LED點陣示屏設計與制作畢業(yè)論文

緒論1.1研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢現(xiàn)代信息社會中，作為人一機信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展，進入二十一世紀的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代，LED顯示屏作為平板顯示的主導產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍色及純綠色LED產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件?；A材料的產(chǎn)業(yè)化。使LED全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應用加快。LED產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預計在未來幾年的發(fā)展中，全彩色LED顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色LED屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色LED顯示屏的廣泛應用會是LED顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點。未來LED顯示屏會向著標準化、規(guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展。2方案論證與選擇2.1系統(tǒng)硬件方案大多數(shù)的LED顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護硬件電路設計時常常采用模塊化的設計方法。硬件的設計采用模塊化設計，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖2-1所示,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機四部分組成。上位機通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式。圖2-1系統(tǒng)硬件組成框圖2.1.1顯示屏主控制器控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機通信接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設計方法有單片機、DSP、及EDA技術(shù)。2.1.2通信系統(tǒng)通信部分要滿足的設計要求就是穩(wěn)定、快速、簡單易實現(xiàn)。因為通常情況下顯示屏和上位機的距離不會很遠，所以通信距離的要求不是很高。計算機數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。（1）并行通信并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進行遠距離通信。（2）串行通信串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進行的，而計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。綜上所述，題目設計已經(jīng)選定了單片機為開發(fā)方式而單片機的UART已經(jīng)集成在單片機內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。2.1.3LED點陣顯示屏顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機的I/O口有限要不能直接用I/O口來驅(qū)動LED顯示屏，所以需要對單片機IO口進行擴展增加單片機并行輸出的能力。2.2系統(tǒng)軟件方案軟件的設計除了滿足設計功能外還必須要滿足易讀寫，方便下載和編譯。設計目標和硬件總體結(jié)構(gòu)確定的情況下，軟件可以分為主程序，顯示子程序，各種特效顯示子程序，通信程序三個主要部分組成。具體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。圖2-2軟件功能結(jié)構(gòu)框圖軟件的編寫需要借助軟件編輯器和編譯軟件，編譯完成后還需要下載到單片機中執(zhí)行。編寫軟件之前得首先選擇一種合適的語言以及配套的編輯器和編譯軟件。最后還要選擇一款與所選單片機的下載器或下載軟件來把編寫的程序下載到單片機中執(zhí)行?，F(xiàn)在主要運用的單片機編程語言為匯編語言和C語言。兩種語言相比較各有優(yōu)點。匯編語言(AssemblyLanguage)是面向機器的程序設計語言，是一種功能很強的程序設計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。其具有執(zhí)行速度快，占內(nèi)存空間少等優(yōu)點，但在編寫復雜程序時具有明顯的局限性，匯編語言依賴于具體的機型，不能通用，也不能在不同機型之間移植。系統(tǒng)硬件設計3.1硬件整體設計概述及功能分析顯示系統(tǒng)具體設計主要由上位機，通信系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)，譯碼電路，顯示驅(qū)動電路和16×16的點陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位PC機通過通信系統(tǒng)向單片機發(fā)送控制指令和顯示代碼內(nèi)容，單片機接收后執(zhí)行控制指令處理顯示代碼將顯示內(nèi)容通過I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉(zhuǎn)換并行輸出，最后由顯示驅(qū)動電路進行電壓和電流的處理以達到LED顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內(nèi)容。根據(jù)硬件的功能結(jié)構(gòu)圖選取合適器件，器件不但要求能實現(xiàn)所要求的功能還要能兼容至整個系統(tǒng)之中。通過查閱資料和對比最終的硬件原理圖如圖3-1所示。圖3-1硬件原理圖該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能和要求有以下幾點：（1）LED顯示屏的面積必須滿足至少顯示一個漢字的標準。