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8点阵广告牌,在目测条件下点阵广告牌各点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形或文字应稳定、清晰无串扰,图形或文字显示有移入移出显示方式。
最后,利用烧录器可以很方便的实现单片机与PC机等外围存储设备的数据传输,并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化,另一方面,LED点阵显示作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成。
LED点阵广告牌可以显示数字或符号,通常用来显示时间、速度、系统状态等。
文章给出的8×
8点阵LED广告牌设计方案,包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和相应的C语言程序等方面。
在负载范围内,只需通过简单的级联就可以对广告牌进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。
关键词:
单片机;
主控制模块;
点阵广告牌;
自动左移;
外围存储设备;
级联
Abstract
ThisdesignissimpletouseAT89C52singlechipmicrocomputerasthemaincontrolmodule,usetheperipheryofthesimplecircuittodrivethe8x8dotmatrixbillboards.Inthisdesignmainlywithfour74HC595areneededtodrivethefour8x8dotmatrix,canfinallyrealize-"
Iwishyouapleasantjourney"
sixChinesecharacterstobeautomaticmovesleft.Thatis,thehardwarecircuitcangenerallybedividedintoSCMsystemandperipheralcircuit,drivecircuittwoparts.Andforasimpleeight8x8dotmatrixbillboards,inthevisualconditionsdotmatrixbillboardbrightnessateverypoint,enough,canshowgraphicsandtext,graphicsortextshouldbestable,clearnocrosstalk,graphicsortextindicatethatthemovehasremovedshowingtheway.Finally,usingtheburncaneasilyachieveSCMandPCperipherystorageequipmentsuchasthedatatransmission,andcanusesoftwareconvenientforshowingthecontentsofthediversechange,ontheotherhand,ofLEDdotmatrixdisplayasanewkindofdisplaydevices,isbytheofmultipleindependentLEDlightemittingdiodeencapsulationandinto.AbillboardofLEDdotmatrixdisplayNumberscanorsymbol,usuallyusedtoshowtime,speed,thesystemstate,etc.Thepapergives8x8LEDdotmatrixdesignschemebillboards,includingthesystemofconcretehardwaredesign,softwareflowchartandthecorrespondingClanguageprogram,etc.Intheloadrange,justthroughthesimplecascadecanexpandonbillboards,isalow-costgraphicdisplaysolutions.
Keywords:
SCM;
Mastercontrolmodule;
Dotmatrixbillboard;
Automaticmovesleft;
Peripherystorageequipment;
cascad
目录
第一章前言4
第二章点阵的概述5
第一节功能要求5
第二节关于LED的了解5
一、LED点阵显示系统简介5
二、LED点阵显示系统的主要特点5
三、LED点阵显示屏的分类5
四、8*8点阵内部电路图6
第三节方案论证6
(一)点阵探究6
(二)扫描规律7
第三章方案比较8
第一节LED点阵广告牌的设计一般有两种方案:
8
第二节电源的选择与论证8
第三节点阵信息提取方案8
第四节显示驱动电路9
第四章系统总体设计方案10
第一节广告牌总体设计方案10
第二节LED显示驱动电路10
(一)LED显示原理10
(二)驱动所用芯片11
(三)所选方案论述11
(四)74HC595的引脚接线11
第三节单片机系统及外围电路12
第五章软件设计13
第一节显示驱动程序13
第二节系统主程序13
第六章Proteus软件仿真15
第一节Proteus软件简介15
第二节proteus仿真过程15
图6-2-1仿真过程15
致谢16
参考文献17
附录18
第一章前言
点阵广告牌显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
在实际应用中的广告牌由于成本和可靠性的因素常采用一种称为动态扫描的显示方法。
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。
LED广告牌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。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。
图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;
视频显示屏采用微型计算机进行控制,图文、图像并茂,以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息,还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
它的优点:
亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。
第二章点阵的概述
第一节功能要求
设计一个用8×
8点阵广告牌,要求在目测条件下点阵广告牌的各点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形或文字应稳定、清晰无串扰,图形或文字显示有移入移出显示方式。
第二节关于LED的了解
一、LED点阵显示系统简介
本文所介绍的点阵LED显示屏,显示汉字和各种常见字符等信息,可广泛应用于各种场所。
具有结构简单、安装方便、字型美观、图案清晰。
采用高性能单片机控制,性能稳定,可靠性高,具有掉电保护功能,可完全脱机运行,可以显示约2000个文字。
经过一条RS-232串口线与电脑连接更换信息,操作简单,使用方便。
二、LED点阵显示系统的主要特点
LED显示屏主要有发光二极管以及其驱动芯片组成的显示单元而拼接而成,主要特点如下:
1、屏幕的尺寸可大可小
2、视角大,室内屏视角大于60度,室外屏视角大于25度。
3、视距可通过选择不同直径与不同点距的产品来调整,小到几十厘米,达到几百米,均可满足要求,目前最小直径可做到1mm.
