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1.2电子广告牌的发展概况2
1.4课题研究的意义3
第二章系统硬件设计5
2.1总体设计方案5
2.2系统硬件设计6
2.2.1单片机系统及其外围电路6
2.2.2驱动电路10
2.2.3LED点阵显示11
2.3小结14
第三章系统软件设计15
3.1主程序的设计15
3.1.1获取字符代码16
3.1.2滚动显示字符17
3.1.3保持画面稳定18
3.2驱动程序的设计18
3.2.1显示左半边屏幕18
3.2.2显示右半边屏幕19
3.3小结20
第四章系统调试21
4.1仿真软件Proteus简介21
4.2Keil软件简介22
4.3系统仿真23
4.3小结25
第五章总结26
5.1设计内容总结26
5.2毕业设计总结26
参考文献28
致谢29
附录130
附录237
第一章绪论
发光二极管,LED(LightEmittingDiode),简称LED,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。
多个LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示,即形成LED点阵图文显示屏。
其主要特征是只控制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。
LED点阵的汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵(如16×
16点阵),将点阵文件存入ROM,形成新的汉字编码;
而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句,再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。
1.1课题研究背景
随着社会文化的不断发展,人们的消费标准不断改变,户外灯箱广告更是扮演着越来越重要的宣传角色,不论是汽车站,火车站,股市交易市场,还是学校都离不开它,然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求,传统的霓虹灯广告亟待改进[1]。
LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域,是一个很好的广告媒体。
LED点阵显示具有如下特点:
(1)电压:
LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,所以它是一种比使用高压电源更安全的电源。
(2)效能:
消耗能量比同光效的白炽灯减少80%。
(3)适用性:
每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境。
(4)稳定性:
10万小时,光衰为初始的50%。
(5)响应时间:
其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。
(6)对环境污染:
无有害金属汞。
由于LED的众多优势,在市场中得到了广泛的应用,主要应用领域有:
(1)信号指示应用:
信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域,约占LED应用市场的4%左右。
(2)显示应用:
指示牌、广告牌、大屏幕显示等,LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%—25%,显示屏幕可分为单色和彩色。
(3)照明应用:
便携灯具,汽车用灯,特殊照明。
由于LED尺寸小,便于动态的亮度和颜色控制,因此比较适合用于建筑装饰照明。
背光照明:
普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD显示器背光源等。
以及投影仪用RGB光源。
1.2电子广告牌的发展概况
LED显示屏的发展可分为以下几个阶段:
第一阶段为1990年到1995年,主要是单色和16级双色图文屏。
用于显示文字和简单图片,主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所,作为公共信息显示工具。
第二阶段是1995年到1999年,出现64级、256级灰度的双基色视频屏。
视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。
LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。
第三阶段从1999年开始,红、纯绿、纯蓝LED大量涌入我国,同事国内企业进行了深入的研发工作,使用红、绿、蓝三原色LED的全彩色显示屏被广泛应用,大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所,从而将国内的大屏幕带入全彩时代。
LED显示屏从八十年代后期在全球迅速兴起,在短短的十几年中,技术、产业都取得了长足的进步,已发展成为重要的现代信息发布媒体手段[2]。
目前,LED显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地,我国LED制造厂商出口的份额在其中微不足道。
据不完全统计,世界上目前至少有150家厂商生产彩屏,其中产品齐全、规模较大的公司约有30家左右。
由于单片机技术的不断发展和高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子广告屏成为可能,与传统的霓虹灯广告在显示效果以及可修改性上都有着无法比拟的优势,而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新,使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。
另外,SMT技术的飞速发展,开关电源的大规模使用,使其无论在体积上还是在可靠性上都比传统的霓虹灯广告有明显的优势,为其在特殊领域的应用奠定了基础。
这种新兴的大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。
与传统的显示设备相比,首先,LED显示屏色彩丰富,3基色的发光管的可以显示全彩色,显示显示方式变化多样(文字、图形、动画、视频、电视画面等)、亮度高,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产品,可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。
其次,LED显示屏的象素采用LED发光二极管,将多个发光二极管以序列的形式构成LED显示阵列,这种显示屏具有耗电省、成本低、亮度清晰度高、寿命长等优点,而且LED显示屏以其受空间限制较小,并可以根据用户要求设计屏的大小,具有全彩色效果,视角大,是信息传播设施划时代的产品。
