毕业设计44基于单片机的LED点阵的设计方法Word文件下载.docx
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深化技术内涵,丰富产品体系,产品多元化,突出主导产品的优势将是LED显示屏产业发展的重要趋势。
尤其是LED点阵显示的应用尤为广泛,随着信息产业的高速发展,LED显示作为信息传播的一种重要手成为现代信息化社会的一个闪亮标志。
近年LED显示已广泛应用于室内、外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所如电信、邮政大厅、营业部、车站、机场、港口、体育场馆等信息的发布,政府机关政策,政令的发布,各类市场行情信息的发布和宣传等。
而且随着科学技术的发展LED点阵显示被应用到大、中、小屏幕显示器:
各种广告牌、体育记分牌、金融、交通指示牌等,分为全色、三色、单色显示屏。
1.2研究的基本内容
本文介绍了基于单片机的LED点阵的设计方法。
采用AT89S52作为主控芯片,实现数据处理,串行通讯,LED点阵显示电路。
主要研究的内容有如下几点:
1)单片机与上位机之间的通讯。
2)LED点阵显示的控制。
3)日期,温度,标语等等的显示。
4)单片机硬件接口相关的电路设计。
5)看门狗电路的设计。
6)软件程序的设计。
本设计中所采用的方案和电路通过具体实验论证,既有典型又有创新型,并分别介绍了各方案的优缺点,并穿插了电路图及方框图,使文章直观明了。
2基于PC机控制的LED显示系统设计
2.1设计方案
本章针对LED显示屏的应用领域广泛,采用模块化、规范化设计方案,边设计边试验和仿真设计策略,从基本的显示功能入手,逐步完成系统各部分的设计。
在设计过程中既保证实施上可行、运行上可靠,又运用专家控制、实时数据库等先进技术提高系统性能,使系统智能化,并充分考虑到应用上的灵活性,系统实现的经济性,使之成为一个实用的、有效益的系统。
2.1.1系统总体设计思想
为了设计并开发出高性能、高可靠性、可行实用的显示系统,采用以下的设计思想:
1)在系统总体设计中将贯彻学术性与实用性相结合、先进性与可行性相结合、功能性与经济性相结合的原则,尽量采用成熟的技术和已有的科研积累,在关键难点问题上尝试采用相关学科的最新成果,使系统既具有稳定可靠的运行性能又有一定的技术含量和创新价值;
2)在硬件上采用了完全模块化设计思想,选用通用IC芯片,所有电气连线采用
接插方式,并各模块都有独立的电源,以保证系统安装方便、运行可靠、维护简单;
3)LED显示屏的下位机控制用8位微处理器(MPC)AT89S52做控制器,完成字模数据的接收和LED显示屏的动态扫描显示,在整个系统中处于下位机的地位;
中央控制计算机由通用PC机实现,实现显示内容的输入、显示模设置、显示颜色设置和字模数据的传输;
中央控制器与下位机的通讯采用成熟的RS232接口标准;
4)在软件编制上,采用结构化设计思想,下位机采用适应于MCS-51系列单片机的C51语言进行编程,中央控制计算机程序的编制采用面向对象的可视化编程言语VB。
基于单片机点阵LED电子指示牌的系统主要由主控计算机、通信部分、控制部分、显示部分和附属部分五大部分构成。
这五大部分都是各自相对独立的自治系统,虽然它们各自完成各自的功能,但相互间还有联系及数据信息的交换,各种条件相互制约,在系统的协调下统一工作。
系统的基本框图如图2.1所示,结构图如2.2所示。
图2.1
系统的基本组成框图(图2.2)
2.1.2LED的驱动方案
目前以圆半导体发光器件为显示介质的大型显示屏已广泛地被应用。
其控制驱动方式各种各样,也各具特色。
在LED发光管的驱动设计上也有许多的方式。
由于大型的点阵显示屏是由上万个或几十万个LED发光象元组成,这也就需要大量的驱动电路来支持。
那么驱动电路设计的好坏就直接影响系统的生产制造成本和显示的效果及系统的运行性能。
设计一个即能满足控制驱动要求,同时使用器件少成本底的单元控制驱动方案是必要的。
下面我们就以LED8*8点阵模块(共阳极)为显示器件的显示屏为例,来论述一下串行控制驱动方式。
所谓串行控制驱动方式就是显示的数据是通过串行方式送入点(列)驱动电路。
其特点是单元内的线路连接简单,这给印刷电路板的设计带来了方便。
同时也减少了印刷电路板的布线密度,从而为生产和调试带来了有利的一面。
当然,单元的可靠性也相应的提高了。
串行控制驱动方式可选用的芯片有:
MC4094、74LS595、74HC595、6B595、9094等等。
其中MC4094、74HC595均为CM05芯片,应与功串芯片结合使用;
例如使用2803驱动芯片。
建议采用6B595或9094(74LS595也可用),因为这几种芯片都具有一定的驱动能力可直接驱动LED发光管而无须另外添加驱动芯片。
同时,串行移位并行功率输出的芯片(6B595、9094)自身具有级联功能,为单元的级联提供了支持。
关于行的控制和驱动是相对容易的,因为行的工作方式是分时顺序工作的。
