LED点阵广告牌设计

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1、第1章绪论1.1 LED的发展及意义随着社会文化的不断发展，人们的消费标准不断改变，户外灯箱广告更是扮演着越 来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股市交易市场，还是学校都离不开它， 然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社 会的需求，传统的霓虹灯广告亟待改进。由于单片机技术的不断发展和高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子 广告屏成为可能，与传统的霓虹灯广告在显示效果以及可修改性上都有着无法比拟的优 势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵 广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。另外，SMT技术的飞

2、速发展，开关电源的 大规模使用，使其无论在体积上还是在可靠性上都比传统的霓虹灯广告有明显的优势， 为其在特殊领域的应用奠定了基础。这种新兴的大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。与传统的显示设备相比，首先， LED显示屏色彩丰富，3基色的发光管的可以显示全彩色，显示显示方式变化多样（文 字、图形、动画、视频、电视画面等）、亮度高，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。 其次，LED显示屏的象素采用LED发光二极管，将多个发光二极管以序列的形式构成LED 显示阵列，这种显示屏具有耗电省、成本低、亮度清晰度高、寿命长等优点，而且

3、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，是信息传播设施划时代的产品。再次，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，显示效果清晰稳定，越来越多的地方开始使用LED 电子显示屏，有巨大的社会效益和经济效益。它以其超大画面、超宽视觉、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。1.2 LED显示屏的发展趋势自从1907年H-j- Round发现了金刚砂通电之后可以出现发光的现象并继此由后 人发明了发光二极管，已经过去了一个多世纪。一个多世纪以来，LED技术得到了很大 的发展。早先的LED是单个

4、的发光管，结构比较简单。通过单向导电的方式点亮发光， 到了二十一世纪，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，有可能成为这个世纪的显著代表性主流产品。亮度高，多彩 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性的效果。它的发展前景极为广阔，但是由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动，覆盖霓 虹灯效果，要求处理器运算速度快，这姓效率高，所以控制起来很麻烦，因此很

5、多生产 厂家采用高端嵌入式系统进行设计，这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但 是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，由于 LED技术的快速发展，有很多已经超出在校生所接触到的知识范围，所以本设计旨在利 用最简单主要的单色屏显示演示LED屏的工作过程和原理。第2章总方案设计2.1系统硬件设计控制部分是整个系统的核心部分利用单片机进行控制，显示部分显示内容利用LED 点阵显示内容，还有驱动器驱动电路利用74LS245驱动电路。1. 单片机单片机是集成了 CPU，ROM,RAM,I/O的微型计算机。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（M

6、CU），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 口非常丰富，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，他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。2. LED点阵显示屏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，一种是由单个的发过二极管逐点连 接起来，一种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。在这次设计中使用的是8X8模块。2.2系统软件

7、设计利用软件编写程序，软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需 要下载到单片机中执行。编写程序前首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编辑 软件。现在选择单片机编程语言进行编译。第3草 系统硬件设计3.1整体模块设计本设计驱动电路，显示器电路，运用单片机的控制电路。总体结构设计如图3-1 所示。单片机驱动电 路8X8点阵LED显示器电路图3-1总体结构设计3.2单片机控制电路3.2.1单片机简介1.STC89C52单片机的主要特性如下：STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器( FPEROMFalsh Programmable and Erasable Rea

8、d Only Memory)的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器， 俗称单片机。该器件采用ATMEL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，STC的STC89C52是一种高效微控制器，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，STC89C52芯片引脚图如图3-2所示。IflmqmleTaerllFllirlN tnnjnuTruuuTnnnTuuuTnTTTD %.2.3.-#.3言言.1言.4.5亨-2_1。 1十53.3.3.3.里3.3.3.山2 pmmacLRiL 尸 AFm

