毕业设计（论文）基于单片机控制的显示屏设计

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1、目 录摘要 ABSTRACT 绪论 11. LED显示屏系统的概况 201.1 LED显示屏的发展史 401.2 LED显示屏的特点 501.3 LED显示屏的应用范围 601.4 LED显示屏的研究动态 6001.4.1 LED显示屏产业状况 6001.4.2 LED显示屏控制技术发展状况 701.5 LED显示系统的发展趋势 7001.5.1 LED显示屏发展趋势 7001.5.2 LED显示屏系统的未来趋势 82. LED显示屏的设计方案 10 02.1 LED显示屏的显示原理 10 002.1.1显示原理 10 002.1.2基本结构 12 02.2 LED方案比较 14 002.2.

2、1控制系统 14 002.2.2显示驱动电路 14 02.3 LED设计方案 143. LED显示屏硬件设计 1603.1主控制单片机 1603.2 LED显示驱动电路 19 003.2.1行驱动电路 21 003.2.2列驱动电路 2203.3 复位电路 2403.4 通信电路 254. LED显示屏系统软件设计 2704.1 LED显示系统主流程 2704.2超时复位流程 2804.3串行通信 31结论 33致谢 35参考文献 36附录一 37附录二 43附录三 44附录四 45 绪论LED显示屏是一种新型的信息显示媒体，它是利用发光二极管点阵模块组成的平面式显示屏幕，以发光效率高、使用寿

3、命长、环境适应能力强、性价比高、组态灵活、色彩丰富等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平面板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。从LED显示屏的发展过程来看，首先出现的是以显示短小文字信息为主的条形图文显示屏，继而开发出LED图像显示屏，它使具有灰度级的图像能够在公共场合进行展示，成为当时一大景观。随着计算机技术和半导体技术的发展，把计算机技术和先进的半导体技术连接起来，使LED大屏幕显示系统成为集计算机控制技术、视频技术、光电子技术、数字图象处理技术为一体的显示设备。它己成为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态图像的综合的多功能的大型显示设备。全彩色

4、视频显示屏把LED显示屏的地位提升到一个全新的高度，达到了其它类型显示屏难以匹敌的水平。本系统是针对只显示文字的LED显示屏系统进行研究。讲述了用单片机控制单色显示屏的方法，对LED显示模块单元如何进行行、列信号扫描、数据传输、串行通信、驱动等问题进行了研究。着重讨论了数据传输问题，结果表明采用带有锁存功能的芯片进行串行数据输入、并行数据输出的方法可大大减少CPU的时间，提高数据的发送速度。本文在给出LED显示屏硬件设计的基础上，详细分析了LED显示屏的软件控制方法。本课题以单片机为主要控制器，系统可以分为四大部分：控制电路、显示电路、驱动电路、通信电路。用3-8译码器完成对各行的选择和控制，

5、通过行和列驱动电路完成对大电流的驱动，通过74HC595串行数据输入完成大数据量的传输。每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描。另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列，就在该行该列点燃相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后下一行又以同样的方法进行显示。全部各行都扫过一遍之后(一个扫描周期)，又从第一行开始下一个周期的扫描。只要一个扫描周期的时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就不会感觉到闪烁。我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求。可

6、以相信，LED电子显示屏以其色彩鲜亮夺目，大的显示信息量，寿命长，耗电量小，重量轻，空间尺寸小，稳定性高，易于操作、安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。本文的第一章主要讲的是LED显示屏的基本概况，第二章主要讲的是LED汉字显示屏的设计方案，第三章主要讲的是LED汉字显示屏硬件设计，第四章主要讲的是LED汉字显示屏软件设计。431. LED显示屏系统的概况自从1907年 H.J.Round发现了金刚砂晶体通电后可以发光的现象，至今已经将近一个世纪了。到1923年O.W.Lessew观察到碳化硅的PN结具有单向导电性和发光现象，也有七十多年了。一直到1955年前后才在半导体