由于行的组成是几个模块并联形成的,因此驱动的功率要求是比较大的。
行的驱动一般是采用PNP(用于共阳方式)功率三极管,行的逻辑控制可选用三一八译码方式和直接行线控制方式。
译码方式是应用三条行控制线控制一个三一八译码器(如74LS138等),八选一顺序控制八条行线。
直接行线控制方式是比较简单的,这里就不赘述了。
在应用串行控制驱动系统时,尽管串行移位芯片具有级联功能,但设计时要考虑时钟信号、sB信号、行控制信号的级联驱动向题。
另外为提高单元的多级级联的数量,设计时要考感到每个信号的传输延迟,以保证控制时序的正确运行。
2.2器件选择
2.2.1单片机的选择
单片机是单芯片形态作为嵌入式应用的计算机,它有惟一的,专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统,加上它的芯片级体积的优点和在现场环境下可高速可靠地运行的特点,因此单片机又称之为嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。
但是,在国内单片机的叫法仍然有着普遍的意义。
我们已经把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器,它是一个典型的嵌入式应用计算机系统。
目前按单片机内部数据通道的宽度,把它们分为4位,8位,16位及32位单片机。
单片机独特的结构决定了它具有如下特点。
(1)高集成度,高可靠性。
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU.单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高。
(2)控制功能强。
为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能。
(3)低电压,低功耗。
为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V~3.6V,而工作电流仅为数百微安。
(4)优异的性能价格比。
单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高。
由于单片机具有体积小、功能强、性能价格比较高、系统扩展方便、硬件设计简单等优点,而且单片机开发工具具有很强的软、硬件调试功能,使研制单片机应用系统极为方便,加之现场运行环境的可靠性,因此使单片机能满足许多小型对象的嵌入式应用要求。
现在,单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
AT89S52单片机主要特性及引脚图如图2.3所示:
·
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RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行信道
低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路范区
图2.3
2.2.2时钟电路的选择
采用美国达拉斯(Dallas)公司的DS12C887来作为实时时钟芯片,为系统提供了详细的年、月、日、星期和小时、分钟等时间信息。
DS12C887是一款COMS技术实时时钟芯片,其主要功能性能如下:
●带有内部晶体振荡器并内置有锂电池,可以在无外部供电的情况下保存数据10年以上。
●具有秒、分、时、星期、日、月、年计数,并有闰年修正功能
●时间显示可以选择24小时模式或者带有“AM”和“PM”指示的12小时模式
●时间、日历和闹钟均具有二进制码和BCD码两种形式
●内部具有闹钟中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断,且3个中断源可分别由软件屏蔽
●内部有128BRAM,其中,15B为时间和控制存储器,113B为通用RAM。
所有RAM单元都具有掉电保护功能,因此可被用作非易失性RAM
●可输出可编程的方波信号
2.2.3LED显示屏的选择
LED显示屏模块技术指标参数表如下表所示;
LED显示屏模块技术指标参数一览表:
规格(mm)
φ5
显示像素/平米
17300
模块
1R1YG(绿红)
显示屏
像素点数
64*16=1024
尺寸(mm)
480*120
面积(㎡)
0.576
最大功耗(瓦/平方米)
100(单)/200(双)
扫描速度
大于75Hz
视角
水平视觉160℃,垂直视觉160℃
环境要求
-20℃—60℃
供电要求
220VAC±
10%50Hz
驱动方式
1/16扫描
使用寿命
10万小时
3.硬件设计
3.1整机电路介绍
通过单片机AT89S52的控制,在LED上显示上位机传来的信息并可同时显示时钟。
具体硬件电路连接图见附7。
3.2下位机(单片机)部分的开发
3.2.1下位机的设计及总体结构
