LED点阵亮度调节功能实现.docx
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LED点阵亮度调节功能实现
本科毕业论文
考籍号:
姓名:
题目:
LED显示屏亮度自动调节功能的实现
指导教师:
专业:
电子工程
通讯地址:
电话:
2013年3月
摘要.......................................................1
1.概述.......................................................2
1.1技术指标................................................2
2.设计思想...................................................3
3.系统硬件介绍...............................................3
3.1系统介绍...............................................3
3.2主要器件详细说明.......................................3
3.2.1AT89C51..........................................3
3.2.2点阵模块.........................................7
3.2.3光敏电阻.........................................9
3.3单片机最小系统.........................................12
4.系统硬件设计...............................................14
4.1系统流程设计...........................................14
4.2驱动电路设计...........................................14
5.系统软件设计...............................................16
6.总结.......................................................17
6.1制作工程回顾...........................................17
6.2心得体会...............................................18
7.致谢......................................................18
8.参考文献.................................................19
9.附录.......................................................20
9.2元件和工具清单........................................20
9.3整机仿真效果图........................................21
9.1程序代码..............................................22
LED显示屏亮度自动调节功能的实现
摘要:
随着信息技术的飞速发展和社会的不断进步,人们都市生活的迅速发展,新型半导体材料LED得到普和,人们对LED显示技术的高效控制和功能多样化的要求也不断提高。
LED除了有普遍的照明作用之外,还有广泛的工业用途。
本文介绍了一套小型LED显示屏,它是基于光敏电阻的显示系统,主要的功能是用光照强度来调节LED显示屏的亮度,就是通过光敏电阻接收到的外界不同的照度来控制LED显示屏不同的亮度,也就是说,本设计通过环境光照度的强弱对LED显示屏进行控制,而且可以自动变换,使生活和工业生产更加现代化和节能环保。
这个设计的核心在于单片机控制模块,光敏电阻通过外界照度的不同产生不同大小的电信号,本设计先根据电信号的大小规定好对应的数字信号,这样单片机就可以根据输入的数值信号发出控制命令,达到辨色的目的,判断光强度做好防护,并且可从液晶屏上读出光照强度,调控LED光强,这样的设备作为户外广告媒体中得一种,具有它独有的优势。
从LED的原理来看,LED的高亮度,使得LED显示屏所显示的画面可以穿透朦胧的雾水,达到广告效果。
这点,对于多雾的城市,尤为重要;LED使用低电压降低了LED显示屏的耗电量,LED的耐冲击性,使得LED显示屏具有成为户外广告媒体天然的优势;LED显示屏驱动简单,寿命长,易于集成电路匹配等优势,使得LED显示屏可以以任何形式展现出来!
本系统要求采用动态扫描控制显示方法,亮度通过单片机对光敏电阻感光电压采样,通过PWM调制(脉冲宽度调制),使亮度能够自己控制。
通过实验研究合理的解决显示亮度,显示控制和稳定性的问题。
【关键字】:
LED点阵;单片机;动态扫描;亮度调节
1概述
单片机自20世纪70年代问世以来,以极其高的性价比受到人们的重视和关注,所以应用很广,发展很快。
单片机的优点是体积小,重量轻,抗干扰能力强,功耗低,控制功能强,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。