7、理论和发光现象的研究方面取得了突破性的进展，一方面H.J.Haynes提出了有关半导体锗的PN结研究报告；另一方面G.A.Wolff研究了磷化镓的发光现象。所有这些研究都为此后发光二极管(Light Emetting Diode)的研究与制造奠定了理论基础。至1968年美国Monsanto公司和HP公司首先生产出红色LED发光灯，使LED正式成为一种电子产品进入市场。此后LED的工业化生产速度不断加快，规模不断扩大，品质不断提升，在制造工艺、亮度、效率、色彩等方面都取得了实用化的进展，使LED成为电光器件的主流产品之。LED器件的种类繁多。早期LED产品是单个的发光灯；随着数字化设备的出现，L

8、ED数码管和字符管得到了广泛的应用；LED显示屏的出现，适应了信息化社会发展的需要，成为大众传媒的重要工具。LED发光灯的结构如图1-1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4组成。其核心部分为具有注入复合发光功能的PN结，即芯片3。环氧树脂封装外壳除具有保护芯片的作用之外，还具有透光聚光的能力，以增强显示效果。阳极 12 阴极 图1-1 LED发光灯的结构LED发光灯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、电压型发光灯等多种类型。按照发光强度又可分为普通亮度发光灯、高亮度发光灯、超高亮度发光灯等。这种单个的发光灯适宜用做指示灯，如电源指示、电路状

9、态指示等，进而对能够转变成电信号的各种物理量进行指示。也可以用多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，如大型剧场会堂的出入口及洗手间的显示。LED应用领域的不断扩大，要求生产更直接更方便的LED显示器件。因而出现了数码管、字符管、电平管等多种LED显示器。各种显示器的核心部件仍然是发光半导体芯片，只不过各种显示器的结构不同，以适应不同的应用需要。各种LED显示器的基本结构也是类似的，区别大多在于发光器件的数量、排列等方面的不同。用多个LED发光灯组成的点阵，通过各个发光灯通断的不同组合，可以显示任意图形文字，是构成LED显示屏的基本单元组件。点阵可以采用44、88、1616等多种结构形式

10、，用以满足不同应用场合的需要。LED发光器件在发光强度、色彩、响应速度、耗电量、可靠性、寿命以及抗恶劣环境等方面具有综合优势，使其成为发布公众信息的主要工具。发光强度 普通LED发光灯的发光强度约为10 mcd(毫坎德拉)，高亮度发光灯为30100 mcd，超高亮度LED发光灯的发光强度在100 mcd以上。目前已经研制并生产出1000 mcd以上的所谓坎德拉级的超高亮度器件。普通LED发光灯适合于室内应用，超高亮度LED发光灯可以用于室外。色彩 LED发光器件因采用不同的半导体材料，可以发出不同波长的光线。即不同颜色的光线。比较常见的LED器件有红色、橙色、黄色、绿色等多种颜色。近期已经研制

11、并生产出超高亮度的蓝色LED器件，从而推动了基于红绿蓝三基色的全彩色LED显示屏的实现和迅速广泛应用。这是最近一个时期内全彩色显示屏迅速兴起的关键因意之一。响应速度 LED器件的内应频率ft与注入少数载流子的寿命mc有关，例如GaAs材料半导体的mc一般在110ns范围内，其响应频率约在16160MHz，这样高的响应频率对于显示6.5MHz的视频信号来说已经是足够的了。它是实现视频LED显示屏的关键因素之一。耗电量 普通LED发光灯的工作电流仅为10mA，超高亮度的LED器件的工作电流也不过100mA，加上它的工作电压只有2V左右，因此其耗电量是很小的。可靠性、寿命及抗恶劣环境性能 由于LED

12、属于固体器，其可靠性明显比CRT等电真空器件要高得多，根本不存在诸如阴极老化和寿命极限答问题，固体器件的抗冲击震动性能也远高于其它显示器件。由于以上多种因素的综合作用，使LED显示屏与其它类型的显示器相比具有明显的优势。表1-1列出了CRT、滤光白炽灯、光导纤维、LED、翻板等各类显示屏的性能比较。表1-1 各类显示屏的性能比较CRT滤光白炽灯光导纤维LED翻板响应速度块慢中快慢抗恶劣环境中中中强强可靠性较高低低高中寿命中短长长长亮度高高高中低重量重中中轻轻耗电量大大大中小造价高中中高低轴向视角大大大中大表所列结果是对各类显示屏总体性能进行的比较。例如LED显示屏的亮度总体上属于中等水平，所以

