基于单片机的LED点阵屏设计学士毕业论文.docx
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基于单片机的LED点阵屏设计学士毕业论文
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2011届毕业生
毕业论文
题目:
基于单片机的LED点阵屏设计
院系名称:
信息科学与工程学院
专业班级:
电子信息科学与技术06级2班
学生姓名:
***学号:
指导教师:
***教师职称:
教授
2010年6月2日
(QQ:
Email:
)
摘要
LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,它是由很多个红色的发光二极管组成,靠灯的亮灭来显示字符。
LED显示屏分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。
目前由于LED显示屏造价昂贵,主要应用于比较高档的场所,主要集中在城市的繁华场所,在正在举办的2010年上海世博会、未来各项大型运动赛事等新增需求,都将促使LED显示屏的大规模发展。
此外,已架设的大型LED显示屏幕每10年将历经一次换机潮,随着人们生活水平的提高,户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。
本设计主要实现16*16LED显示屏对文字及简单图像的显示,扩展功能有实时时钟及实时温度采集,并通过LCD1602及LED点阵屏静态及滚动显示。
设计分为三大步,分别是软件设计,硬件仿真及实物制作,兼顾理论性及实用性,充分体现了理论与实践相结合,设计过程中不仅学到了很多有用的知识,也增长了自己的专业技能,提高了自己的动手能力。
关键词:
LED显示屏发光二极管半导体
TitleLEDDotMatrixDisplayDesignBasedonSCM
Abstract
LEDdisplayisthedisplaymodecontrollingbythesemiconductorlightemittingdiode,itprobablylookslikethatcompositionbyanumberofledisusuallyaredlight-emittingdiodeswhichshowcharacterbytheLEDonandoff.LEDdisplayisdividedintoDigitaldisplay,GraphicdisplayandVideodisplay,whichiscompositionedbyLEDmatrixblock.AsthecostofLEDdisplayexpensivecurrently,mainlyusedinrelativelythecitiesbustlingplace,beingtheShanghaiWorldExpo2010,Futurelarge-scalesportingeventsandotheradditionalrequirementswillpromotelarge-scaledevelopmentofLEDdisplay.Inaddition,theoriginallarge-scaleLEDdisplayscreenwillbeupdatingonceper10years,withtheimprovementofpeople’slivingstandard,outdoorLEDdisplaywillgraduallybeusedinvariousindustries.
Themainachievementofthisdesignis16*16LEDdisplayshowthetextandsimpleimages,theextensionfunctionincludereal-timeclockandreal-timetemperaturemeasurementwhichisdispalyedbyLCD1602andLEDdotmatrixdisplayscreen.Thisdesignisdividedintothreebigsteps,whichissoftwaredesign,andin-kindproduction,fullyreflectsthecombinationoftheoryandpractice.Fromthisdesignprocess,I'mnotonlylearnedalotofusefulknowledge,alsoincreasemyprofessionalskillsandImprovemypracticalability.