LED显示系统由单片机构成主控部分,主要负责数据接收、数据处理和扫描显示。
总体可以分为四部分:
计算机通讯、数据存贮、列数据锁存、行扫描输出,整理原理图见附录5所示。
3.2.2LED显示屏的驱动设计
整个显示系统,由微机和LED点阵显示屏组成,LED显示屏主控部分原理图如图3.1所示,微机通过串行口传送显示内容。
点阵显示屏接收微机传送的数据,并控制LED点阵显示屏的显示。
由于AT89S52片内只有8K的EEPROM,无法存贮大量的汉字点阵字模。
因此,本系统采用由微机传送汉字或字符的点阵字模的方式来控制显示屏的显示内容。
微机传送的点阵字模经过计算机的处理后以8*16的方式传输给单片机,单片机接收到后再保存到数据存贮器6264中。
数据接收正确并处理存入显示缓冲区后,即控制显示屏的显示。
显示方式采用逐行扫描方式,单片机首先从显示缓冲区中取出第一行点阵数据,通过数据口(P0)口写入LED显示屏的列锁存器74HC273,由于74HC273是采用了首尾级联的方式连接,所以数据的传输属于并行数据的串行传输。
送数据的顺序是,先送该行数据的最后一个,最后送第一个。
一行的数据写完后,再启动74LS154(4-16译码器)点亮相应的行。
图3.1
3.2.3计算机通讯
LED显示屏和电脑的通讯方式采用了标准RS232接口,电路原理图如图3.2所示,通讯方式为10位的异步通讯。
RS232接口实际上是一种串行通信标准,是由美国EIA(电子工业联合会)和BELL公司一起开发的通讯协议,它对信号线的功能、电气特性、连接器等都有明确的规定。
由于RS-232接口的EIA是用正负电平表示逻辑关系的(-3V—-15V为1、+3V—+15V为0)。
与TTL以高低电平表示逻辑关系不同,因此,为了能够和计算机接口通信,必须在EIA电平和TTL电平之间进行电平转换。
MAX232芯片可完成TTL-EIA电平转换,且只用单一+5V电源,因此得到广泛应用。
由于采用的是标准RS232接口,所以传输距离不能很远,当传输距离超过15M,就要采用422或485接口,则只要加上一块RS232转422/485电路模块就可以了。
图3.2
3.2.4列数据锁存
刷新的状态下,整个屏幕分为16行扫描显示,以屏最大时为例:
一屏可以显示24个字,在一行中,每个字占两个字节数据,则扫描一行的时候要传输48个字节的数据,而扫描行与行之间的时间间隔不能大于1.25ms(刷新率50Hz)。
为了保证LED的显示亮度,则传完数据后要有时间让LED发亮,所以传输数据的时间最好不能大于行与行之间的扫描间隔时间的一半。
因此数据的传输速度直接影响到LED显示屏的面积大小和显示的好坏,同时考虑到主机和显示模块的连接,和显示模块之间的级联,连线越少越好,针对这种情况,本系统采用了并行数据串行传输的方案,原理图如图3.3所示。
数据锁存器取用74LS373(为了电路板简洁美观,74LS373采用的是贴片封装)。
74LS373是采用首尾相连的方式,即:
每块的74LS373的输出端除了接入列驱动电路模块以外,还作为下一块74LS373的数据输入来源。
其中第一块74LS373的输入端是通过一片总线驱动器74LS373直接挂在单片机的数据口(P0口)上,单片机把74LS373作为外部存贮器一样的访问(只写,不读),为了不存储器的地址混淆,由于外部存储器为8Kbyte,所以74LS373的地址不能低于8Kbyte,即要在:
0x2000(2000H)以上;
访问时都是用语句:
MOVX@DPTR,A,为了区分是写存储器操作还是写74HC273操作,每一块74LS373的时钟(CLK)端相连在一齐连到或门的输出端,或门的输入端接单片机的P3.3口和写信号P3.6口,其中P3.3口作为或门的控制信号,当P3.3口为高电平时,或门关闭,此时写存储器时就不会干扰74LS373;
当P3.3为低电平时,或门打开,此时CLK和P3.6口相通,此时就可以写74LS373,由于写之前已经把它的地址定为8Kbyte以上,所以也不会影响存储器。
经过这样处理后,CPU向74LS373每写一个字节的数据只占用两个机械周期,不用等待,速度可以上到很高;
同时,连接线只用到9根,而且显示模块之间的级联变得非常简单。
图3.3
3.1.5行扫描输出
由于本系统的显示颜色有3种,可以任意选择。
而改变显示屏显示颜色的方法有两种:
一、列数据分为红、绿两种锁存,只要把数据锁存到红色的锁存器里,那么就显示红色,把数据锁存到绿色的锁存器里,那么就显示绿色,把数据同时锁存到红色和绿色的锁存器里,那么就显示黄色,这样就可以实现颜色的改变。
但由于显示屏比较大,列数据锁存器就需要很多,所以这种方案的缺点是:
硬件电路复杂、布线困难、电路可靠性差、成本高;
二、行扫描分为红色扫描、绿色扫描,当启动红色扫描时就显示红色,当启动绿色扫描时就显示绿色,若同时启动红色、绿色扫描,就显示黄色。
由于整个屏幕都是采用16行扫描的方式,所以行扫描电路(图3.4)不会受到显示屏大小的影响,经过比较后,本系统最后采用了第二种方案。
图3.4