13、结果是“中”，而CRT在总体上看属于亮度“高”的范围。然而对于不同应用环境，显示屏的亮度应该有不同的要求，在室内普通亮度的LED和高亮度LED器件即可满足要求，在室外超高亮度的LED器件比CRT的显示效果还要好，实际上室外应用往往首选超高亮度LED显示屏，而不是CRT组成的电视墙。另一方面某些在应用场合下，显示类型的选择会受到某一(或某些)特定性能的制约，例如视频显示屏就受响应速度的制约，无论其它性能有多么好，只要响应速度低，就无法进行视频显示。因此视频显示屏就只能在CRT与LED之间进行选择。正是由于LED显示屏具有良好的综合性能，因此自20世纪80年代后期以来，得到了迅速的发展。1.1 L

14、ED显示屏的发展史我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已形成了一个具有相当发展潜力的产业。国内的LED显示屏发展经历了三个阶段：（1）1990年以前LED显示屏的成长形成时期一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本核算那个是通信控制方式，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，国内没有广泛使用。（2）1990-1995年，LED显示屏迅速发展的时期进入90年代后，国民经济迅速增长，对公众场合发布消息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都

15、得到了迅速的提高。LED显示屏经历了单色、双色图文显示屏，到图像显示屏，一直到全彩色食品显示屏的发展过程。无论在器件的性能和系统的组成等方面都取得了长足的进步。（3）1995年以来，LED显示屏应用领域更为广泛近年来在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、多级群控技术等方面均有国内先进、达到世界水平的技术和产品。从LED显示屏的发展过程来看，首先出现的是以显示短小文字信息为主的条形图文显示屏，继而开发出LED图像显示屏，它使具有灰度级的图像能够在公共场合进行展示，成为当时一大景观。全彩色视频显示屏把LED显示屏的地位提升到一个全新的高度，达到了其它类型显示屏难以匹敌的水平。近年来，随着

16、高亮度发光二极管(LED)技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的文字动画发展到能显示有层次的电视图像。1997年，北京利亚德公司开始了应用于LED显示的大规模集成电路的设计。采用0.5微米集成电路设计和生产工艺。国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的LED显示屏技术条件也于1998年正式颁布实施。大屏幕显示技术由早期传统的白炽灯经历了阴极射线管(CRT)和石英管(DV)，到现在的LED全彩色显示屏，已有了长足的发展，而对于LED显示屏而言，高亮度LED仍然是其发展的主要方向。我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求。可以相信，LED电子显示屏以其色彩鲜亮

17、夺目，大的显示信息量，寿命长，耗电量小，重量轻，空间尺寸小，稳定性高，易于操作、安装和维护等特点，将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。1.2 LED显示屏的特点随着科学技术的发展以及制造工艺的进步，LED显示屏也在不断的进步和完善。高新技术使LED显示系统与以前相比有了更为优异的性能。当前的LED显示系统主要有以下特点:（1）在总体设计上采用较为先进的集散控制(DCS)理论由于集散控制理论的应用使LED显示系统软件设计实现模块化，硬件在结构上形成一个松藕合的多处理机系统，它的分散的子系统自治性强。各个微处理机都可以有自己的局部操作系统，所以系统配置十分灵活。如果要系统完整性不会受到多少影响

18、。（2）在局部设计上采用模块化设计电路设计按功能分成不同的模块，每个模块之间只需要极少的联系，极大的提高了系统的稳定性、可靠性。调试难度、维护难度大大降低。（3）先进的分布式扫描技术显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。每个单元间的信号采用信号锁存技术进行同步控制，显示的稳定性大大增强。（4）高性能的通信接口显示屏与控制微机之间一般可靠的通信距离大于1000米，可抗高电压的静电放电击穿。采用RS-485或RS-422工业总线。（5）软件设计新颖Windows风格界面，功能强，操作简便，通用显示屏软件具有良好的用户界面，清晰的菜单窗口，用户可以根据需要任意编排节

19、目，既能播放录像，也能播放动画文字，插播消息等。（6）可视性好采用高性能LED晶片构成的显示屏具有高亮度、色彩鲜艳、视角大，寿命长(不少于50,000小时)，稳定性高，响应速度快等特点。（7）易于安装采用显示单元板或显示单元箱体，可根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸，并且便于安装和维护3。总之，LED显示技术作为一种电子信息显示技术，它是建立在光学、化学、电子学、机械学、声学等科学技术的基础上的具有某种程度综合性的技术。相信随着各种科学技术的发展，LED显示系统以其优异的性能将会有更为广阔的发展前景。扩大或缩小系统规模，只须按需要在系统中增加新单元，或拆去某个单元。1.3

