基于zigbee的多功能显示屏设计大学论文Word文档下载推荐.docx
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目录
一、绪论1
(一)研究背景1
(二)研究目的和意义1
(三)国内外研究现状1
二、LED显示屏的相关概念2
(一)LED显示屏的概念2
(二)LED的发光原理2
(三)LED的基本特征2
(四)LED的基本特征5
(五)LED显示屏的特点8
(六)LED显示屏的动态扫描8
(七)Zigbee无线通信技术9
三、单片机控制电路的设计10
(一)单片机的概述10
(二)单片机的特点10
(三)键盘设计10
(四)单片机串行通信技术10
(五)硬件电路板制作11
四、显示屏实例设计12
(一)系统概述12
(二)系统硬件设计13
(三)系统软件设计14
结论17
一、绪论
(一)研究背景
在二十世纪90年代初期,一种新兴的信息显示技术顷刻间席卷全世界,它被命名为LED显示屏,是lightemittingdiode的英文缩写。
它的主要组成部分是导体发光二极管,组成数量并没有固定,而是根据实际需要来规定组成数量,少则几十多则上万。
通常,LED显示屏可以用来显示图形、文字、动画等各种信息。
不仅如此,LED显示屏还可以与电脑相连接,通过电脑的控制实时的播放显示各类信息包括录像、动画以及电视节目。
LED显示屏的发展仅仅十来年的时间,就已经在平板显示中独占鳌头。
它之所以能有这么快的发展,与它自身所具有的特点是密不可分的。
它的亮度非常的高但功耗却特别小,不仅耐冲击,而且性能还特别稳定。
目前LED显示屏已经被广泛的在户外加以应用,我们走在大街小巷,随处都可见它的身影,它己经成为了人们生活中的一部分。
比如十字路口的交通指示灯,各大超市、商场门前的广告牌银行、机场候客厅的显示牌,体育场的计分牌等都是用的LED显示屏。
它的应用范围越来越广,越来越向着全方位的方向发展。
(二)研究目的和意义
本课题的研究目的就是希望通过对LED显示屏控制技术的研究,寻找一种简捷、快捷、便捷的低成本显示屏控制方案,以便更方便地实现LED显示屏的各种显示功能,更好地满足各行各业对LED显示屏的应用需求。
(三)国内外研究现状
随着LED产业的发展,我国LED产业已从以前的从国外购买芯片,逐步发展到自主生产芯片的阶段,并且已经具备一定的自主生产技术。
最近几年,亚洲国家已经成为LED产品的生产基地。
主要集中在日、韩和中国,其中中国的市场占有率相对来说较低,但是逐年还是有小幅度的增长,总体还是显现的增长趋势。
台湾的生产水平相对来说还是比较先进的,但中国大陆也不甘示弱,国内的比较强的企业已与台湾的大企业生产水平相当。
之所以能有如此的进步,也得益于政府的扶持。
政府出台政策,如对LED使用者提供一定的财政补贴,公共的照明设备全部使用不仅节能而且环保。
受惠于政府的扶持和财政的补贴,中国的LED产业生产总值会不断提高。
尽管如此,中国的LED发展水平与国外还是有不小的差距,还需认真向国外学习他们的先进技术。
虽然每年在各个方面的技术都在突破,但产业化效率非常并不高。
与国际先进水平比较,在芯片的亮度、发光效率、抗静电能力、抗漏电能力以及生产品质等方面仍有不小的差距。
除此之外,规模化生产并且能够满足市场需要的企业也并不多,所以一些封装所需芯片特别是高档芯片主要还是要靠进口来满足需求。
经过多年的发展,我国LED显示屏厂商已经具有了很强的实力,尽管有许多颇具实力的知名显示屏厂商的竞争,但是国内LED显示屏厂商还是占据了大部分的国内市场。
这对于我国的LED产业的发展起到了很大的促进作用。
不仅如此,很多国内生产的LED应用产品已经出口到美国、欧盟等其他国家和地。
目前,LED显示屏的发展趋势在国家的政策支持以及应用需求的驱动下日渐提高,国内LED行业发展飞快,形成了比较完备的LED产业链体系。
近年来国内的显示屏市场掀起了一股LED产业建设的热潮,LED显示屏行业市场已经变成了全球产业链的一块沃土。
我国LED显示屏产业总体上以民营企业为主,从业人员主要以充满活力的年轻一代为主。
表现为行业的增长速度快,技术的革新能力强但有巨大规模型的精英企业数目相对较少。
进入新世纪,随着信息显示技术的飞速发展,光电子产业已经得到社会广泛的认同和重视,很多颇具影响力的企业将LED显示屏产业作为今后经营发展战略的重要目标,都争先恐后的加入到LED显示屏这个非常有潜力的产业中。
最近几年国内的LED厂商的创新能力和生产技术有了很大的提高,这极大地推动了我国产业的发展,包括手机背光、LED光源等。
从总体的趋势上来看,我国LED的发展已经进入了井喷式的增长阶段,并且LED电子显示屏的产业集中度将快速提升。
由于LED电子显示屏行业已经步入成熟期,因此其市场规模将保持平稳的增长态势。