KeywordsLEDDisplaySemiconductor
目次
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1半导体技术1
1.1.1半导体简介1
1.1.2半导体特点2
1.1.3半导体应用及行业发展2
1.2发光二极管2
1.2.1简介2
1.2.2结构及发光原理3
1.2.3发光二极管分类4
1.3LED显示技术5
1.3.1什么是led显示屏5
1.3.2LED显示屏的分类5
1.3.3led显示屏市场前景6
2主要IC及器件简介7
2.1显示设备7
2.1.1点阵显示屏模块7
2.1.2LCD1602显示器7
2.2主要芯片简介8
2.2.1STC单片机8
2.2.274HC5959
2.2.3时钟芯片DS130210
2.2.4温度传感器DS18B2010
3基于单片机的LED显示屏程序设计及仿真12
3.1程序设计12
3.1.1设计思路12
3.1.2子程序及头文件代码12
3.1.3工程建立及仿真18
3.2硬件仿真21
3.2.1仿真步骤及方法21
3.2.2仿真中遇到的主要问题及解决方案23
4基于单片机的LED显示屏实体设计24
4.1设计思路24
4.2系统搭建25
4.3整装软件硬件28
5LED及LED显示屏未来发展展望30
结论31
致谢32
参考文献33
附录:
源程序35
1绪论
1.1半导体技术
半导体(semiconductor)[1],指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。
半导体在收音机、电视机,电脑,以及测温上有着广泛的应用。
1.1.1半导体简介
物质存在的形式多种多样,固体、液体、气体、等离子体等等。
我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料,如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等,称为绝缘体。
而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。
与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。
图1-1物质导电能力普
半导体的分类,按照其制造技术可以分为:
集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。
此外还有以应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。
此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。
1.1.2半导体特点
半导体五大特性∶电阻率特性,导电特性,光电特性,负的电阻率温度特性,整流特性。
在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。
在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。
1.1.3半导体应用及行业发展
最早的实用“半导体”是电晶体二极体[2]。
一、在无线电收音机及电视机中,作为“讯号放大器整流器”用。
二、近来发展太阳能,也用在光电池中。
三、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,分辨率可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是性价比极高的一种测温元件。
世界半导体行业巨头纷纷到国内投资,整个半导体行业快速发展,这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。
可以说,市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。
1.2发光二极管
1.2.1简介
发光二极管简称为LED[3]。
由镓(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管,如图1-2,当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光二极管,在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种,可以把电能转化成光能;常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后,从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子,在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合,产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同,释放出的能量越多,则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管,如图1-3。
图1-2LED结构图图1-3LED
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡,使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算:
公式
式中E为电源电压,为LED的正向压降,为LED的一般工作电流。
1.2.2结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。
LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写,
图1-4LED构造图
架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。
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。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
1.2.3发光二极管分类
发光二极管还可分为普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、电压控制型发光二极管、红外发光二极管和负阻发光二极管等。