20、LED显示屏的应用范围大屏幕LED显示屏是一种新型的信息显示媒体，它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，以发光效率高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比高、组态灵活、色彩丰富等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平面板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。随着计算机技术和半导体技术的发展，把计算机技术和先进的半导体技术连接起来，使LED大屏幕显示系统成为集计算机控制技术、视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字图象处理技术为一体的显示设备。它己成为既可以播放来自于计算机的动态视频信息，也可以播放来自存储设备的静态图象的综合的多功能的大型显示设备。LED显示屏

21、的应用涉及到社会经济的许多领域，主要包括:(1)机场航班、港口、车站旅客引导信息显示。以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、票务信息系统、列车到站显示系统等共同构成客运枢纽的自动化系统。(2)证券交易、金融信息显示。在证券行情屏、银行汇率屏、利率屏等方而应用占较大比例，是LED显示屏的主要需求行业。(3)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。(4)道路交通信息显示。随着智能交通系统的兴起，在城市交通、高速公路等领域，LED显示屏作为可变情报板、限速标志等也有较大发展图。(5)高校教学管理信息发布显示。为学生、教师提供方便快捷的获取信息的手段，为最大限度地减少教学事故、维护

22、良好教学管理提供帮助。(6)室外产品广告及信息发布。1.4 LED显示屏的研究动态经过近十年的发展，我国LED显示屏产业发展目前已初具规模，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，一些具有实力和影响的企业把LED显示屏作为经营战略发展的重要内容，涉足LED显示屏产业，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，预计在近两年内，我国的LED显示屏产业将会有较大的调整和发展。我国尽管在LED基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距，但就LED显示屏而言，我国的设计和生产技术水平基本与国际同步。1.4.1 LED显示屏产业状况LED显示屏前端显

23、示器件性能提高很快。中国科学院电子所研究员申功烈谈到，目前，全彩色显示己基本没有技术上的障碍了。而且，在原来红色、绿色和蓝色LED的基础上，又出现了纯绿色和高亮度的红色LED产品。但我国目前LED显示屏的基础材料主要从国外进口，国内只能生产红色LED。除此之外，LED的封装技术也取得了一定的进步。原来采用的是单管或点阵模块，而现在随着全彩色显示技术的不断成熟与完善，普遍采用了表面贴装技术（Surface mounted Technology,SMT)，采用SMT的优势在于:封装密度高，视觉效果好，且增大了LED显示屏的视角，可以达到120-150度。1.4.2 LED显示屏控制技术发展状况LE

24、D显示屏后端控制原来使用常规的控制电路。随着控制技术的不断完善和控制芯片的应用，普遍采用LED专用集成电路，它可根据LED显示的特点，对灰度及每个像素进行控制及调节，这就使得显示亮度和色彩效果都有了较大的提高、由于技术水平和造价等方面的原因，目前LED控制芯片产品主要掌握在国外公司手中，如Maxim, Agilent、东芝等。与此同时，中国国内也有一些厂家研制并生产LED显示屏控制电路，如北京利亚德、郑州中显等，但由于性能因素，推广使用尚有待时日。实际上对于LED显示屏控制系统来说，控制器的研究是核心问题。显示屏技术的发展给提供了更好的显示效果，人们越来越喜欢这种信息的发布方式，因为它大大促进

25、了人们的生活便利，这就反过来促进了控制器的发展。显示的内容越来越丰富，促使着控制器向着性能更高、更灵活的方向迈进。除了LED显示技术本身的发展，随着网络技术的不断进步和实际应用的需求，目前，网络型、智能型LED控制技术也出现了新的发展势头，这就对传统的一台微机控制一个或多个LED显示屏提出了新的挑战。由于LED显示屏控制技术与网络技术原来是彼此独立的，现在要把二者结合起来，实现LED显示屏的网络集群控制，开发出符合网络系统协议与规范的相关的软、硬件，这在今后还要有比较长的一段路要走。对于LED显示屏控制器来说，也经过了几个阶段:8位微控制器16位微控制器DSP方式32位微处理器(ARM.MPC

