LED点阵显示屏设计项目方案Word文档格式.docx
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2.研究方法:
(1)根据设计任务和指标,初选设计方案;
(2)通过调查研究
3.采取措施:
(1)复习之前学过的有关LED的相关知识
(2)去图书馆或上网查阅相关资料
(3)实在无法解决的则向老师请教
3、现有基础和具备的条件
现有基础:
通过近三年的学习对机电一体化专业有了最基本的认识;
在学习过程中利用计算机等辅助工具对机电一体化专业技术和机电一体化人才的培养有了大致的了解和认识。
学习了一些相关的机电一体化专业课程如:
数字电子技术、电力基础、机械制造、机械设计、电力拖动、单片机、PLC、Pro/E……等课程。
对机电一体化的的应用前景有了正确的认识。
具备的条件:
学校有我们所需要的实习场地和设备,有专门的PLC仿真器设备,还有图书馆和校园网。
4、总的工作任务以及预期结果
2015年10月--2015年12月
填写开题报告和设计任务书。
2016年1月--2016年2月
熟悉设计题目,查阅资料,作准备工作。
2016年3月--2016年4月
工艺、原理分析,单片机选择,系统调试。
2016年4月--2016年6月
撰写论文,绘制图纸。
2015年6月--2016年6月
提交任务准备答辩。
预期结果:
通过设计,掌握一般的设计方法和步骤,提高和培养设计能力,学会运用所学知识分析和解决实际问题,提高实际工作能力。
五、指导教师审查意见
同意开题
指导教师(签名)友成
2015年12月29日
六、教研室审查意见
教研室主任(签名)友成
七、系审查意见
同意
系主任(签名)一兵
2015年12月30日
备注:
附件3:
封面式
职业技术学院机电工程系
√毕业设计□毕业论文
设计项目(论文题目)LED点阵显示屏设计
姓名肖彬
学号2
专 业机电一体化
所在班级1132
指导教师一兵
2016年6月15日
附件4:
毕业设计(论文)指导记录
指导老师
学生
所在班级
联系
E-mail
毕业课题
指导时间
指导情况记录
摘要
随着显示器件与技术的进一步发展,屏幕显示系统在国民经济中得到了广泛的应用,LED显示屏是信息显示的重要传媒之一。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的显示屏幕。
伴随着计算机技术的发展,使得LED数码管能够在减少驱动器的情况下能够直接被驱动。
而且它具有可靠性高、使用寿命长、性能价格比高、使用成本低、环境适应能力强等特点,所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色,并且在今后相当长的一段时期还有相当大的发展空间。
所以被广泛应用于金融市场、医院、体育馆、机场、码头、车站、高速公路等公共场所的信息显示和广告宣传。
本设计是16×
16点阵LED电子显示屏的设计。
该电子显示屏可以显示各种文字,采用4块8×
8点阵LED显示模块来组成16×
16点阵显示模式。
文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计,以及使用说明等。
【关键词】单片机AT89C52LED点阵显示
点阵式LED电子显示屏的设计
一绪论
(一)课题概述
随着显示器件与技术的进一步发展,屏幕显示系统得到了广泛的应用,LED显示屏是信息显示的重要传媒之一。
LED显示屏具有稳定性高、亮度高、清晰度高、功耗低、寿命长、性能价格比高等特点,所以一直在平板显示领域扮演着重要的角色,并且在今后相当长的一段时期还有相当大的发展空间。
被广泛应用于证券、广告、新闻发布、信息传播等方面,是目前国际上极为先进的显示媒体。
现代社会信息化高速发展,最具意义的莫过于大屏幕显示已从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。
随着宽带网络的发展,数字化的多媒体容将在信息世界中占据主流,新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受生活的主要工具。
(二)点阵式LED显示屏概述
LED就是LightEmittingDiode(发光二极管)的缩写。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED[1]。
LED电子显示屏是由几万到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。
LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术屏幕同步的产品。
它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式方式等独具一格的优势,成为目前国际上使用广泛的显示系统。
LED显示屏可分为单色显示屏、彩色显示屏和彩色灰度显示屏。
其中单色显示屏采用标准8×
8单色发光二极管矩阵模块标准组件,一般为红色,可实现各种文字、数据及两维图形。
缺点是色彩单调。
彩色显示屏采用标准8×
8双基发光二极管矩阵模块,每一像素有红、绿两个发光二极管,可发出红、绿、黄三种颜色。
还可以和各种数据设备连接,实时显示动态数据和广告,具有较好的信息显示效果,是目前使用较为广泛的LED显示屏。
8双基发光二极管矩阵模块,彩色灰度屏层次丰富,表现力极佳,可以显示照片、三维图形、动画、图像及视频等容,表现效果细腻丰富、逼真感人。
(三)LED显示屏控制技术现状
早期因LED材料的限制,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上是通信控制方式,客观上影响了显示效果。
所以导致早期的LED显示屏在国很少,产品以红、绿双基色为主,控制方式为通信控制,灰度等级为单点四级调灰,产品的成本比较高。
后来LED显示屏迅速发展,进入九十年代,全球信息产业高速增长,LED显示屏在LED材料和控制技术方面不断出现新的成果。
蓝色LED镜片研制成功,全彩色LED显示屏进入市场;
电子计算机及微电子领域的技术发展,在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术,显示屏的动态显示效果大大提高。
这个阶段,LED显示屏在我国发展迅速,LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。
今天,LED显示屏应用领域更为广阔,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。