并且顯示要清晰。（2）驅(qū)動電路要能提供LED顯示所需范圍內(nèi)的電壓和電流要求。（3）譯碼電路的高低電平的區(qū)分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機以及驅(qū)動電路的要求。（4）單片機要能接收上位機的指令和顯示內(nèi)容且能夠處理后控制LED顯示屏的顯示，并且端口驅(qū)動能力要足以驅(qū)動譯碼電路。執(zhí)行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。（5）單片機由ISP下載線下載程序和供電，可不設立專用供電電源。（6）由串口完成單片機與上位機的通信，通信速度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸_到顯示要求。3.2控制單元設計控制單元是整個顯示系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)中采用51系列單片機為核心器件，用來和上位機通信處理上位機發(fā)送的控制指令和顯示內(nèi)容。并且直接輸出數(shù)據(jù)通過譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容和顯示狀態(tài)。在51系列單片機中選定一款合適的機型來作為控制單元的主控芯片。根據(jù)題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因為在軟件設計時方便的程序下載對程序的驗證和編寫非常有用。還有就是為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機的執(zhí)行速度要盡可能的快。根據(jù)這兩點要求，選擇美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51為控制單元的主控芯片。3.3譯碼電路設計譯碼電路的功能是為了解決單片機I/O端口不足。行譯碼所用器件為串并轉(zhuǎn)換器74LS164和鎖存器74LS373。具體電路如圖3-2所示圖3-2行譯碼電路圖3.4驅(qū)動電路設計發(fā)光二極管，LED(LightEmittingDiodes)，即是在在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。行驅(qū)動采用PNP三極管8550接法如圖3-3示：圖3-3行驅(qū)動器件8550的接法8550為PNP型三極管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4示。發(fā)射極e接5V電源，基極接譯碼信號輸出端，集電極接輸出驅(qū)動LED點陣屏。當譯碼器端口輸出為低電平時，發(fā)射極與基極電勢差為5V－基極中帶負電的電子越過PN結(jié)擴散到發(fā)射區(qū)。發(fā)射極產(chǎn)生和電子擴散方向相反的電流，由于基極電子大量擴散到發(fā)射極集電極電子擴散到基極中形成了電流。當譯碼器端口輸出高電平時發(fā)射極與基極之間的電勢差為5V－－，由于發(fā)射極與基極之間電勢差的減少基極電子向發(fā)射極擴散的電子數(shù)量減少故集電極電流也隨之減少。故8550在驅(qū)動電路中起到提供驅(qū)動電流和選通開關(guān)的作用。圖3-48550內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4系統(tǒng)軟件設計4.1程序設計系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，按照模塊化的設計思路設計。首先分析程序所要實現(xiàn)的功能，程序要實現(xiàn)串口通信，靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示三大功能。其功能結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。通信程序接收上位機數(shù)據(jù)，交給主程序處理再通過控制程序選擇不同的顯示程序進行顯示。4.2顯示程序的設計LED點陣屏顯示方式主要由靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種。對靜態(tài)顯示來說，每一個發(fā)光二極管都需要一套驅(qū)動電路，一幀畫面輸入以后便可一勞永逸地顯示，除非我們改變了顯示內(nèi)容，需要重新輸出新的點陣數(shù)據(jù)．這種方式系統(tǒng)原理相對簡單一些，但所需的譯碼驅(qū)動裝量很多，引線多而繁雜，不便于大屏幕的制造，成本高，其可靠性也較低．4.3通信程序的設計系統(tǒng)采用串行中斷的方式進行通信。MCS-51單片機的五個中斷源兩種類型：一類是外部中斷源；另一類是內(nèi)部中斷源，包括兩個定時器/計數(shù)器（T0和T1）的溢出中斷和串行口的接收和發(fā)送中斷。MCS-51單片機設置了4個專用寄存器用于中斷控制，分別為定時器控制寄存器（TCON），串行口中斷控制器（SCON），中斷允許控制寄存器（IE），中斷優(yōu)先級控制寄存器（IP）。編程時通過設置其狀態(tài)來管理中斷系統(tǒng)。在編輯中斷程序時首先是將中斷控制寄存器（IE）初始化。其控制位分布如表。EA為中斷允許總控制位，EA=1時CPU開發(fā)中斷；EA＝1時。CPU屏蔽所有中斷。ES、ET、EX1、ET0、EX0為對應的串行口中斷、定時器/計數(shù)器1中斷、外部中斷1中斷、定時器/計數(shù)器0中斷、外部中斷0中斷的中斷允許位。對應位為1時允許其中斷，對應位為0時，禁止其中斷。表4-1中斷允許寄存器格式D7D6D5D4D3D2D1D0EA——ESET1EX1ET0EX0所以初始化時設定中斷允許寄存器初值為0XFF，指令為IE=0XFF。程序設計時還要考慮到中斷優(yōu)先級的問題。因為不同的中斷同時產(chǎn)生而CPU響應的順序取決于內(nèi)部查詢順序。設置串口工作方式1，波特率9600，計算可得計數(shù)器初值的十六進制表示。RI=1?接收串口數(shù)據(jù)RI=1?接收串口數(shù)據(jù)起始位‘S’接收起始位后33位數(shù)據(jù)接收到第34位？將第2位起的32位數(shù)據(jù)發(fā)回PC機NNNYYY中斷開始中斷返回圖4-1通信程序流程圖所有軟件編寫完成后都必須經(jīng)過編譯才能被單片機識別使用。為了減小軟件的修改和優(yōu)化難度，先把各子程序?qū)憺橐粋€可單獨執(zhí)行的完整程序。