26、860等)FPGA的方式。LED显示屏控制系统的核心是屏体的显示控制器，广泛采用的是单片机+DSP、工控机或嵌入式工控机以及单片机+大规模可编程器件。对FPGA方式的研究开发，将会给显示屏控制器带来更多的发展活力，因为此方式在其内部可以构造微处理器(CPU)，并能把更多的片外设备集成到片内。1.5 LED显示系统的发展趋势现代信息社会中，作为人机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，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。1.5.1 LED显示屏发展趋势目前LED电子显示屏的显示向

27、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，系统地运行，操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。LED显示屏的发展趋势主要有下面三个特征:高亮度、全彩化、标准化、规范化；产品结构多样化。 （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降低，推广速度加快。同时，随着控制技术的发展和平体稳定性的提高，使全彩色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。（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

28、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为主要的竞争因素，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，ISO9000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该变，适合于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

29、等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。总之，在LED大屏幕材料研制方面，单色、多色LED点阵模块产品已经很成熟，目前的发展方向为全彩色LED显示屏；在产品方面，LED大屏幕朝标准化、大型化和小型化的方向发展。1.5.2 LED显示屏控制系统的未来趋势图文图像屏在一定时间内还有比较大的前景，从商业角度来说，技术先进的不一定就是能在市场上完全能行的通的。就目前的应用来看图文图像屏的价格比较便宜，能满足许多场合的需要，有些地方只要显示文字或者一些图片已经足够。就目前的发展趋势来看，视频屏是一个趋势，因为视频屏的图

30、像更美观、大方。随着技术的进步，显示屏体的亮度会做的越来越高，色彩级别越来越多，视觉效果有极大的提高，而价格会进一步下降，所有这些将会导致视频屏有广阔的发展趋势。视频屏控制器功能的增大也为视频屏的广泛应用提供了基础，将来的视频屏应用起来必然会更灵活。从系统方面来说主要有以下几个方面:（1）采用光端机和光纤作为通信的媒介，比起电缆连接需增加的防雷措施和电缆不可靠带来的维护工作，还是更有利一些。（2）基于网络的传输特性，可方便地对单个LED显示屏控制器进行远程管理、维护、升级。功能也更丰富，实用，安全性也更高。而串口模式成本会高，况且一个通信服务器出故障后所有对应的LED控制器就都不能运行。（3）

31、硬件采用可编程的嵌入式平台，以保证其稳定性和灵活性。利用硬件描述语言，构造出需要的32位的CPU，这既保证了性能，也为以后的应用提供了灵活性。主频至少33M甚至66M以上。另外，设备内存和非易失存储器空间也应足够大(816M以上)。而一些单片机虽也可实现部分的网络功能，但由于速度慢，性能较差。（4）软件平台具备网络能力，需要支持TCP/IP协议;无线通信能力，支持GPRS, GSM, CDMA或者FM等协议。一般都会采用操作系统，常用的操作系统包括VxWorks, uC/OSII, Linux, WinCe等。（5）控制设备具有网管系统和支持WEB服务，操作员使用浏览器可以远程监测和控制，进行

32、维护和故障诊断。在通信出现故障时，维护人员在现场可以用笔记本电脑，使用网口、串口进行数据提取和诊断。2. LED显示屏的系统方案2.1 LED显示屏的显示原理和很多应用技术用语一样，LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，一般把显示图形和成文字的LED显示屏称为图文屏。这里所说的图形，是指由单一亮度线条组成的任意图形，以便与不同亮度(灰度)点阵组成的图像相区别。图文显示屏的主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断(发光或熄灭)。而不控制LED的发光强弱。加器件的颜色可以是单色的、双色的，个别情况下甚至是多色的。LED图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条形图文显示屏(简称条屏)，也可以按

33、一定高宽比例做成矩形的平面团文显示屏。其实条屏只不过是其宽度远大于高度的平面显示屏，在显示与控制的原理上并无区别。2.1.1 显示原理不论显示图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形，再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说，每个LED发光器件占据数据中的1位(1bit)，在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否则填。当然，根据控制电路的安排，相反的定义同样是可行的。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。显示图形的数