经过30多年的发展,中国LED产业已初步形成了较为完整的产业链,1998年中国光学光电子待业协会光电器件分会LED显示屏专业委员会成立,此协会集中了全国有代表性和影响的LED显示屏主要生产企业,成立之初有55家成员单位,目前已发展到67家,基本上包括了全国LED显示屏行业的主导企业。
中国LED产业在经历了买器件、买芯片、买外延片之路后,目前已经实现了自主生产外延片和芯片。
现阶段,从事该产业的人数达5万多人,研究机构20多家,企业4000多家,其中上游企业50余家,封装企业1000余家,下游应用企业3000余家。
在“国家半导体照明工程”的推动下,形成了、、、和等国家半导体照明工程产业化基地。
长三角、珠三角、闽三角以及北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。
2007年我国LED显示屏产业主要集中在华东和华南地区,这两个地区的产业总体规模占到全国的60%以上,这一趋势近两年更为明显。
统计数据显示,2007年市场销售额在1000万元以上的企业有108家,占到85%,反映出行业企业平均规模水平在提升;
2007年市场销售额在5000万元以上的企业有38家,占30%,其销售额合计为40.8亿元,销售额占到了全行业的67.9%,反映出LED显示应用产业的集约化发展趋势;
2007年销售额在1亿元以上的企业有17家,占13.4%,其销售额合计28.08亿元,销售额占到了全行业的46.7%。
LED显示屏是发光二极管主要应用面之一,近年来发展迅速,目前LED显示屏制作技术先进,售价低,国外公司很难在大陆竞争市场,据不完全统计,1998年我国LED显示屏生产厂商有150多家,制造各类显示屏约五万平方米,实现产值14亿元,主要生产厂家有兰通、洛普、联创健和、信茂、三思科、东北微电子、青松、天津数据、同洲等,这些公司生产的户外屏,全彩色室外屏都能为用户接受,推动了信息显示市场发展。
(四)课题研究的意义
通过本次课题设计使我能够掌握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。
并对大学期间所学的一些理论进行了实践,使我对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。
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。
通过LED显示屏的设计,进一步了解单片机和LED显示屏的工作原理,为进一步设计出功能强大的显示系统做准备。
二系统方案设计
(一)需要实现的功能
设计4个16x16的点阵LED图文显示屏,要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。
(二)系统整体的设计过程
从理论上说,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,就可以得到我们想要的显示结果,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。
16x16的点阵共有256个发光二极管,显然单片机没有这么多的端口,如果我采用锁存器来扩展端口,按8位的锁存器来计算,16x16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大,因为我们仅仅是16x16的点阵,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。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思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(比如16行)的同名列共用一套驱动器。
具体就16x16的点阵来说,把所有同1行的发光管的阳极连在一起,把所有同1列的发光管的阴极连在一起(共阳极的接法),先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第1行使其燃亮一定时间,然后熄灭;
再送出第二行的数据并锁存,然后选通第2行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;
以此类推,第16行之后,又重新燃亮第1行,反复轮回。
当这样轮回的速度足够快(每秒24次以上),由于人眼的视觉暂留现象,就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时,每一行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中,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传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,并列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,将列数据一位一位传往列驱动器,在硬件方面无疑是十分经济的。
但是,串行传输过程较长,数据按顺序一位一位地输出给列驱动器,只有当一行的各列数据都传输到位之后,这一行的各列才能并行地进行显示。
这样,对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备(传输)和列数据显示两部分。
对于串行传输方式来说,列数据准备时间可能相当长,在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了,以致影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题,可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时,传送下一列数据。
为了达到重叠处理的目的,列数据的显示就需要具有所存功能。
经过上述分析,就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。
对于列数据准备来说,它应能实现串入并处的移位功能;
对于列数据显示来说,应具有并行锁存的功能。
这样,本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时,串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据,而不会影响本行的显示。
(三)本章小结
课题以AT89C52单片机为控制核心设计一个简单的数字时钟系统,用单片机、点阵显示屏等设计4个16×
16点阵LED电子显示屏。
显示电路采用动态扫描方式进行显示,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74HC154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;
