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bylwpbALED点阵显示屏系统设计方案及PC机的串行通信
西南交通大学
本科毕业设计(论文)
LED点阵显示屏系统设计及PC机的串行通信
年级:
200X级
学号:
200XXXX
姓名:
XXX
专业:
数控技术
指导老师:
XXXXXX
200X年6月
院系机械工程系专业数控技术
年级200X级姓名XXX
题目LED点阵显示屏系统设计及PC机的串行通信
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩委员会主任(签章)
年月日
毕业设计(论文)任务书
班级200X级学生姓名XXX学号200XXXX
发题日期:
200X年2月25日完成日期:
6月13日
题目LED点阵显示屏系统设计及PC机的串行通信
1、本论文的目的、意义:
点阵式LED显示器控制系统是很实用的微机控制应用系统,其应用日益广泛。
本论文拟用单片机对点阵式LED显示器直接控制,由PC机实现汉字显示点阵数据传送。
该题目综合性非常强,涉及有单片机系统硬件知识,硬件电路制作,汇编程序设计方法,计算机通信,计算机可视化程序设计等,使学生进一步巩固所学,提高能力,可得到很大的锻炼。
2、学生应完成的任务
(1)收集有关单片机应用的资料,尤其是单片机与PC机间的数据串行通信控制,以及显示屏控制方面的内容;电子制作方面的资料;
熟悉单片机MCS-51的工作原理和程序设计;
(2)详细掌握点阵式LED显示屏的显示控制原理;PC机与单片机的通信原理,掌握一种可视化的计算机语言。
系统功能设计;硬件电路设计。
详细列出单片机系统电路制作所需的电子元器件清单;
英文翻译。
(3)单片机系统电路制作;
点阵式LED显示器控制软件程序的设计,包括单片机控制程序和PC机控制程序;硬件电路和软件程序的调试。
(4)完成具有规定格式的设计说明书(不少于15000字)一份。
提交设计制作的硬件电路板和设计程序。
3、论文各部分内容及时间分配:
(共16周)
第一部分查阅、搜集相关资料并参考吸收。
(3周)
第二部分基本知识原理的学习。
系统功能设计,总体设计、
硬件电路设计(3周)
第三部分硬件电路的制作和控制程序的设计,硬件电路和程序的调试。
(6周)
第四部分设计说明书、电路图的书写整理等工作(3周)
评阅及答辩(1周)
备注
参考文献:
MCS单片机应用系统实用指南陈宝江等编著机械工业出版社1997
单片机通信技术与工程实践求是科技编著人民邮电出版社2005
PC机及单片机数据通信技术李朝青编著北航出版社2000
单片机原理及应用,电子制作指南,VB(或VC)计算机语言程序设计等
相关资料、教材在图书馆和网络上有很多,可自行选择参考
指导教师:
XXXXXX200X年2月25日
审批人:
年月日
摘要
LED电子显示屏是随着计算机及相关的微电子﹑光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。
它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元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、性能价格比高、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。
本设计采用单片机系统的设计方法,利用单片机与PC机的串行通信接口实现对LED点阵显示屏系统的控制设计。
通过总体方案的分析与设计,确定所采用的单片机的型号,确定硬件设计与软件设计的内容,硬件方面需要对单片机控制系统的硬件电路(如时钟电路、复位电路等)进行设计,显示部分确定了由P0、P2口直接控制行扫描数据码的输入,P1口控制列扫描指针的输入,利用PROTEL99SE电路设计软件进行LED显示硬件电路原理图的绘制,并生成报表,列出所需元件清单。
根据点阵LED显示屏系统的设计要求,用单片机汇编语言编程,实现6个16×16点阵汉字字符或数字的显示;利用51汇编集成开发环境和STC-ISPV13下载型编程器对单片机程序进行烧录。
在系统软硬件调试过程中,采用STC89C52RC单片机实验开发板进行功能测试。
关键词:
单片机控制系统与PC机串行通信点阵LED显示屏电路制作
Abstract
LEDelectronicdisplay,withtherapiddevelopmentofthecomputerandrelativemicroelectronics,photonicstechnology,comesintobeinganewtypeofinformationdisplaymedia.Itusesapixeldotmatrixmoduleormodulesmadeupoflight-emittingdiodetocomposevariableareaofthedisplayscreen.Withhighreliabilityandlongservicelife,astrongabilitytoadapttotheenvironment,highcostperformance,theuseoflowcost,inashortperiodof10years,ithasquicklygrownintothemainstreamofflatpaneldisplayproductsandbeenwidelyappliedinthefieldofinformationdisplay.