展望LED的发展,未来LED显示屏发展趋势:
首先技术的不断革新,那么它的制造成本和销售价格必然会的降低。
随着技术的不断成熟,它的发光效率和产品质量都会有稳步的提升。
其次,室内LED显示屏市场的快速启动与发展,使它具有了智能化控制、丰富多彩的功能性、建筑一体化等特点。
这也将为LED显示屏产业发展的新机遇。
第三,LED产业将会向着规格化、系列化、标准化的发展,使显示屏产业整体更加具有国际竞争力。
二、LED显示屏的相关概念
(一)LED显示屏的概念
LED显示屏(LEDpanel):
LED就是Iighiemittingdiode,发光二极管的英文缩写,简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
(二)LED的发光原理
LED是由半导体材料制作而成的,它的核心是PN结。
具有一般P-N结特性:
正向导通,反向截止和击穿特性。
在一定条件下,LED还具有发光特性。
在正向电压下,电子从N区注入P区,而空穴从P区注入N区。
进入到对方的少数载流子(简称少子)一部分会和多数载流子(简称多子)复合发光。
假设发光是在P区中发生的,注入的电子和价带中的空穴直接复合发光,或者说先被发光中心捕获后,然后再和空穴复合而发光。
此外,还有一些电子被非发光中心(位于导带、价带中间的附近)捕获,然后再与空穴复合,释放的能量并不大,所以不能够形成可见光。
复合产生的能量将会以光或者热的形式而发散出来。
由于复合是在少子的扩散区内发光的,所以光是在靠近PN结面内产生。
当电能转化成光能时,发出的光能的能量相当于半导体材料的带隙能量(即半导体材料的禁带宽度)。
(三)LED的基本特征
目前市面上可以见到的单颗封装单、多芯片型白光LED的功率为1w,3w,5w,10w,15w,20w等系列产品,正向压降VF比一般的有色LED光一黄光的LED驱动电压只要1V到2V左右。
具体的综合电参数见表1.1所示。
表1.1LED土要的电参数
LED的伏安特性如图1.1所示,特性方程如(1.1)所示:
(1.1)
其中:
几为正向电流,VF为正向电压,k为波尔兹曼常数,T度,IS为正向饱和电流,q为电子电荷量。
0a段:
正向死区只有当正向电压VF大于死区门槛电压时,LED才一会导通。
绿色开启电压一般为0.3-0.35V,白光LED的开启电压一般大于2.3V。
ab段:
工作区
VF从增大电路IF也随之增大,LED的发光亮度也有所提升。
值得注意的是,当VF继续增大到一定值时,需要加保护电路,否则正向电流会加大而烧毁LED。
0c段:
反向死区
LED加反向电压不工作,但有很小的反向电流,一般在μA级。
图1.1LED伏安特性图
cd段:
反向击穿区
LED反向击穿分为热击穿和电击穿(电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿)两种,电击穿是可逆的,而热击穿是不可逆的。
图1.2LED正偏特性曲线
如图1.2所示,两个白光LED生产商产品中各取三个样品进行正偏压I-V特性测试的曲线,在同一电压下同一组产品的导通电流有5到20mA的差别。
且当电压大于阂值电压后,电压的微小波动会引起很大的电流变化。
如图1.3所示,光通量会随着一导通电流的增大,呈现性上升。
图1.3LED光通量与导通电流的关系
如图1.4所示,导通电流的急剧增加将导致温升过快,直接影响LED的光输出量和寿命。
温升将使LED发光主波长发生偏移,从而引起色偏。
图1.4LED光通量与温度的关系
LED的主波长与温度的关系符合(2.2)式:
(1.2)
由(1.2)式可知,每当结温生高10℃时,波长向长漂移1nm,且发光的均匀性、一致性变差。
因此要严格控制导通电流的大小,以便有效的控制LED的亮度、温升及寿命,一般驱动电流推荐为额定电流的70%^-80%,并且使用恒流驱动,或者PWM脉冲电流调光的应用中,最大电流不宜超过最小电流3倍,否则冲击电流会大大减少LED使用寿命。
(四)LED的基本特征
(五)LED显示屏的特点
(1)使用寿命长:
发光二极管的使用寿命在10万小时以上;
(2)响应速度快:
这是半导体器件共有的特点;
(3)可视距离远:
LED的单点直径可达52mm,最大尺寸显示屏可视距离500米以上;
(4)规格品种多:
LED显示屏有室内的、户外的,有单色的、双色的、全彩色的;
(5)数字化程度高:
全数字化,可实现高分辨率图形方式;
(6)亮度高:
可用于户外,如交通灯、防雾灯等。
并且亮度可以根据晴天和阴天或上午、下午的不同亮度需求自动灵活调;
(7)可视角度大:
室内显示屏可达160度,户外的可达120度;
(8)功耗低:
每平方米最大功耗不超过800w。
(六)LED显示屏的动态扫描
一个LED数码管需要一个七段显示译码器驱动,多个LED组成的多为显示电路就需要给每个LED都用一个译码器驱动,这通常称为静态显示。