末接通的列所对应的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[2]。
系统的整体方案设计图如图2-1所示。
图2-1系统的整体方案框图
三系统的硬件设计
(一)硬件电路及工作原理
硬件电路主要由LED显示屏、单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路四部分组成。
单片机的选型
该控制系统选用AT89C52单片机作为系统的控制核心。
AT89C52单片机具有价格低、编程灵活和布线简单等特点[3]。
行驱动电路
单片机P3口低4位输出的行号经4/16线译码器74HC154译码后生成16条行选通信号线,再经过驱动器驱动对应的行线[4]。
行扫描驱动电路原理图如图3-1所示。
图3-1行驱动电路
列驱动电路
列显示数据是以字节为单位存储的,使用时以8位并行读出。
为了适应列显示驱动电路串行输入的需求,就要进行并串交换。
用74HC595串入并出位移寄存器,可以满足这一要求[5]。
由74HC595构成的驱动电路如图3-2所示。
图3-2列驱动电路
74HC595的输入侧有8个串行移位寄存器,每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SI是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲,在其上升沿发生移位,并将SI的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端,也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号,其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号,只有当其为低时锁存器的输出才开放,否则为高阻态。
SCLR信号是移位寄存器清零输入端,当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的,所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA~QH,最高位QH可作为多片74HC595级联应用时,向上一级的级联输出。
但因为QH受输出锁存器的打入控制,所以还从输出锁存器前引出QH,作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
74HC595的引脚说明见表3.1,功能表见表3.2。
其与单片机的连接简单方便,只需三个I/O口即可。
芯片的输出端最高位QHT可作为多片74HC595级联应用时向上一级的级联输出,然而,QHT受输出锁存器输入控制,所以74HC595还从输出锁存器前引出QHT,通过芯片的QHT引脚和SI引脚,可以实现完全同步的级联输出[6]。
表3.174HC595引脚说明
符号
引脚
描述
QA…QH
15、1,7
并行数据输出
GND
8
地
QHT
9
串行数据输出
/SCLR
10
主复位(低电平)
SCK
11
移位寄存器时钟输入
RCK
12
输出锁存器时钟输入
/G
13
输出有效(低电平)
SI
14
串行数据输入
Vcc
16
电源
表3.274HC595功能表
输入
输出
功能
Qn
×
L
↓
NC
SCLR为低电平时移位寄存器输出全0
↑
移位寄存器到输出信号输入到输出锁存器
H
Z
清空移位寄存器,并行输出为高阻状态
Q6
逻辑高电平移入移位寄存器最低位(QA),其余各位依次移动,例如以前的部QG状态出现在串行输出位
NC
移位寄存器容到达输出锁存器从并口输出
Q
移位寄存器容移入,先前的移位寄存器的容到输出锁存器并输出
注H-高电平状态;
L-低电平状态;
↑-上升沿;
↓-下降沿;
Z-高阻;
NC-无变化;
-无效
LED显示屏
将LED像素模块按照实际需要大小拼装排列成矩阵,配以专用显示驱动电路,直流稳压电源,软件,框架以及外装饰灯,即构成一台LED显示屏,用来显示文字、图形、动画、行情、视频、录像等各种信息的显示屏幕。
(二)单片机的结构
1)单片机的基本结构
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
AT89C52有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,AT89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[7]。
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活部上拉电阻。
在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
P1口:
P1是一个带部上拉电阻的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。
对端口写“1”,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。
P2口:
P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(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口输出P2锁存器的容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口:
P3口是一组带有部上拉电阻的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逻辑门电路。
对P3口写入“1”时,它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,如下所示:
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
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0外部输入)
P3.5
T1(定时/计数器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口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能[8]。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型
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