9、iliLTAmB CTE8X、iT:;MIIoQekeln Y32 1 Q Q eTe5q3r 一，土33-3不3M3333-.二二二二-N N 言n vccZ3 FC C gQO) 二1 (AD- t ZJ 尸u 卫3 l=c 3 ( ZJ i=C 4FC. 5 二i po eAoe* 3 FC T Z1 E3A/QIRZJ (=三 EZ尸=eZl 尸二 qZ3 pn 31ZZ1 F2 2D Zl 1=2 14中m c 图3-2 STC89C52芯片引脚图2.STC89C52具体介绍如下：(1) 主电源引脚(2根)VCC(Pin40)：电源输入，接+ 5V电源。GND(Pin20)：接地线。

10、(2) 外接晶振引脚(2根)XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端。XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端。(3) 控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号。PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号。EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令， 如果接高电平则从内部程序存储器读指令。(4) 可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O 口，分别位P0、P1、P2、P3 口，每个口 有8位(8根引脚

11、)，共32根。PO 口(Pin39Pin32)： 8位双向 I/O 口线，名称为 P0.0P0.7。P1 口(Pin1Pin8)： 8位准双向I/O 口线，名称为P1.0P1.7。P2 Pin21-Pin28)： 8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0P2.7。P3 Pin10-Pin17)： 8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0P3.7。P0 口到P3 口各个功能P0 : P0 口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复制用口，作 为输入口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写入“1可作为 高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序内存时，这

12、组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用，在访问期启动内部上拉电阻。在Flash编程时，PO 口接收指令 节，而在程序校检时，输出指令位元组，校检时，要求外接上拉电阻。P1 : P1 口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1的输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对埠写“1”，通过内部的上拉电阻把埠拉到高电 平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低 时会输出一个电流I。Flash编程和程序校检期间，P1接收低8位地址。P2 :P2 口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P1的输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4个TTL

13、逻辑门电路。对埠写“1”，通过内部的上拉电阻把埠拉到高电 平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低 时会输出一个电流I。在访问外部数据存储器或16位地址的外部数据存储(例如执行 MOVXDPTR指令)时，P2 口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如 执行MOVXRI指令)时，P2 口在线的内容(也即特殊功能寄存器(SFR)区中R2寄存 器的内容)，在整个访问期间不改变。Flash编程和校检时，P2亦接收高位位址和其它控制信号。P3 : P3 口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4个TTL逻

14、辑门电路。对P3 口写入“ 1”时，它们被内部上拉电阻拉高 并可作输入埠，作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻，输出电流I。P3 口还 接收一些用于Flash闪速内存编程和程序校检的控制信号。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：当访问外部程序内存或数据存储器时,ALE（地址锁存允许）输出脉冲用 于所存地址的低8位字节。即使不访问外部内存，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。下表为单片机的主要功能特性表3

15、-1表3-1主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O 口256X8bit 内部 RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2.2单片机最小系统设计STC89C52单片机最小系统电路由复位电路、晶振电路两部分组成。1. 晶体振荡器（1）时钟晶振电路单片机XTAL1脚和XTAL脚是外部接晶振的两个引脚，通常在接一个晶振的同时要 在晶振的两个脚接两个电容，这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上 和对

16、地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，使晶振频率 更加稳定。本设计中，单片机晶振采用12MHz的频率，以获得较高的刷新率，使显示更 加稳定。如图3-3所示为单片机的时钟晶振电路原理图。(2)复位电路本设计采用上电复位的方式实现复位。上电复位电路由电容串联电阻构成，由图 3-4所示，并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道：当系统一上电，RST脚将 会出现高电平，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。所以我们只要适当组合RC的取值就可以 保证可靠的复位。一般文献推荐C取10uF，R取10K。本设计中我

17、们采用C取22uF，R 取10K欧姆。图3-4单片机的复位电路原理图3.3驱动电路设计3.3.1 74LS245 简介S * 口 卫3。与6 I 公4会M图3-5 74LS245芯片引脚图74LS245是我们常用的芯片，如图3-5 74LS245芯片引脚图所示。用来驱动LED或 者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据，74LS245还具有 双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。1. 当8051单片机的P0 口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入 74LS245等总线驱动器。2. 当片选端/CE低电平有效时，DIR二“0”，信号由B向A传输；（接收）3. DI