4、状态灵活,简单到数码显示,复杂到全彩色视屏。
5、易与计算机接口,支持软件丰富。
三、LED点阵显示屏的分类
1、根据应用场所的不同,可将LED点阵显示屏分为室内和室外两种
(1)室内屏
主要应用于室内,在制作工艺上首先是把发光晶粒做成点阵模块或数码管,再由模块拼接为一定尺寸的显示单元板,根据用户需求,以显示单元板为基本单元拼接成用户所需尺寸。
(2)户外屏
主要用于室外,在制作工艺上首先是把发光晶粒封装而成单个的发光二极管,称之为单灯,用于制作户外屏的单灯一般采用具有聚光作用的反光杯来提高亮度;
再由多只LED单灯封装成单只像素管,而由像素管组成点阵式的显示单元箱体,根据场所需求,以一个显示单元箱为基本单元组成所需要的尺寸。
2、根据所采用的LED的颜色,可将LED显示屏分为单色、双基色、全彩色三种。
(1)单色
每个像素点只有一种颜色,多数为红色,因为红色的发光效率较高。
(2)双基色
每个像素点有红色绿色两种基色,可以叠加出黄色,在有灰度控制的情况下,可以通过红绿不同灰度的变化,组合出多种颜色。
(3)全彩色
全彩色也成为三基色,每个像素点有红绿蓝三种基色,在有灰度的控制的情况下,通过不同灰度的变化,可以很好的还原自然色。
3、根据屏幕所具有的功能,可将LED显示屏分为条屏,图文屏,视屏以及数码屏四种。
结合我所研究题目,讲一下图文屏。
这类屏幕主要用于显示图像和文字,一般无灰度控制。
其优点是显示的字体体型丰富,并可显示汉字和各种常见字符等信息,可广泛应用于各种场所。
四、8*8点阵内部电路图
图2-2-18*8点阵模块内部电路图
第三节方案论证
(一)点阵探究
8×
8的点阵广告牌共有64个发光二极管,况且还要用到四个8×
8呢,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,一个8×
8的点阵就需要64/8=8个锁存器。
这个数字很庞大,因为我们仅仅是8×
8的点阵,在实际应用中的广告牌往往要大的多,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广告牌几乎都不可能采用这种设计,而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
(二)扫描规律
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8行)的同名列共用一套列驱动器。
具体就8×
8的点阵来说,我们把所有同一行的发光管的阳极连在一起(共阳极的接法),把所有同一列的发光管的阴极连在一起(共阴的接法),先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存,然后选通第一行使其燃亮一定的时间,然后熄灭;
再送出第二行的数据并锁存,然后选通第二行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;
……第十六行之后又重新燃亮第一行,这样反复轮回。
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,我们就能看到显示屏上稳定的图形了。
第三章方案比较
方案一:
采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号。
若用中大规模的PLD,设计多个接口电路,开发周期长,不易进一步扩展,同时系统的成本会急剧上升(相对于第二种方案)。
因此,本设计并未采用这种方案。
方案二:
采用单片机系统来实现,由于51单片机具有价格低廉,使用简单等特点,而且数据处理速度也还可以。
本系统设计采用的单片机的外部接口虽然不够用,可用74HC595就解决了这一难题,同时安装和调试工作比较方便,极大地缩减了设计和制作的难度。
综合多方面考虑,选择方案二。
第二节电源的选择与论证
采用普通的干电池,电压稳定,方便携带,但工作时间短不利于大屏幕显示,并且造成环境污染,不利于环保。
采用自制直流稳压电源,电压稳定能持续工作,并能用于大屏幕显示,不会造成环境污染,节省成本。
综上所述,采用方案二,即自制直流稳压电源。
第三节点阵信息提取方案
要用LED点阵来显示汉字,首先要能够提取出其字模数据,即一个16*16的点阵汉字的字模数据共有32个字节。
首先要确定点阵信息提取方案。
固定汉字显示,就是将要显示的语句中全部汉字的字母数据依次提取出来,按顺序存放在存储器中,当有显示任务时,直接取出字模数据送至显示器即可。
这种方法占用空间少,程序实现简单,显示速度快。
本系统中对2组预存信息的点阵信息的提取和存储就是采用这种方案。