34、据文件，其格式相对自由，只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范，可以来用现行计算机通用的字库字模，例如汉字就有宋体、仿宋体、楷体、黑体等多种可供选择的方案。组成一个字的点阵，其大小也可以有1616、2424、3232、4848等不同规格。汉字“欢迎”的点阵结构和相应的数据如图2-1所示，还给出了从上到下，每行按列从左到右排列的显示数据。显示数据是用16进制格式以字节为单位表示的。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，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。条屏常用于简短明确的

35、信息，例如显示车站、机场的车次、航班信息，或者商厦的欢迎词，或写字楼办公区的简短通知等等。平面显示屏多用来显示比较复杂的信息，如车站显示多列列车的到开时刻、机场显示各航班运行情况以及证券交易所显示股票行情等等。点阵显示方式适应信息变化的优点，是以点阵显示器的价格和其复杂的控制电路为代价的。点阵显示器在整个显示单元的所有位置上都布置了LED器件，而像数码管一类的LED示器件只在需要发光的七段(改八段)位置上布置比LED器件，其它位置是空白的。因此，点阵显示器在相同面积情况下，其价格要比数码管等贵。另一方面，由于数码管可显示的信息有限，只有09(或再扩展到AF)几个字符，这些字符的变化是靠组合7段

36、LED发光与否实现的。由于段数不多，组合形成的字符也不多，所以其显示数据和控制电路都比较简单。点阵显示器则不然，它要对点阵上全部LED进行控制，并能生成所有可能显示的图形文字，其显示数据和控制电路自然要复杂得多。因此，在有些场合显示信息虽然需要变化，但其特点或格式有一定变化范围的限制，也就是说不要求显示任意变化的信息。在这种情况下，不一定非采用点阵显示方式不可。例如，在证券交易所的股票行情信息显示屏上，主要显示内容可以分为两大部分：一部分是股票名称，另一部分是行情。股票名称干变万化，所以应该采用点阵显示方式；而行情完全是由数字、小数点及正负号组成，完全可以便用数码管等器件进行显示。这时，在一个

37、屏上混合使用数码管和点阵显示单元，这种屏可以称之为混合屏。显然，在同等条件下，混合屏的造价要低于点阵屏。还有一种情况，虽然显示的图形或文字比较复杂，但不需要变化。这时可以直接把LED发光灯按所需显示的图文布置在印刷电路板上，全部LED发光灯一齐控制。要么全部点燃，要么全部熄灭。控制电路自然非常简单。图2-1 汉字“欢迎”的点阵结构和相应的数据图文显示屏的颜色，有单色、双色和多色几种。最常用的是单色图文屏。单色屏多使用红色或柄红色或橙色LED点阵单元。双色图文屏和多色图文屏，在LED点阵的每一个点上布置有两个或多个不同颜色的LED发光器件。换句话说，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，

38、各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，即可实现预期效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同，因此掌握了单色图文显示屏的原理，双色屏和多色屏就不难理解了。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示。这里所说的“静态显示模式”不同于静态驱动方式，它是指人主观观察所显示图文的效果是静止不动的。在静态显示模式下完全可以使用扫描驱动方式。与静态显示模式相对应，就有各种动态显示模式，它们所显示的图文都是能够动的。按照图文运动的特点又可以分为闪烁、平移、旋转、缩放等多种显示模式。产生不同显示模式的方法，主要是随时间变化不断控

39、制刷新显示数据。为了使图文运动，对显示数据进行的刷新，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。例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；而顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的；同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。其它模式的数据刷新，也可找到相应的算法。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，也可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著：刷新太快了，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几毫秒到几十毫秒范围之内。2.1.2 基本结构图文显示屏可以分为屏体和控制器两大部分。屏体的主

40、要部分是显示点阵，还有行、列驱动电路，或者包括其他电路（并没有严格规定，可根据需要和印刷电路板的布置而定）。显示点阵现多采用1616单色或双色显示单元拼接而成。a) b)图2-2 单色LED点阵显示单元a) b)图2-3双单色LED点阵显示单元例如48128的条屏，就需要使用96块88显示单元，按616块方式组成，虽然驱动电路和部分其他电路也装在屏体上，但其作用我们还是结合控制电路一起进行分析。从显示文字的角度看，一个字符可以由1616或2424或3232点阵组成。屏的一行可以短到只显示几个字，长到显示十几、二十个字。LED发光器件的尺寸也从3到10或更大，有多种选择。器件的发光强度可根据需要