UsingSCMsystemdesignmethodsandSCMandPC'sserialcommunicationtechnology,thedesignimplementedtheLEDdot-matrixdisplaycontrolsystem’sdesign.Throughtheanalysisanddesignoftheoverallplan,weidentifytheneedsoftheSCMmodels,determinethedesignofhardwareandsoftwaredesign,andthehardwareneedingtodetermineSCMcontrolsystemhardwarecircuit’s(suchasclockcircuit,resetcircuit)design.Inthepartofthedisplay,weuseP0,P2porttodirectlycontrolrowsignalsofcodescandatainput,andP1portcontrolthecolumnsignalsofscanindicatorsinput.UsePROTEL99SEcircuitdesignsoftware,wecandrawLEDdisplayhardwarecircuitschematics,generatereports,andlisttherequiredlistofcomponents.Accordingtodot-matrixLEDdisplaysystemdesignrequirements,itcanuseSCMassemblylanguagetoprogramtocarryoutsix16×16dotmatrixChinesecharactersordigitaldisplay.Weusethecompilationof51integrateddevelopmentenvironmentandtheSTC-ISPV13DownloadsprogrammertoburnSCMprocedures.Inthehardwareandsoftwaresystemdebuggingprocess,wecanuseSCMSTC89C52RCexperimentaldevelopmentboardfortesting.Finally,dotheoverallanalysisandverifythefeasibilityofsystem.
Keywords:
SCMControlSystemSerialCommunicationwithPCDot-matrixLEDdisplayscreenCircuitproduction
绪论………………………………………………………………………………1
1.1课题背景……………………………………………………………………1
1.2开发LED点阵显示系统的意义………………………………………………2
1.3单片机系统设计方法…………………………………………………………2
1.4本次设计的任务………………………………………………………………5
第2章总体方案设计……………………………………………………………………7
2.1可行性分析……………………………………………………………………7
2.2系统功能分析…………………………………………………………………7
2.3单片机的选型…………………………………………………………………8
2.4系统硬软件的功能设计………………………………………………………8
2.5本章小结……………………………………………………………………10
第3章系统硬件设计……………………………………………………………………11
3.1单片机系统设计……………………………………………………………11
3.1.1单片机的基本概念………………………………………………………11
3.1.2STC89C52RC单片机的外部引脚功能…………………………………12
3.1.3驱动电源设计……………………………………………………………13
3.1.4时钟电路设计……………………………………………………………13
3.1.5复位电路设计……………………………………………………………14
3.1.6单片机串口波特率发生器的选择………………………………………15
3.2单片机串口电平转换电路设计………………………………………………18