18、R二“1”，信号由A向B传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。 由于P2 口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地，P2 口与驱动器输入线对应相连。P0 口与74LS245输入端相连,/E端接地，保证数据现畅通STC89C52的/RD和/PSEN 相与后接DIR，使得/RD或/PSEN有效时，74LS245输入（P0.iDi），其它时间处于输 出（P0.i一Di）。3.4显示电路3.4.1 LED 简介LED是发光二极管英文Light Emitting Diode的缩写格式，LED器件种类繁多，早 期的LED产品是单个发光管，随着数字化设备的出现

19、，LED数码管和字符管得到了广泛 的应用，LED点阵等显示器件的出现，适应了信息化社会发展的需要，成为了大众传媒 的重要工具。LED发光灯按类型可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪 烁发光灯、电压型发光灯等；按发光强度可分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高 亮度发光灯等；LED发光灯结构如图3-6所示，它由芯片3、阳极引脚1、阴极引脚2和环氧树脂 封装外壳四部分组成。它核心部分是具有复合发光功能的PN结，即芯片3。环氧树脂 封装外壳具有保护芯片的作用，还有透光聚光的能力，以增强显示效果。图3-6 LED发光灯结构图LED点阵显示具有如下特点：1. 电压：LED使用低压电源

20、，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它 是一种比使用高压电源更安全的电源。2. 效能：消耗能量比同光效的白炽灯减少80%。3. 适用性:每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件， 并且适合于易变的环境。4. 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。6. 对环境污染：无有害金属汞。7. 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能 带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。LED点阵随着LED应用领域的扩大，要求生产更为直接和方便的LED显示器件。因而出现了 数

21、码管、字符管、电平管、LED点阵等多种LED显示器。不管显示器的结构怎么变，它 的核心部件仍然是发光半导体芯片。一个8X8的点阵是由64个发光二极管按一个规律组成的。如图3-7所示为8X8 点阵模块（a）正面，（b）反面。行接低电平，列接高电平，发光二极管导通发光。3）正面3 U F 3 A S HOOOOOOOOG X SfM弟涅榛面弓|物OOOOOOOO25 B T C B 6 d(b)反面图3-7 8X8点阵模块3.4.2 LED显示设计及原理1.LED点阵显示设计本设计采用ATMEL公司的STC89C52作矩阵显示控制系统控制核心，12MHZ晶振,8 X8点阵共阳LED显示器。其中，P

22、0 口作为字符数据输出口,P2 口为字符显示扫描输出 口，第31脚(EA)接电源，本设计LED矩阵显示器电路用8X8点阵模块，系统由单片机 控制LED显示屏是将发光二极管按行按列布置的，在扫描驱动方式下可以按行扫描按 列控制，也可以按列扫描按行控制。本文就是使用1块8X8点阵，采用按列扫描按行 控制控制方式，扫描顺序自左向右，以满足汉字显示的要求。8X8点阵等效电路图如 图3-8所示。图3-8等效电路图2. LED显示原理LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。静态显示原理简 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，由峰

23、值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行 进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作， 就可显示各种图形或文字信息。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。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。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。第4章系统软件设计4.1程序流程图设计点阵式显示有多种形式，例如，固定显示，闪烁显示，滚动显示，交替显示等，先 从最简单的固定

24、显示一个字符做起，程序设计的思路为：由上到下或由下到上首先选中8X8LED的某一行，然后通过查 表指令得到这一行要点亮状态所对应的字形码，将其送到列控制端口；延时约1ms后， 选中下一行，在传送该行对应的显示状态字形码；延时后再重复上述过程直至8行均显 示一遍，时间约为8ms；然后再从第一行开始循环显示。逐行扫描显示过程示意图如图4-1所示,一个扫描周期图4-1逐行扫描显示过程示意图编制程序时为了使程序编写的更加合理，首先将程序编写的流程图的绘制出来主控 制流程图如图4-2所示。程序见附录所示。4-2主控制流程图第5章系统调试硬件制作和软件编写过后，得出实物图如图5-1硬件正面图，图5-2硬件