41、选择普通型、高亮度型或超高亮度型。平面屏与条屏并无本质上的差别，只不过条屏显示的消息简单，多采用单色LED器件，平面屏采用双色或多色的比例要比条屏大得多。一块有M行N列组成的MN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。扫描电路一般采用多行的同名列公用一套列驱动器。MN 点阵LED显示屏行驱动器列 驱 动 器图2-4 显示屏基本结构图2.2 方案比较2.2.1 控制系统LED点阵电子显示屏的设计一般有两种方案：方案一：采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号。由于该系统不仅要实现信息的显示，还要具备与PC机通讯等功能及其他发挥功能，这就要求需要设计

42、多个接口电路，开发周期长，不易进一步扩展，同时系统的成本会急剧上升（相对于第二种方案）。方案二：采用单片机系统来实现。鉴于AT89C51单片机比传统的51系列8位单片机具有更加丰富的资源，而且数据处理速度快，同时板除了具备单片机最小系统电路外还包括有复位电路等，体积小，可靠性高，性价比高。本系统的设计采用单片机系统，用于完成显示功能，另一个主要实现与上位机的串行通信、超时复位等功能。2.2.2 显示驱动电路方案一：串行控制驱动，这种方式的好处是单元内的线路连接简单，给印刷电路板的设计带来方便，减少了布线的密度，方便以后的制作与调试，而且相对提高了每个单元的可靠性；方案二：并行控制驱动，将显示数

43、据通过并行(一般为8位)方式送入驱动电路，这样的好处是：相对于串行控制而言，数据的刷新速度快，在处理同等数量的数据时，对处理速度要求可以大大降低，从而提高了系统的稳定性，但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂，布线后的排错难度大大增加；方案三：采用专用集成电路（ASIC）直接驱动，由于这种专用集成电路是集行控制、列控制和外围驱动于一体，使系统的稳定性更为可靠，特别适合户外的大型或者超大型显示屏。因为这种类型的显示屏对图像显示要求高，不仅要保证图像的一致性，而且要保证图像的稳定、高亮。2.3 设计方案本次设计的显示屏为16行*256列，可显示16个汉字，更适合采用串行控制这种方式，这

44、样做既省去了并行控制驱动在制版过程中十分复杂的布线，又因为没有采用专用集成电路在一定程度上降低了整个系统的成本。主控单片机采用AT89C51芯片，列控制采用74HC595,行扫描则采用两片74HC138构成16行，看门狗采用X25045,通信功能则由MAX232完成。单片机译码器行驱动器列驱动器LED点阵显示电源移位寄存器MAX 232X25045PC晶振电 路图2-5 系统的总体组成框图行驱动器一行的行线连到电源的一端，列驱动器一列的列线连到电源的另一端。当行驱动选中第i行，列驱动选中第j列时，对应的LED器件根据列驱动器的数据要求进行显示。控制电路负责有序地选通各行，在选通每一行之前还要把

45、该行各列的数据准备好。一旦该行选通，这一行线上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。3. LED 显示屏的硬件设计由于显示屏的控制电路采用单片机方案，控制功能的实现应在硬件和软件两方面进行折中。单片机及相应软件，主要负责存储(或生成)显示数据、安排控制信号的定时与顺序等。但是单片机的接口数量少，驱动能力不强，必须扩展一定的硬件电路，才能满足显示屏的需要。3.1 主控制单片机采用ATMEL公司的8位单片机AT89C51作为主控制器。由于AT89C51内置有4K字节可编程闪烁存储器，能满足本系统数据处理及LED点阵显示所需数据的存储要求；CPU静态工作频率:0Hz-24MHz，能满足刷新速度要

46、求。另外，AT89C51功能较强、性价比高，具有体积小、集成度高、易扩展、功耗小等优点，简化主控制系统的硬件电路设计，可靠性高。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh 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。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，ATMEL的AT89C51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。图

47、3-1 AT89C51引脚图（1）主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路（2） 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。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P1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/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIA

48、SH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。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口作为第八位地址接收。 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

49、行存取时，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）P3.3

50、 /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。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一

51、个ALE脉冲。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。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于

52、施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（3）振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编