3.2.1通信协议的采用…………………………………………………………18
3.2.2电平转换电路设计………………………………………………………21
3.3绘制电路原理图………………………………………………………………23
3.4LED点阵显示屏的选择及连线……………………………………………25
3.5本章小结………………………………………………………………………27
第4章系统软件设计…………………………………………………………………28
4.1PC机串行通信程序…………………………………………………………28
4.1.1功能分析………………………………………………………………28
4.1.2串行通信的两种方式…………………………………………………28
4.1.3MSComm控件介绍…………………………………………………29
4.1.4使用VB开发串行通信软件……………………………………………30
4.2单片机的串行通信程序……………………………………………………42
4.3显示程序设计………………………………………………………………45
4.4字模点阵信息提取…………………………………………………………47
第5章系统调试………………………………………………………………………48
5.1系统硬件调试………………………………………………………………48
5.2系统的软件程序调试………………………………………………………48
5.3显示程序调试………………………………………………………………52
第6章问题探索………………………………………………………………………53
6.1问题1显示亮度与稳定性的研究…………………………………………53
6.2问题2分幕显示程序的缺陷………………………………………………53
6.3问题3PC机与单片机的协调性研究………………………………………54
结论……………………………………………………………………………………55
致谢……………………………………………………………………………………56
参考文献………………………………………………………………………………57
第1章绪论
1.1课题背景
发光二极管(LED)是一种将电能转换成为光能的固体电致发光(EL)器件。
关于固体发光最早可追溯到1923年,但在当时却没有能够引起人们的足够重视。
后来,随着固体物理和现代技术的发展以及人类对全固体光源的需求,固体EL先后取得了一系列应用技术上的突破。
1964年世界上第一只红色III-V族GaAsP-LED诞生,预示着固体发光时代的来临,不久,橙色、黄色、黄绿色LED也相继问世,实现了在波长940~540nm范围内发光的全固化,遗憾的是实现全色显示的蓝光一直未能得到。
二十世纪七十年代,LED产业迎来了蓬勃发展的春天,它在大屏幕显示、交通信号灯和仪器仪表指示等领域得到广泛应用,并随着家用电器进入人们的生活。
1994年,氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出现是LED显示发展史上的又一里程碑,使户外全色显示和半导体照明成为可能,氮化镓基发光器件具有全固体、冷光源、体积小、寿命长、光效高、响应速度快、耐候性好等优点,在国民经济的众多领域具有广泛的应用前景,引起了科学界和产业界的极大关注,成为半导体体领域新崛起的研究热点和经济生长点。
白光LED点燃了真正“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主流,是照明技术面临一场新的革命,从而在一定程度上改善了人类的生产和生活方式。
目前,LED产业竞争的焦点集中在白光、蓝光、紫光LED以及大功率高亮度芯片。
白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源,已成为世界各地光源和灯具研究机构竞相开发、努力获取的目标,是未来照明领域的明星企业。
白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8,荧光的1/2,其寿命可长达10万小时,对于普通家庭照明可谓是“一劳永逸”。
同时还可以实现无汞化,回收容易,这对环境保护和节约能源具有重要的意义。
我国在目前的研究上也取得了可喜的进步,正在缩短与国际先进水平的差距。
眼下市场上的白光LED大多是国内LED厂家采用进口芯片和荧光粉自行封装的。