1.普通单色发光二极管
普通单色发光二极管具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点,可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。
它属于电流控制型半导体器件,使用时需串接合适的限流电阻。
2.(超)高亮度单色发光二极管(2种)
高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同,所以发光的强度也不同。
3.变色发光二极管
变色发光二极管是能变换发光颜色的发光二极管。
变色发光二极管发光颜色种类可分为双色发光二极管、三色发光二极管和多色(有红、蓝、绿、白四种颜色)发光二极管。
变色发光二极管按引脚数量可分为二端变色发光二极管、三端变色发光二极管、四端变色发光二极管和六端变色发光二极管。
4.闪烁发光二极管
闪烁发光二极管(BTS)是一种由CMOS集成电路和发光二极管组成的特殊发光器件,可用于报警指示及欠压、超压指示。
5.电压控制型发光二极管
普通发光二极管属于电流控制型器件,在使用时需串接适当阻值的限流电阻。
电压控制型发光二极管(BTV)是将发光二极管和限流电阻集成制作为一体,使用时可直接并接在电源两端。
6.红外发光二极管
红外发光二极管也称红外线发射二极管,它是可以将电能直接转换成红外光(不可见光)并能辐射出去的发光器件,主要应用于各种光控及遥控发射电路中。
图1-5红外发光LED
1.3LED显示技术
1.3.1什么是led显示屏
LED显示屏[4]分为数码显示屏、图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。
LED数码显示屏的显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
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。
LED显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、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。
1.3.2LED显示屏的分类
1、按颜色基色可以分为
单基色显示屏:
单一颜色(红色或绿色)。
双基色显示屏:
红和绿双基色,256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏:
红、绿、蓝三基色,256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种色。
2、按显示器件分类
LED数码显示屏:
显示器件为7段码数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏:
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块,适于播放文字、图像信息。
LED视频显示屏:
显示器件是由许多发光二极管组成,可以显示视频、动画等各种视频文件。
3、按使用场合分类
室内显示屏:
发光点较小,一般Φ3mm--Φ8mm,显示面积一般几至十几平方米。
室外显示屏:
面积一般几十平方米至几百平方米,亮度高,可在阳光下工作,具有防风、防雨、防水功能。
1.3.3led显示屏市场前景
LED全彩显示屏[6],是20世纪90年代在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体。
它利用发光二极管构成的点阵模块或象素单元组成大面积显示屏幕,结合了微电子技术、光学技术、计算机技术、信息处理等现代高新技术,以其可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性价比合理、使用成本低等特点迅速成为大型平板显示的主流产品,以其明显优越于背投、等离子、液晶显示及电视屏幕的性能而在信息显示领域得到了广泛的应用,如体育场馆、大型展览馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。
尤其是以其高亮度,大面积显示而让更多人在户外也感受到信息时代的来临。
显示信息无所不在。
据业内专家预测,今后几年全球各类LED显示屏需求每年均达到几十亿美元,且还在逐年递增。
国际大都市如纽约、巴黎、伦敦都普遍使用大型LED全彩显示屏作为信息传播、广告宣传的新型载体。
在中国,随着经济的飞速发展,特别是在中国成功申办2008年奥运会的强大拉动下,以及上海世博会等需要大型LED显示屏。
随着各类场馆的兴建和市政工程改造项目的兴起,国内市场LED全彩屏需求增长率更是高达30%以上。
2主要IC及器件简介
2.1显示设备
2.1.1点阵显示屏模块
图2-1单双色模块图2-2全彩模块
点阵[12],本身是一个几何学名词,英文为:
lattice。
是格子框架,类似格子框架的意思。
本是一个空间名词,如果取出去平面,则与显示屏的灯珠布置不你那联想,设计显示点阵就是指在显示屏上长和宽各能显示出多少个像素点,或者在LED显示屏上长和宽有多少个LED会同时发光。
跟我们数模电路的网状结构又是有着深层的关联。
2.1.2LCD1602显示器
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用[14]。
目前字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。
这里向大家介绍一款LCD1602液晶显示模块,它可以显示两行,每行16个字符,采用单+5V电源供电,外围电路配置简单,价格便宜,具有很高的性价比。
LCD1602外观如图2-3所示:
图2-3LCD1602显示屏
2.2主要芯片简介
2.2.1STC单片机
STC89C51RCRD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰高速低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机[16],12时钟机器周期和6时钟机器周期可任意选择,最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。
图2-4STC单片机