所谓动态显示,就是让给为LED按照一定的顺序轮流地发光显示。
只要扫描频率大于50HZ,就观察不到闪烁现象,人眼看起来很稳定。
与静态驱动显示相比,动态扫描显示具有以下优点:
第一,能显著降低LED的功耗,这对于采用电池供电的便携式数字仪表尤为重要;
第二,能大大减少LED的外部引线,给印制板的设计和安装带来方便;
第三,能采用BCD码多路输出的方式,不仅使译码、驱动电路大为简化,还可以与PC相连等。
目前,动态扫描显示技术己被广泛用于新型数字仪表、智能仪器和智能显示屏中合实现的。
LED的驱动方法可以分为恒压驱动、恒流驱动和扫描驱动等。
由于扫描驱动可以大大简化电路,减少驱动器的数目,所以常规的LED显示屏驱动多采用扫描的方式实现显示。
在这种扫描方式下,N行LED共用一个数据,每行LED的显示时间占一个扫描周期的l/N。
根据人眼的视觉暂留效应,只要整屏的刷新速率大于50Hz,就可以形成稳定的画面,N可以取8、16、32等值。
上面介绍的电路连接方法,就是动态扫描的体现,在显示数据的时候,并不是把所有汉字的代码同时送出来,而是一行一行的准备数据,当对应的行的数据准备结束后,行信号选通整屏数据就显示出来了,如果给每一行显示都延时一定时间,看到显示屏上的内容就是一行一行的亮暗点在向下移动,但是每次只选中一行。
(七)Zigbee无线通信技术
ZigBee是一种短距离、低功耗、低成本的无线通信技术,ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词,ZigBee的称呼来自于自然界中蜜蜂飞行时候的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞行和“嗡嗡”(zig)声地抖动翅膀的“舞蹈”来与其它的蜜蜂进行信息的交流,换言之蜜蜂是依靠这样的沟通方式构成了蜜蜂群体中的通信网络[11]。
ZigBee技术它相对于蓝牙和WiFi在面向自动化生产控制中有着更加突出的优点,从而使得ZigBee技术在多种行业里边的自动化级别的控制以及在一些需要远程控制的领域,ZigBee技术都能够很好的发挥出它独有的特点。
ZigBee无线通信技术它的具有很多良好的特点,它的特点基本可以概括如下:
1.工作能耗低:
ZigBee模块在待机状态下,仅仅使用俩块常见的5号电池,就可以支持一个ZigBee节点持续工作半年到俩年之久,还有可能会更长。
2.ZigBee使用成本很低:
ZigBee协议被重新修改之后,减低了成本,也减低了对对控制器的依赖要求。
3.低速率数据传输:
ZigBee无线通信的速率为250kbps,达到了低速率发送与接收信息数据的要求。
4.ZigBee技术近距离传输:
相互毗邻的俩个ZigBee节点,它们的数据有效传输范围为10-100m之间。
5.ZigBee技术很短时延:
ZigBee模块收到数据后的响应很快,大多只要很短的15ms就可以从休眠状态转换到工作状态。
6.ZigBee技术高容量:
ZigBee技术它能够工作不同的网络形式下,能够在不同的组网形式下正常传输数据。
在众多的不同规范中,IEEE802.15.4标准是最初专为低速率个人无线区域网(LR-WPANs)提供服务协议,在下一代无线网络技术中最有发展前景[12]。
在人们平时能够接触到的ZigBee、蓝牙、wifi通信标准中,ZigBee协议标准的要求相对比较低。
ZigBee技术将主要嵌入消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,支持小范围内基于无线通信的控制和自动化[13]。
人们在日常生活中要采取无线网络通信时,当符合下列条件中的至少一条时,ZigBee技术首先被采用:
(1)需要通信的距离不是很远;
(2)通信中没有太大的数据量进行传输;
(3)不需要一直更换电池,用来维持系统的通信;
(4)需要使用通信的设备不会太大,只能使用干电池或者数据线提供电源动力;
(5)使用干电池提供电力,不需要一直供电工作的情况下;
(6)当使用无线通信的范围很大时,通常采取ZigBee组网形式来完成无线网络的数据传输。
三、单片机控制电路的设计
(一)单片机的概述
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。
(二)单片机的特点
MCS一51是Intel公司最早推出的51单片机,其代表产品就是8051系列单片机,其代表芯片包括8051、8031、8052、8032、8751和8752。
以后的单片机多兼容8051,例如STC89C51,它的内部结构和8051相似。
其主要有微处理
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