由于技术力量和自主开发能力的薄弱,蓝光芯片的选用和白光LED的性能受到一定限制和影响。
作为对节能高效显示器的一种尝试,选择LED点阵显示屏系统设计作为我的毕业设计题目。
对于我来说,这既是一次挑战,更是一次难得的学习机会。
1.2开发LED点阵显示系统的意义
LED显示屏是有发光二极管排列组成的一种显示器件。
它采用低电压扫描驱动,具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。
目前,LED显示屏最为新一代的信息传播工具,已经成为城市信息现代化建设的标致。
随着社会信息的不断进步,以及LED显示技术的不断完善,人们对LED显示屏的认识也越来越深,其应用领域也会越来越广。
被广泛应用于证券交易、金融显示,机场航班动态信息显示,港口、车旅客引导信息,到他能够交通信息显示,演出和机会,调度指挥中心信息显示,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、广告媒体新产品,体育场馆信息显示,展览会等领域。
尤其是大屏幕显示系统,作为体育场馆竞赛和大型社会活动提供信息服务的基本子系统,它将直接影响到场馆基础设施的档次。
同时,由于其功能和综合效应十分符合当前市场经济的新要求,系统设备前期的硬件投资对场馆的现代化建设,甚至促进地方经济的发展都具有十分重要的意义。
此次设计是在老师的指导下完成的。
作为我们本身,已经跨出了向大屏幕迈进的第一步;作为实验室,也有了一个新的起点,有助于以后的学习和教案,充分利用了学校的教案资源,使大家向一个纵深的领域发展。
对于我自己而言,有一点点的成就感,毕竟是自己亲自实践,是自己在理论与实践的结合中培养了自己的动手能力和团队写作能力,对自己以后的发展将会意义深远。
1.3单片机系统设计方法
一个完整的单片机系统设计是相当复杂的。
硬件设计方面,设计者不仅要对微机系统本身进行设计,还要根据具体的应用添加外围设备的接口电路和驱动电路。
软件设计方面,则需要根据具体硬件结构来实现单片机系统的功能。
在实际的应用设计中,由于应用环境不同,开发者还应当考虑到温度、功率、产品体积、可靠性、抗干扰性、实时性等众多问题,并提供硬件的或软件的解决方案,以保证最终产品的可靠性,其复杂程度远比通常所说的微机系统要高。
单片机应用系统的设计应按照以下几个步骤来进行。
1.总体方案设计
在这一阶段,设计者需要考察实际应用环境的需要,确定系统的整体设计方案。
首先是可行性分析,确定能否使用单片机系统达到需要设计的目标,达到设计的目标需要的经济成本是否超出可接收的范围。
其次是对系统的核心—单片机的选型,这涉及到应用系统本身对数据处理能力的要求,以及是否有其他方面的特殊要求(低功耗、工作温度、接口电路),如果产品需要成批生产,还要考虑市场供应和系统本身成本等方面的问题。
最后是对系统各项功能的划分,确定软件和硬件的分工问题。
经过这一阶段的设计,设计者应该已经有比较成型的系统设计框架,对软硬件的系统分工有较明确的方案。
此时,可以进行系统的硬件设计工作了。
2.系统的硬件设计
系统的硬件设计阶段,设计者需要对各个模块的硬件部分进行具体设计。
这部分包括单片机系统的设计,外围功能模块的选择,I/O口的分配,单片机与外围模块,单片机与单片机之间的通信线路的选择,模拟输入/输出通道电路的设计等方面。
当具体的硬件系统功能框图完成后,可以绘制电路原理图,同时设计者还要对电路设计进行进一步的验证。
完成电路原理图的绘制后,还需要使用Protel等工具软件绘制硬件系统的PCB版图,这时需要的实现器件在电路板上的分布、具体的封装、信号线和电源线的走线分布等。
其中需要考虑最终产品本身的尺寸要求、工作环境、干扰问题等众多方面。
3.系统的软件设计
一个完整的单片机系统只有硬件还不能工作,必须有软件来控制整个系统的运行。
单片机系统的软件设计主要使用汇编语言或C语言。
前者与硬件的关系密切,可以方便地实现诸如中断管理以及模拟/数字量的输入/输出等功能,占用系统资源小、执行速度快,但对复杂的大型应用,其代码可读性差,不利于升级和维护。
后者使用高级语言,代码效率和长度都不如汇编语言,但其结构清晰、可读性好、开发周期短、有极强的可移植性,在大多数应用方面执行效率与汇编语言的差距也不大,近年来得到了广泛的应用。