行选通信号,通过两块74LS154(4—16译码器)译码获得,一块选通红色,另一块选通绿色。
通过P3.4、P3.5口控制选择颜色:
P3.4控制选择红色(低电平有效),P3.5控制选择绿色(你电平有效)。
两块74LS154的数据端口分别相连后挂在单片机的P1口上(只用到低四位,高四位留空)。
4.软件设计
4.1VisualBasic中串口通讯的应用
随着科技的发展,现代化的生产对智能化的要求越来越高,如何迅速获取现场数据以便及时对生产过程进行调控,是其关键所在。
现在大量的智能仪器或数据采集模块都采用了RS—232或485通讯接口,通过相应的通讯协议,将测试、采集的数据传输给上位机,以满足各种形式的数据处理的要。
VisualBasic6.0(以下简VB)是许多工程技术人员熟悉和常用的应用程序开发软件,VB以其简单易学、32位面向对象的程序设计等特点,倍受广大计算机开发者的青睐,已广泛地应用于各个领域;
如何用VB编写数据通讯程序,并进行数据处理,意义重大。
用VB开发串口通讯一般有两种方法:
一是采用VB自身的标准控件Mscomm来实现;
另一种是利用windows的通讯API函数。
4.1.1通讯基础知识
一般来说,计算机都有一个或多个串行端口,它们依次为com1、Com2、…,这些串口还提供了外部设备与PC进行数据传输和通信的通道。
这些串口在CPU和外设之间充当解释器的角色。
当字符数据从CPU发送给外设时,这些字符数据将被转换成串行比特流数据;
当接收数据时,比特流数据被转换为字符数据传递给CPU,再进一步说,在操作系统方面,Windows用通信驱动程序(COMM.DRV)调用API函数发送和接收数据,当用通信控件或声明调用API函数时,它门由COMM.DRV解释并传递给设备驱动程序,作为一个vB程序员,要编写通信程序.只需知道通信控件提供给Windows通信API函数的接口即可.换句话说,只需设定和监视通信控件的属性和事件即可。
4.2Mscomm控制使用示例
4.2.1数据的发送
VB发送数据有两种:
一、发送字符数据;
二、发送二进制数据。
1)发送字符数据
在通讯中以单字符方式逐个发送数据时,每一个数据范围是:
0—128。
如发送58给单片机则可以这样表示:
Mscomm1.Output=Chr(50)‘发送数据(16进制)
在通讯中以多字符方式发送数据时,发送的是Ascii码值。
如发送“LED显
示屏”则可以这样表示:
DimdataasString‘定义发送数据变量
data=”LED显示屏”‘给变量赋值
Mscomm1.Output=data‘发送数据
2)发送二进制数据
以发送字符方式时,发送的数据范围只能是:
0—128,而单片机经常处理的数据范围是0—255,那么怎么样发送大于128的数据呢?
方法是采用二进制方式发送数据。
首先定义一个二进制类型的数组,然后把要发送的数值赋给二进制数组,再通过Mscomm发送。
如发送数值220的具体过程如下:
Dimdata(0)asbyte‘定义发送数据数组
Data(0)=220‘给数组赋值
Mscomm1.output=data(0)‘发送数据
4.2.2数据的接收
接收数据有两种方式,一、以文本方式接收(InputMode=0);
二、以二进制
方式接收(InputMode=1)。
1)以文本方式接收数据
在InputMode=0的模式下,是以文本方式接收数据,在接收数据之前,我们
必须先定义一个字符串变量,用以接收数据缓冲区里的数据,具体过程如下:
DimreceiveAsString*1‘定义接收数据变量
SelectCaseMSComm1.CommEvent‘判断事件类型
CasecomEvReceive‘事件类型为接收数据
receive=MSComm1.Input‘接收数据
EndSelect
2)以二进制方式接收数据
在InputMode=1的模式下,是以二进制方式接收数据,在接收数据之前,我们必须先义一个二进制类型的数组,用以接收数据缓冲区里的数据,过程如下:
Dimreceive(n)AsByte‘定义接收数据变量
Mscomm1.InputMode=1‘接收方式为二进制方式
Fork=0ton
Receive(k)=MSComm1.Input‘接收数据
Nextk
4.3单片机显示控制的软件设计
本文设计的LED点阵显示屏可以实现左移、掉下、上升三种显示方式。
软件流程图(图4.1),有红色、绿色、黄色三种颜色可选。
其中只有左移方式可以实现多于一屏内容的显示,其它的显示方式只能显示一屏的内容。
显示方式和显示颜色的设置由微机控制,串行中断软件流程图(图4.2)微机在传送点阵字模数据时,先传显示颜色,再传送显示方式,最后传送点阵数据。
显示过程由单片机定时中断程序控制,显示流程图(图4.3),每定时中断一次点亮一行,定时中断时间为0.8ms,每中断16次,即可对整个显示屏扫描一次,完成一屏信息的刷新,
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