,如TM320系列的FIRS,LMS,MACD指令等。
.
二种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能,但单片机的技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。
现在市场上常用的单片机主要有ATM-51、AVR、ARM、PIC等。
其中应用最广泛的单片机首推51系列,由于产品硬件结构合理,指令系统规范,加之生产历史“悠久”,有先入为主的优势常作为单片机学习的教材。
且51系列的I/O脚的设置和使用非常简单,当该脚作输入脚使用时,只须将该脚设置为高电平(复位时,各I/O口均置高电平)。
当该脚作输出脚使用时,则为高电平或低电平均可。
所以在控制部分方案的选择中选定51系列单片机作为控制部分的核心器件。
2.3LED点阵显示屏
显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏,以及驱动该显示屏的驱动电路。
由于单片机的I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏,所以需要对单片机IO口进行扩展增加单片机并行输出的能力。
LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的,要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管。
构成LED屏幕的方法有两种,一是由单个的发光二极管逐点连接起来;
二是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块[3]。
目前市场上普遍采用的点阵模块有8×
8、16×
16几种;
这两种屏幕构成方法各有有缺点,单个发光二极管构成显示屏优点在于当单个的发光二极管出现问题时只需更换一个二极管即可,检修的成本较低,缺点在于连接线路复杂;
而点阵模块构成的方法却正好与之相反,模块构成省约了大量的连线。
两种方法相比较,决定采取由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的16×
16LED点阵模块,如图2.1:
图2.116×
16LED点阵模块
2.4LED驱动电路
由于单片机的接口有限,所以需要译码器扩展。
其中最常用的行驱动芯片是74LS138芯片3-8译码器,74LS154芯片4-16译码器。
因为选用74LS138译码器则需两片驱动一个16行的LED屏,而这里选用74LS154芯片,使用一片就可以实现4-16译码,当驱动大屏幕的时候可以节省一半的芯片,制作电路时也可以节省空间,降低成本。
由于动态扫描采用逐行扫描轮流点亮,所以单片机的I/O口的输出的行号经过4/16线译码器74LS154译码后就可以生成16条行选通信号线。
每个8×
8的LED点阵块称为最小模块。
每4个8×
8的LED点阵块为一个基模块,一个基模块横向有2个,纵向有2个最小模块。
多个基模块按照技术特性组合在一起就可以构成LED显示屏。
每个基模块控制信号为16个行信号H1~H16和16个列信号L1~L16,行信号接译码器74LS154的输出。
而驱动LED显示屏的列选通的芯片有62726芯片、5026芯片和595芯片。
其中全彩屏对芯片的要求高,通常选用62726或5026;
但是本设计选择的是室内单基色LED显示屏,并且考虑造价的问题,因此选用74LS595芯片。
列驱动电路由集成电路74LS595构成。
它由一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行各列数据的同时,传送下一行的列数据,即达到重叠处理的目的。
2.5总体设计框图
本设计采用51单片机作为控制器,74LS154作为LED显示屏的行驱动扩展口,74LS595作为LED显示屏的列驱动,来控制16×
16LED点阵模块来完成汉字的显示。
如框图2.2所示:
图2.2总体设计框图
第三章系统硬件设计
3.1单片机概述
单片微型计算机(简称单片机,又称微控制器)作为微型计算机家族中的一员—发展中的一个分支。
它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是将微处理器(计算机的中央处理单元CPU—CentralproeessingUnit)、一定容量的RAM和ROM以及I/O接口、定时等电路集成在一片芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格低廉、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机诞生于20世纪70年代末,经历SCM(SingleChipMicrocomputer),MCU(MicroprogrammedControlUnit),SOC(SystemonaChip)三大阶段。
(1)SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构[4]。
“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
(2)MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
(3)单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;
因此,专用单片机的发展自然形成了SOC(S
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