广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后,也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统,并可获得较高的经济效益。
正因为如此,在我国,单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、网络通信、家用电器等各个方面。
在现代工业控制和一些智能化仪器仪表中,越来越多的场所需要点阵图形显示器显示数字。
LED显示屏主要用于广告宣传,其效果是图文并茂、形象生动。
数字显示方式是先根据所需要的数字提取数字点阵(如8×8点阵),将点阵文件存入ROM,形成新的数字编码;而在使用时则需要先根据新的数字编码组成语句,再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行数字显示。
本次毕业设计利用单片机来实现LED显示屏亮度的自动调节,以更好的掌握单片机的功能和应用。
1.1技术指标
1)数字显示采用8*8点阵;
2)显示屏在室内条件下应具有明显的可视效果;
3)采用动态扫描显示方式;
4)显示无闪烁(扫描频率大于50Hz);
5)显示内容更新采用字幕更新方式;
6)更新无抖动;
7)显示亮度根据环境亮度自动调节。
2设计思想
1.本设计采用列发送数据,行扫描的方式实现LED显示文字或图像。
本方法与硬件电路相结合,达到显示屏亮度整体相对均匀的目的。
利用光敏电阻对光的敏感特性,采集环境光的变化情况,将其转换成电信号送入单片机中,由单片机进行电信号处理,并按一定规律控制输出PWM波的占空比。
在单片机与LED显示屏之间加一个开关调压电路,实现单片机对LED显示屏的亮度调整。
将调整后的PWM波对开关调压电路进行控制,从而调节显示屏的输入电压的大小,最终实现显示屏的亮度控制。
2.LED自适应调光系统硬件设计LED的亮度与正向流过它的电流成正比,可以调节正向电流大小来调节LED的亮度。
现在一般采用调节工作电流的方式或者脉宽调制方式来调节LED的亮度,前者调节的范围大,线性度好,但是功耗大,所以很少采用。
脉宽调制方式是用较高的频率来开关LED,开关频率超出人们能够察觉的范围,使人感觉不到频闪的存在。
实现LED自适应调光。
3.LED是一种绿色光源,其主要优点是发光效率高。
随着材料科学的发展进步,在未来的10年内的发光效率将会有较大幅度提高。
LED能耗低,适应寿命长,可回收的材料,不污染环境。
虽然我们的国家起步较晚,但近年来也开始了积极的科研开发和产业政策和支持工作,与白炽灯相比有一个显著地不同:
发光亮度和发光二极管的正向电流大小基本成比例关系。
使用它这一特性,提高光学传感器测量周围环境的亮度,根据测量变化的发光亮度,保持周围环境亮度。
这不仅创造了一个舒适的环境恒定亮度,也可以充分利用自然采光,大大节约能源。
因此,对LED自适应调光技术的研究想的格外的重要。
4.一种发光二极显示屏自适应亮度控制电路,其特征包括:
一占空比预设值输入装置,一计数器和一大小比较器,其中计数器和占空比预设值输入装置分别将一数值和一占空比预设值大小比较器比较以控制比较器的输出值。
3系统硬件设计
3.1系统介绍
LED点阵屏是由1个8X8的点阵模块组成,形成8X8的矩形点阵,以单片机AT89C51为控制核心。
其他主要的硬件芯片如下:
①用单片机AT89C51用作行驱动,列驱动。
②用光敏电阻采集环境亮度信号。
3.2主要器件详细说明
3.2.1AT89C51
此为整个系统的主控芯片,引脚图和内部构造原理图如下:
图
(1)
图
(2)
说明:
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMELAT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。
主要特性:
①.与MCS-51兼容;
②.4K字节可编程闪烁存储器;
③.寿命:
1000写/擦循环;
④.数据保留时间:
10年;
⑤.全静态工作:
0Hz-24Hz;
⑥.三级程序存储器锁定;
⑦.128个字节内部RAM;
⑧.32可编程I/O线;
⑨.两个16位定时器/计数器;
⑩.5个中断源;
⑪.可编程串行通道;
⑫.低功耗的闲置和掉电模式;
⑬.片内振荡器和时钟电路。
管脚说明:
①.VCC:
供电电压。
②.GND:
接地。
.P0口:
P0口为一个3态双向I/O口。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
.P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
.P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
.P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(TTL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表一所示:
表一:
P3口管脚说明:
管脚
备选功能
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(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器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)
.RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
.ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在其它时间,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
./PSEN:
外部程序存储器的读选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
./EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间访问外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,在此期间访问内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
⑪.XTAL1:
反向振荡放大器的输入和内部时钟工作电路的输入。
⑫.XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器(内部振荡器电路)的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
3.2.2点阵模块
LED电子显示屏是利用计算机按一定规律控制点阵上面排列的发光二极管的亮与暗,并不是控制LED的发光强弱,从而显示所需要的图像或文字。
一般事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形,再按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。
对于只控制通断的图文显示屏来说,每个LED发光器件占据数据中的1位(1bit),在需要该LED器件发光的数据中相应的位填1,否则填0。
当然,根据控制电路的安排,按照相反的定义同样时可以的。
这样依照所需显示的图形或文字,按显示屏的各行各列逐点填写显示数据,就可以构成一个显示数据文件。
显示图形的数据文件,其格式相对自由,只要能够满足显示控制的要求即可。
文字的点阵格式比较规范,可以采用现行计算机通用的字库字模。
组成一个字的点阵,其大小也可以有16×16、24×24、32×32、48×48等不同规格。
用点阵方式构成图形或文字,是非常灵活的,可以根据需要任意组合和变化,只要设计好合适的数据文件,就可以得到满意的显示效果。
因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息,是非常有效的。
LED显示系统有两种最基本的显示模式,即静态显示和动态显示。
对于静态显示方式,每一像素都需要一套驱动电路,因而它的优点是没有扫描过程,显示控制简单,亮度极佳。
然而一个显示屏通常是由很多像素组成,例如某系统有16行192列共16*192=3072个像素,可以想象如果采用静态显示其驱动电路的复杂度,这不仅使系统成本高,而且增加了生产、安装、调试和日常维护工作的难度,故障率也较高。
对于动态扫描显示,由于采用多路复用技术,这可使驱动电路的套数大大减少,从而克服了静态显示的不足。
但是,既然是多路复用,这就存在时分复用的问题,因而使每路显示的时间大为减少,这不仅使LED显示亮度受到了一定程度的影响,而且增大了显示控制的复杂性和显示的稳定性。
对于小型的显示屏通常用8X8的点阵去显示不同的数字。
这是因为一方面8*8的点阵已基本满足描述不同数字的点阵排列,节省了成本,而低于8*8的阵则不足以描述较复杂笔划的数字,高于8*8的点阵又将大大的增加显示屏的成本。
另一方面在计算机的ccdos操作系统中,已有现成的8*8点阵数字字库,这种点阵已广泛地被人们接受和熟悉,并有相应的国家标准如GB2312-80,从而免去了设计者自己编制数字字库的繁琐的工作,这为显示屏的应用提供了条件。
图(3)是由LED构成的8X8点阵结构,其中涂黑的圆点表示点亮的LED,它组合成数字“1“,其十六进制代码(00H,00H,00H,00H,21H,7FH,01H,00H)8个字节.该代码取自于2.13H数
字系统单笔化简体字库,根据需要还可以选择双笔化简体或繁体字库以适应图(3)
不同场合的应用。
显然,计算机根据不
同的代码,可构成8X8点阵的不同点亮LED的组合,这就可以显示各种不同的数字.如果显示屏由多个8X8的点阵组成,这些不同的点亮LED的组合还可以描述出24X24或40X40甚至更大的数字以和复杂的图形,灵活性非常高。
图(4)为8×8点阵LED外观和引脚图,其等效电路如图(5)所示,只要其对应的X、Y轴顺向偏压,即可使LED发亮。
例如,如果想使左上角LED点亮,则Y0=1,X0=0即可。
应用时限流电阻可以放在X轴或Y轴。
图(4)8×8点阵LED外观和引脚图
图(5)
接线方式:
当某一行线打高时,某一列线为低时,其行列交叉的点就被点亮;某一列线为高时,其行列交叉的点就变暗;
当某一行线打低时,无论列线如何,对应的这一行的点都不会被点亮。
1控制 第五行显示 接高9控制 第一行显示 接高
2控制 第七行显示 接高10控制 第四列显示 接低
3控制 第二列显示 接低11控制 第六列显示 接低
4控制 第三列显示 接低12控制 第四行显示 接高
5控制 第八行显示 接高13控制 第一列显示 接低
6控制 第五列显示 接低14控制 第二行显示 接高
7控制 第六行显示 接高15控制 第七列显示 接低
8控制 第三行显示 接高16控制 第八列显示 接低
3.2.3光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电位器,入射光强,电阻减小,入射光若,电阻变大。
光敏电阻可以广泛应用于各种光控电路如对灯光的控制、调节等场合,广泛应用于光控开关,本设计采用光敏电阻通过自动限流的方式,达到控制LED亮度的效果。