再次,LED显示屏应用广泛,金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面,显示效果清晰稳定,越来越多的地方开始使用LED电子显示屏,有巨大的社会效益和经济效益。
它以其超大画面、超宽视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势,是目前国际上使用广泛的显示系统。
在上海世博会的筹建中,LED屏幕广告牌就得到广泛应用[6]。
1.4课题研究的意义
LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域,主要包括证券交易、金融信息显示,机场航班动态信息显示,港口、车站旅客引导信息显示,体育场馆信息显示,道路交通信息显示,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,是一个很好的广告媒体。
其中证券交易、金融信息显示,这一领域的LED显示屏占到前几年国内LED显示屏需求量的50%以上,目前仍为LED显示屏的主要需求行业,全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。
LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像,不仅可以用于室内环境,还可以用于室外环境,具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点[3-4]。
LED显示屏采用了低电压扫描驱动,具有视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点,可以满足不同应用场景的需求。
LED广告牌广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术、单片机技术、数据通讯技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动等技术。
易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。
它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发,所以单片机在其中也占有一席之地[10]。
LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展,是与它本身所具有的优点分不开的。
这些优点概括起来是:
亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
LED的发展前景极为广阔,目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性以及可靠性、全色化方向发展[5]。
我国经济发展迅猛,对信息传播的要求越来越高。
可以相信,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。
安装和维护等的特点,将在社会经济发展中扮演越来越重要的角色。
第二章系统硬件设计
2.1总体设计方案
本课题基于单片机设计户外LED电子广告牌,利用单片机驱动显示屏工作。
其中LED点阵行扫描由单片机直接驱动,列扫描由单片机驱动的74LS138直接驱动,通过程序写入代码从而实现汉字的显示及滚动。
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路以及LED点阵阵列三大部分。
总体硬件框图如下图示。
图2-1系统总体硬件电路图
鉴于所设计的任务是一个16x16LED阵列的电子广告牌,因此可以用8x8的点阵屏4块来级联实现,此时点阵屏的行列各为16管脚,需要扩展口,因此采用74LS138串行输入并行输出来实现。
整个系统以AT89C52为控制芯片,P0为行控制,P2为列控制。
所有的行(X0-X7)都通过排阻接到单片机的P0口上,所有的列(Y00-Y07、Y10-Y17、Y20-Y27、Y30-Y37)接到不同的74LS138(U2,U3,U4,U5)上,U2控制U6,U3控制U7,U4控制U8,U5控制U9。
74LS138直接由单片机的P2口进行驱动,这样就形成了一个完整的电路。
由于LED点阵显示屏由单片机控制部分和显示驱动部分组成,单片机我选择最常见的ATMEL公司的AT89C52单片机。
此单片机与MCS-51产品指令系统完全兼容,由4K字节可重擦写Flash闪速存储器,128*8字节内部RAM,32个可编程I/O口线,2个16位定时/计数器和6个中断源。
并且该单片机经济实用,使用广泛。
2.2系统硬件设计
2.2.1单片机系统及其外围电路
首先是对单片机AT89C52的简介。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含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,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
其主要功能特性有:
1、兼容MCS51指令系统
2、8k可反复擦写(大于1000次)FlashROM;
3、32个双向I/O口;
4、256x8bit内部RAM;
5、3个16位可编程定时/计数器中断;
6、时钟频率0-24MHz;
7、2个串行中断,可编程UART串行通道;
8、2个外部中断源,共8个中断源;
9、2个读写中断口线,3级加密位;
10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;
11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。
AT89C52的主要引脚如下:
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,在访问期间激活内部上拉电阻。
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是一个带内部上拉电阻的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”,通过内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,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的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”,通过内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,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流)。