25、反面图所 示。实物完成后必须对其进行调试，检查设计功能是否实现了。软件硬件完成以后开始 进行调试。调试可分为硬件调试，软件调试和系统联合调试。图5-1实物图硬件正面图图5-2实物图硬件反面图系统硬件部分调试方法硬件调试主要是调试各部分的焊接是否合格和各芯片的输入输出电压是否符合要 求，最后测试各硬件部分能否完成设计功能。所以把硬件调试按照以下四部分进行：测试所有焊点是否有短路和虚焊的现象存在。通电测试所有硬件芯片的输入输出电压是否在设计要求的范围内。结论本设计是一个8X8的点阵LED广告牌，能够在目测条件下LED显示屏各点亮度均 匀、充足，可显示文字，显示文字应稳定、清晰无串扰。文字显示有静止

26、、移入移出等 显示方式。本设计设计了静止显示文字。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性 能稳定可靠，成本低等特点。本设计了解了 LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解 了 LED的现状，通过对单片机资料的查阅和应用，更进一步增加了对单片机知识的理解 和运用能力。本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、 充足，可显示文字本文列出了系统具体的硬件设计方案，软件流程图和具体汇编语言程 序设计与调试等方面。通过这次课程设计，重新复习并进一步增强了动手的能力，学以 致用，把只是运用到实际生活中才是根本目的。存在问题：当焊接电路板时，由于操作 不熟练，容易产生很多的问题

27、，例如焊点与焊点之间连到一块导致短路，或烙铁温度过 热放置在板子上的时间过长把电路板烧坏，或者是把元件烧坏等等很多问题，因此操作 时要十分谨慎。致谢在这次设计中老师寄予了我很大的帮助，在此我向老师说声谢谢，老师能在百忙之 中抽出宝贵的时间为我详细解答问题，并不厌其烦的为我讲解我不懂得地方，这让我非 常的感动，我为遇到这样的老师而感到骄傲。通过这次设计，我感觉有了很大的收获，首先通过这次设计使自己从课本上学到的 单片机基础内容的一些知识应用到了实际中去。使理论与实际相结合，加深了自己对课 本上的知识更加深刻的理解，同时也锻炼了我的动手能力。而且，在这次设计中应用到 了单片机编程软件，又让我复习了

28、一下以前学过的东西，在运用的过程中让我深刻的感 受到现在一些应用软件在工业和实验室中重要性，它不仅节省了实验器材的成本而且占 用空间小，且电路设计简单精度高等等优点，这些感悟都使我受益匪浅，我还收获了友 谊，我们在整个设计的过程当中互相的帮助，而且在这次设计中，也锻炼了我的细心和 耐心。对我以后的学习和工作有很大的帮助。参考文献1 李建忠编著.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社，2002.2 李群芳，肖看编著.单片机原理、接口及应用.北京：清华大学出版社，2005.3 于海生编著.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，2008.4 戴梅萼，史嘉权编著.微型计算机技术及应用(第3

29、版).北京：清华大学出版社，2008.5 江晓安，董秀峰编著.数字电子技术(第二版).西安：西安电子科技大学出版社，2005.6 周小平.LED显示屏及其扫描电路的硬件及软件实现J .印刷电路信息,2005(1).7 虞鹤松.LED显示屏高速数据通讯接口设计J.国外电子元器件，2005(2).8 郭兆正等.LED点阵显示屏系统设计J .渤海大学学报，2005(12).9 郝金刚.LED产业分析报告J.现代显示，2006(3).10 张新鸣.公交无线信息广播系统J .城市公共交通，2003(4).11 关积珍.显示发展及其在交通领域的应用J .产业透视，2004(6).12 任来双.车载LED大屏幕显示屏的设计理念口.郑州工业高等专科学校学报，2004(3).