(1)光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流暗电流:
光敏电阻在室温条件下,全暗(无光照射)后经过一定时间测量的电阻值,称为暗电阻。
此时在给定电压下流过的电流。
亮电流:
光敏电阻在某一光照下的阻值,称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流。
光电流:
亮电流与暗电流之差。
光敏电阻的暗电阻越大,而亮电阻越小则性能越好。
也就是说,暗电流越小,光电流越大,这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ,而亮电阻则在几kΩ以下,暗电阻与亮电阻之比在102~106之间,可见光敏电阻的灵敏度很高。
(2)光敏电阻的光照特性右图(6)表示CDS光敏电阻的光照特性。
在一定外加电压下,光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同,但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件,这是光敏电阻的不足之处。
一般在自动控制系统中用作光电开关。
图(6)
(3)光敏电阻的光谱特性光谱特性与光敏电阻的材料有关。
从图(7)中可知,硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度,峰值在红外区域;硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此,在选用光敏电阻时,应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑,才能获得满意的效果。
图(7)
(4)光敏电阻的伏安特性
在一定照度下,加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。
图(8)中曲线1、2分别表示照度为零和照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知,在给定偏压下,光照度较大,光电流也越大。
在一定的光照度下,所加的电压越大,光电流越大,而且无饱和现象。
但是电压不能无限地增大,因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。
超过最高工作电压和最大额定电流,可能导致光敏电阻永久性损坏。
图(8)
(5)光敏电阻的频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时,光电流要经过一段时间才能达到稳定值,而在停止光照后,光电流也不立刻为零,这就是光敏电阻的时延特性。
由于不同材料的光敏,电阻时延特性不同,所以它们的频率特性也不同,如图(9)硫化铅的使用频率比硫化镉高得多,但多数光敏电阻的时延都比较大,所以,它不能用在要求快速响应的场合。
图(9)
(6)光敏电阻的稳定性
图(10)中曲线1、2分别表示两种型号CDS光敏电阻的稳定性。
初制成的光敏电阻,由于体内机构工作不稳定,以和电阻体与其介质的作用还没有达到平衡,所以性能是不够稳定的。
但在人为地加温、光照和加负载情况下,经一至二周的老化,性能可达稳定。
光敏电阻在开始一段时间的老化过程中,有些样品阻值上升,有些样品阻值下降,但最后达到一个稳定值后就不再变了。
这就是光敏电阻的主要优点。
光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下,几乎是无限长的。
图(10)
(7)
光敏电阻的温度特性其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。
随着温度的升高,其暗电阻和灵敏度下降,光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。
硫化镉的光电流I和温度T的关系如图(11)所示。
有时为了提高灵敏度,或为了能够接收较长波段的辐射,将元件降温使用。
例如,可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。
图(11)
光敏电阻的工作原理
当光照射到光电导体上时,若光电导体为本征半导体材料,而且光辐射能量又足够强,光导材料价带上的电子将激发到导带上去,从而使导带的电子和价带的空穴增加,致使光导体的电导率变大。
为实现能级的跃迁,入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg,即:
式中ν和λ—入射光的频率和波长。
一种光电导体,存在一个照射光的波长限λC,只有波长小于λC的光照射在光电导体上,才能产生电子在能级间的跃迁,从而使光电导体电导率增加。
3.3单片机最小系统
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
下面图(12)给出一个51单片机的最小系统电路图:
图(12)
详细说明如下:
(1)复位电路:
由电容并联电阻构成,由图(13)并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C取1uF,R取10K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算,可以参考电路分析相关书籍。
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