但是,要想显示大量的汉字信息或直接对显示信息进行更新,则几乎是不可能的事。
因此,要实现这样的功能就要采用第二种方案。
将标准的点阵信息字模数据的字库文件装入外扩ROM存储器,采用与PC机相同的编码(机内码),先进行基于PC机的预处理,提取需显示内容的机内码,通过串口发给单片机,单片机首先进行判断,若是ASCII码,则直接计算出起始地址,在码库文件中指定位置取出连续的16个字节即为其字模信息;
若为汉字,单片机将机内码转换为区码和位码,再计算出起始地址,在码文件中指定位置取出连续的32个字节即为其字模信息,然后送到显示器去显示。
另外,PC机与单片机之间串口通信只是传输机内码,而不是传输字模信息,传输信息量小,不需要复杂的通信协议。
这样既可以减轻单片机的负担,而且可以根据要求随时改变显示内容,非常简单灵活。
第四节显示驱动电路
常用的显示驱动方式有三种:
串行控制驱动,这种方式的好处是单元内的线路连接简单,给印刷电路板的设计带来方便,减少了布线的密度,方便以后的制作与调试,而且相对提高了每个单元的可靠性;
并行控制驱动,将显示数据通过并行(一般为8位)方式送入驱动电路,这样的好处是:
相对于串行控制而言,数据的刷新速度快,在处理同等数量的数据时,对处理速度要求可以大大降低,从而提高了系统的稳定性,但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂,布线后的排错难度大大增加。
方案三:
采用专用集成电路(ASIC)直接驱动,由于这种专用集成电路是集行控制、列控制和外围驱动于一体,使系统的稳定性更为可靠,特别适合户外的大型或者超大型显示屏。
因为这种类型的显示屏对图像显示要求高,不仅要保证图像的一致性,而且要保证图像的稳定、高亮。
本次设计的广告牌仅为16行*16列,更适合采用串行控制这种方式,这样做既省去了并行控制驱动在制版过程中十分复杂的布线,又因为没有采用专用集成电路在一定程度上降低了整个系统的成本。
第四章系统总体设计方案
第一节广告牌总体设计方案
图4-1-1总体设计方案图
第二节LED显示驱动电路
(一)LED显示原理
本次设计中16行*16列LED点阵广告牌的制作以及其显示驱动电路的设计制作都是非常关键的部分。
下面主要介绍一下显示驱动电路的设计。
本LED点阵广告牌采用动态扫描的方式显示,即逐行扫描,工作时先将一行点阵字模通过列驱动输出,然后运用译码器选中对应行,使该行得以显示,接着再送下一行数据,再选中下一行有效,直到16行全被扫描一遍。
至此,一幅完整的文字信息就显现出来。
然后在反复扫描这16行直至显示新的信息。
采用这种方式的优点是耗电少,成本低,寿命长,但是也存在显示亮度及内容显示稳定的问题。
根据视觉滞留原理,根据视觉滞留原理,每屏的完整的显示时间应控制在20ms之内,即50Hz,人眼看上去才不会觉得闪烁。
由于要扫描16行的点阵,所以每行的时间绝不能超过20ms÷
16=1.25ms,同时也不是每行的扫描时间越短越好,因为LED的亮度同电流的大小和维持时间的长短有关。
LED点阵块的单点静态电流一般在10mA左右,由于占空比是1/16,所以单点的动态电流最大可以达到160mA。
在维持时间恒定的情况下,电流越大(不超过额定电流),点阵亮度也越亮,而在电流恒定的情况下,需要一段维持时间来保持亮度。
试验表明当输入LED的电流为15mA时,维持时间至少需要1ms,否则LED呈微亮状态。
由于设计时设置89C52单片机的时钟频率为12MHz,而每次传送移行的字模数据有64位,经计算传输所需的时间小于1ms,这样就能充分利用列驱动74HC595的锁存功能,即在它接收下一行待显示的数据,还没有锁存新数据的这段时间来显示本行的内容,这样就不需要额外加延时来增加显示屏的亮度。
采用这个方法就不要再增加LED的列驱动器件,从而使整个硬件结构更简化,成本降低。
(二)驱动所用芯片
由于显示屏行的组成是多个模块并联而成的,因而行驱动的功率要求比较大,而且我们进行行扫描时需要所选行为低,故加反相驱动器ULN2803来满足要求。
列信号的处理列信号的处理主要由2片8位带锁存的串入并出移位寄存器74HC595来完成。
从单片机IO口串行输出的64位点阵数据随着移位时钟的作用逐位移动到对应位置,在接收到锁存信号后,将数据并行输出至LED的列线,最后在行驱动信号作用下点亮一行LED象素。
(三)所选方案论述
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驱动器,只有当一行的各列数据都已传输到位之后,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)和列数据显示两个部分。