单片机的软件部分,主要的任务包括系统的初始化,各模块参数的设置、中断请求管理、定时器管理、外围模块读写、功能算法实现、可靠性和抗干扰设计等方面。
软件的设计可以分为两个阶段。
首先,设计者可以按照最初的实际思路完成部分的软件设计工作。
当硬件部分制作完成后,设计者还需要根据硬件将事先完成的软件部分的各模块进行组合和调整。
完成系统的软件设计,首先需要在计算机上进行软仿真,验证软件部分的逻辑正确性,当完成硬件制作后,就可以进行实际的测试了。
4.系统调试
电路板制作完成后,设计者需要按照PCB板的绘制图焊接各个元件,同时检测硬件方面的设计错误,发现问题后,如果能够补救,可以使用飞线等手段修改硬件设计,如果出现无法解决的错误,就只要推到整个硬件设计,重新进行PCB版图的绘制等工作了。
在对硬件系统进行必要的测试后,可以使用仿真器或干脆将完成的软件部分程序烧录到硬件系统中的ROM中进行系统功能的测试。
对可能出现的问题,需要从软件和硬件两个方面考虑,这一阶段需要大量的测试程序对系统的各个部分进行分别的测试,才能找到问题的所在。
当软件和硬件能够很好地配合,完成预定的功能后,并不意味着单片机设计的工作已经完成,设计者还要对系统进行全面的测试,保证系统在绝大多数情况下都可以正常的工作。
当这一切都完成后,设计者还应该将产品本身放到实际的工作环境中进行测试,这时往往会暴露出很多原先没有考虑到的问题。
5.系统的完善和升级
产品设计达到预期要求后,设计者还需要最后对整个产品进行进一步的优化和组合,并在可允许的情况下为系统预留升级的接口。
当所有步骤完成后,设计者可以宣布产品设计的结束,进入产品的工业生产阶段。
完整的单片机系统设计流程如图1-1所示。
图1-1单片机系统设计流程
1.4本次设计的任务
标准的51或52单片机都有一个全双工串行通信接口,利用这个接口,我们可以方便地与其他单片机系统或PC机进行串行通信,相互交换数据。
这对单片机而言意义重大,不但可以将单片机采集的实时数据传输到电脑上,而且也能接收电脑对单片机的控制指令,实现对单片机的智能化控制。
利用PC机实现对LED点阵显示屏系统的控制,拓宽了单片机系统的应用领域,使我们的控制系统可以充分利用计算机强大的数据处理能力和管理功能,使系统功能更加完善。
基于此目的,进行LED点阵显示屏的PC机控制系统设计,其主要工作包括:
(1)单片机系统:
实现和PC机的串行通信。
(2)硬件设计:
实现单片机与PC机之间的串口电平转换;完成96
16点阵显示屏的硬件连线。
(3)软件设计:
包括显示部分和通信部分。
显示部分通过汇编语言完成程序编写,对显示内容,显示方式,显示速度等方面进行控制;通信部分利用VB设计通信软件,用于数据的传输,利用汇编语言进行单片机通信程序设计协调与通信软件的属性值。
第2章总体方案设计
按照单片机系统的设计方法,这一阶段,我需要考察实际的应用环境,确定LED点阵显示屏控制系统单片机与PC机串行通信部分的整体设计方案。
它包括系统的可行性分析、功能分析、单片机选型以及系统硬软件的分工问题。
2.1可行性分析
这次设计是为了拓展我的学习面,增强我在具有理论基础上的动手能力,是一次难得的锻炼自己动手能力和团队协作能力的好机会。
本次需要我和樊丹同学共同完成。
我做上位机部分,即PC机与单片机串行通信部分;樊丹同学做下位机部分,即单片机与LED点阵显示屏的显示部分;实物焊接部分和程序调试部分有我们共同完成。
LED点阵显示屏在实际生活中已经得到了广泛的应用,但对于一个只具有理论基础的初学者来说,能够通过自己和团队的努力达到这一高度,进行这样的设计内容,是很有必要的,也是完全可行的。
2.2系统功能分析
单片机以其体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点,故在国民经济建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。
但由于其数据存储容量和数据处理能力相对较低,一般情况下采用通信手段使它与PC机相连,把所采集到的数据传送到PC机上,通过PC机进行数据处理,然后发回单片机进行执行,实现其功能。
由于单片机输入,输出电平是TTL电平,而PC机配置的是标准的串行接口RS-232C,两者的电气规范不一致,因此要完成单片机与PC机的数据通信,必须对单片机输出的TTL
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