53、程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。图3-2 内部震荡电路 图3-3 外部震荡电路表3-1 AT89C51寄存器寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOD00HACC00HTCOM00HB00HTH000HPSW00HTLO00HSP07HTH100H0DPTR0000HTH100HP1P30FFHSCON00HIPxxx00000SBUF

54、不定IE0xxx00000PCON0xxx000003.2 LED显示驱动电路本次设计中16行256列LED电子显示屏的制作以及其显示驱动电路的设计制作都是非常关键的部分。下面主要介绍一下显示驱动电路的设计。本LED点阵屏采用动态扫描的方式显示，即逐行扫描，工作时先将一行点阵字模通过列驱动输出，然后运用译码器选中对应行，使该行得以显示，接着再送下一行数据，再选中下一行有效，直到16行全被扫描一遍。至此，一幅完整的文字信息就显现出来。然后在反复扫描这16行直至显示新的信息。采用这种方式的优点是耗电少，成本低，寿命长，但是也存在显示亮度及内容显示稳定的问题。根据视觉滞留原理，根据视觉滞留原理，每屏

55、的完整的显示时间应控制在20ms之内，即50Hz，人眼看上去才不会觉得闪烁。由于要扫描16 行的点阵，所以每行的时间绝不能超过20ms16=1.25ms，同时也不是每行的扫描时间越短越好，因为LED的亮度同电流的大小和维持时间的长短有关。LED点阵块的单点静态电流一般在10mA左右，由于占空比是1/16，所以单点的动态电流最大可以达到160mA。在维持时间恒定的情况下，电流越大（不超过额定电流），点阵亮度也越亮，而在电流恒定的情况下，需要一段维持时间来保持亮度。试验表明当输入LED的电流为15mA时，维持时间至少需要1ms，否则LED呈微亮状态。由于设计时设置AT89C51单片机的时钟频率为2

56、4MHz，而每次传送移行的字模数据有256位，经计算传输所需的时间小于1ms，这样就能充分利用列驱动74HC595的锁存功能，即在它接收下一行待显示的数据，还没有锁存新数据的这段时间来显示本行的内容，这样就不需要额外加延时来增加显示屏的亮度。采用这个方法就不要再增加LED的列驱动器件，从而使整个硬件结构更简化，成本降低。行信号的处理是由两个3/8译码器74HC138来完成译码。由于显示屏行的组成是多个模块并联而成的，因而行驱动得功率要求比较大，而且我们进行行扫描时需要所选行为高，故加反相驱动器ULN2803来满足要求。列信号的处理列信号的处理主要由32片8位带锁存的串入并出移位寄存器74HC5

57、95来完成。从单片机IO口串行输出的256位点阵数据随着移位时钟的作用逐位移动到对应位置，在接收到锁存信号后，将数据并行输出，最后在行驱动信号作用下点亮一行LED像素。3.2.1行驱动电路行驱动电路相对简单。行选通信号来源于单片机按照需要求所给出的二进制行号，每次更新行号时，由单片机发出控制信号，经两个3/8译码器译码后，生成16条行选通信号线，在经过驱动器驱动相应的行线。采用译码器的方案，还可以保证一时刻只选通一条行线。行驱动选用74HC138译码器。74HC138是TTL数字逻辑芯片，其功能是三输入八输出译码器。当4、5脚为低电平，6脚为高电平时，1、2、3/（A、B、C）脚输入有八种变化

58、，则15、14、13、12、11、10、9、7（Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7）8个Z脚中的某一个会产生对应为低电平信号，即表示该脚译码选通。图3-4 74HC138引脚图 图3-5 74HC595真值表每行需要驱动256只LED管，电流较大，为了使其亮度均匀，在此采用恒流驱动。由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。如果能够对LED正向电流直接进行恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近。实际应用中往往LED所需要的驱动电流较大，集成电路的输出能力显得不足这时可以外加驱动。由于显示屏行的组成是多个模块并联而成的，因而行驱动得功率要求比较大所以我们加驱动器ULN2803来满足要求。ULN2803是八组NPN型达林顿功放三极管集成芯片，典型的输入电压是5V，集电极输出功率可达50V600mA。图3-6 ULN2803引脚图单片机38译码器38译码器行驱动行驱动行选通1行选通16行线1行线16图3-7 行驱动扫描框图具体行扫描电路原理图见附录二。