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MOVX@DPTR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MOVX@RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。
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口是一组带有内部上拉电阻的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,它们被内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。
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。
RST(复位输入):
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
XTAL1:
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端[14]。
我们使用的是AT89C52的最小系统电路,包括:
电源、时钟脉冲、复位电路和程序存储器设定电路[10],由于字符滚动显示程序,只是显示很少的汉字,不用外接存储扩展。
图2-2单片机最小系统电路
1.晶振电路
AT89C52单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了24MHz,它内部已经具备了振荡电路,只要在AT89C52的两个引脚(即19、18脚)连接到简单的石英振荡晶体的2个管脚即可,同时晶体的2个管脚也要用30pF的电容耦合到地。
图2-3时钟脉冲电路
2.通电复位电路
在由单片机构成的微型计算机系统中,由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断。
由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果。
所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,在电路中必须要有复位电路。
AT89C52的复位引脚(RESET)是第9脚,当此引脚连接高电平超过2个机器周期,即可产生复位的动作。
以24MHz的时钟脉冲为例,每个时钟脉冲为0.5μS,两个机器周期为1µ
S,因此,在第9脚上连接一个2μS的高电平脉冲,即可产生复位动作。
最简单的就是只有一个电阻就可复位的电路,电阻一般选择10K,如下图所示:
图2-4复位电路
3.电源电路
确保系统能够准确的运行,电源模块的设计是一个非常重要的部分,因为它的精度对整个系统的精度都有着重要的影响。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时,维持输出直流电压稳定。
众所周知,我们所使用的直流稳压源包括电源变压器,整流,滤波和稳压电路四部分。
在经过这四部分之后可以得到比较平滑稳定的直流电源,但是通常这样得到的电压还会随电网电压波动(一般有±
10%左右的波动)、负载和温度的变化而变化,并不是十分稳定,不能够保证系统的准确运行,故需加稳压电路。
单片机AT89C52的单片机工作电压为5V,电源电路如下:
图2-5电源电路
2.2.2驱动电路
每个汉字需要4个8*8的LED点阵,要想实现8行扫描驱动,上下2行必须都有1个74LS138接到LED点阵模块上,而每个汉字是按照16*16取模,所以需要4个74LS138来驱动一个汉字。
在单片机系统中,如果并行口的I/O资源不够,而串行口又没有其他的作用,那么可以用74LS138来扩展并行I/O,节约单片机资源。
74LS138为3线-8线译码器,其工作原理如下:
(1)当一个选通端(E1)为高电平,另两个选通端(E2)和/(E3))为低电平时,可将地址端(A0、A1、A2)的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。
比如:
A0A1A2=110时,则Y6输出端输出低电平信号。
(2)利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器;
若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
(3)若将选通端中的一个作为数据输入端时,74LS138还可作数据分配器。
关于74LS138的使用,74ls138是3-8线译码器,当E1=1,E2,E3=0时,该译码器被选中,此时如果数据输入端ABC输入000-111八个数据,输出端Y0-Y7将依次输出0。
所以,我们可以依次选中四个译码器,向数据输入端写入数据来直接控制某个点阵的显示。
图2-6LED点阵驱动电路
2.2.3LED点阵显示
8x8LED点阵,即横竖都有8个发光二极管。
相关示意图如下:
图2-78x8LED点阵及内部结构图
观察二极管正负极,我们可以很容易发现,当行上有一正选通信号时,列选端四位数据为0的发光二极管便导通点亮。
如果赋予P0=0xff;
P2=0x00;
那么所有的发光二极管将被点亮,从而点阵就可以实现全亮。
类似的,如果需要实现某一列或者某一行全亮,也可以进行类似的赋值。
比如,我们要实现第一列全亮,第一列全亮就要求P20=0;
其他为1,则代码为P0=0xff;
P2=0xfe。
但是如果需要让点阵显示一个字符的话,上述赋值则不能达到目的。
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[13]。
16x16的LED点阵共有256个发光二极管,显然单片机没有这么多端口,如果我们采用锁存器来扩展端口,按8位的锁存器来计算,16x16的点阵屏需要32个锁存器。
这个数字很大,而且成本很昂贵,我们仅仅是一个16x16的汉字点阵,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,而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
我们需要先知道扫描的概念。
所谓扫描,就是每隔一个时间段,发送一组代码,当然,这个时间段要足够小。
这样只需要将图形或文字的显示编码作为列信号跟对应的行信号进行逐次扫描,就可以逐行点亮点阵。
只要扫描速度大于24Hz,由于扫描时间很快,人眼的视觉有暂留效应,人的肉眼无法分辨,经过多次扫描,就可以看到显示的是完整的
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