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,以至影响到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,传送下一行的列数据。
为了达到重叠处理的目的,列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析,可以归纳出驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说,它应能实现串入并出的移位功能;
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。
故而我选用74HC595作为驱动芯片。
驱动电路由集成电路74HC595构成。
它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构,而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的,可以实现在显示本行列数据的同时,传送下一行的列数据,即达到重叠处理的目的。
(四)74HC595的引脚接线
74HC595的外形内部结构如图4-2-1所示,电路连线如图4-2-2所示。
它的输入侧有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,否则为高组态。
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。
图4-2-174HC595的引脚
图4-2-274HC595在电路中的连线
第三节单片机系统及外围电路
单片机采用AT89C52,采用频率晶振12MHZ。
单片机的端口与驱动器相连,用来显示数据。
P0口和P2口与行驱动器相连,送出行选信号;
P3.0口则用来发送控制信号。
P3.1口接时钟,P1.6接存储器锁存时钟,P1.7口为输出使能(74HC595在使用时移位寄存器清零端始终接高电平)。
第五章软件设计
第一节显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值,以保证显示屏刷新率的稳定,1/8扫描显示屏的刷新率(帧频)计算公式如下:
刷频率(帧频)=1/8×
T0溢出率=1/8×
f/12(65536-t)
其中f位晶振频率,t为定时器T0初值(工作在8位定时器模式)。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号,从显示缓存区内读取下一行的显示数据,并通过端口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象,驱动程序先要关闭显示屏,即消隐,等显示数据打入输出锁存器并锁存,然后再输出新的行号,重新打开显示。
图5-1-1为显示驱动程序(显示屏扫描函数)流程图。
图5-1-1驱动程序流程图
第二节系统主程序
本文设计的系统软件能使系统在目测条件下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。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
系统主程序开始以后,首先是对系统环境初始化,包括设置串口、定时器、中断和端口;
然后以“卷帘出”效果显示图形,停留约3s;
接着向左滚动显示“祝您旅途愉快!
”这7个汉字及一个标点,然后以“卷帘入”效果隐去图形。
由于单片机没有停机指令,所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。
单元显示屏可以接收来自控制器(主控制电路板)或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息,并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中,因此显示板可扩展至更多的显示单元,用于显示更多的显示内容。
图3-2是系统主程序流程图。
第六章Proteus软件仿真
第一节Proteus软件简介
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
使用Proteus软件进行单片机系统仿真设计,是虚拟仿真技术和计算机多媒体技术相
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