STC单片机的特点:
加密性强,很难解密或破解,解密费用很高、国内能解密的人少,一般的仿制者望而退步。
超强抗干扰:
1、高抗静电(ESD保护)
2、轻松过2KV4KV快速脉冲干扰
3、宽电压,不怕电源抖动
4、宽温度范围,-40℃~85℃
5、IO口经过特殊处理
6、单片机内部的电源供电系统经过特殊处理
7、单片机内部的时钟电路经过特殊处理
8、单片机内部的复位电路经过特殊处理
9、单片机内部的看门狗电路经过特殊处理
三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施:
1、禁止ALE输出
2、如选6时钟机器周期,外部时钟频率可降一半
3、单片机时钟振荡器增益可设为12Gain
超低功耗:
1、掉电模式:
典型功耗<0.1μA
2、空闲模式:
典型功耗2mA
3、正常工作模式:
典型功耗4mA-7mA
4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等
2.2.274HC595
图2-574HC595的管脚排列图
74HC595是硅结构的CMOS器件,兼容低电压TTL电路,遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器,三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SCHcp的上升沿输入,在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起,则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入(Ds),和一个串行输出(Q7’),和一个异步的低电平复位,存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能OE时(为低电平),存储寄存器的数据输出到总线。
2.2.3时钟芯片DS1302
DS1302[18]是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源后背电源双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
图2-6为DS1302的引脚图:
图2-6
2.2.4温度传感器DS18B20
图2-7温度传感器
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松地组建
传感器网络,为测量系统的构建引入全新概念。
现在,新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。
使您可以充分发挥“一线总线”的长处。
DS18B20支持“一线总线”接口,测量范围-55°C~+125°C,在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同,新的产品支持3V~5.5V的电压范围,使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜,体积更小。
3基于单片机的LED显示屏程序设计及仿真
3.1程序设计
3.1.1设计思路
本设计主要实现LED点阵屏对文字或图形的显示,附加功能有LED显示屏对时间及温度的实时显示,另外还要配合LCD1602显示屏,以便硬件搭建时利于测试和调整。
编程时需要通盘考虑,本设计中用到的时钟芯片(DS1302),温度传感器(DS18B20)及LCD1602显示屏都需要驱动才能正常工作,由于这些驱动的头文件可以通用,而且自己以前也做过这方面的实验,也就没有必要重新编写,这样一来就可以把主要精力放在主函数的编写上,编写主函数有两大方面,一是如何实现对LED显示屏及外围器件的控制,二是如何把时钟芯片(DS1302),温度传感器(DS18B20)及LCD1602显示屏和LED显示屏有机的结合起来。
3.1.2子程序及头文件代码
LED点阵屏文字显示头文件“dispaly.ChipRom
图3-4工程设置
然后勾选Output中的CreateHEXFi;再次运行程序,就可以生成HEX文件了。
图3-5
至此,整个程序仿真结束。
3.2硬件仿真
3.2.1仿真步骤及方法
第一步:
打开桌面上的ISIS7Professional快捷方式,出现如图3-6窗口:
图3-6仿真界面
第二步:
点击图中P按钮,从库中选出本设计所需要的元器件:
如51单片机,8*8点阵模块若干,LCD1602显示屏,74HC595,74HC154,以及电容,电阻,晶振等,如图3-7:
图3-7器件选择
第三步:
按照设计要求对各个模块和元器件进行布局和连接,连接最终结果如图3-8:
图(3-8)器件连接
第四步:
进行硬件仿真。
将已经编译好的HEX文件下载到设计中模拟的单片机上最终仿真结果如图3-9:
图3-9仿真结果
实验成功。
否则检查线路连接,或程序修改。
3.2.2仿真中遇到的主要问题及解决方案
仿真过程中主要遇到两大难题。
一是线路的连接比较麻烦,有其是LED点阵屏,四块点阵屏有就有64个连接端,比较耗费时间。
与它相连的外围电路如74HC154和74HC595等,都需要和他完全的匹配,否则就出现不了预期的效果。
二是硬件的选择比较复杂,尤其是LED点阵屏,可以自由旋转,与实物器件有很大差别,所以选择LDE点阵屏之后,要保证不要把它弄颠倒了。
所以在选择仿真器件和连接线路之时一定要认真并有足够的耐心。
并且要从简单到复杂,步步为营。
4基于单片机的LED显示屏实体设计
4.1设计思路
硬件的设计比较困难,因为所面临的都是很实际的问题。
一旦出现错误,有时候甚至很难恢复。
我的硬件设计采取步步为营,个个击破的方针。
这样避免了系统出现大的问题。
首先是电源的选择,因为本次设计为LED矩阵构成的点阵屏,需要很稳定及高效的电源,所以我选择了开关电源。
然后是板子的选择,考虑到设计的重要性,我选择了一块质量很高的万能板。
这样两大基础性问题得到了解决。
下面是器件的选择。
根据设计要求,需要4块8*8的LED点阵模块来组成16*16的显示窗口。
需要一块LCD1602,用于显示和调试单片机的运行数据,需要一个单片机,这也是设计的核心器件之一。
然后就是一些外围的控制器件的选择,比如串行输入并行输出的74HC
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