各子程序編譯沒有錯誤后再輸入單片機進行驗證，這兩項都通過后再將所有的程序整合到一起形成一個完整的程序再進行編譯和驗證。5系統(tǒng)調(diào)試件制作和軟件編寫過后，得出實物如圖5-1所示。實物完成后必須對其進行調(diào)試，檢查設計功能是否實現(xiàn)了。軟件硬件完成后開始進行調(diào)試。調(diào)試可分為硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。5.1系統(tǒng)硬件部分調(diào)試方法硬件調(diào)試主要是調(diào)試各部分的焊接是否合格和各芯片的輸出輸入電壓是否符合設計要求，最后測試各硬件部分能否完成設計功能。因此把硬件調(diào)試按照以下四部分分步來進行：（1）測試所有焊點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在；（2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設計要求的范圍內(nèi)；（3）測試ISP下栽線的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)；（4）測試串口系統(tǒng)的通信功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)。由于最重要的顯示系統(tǒng)功能的測試需要軟件配合所以在硬件調(diào)試部分只測試單片機復位電平，功能部分測試放在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試部分來完成。檢測工具為萬用表，使用萬用表的短路報警功能，逐個測試相臨的兩個焊點檢測是否短路。按照電路圖檢測需要連接的兩點是否短路來檢測是否已經(jīng)連接上，以此來檢測虛焊的情況。檢測和修改完成后為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起檢測結(jié)果不真實的麻煩。由于系統(tǒng)測試時是采用USB電源為系統(tǒng)電源，所以電源輸入都為5V。顯示系統(tǒng)中單片機、譯碼器，鎖存器，驅(qū)動電路的電源電壓均要求為5V所以可同時直接接入。上電后首先觀察電路是否有過熱，異味，冒煙的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過觀察，沒有這些現(xiàn)象出現(xiàn)。然后測試各器件的電源，接地及一些電平應該固定的端口的電壓。測試的結(jié)果為：各器件電源端在4.3V～4.8V之間滿足器件的電源電壓要求，單片機端口在未接負載時端口電壓為4.5V。5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試方法由于已經(jīng)進行了硬件調(diào)試，所以軟件調(diào)試主要是軟件編譯和將各功能塊程序分別寫入以驗證其功能的可實現(xiàn)性。在進行功能調(diào)試前必須用KEILC對所有程序進行編譯，編譯成功生產(chǎn)可執(zhí)行的.hex后方可進行功能測試。5.3系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試及結(jié)果經(jīng)過硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，排除了硬件的連接問題和驗證了串口功能的可實現(xiàn)性。其余功能的軟件便可以在此基礎上調(diào)試驗證其功能的正確性。聯(lián)合調(diào)試的具體方法如下：（1）編寫一個逐點掃描的顯示程序，再結(jié)合硬件電路運行。這樣做的目的在于檢測各器件是否能夠正常運行和顯示屏的各個LED燈是否有損壞。結(jié)果顯示顯示屏中只有邊角出有一個LED燈被燒壞，其他器件邏輯功能運行正常。（2）將靜態(tài)顯示子程序與各種動態(tài)顯示程序結(jié)合硬件電路進行調(diào)試。系統(tǒng)運行時顯示如圖5-1所示，顯示圖像比較清晰，各動態(tài)顯示效果也能夠?qū)崿F(xiàn)。但顯示存在兩個問題。一是發(fā)光點的下方會出現(xiàn)一個很微弱的亮點，影響了整體的顯示效果。二是同一列的LED燈被點亮的數(shù)量與其亮度出反比，即如果同一列的燈都被點亮則亮度比只點亮幾個時要暗一點。（3）將串口通信，顯示，硬件聯(lián)合調(diào)試。按照設定的通信協(xié)議，先由PC機向單片機發(fā)送起始控制字s，接著再發(fā)送32比特的顯示數(shù)據(jù)，最后發(fā)送控制顯示方式的顯示控制字。再發(fā)送不同的顯示數(shù)據(jù)和顯示控制字，觀察各種顯示方式的運行情況和各種顯示方式之間的切換情況。結(jié)果是顯示屏執(zhí)行顯示控制指令，顯示所發(fā)送的內(nèi)容。6結(jié)論經(jīng)過一段時間的工作，終于完成了基于51單片機的LED顯示系統(tǒng)的設計，項目所要求的功能全部達到。通過這次設計收獲頗多，不僅是所作題目涉及到的軟硬件知識還有更為重要的實際經(jīng)驗和過程中所發(fā)現(xiàn)的問題。接手題目之后從互聯(lián)網(wǎng)上對LED進行了詳細的資料收集，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的兩方面對LED進行了了解。通過了解我認識到LED是一門當今應用非常廣泛的技術(shù)，整個產(chǎn)業(yè)每年都會有巨大的產(chǎn)值而且技術(shù)還在不斷發(fā)展和創(chuàng)新[20]。從設計之初就確定了參照大屏幕顯示屏的實現(xiàn)方法和實際情況設計一款小屏幕的LED點陣顯示屏。在查閱了大量的大屏幕顯示屏資料后確定了題目的設計方案。整個設計采用AT89S51做核心控制器，74LS164和74LS373組成譯碼電路，三極管8550和ULN2803做行和列驅(qū)動。在實現(xiàn)這一設計的過程中所遇到的問題和困難給我留下了寶貴的經(jīng)驗和深刻教訓。這些經(jīng)驗和教訓是：（1）設計之前應該進行大量的資料收集和分析，確定一個清晰的設計思路；（2）器件選擇時要詳細閱讀器件使用手冊，不但要考慮器件的功能實現(xiàn)還要考慮器件在整個系統(tǒng)中的兼容性；（3）硬件的系統(tǒng)的建立必須合理和穩(wěn)定，實物建立之前最好進行仿真這樣才能為軟件提供一個可靠的試驗平臺；（4）軟件的編寫不但要實現(xiàn)功能還要不斷的優(yōu)化、簡練、易讀。隨著課題的進行，對LED的了解也越來越深入。認為LED技術(shù)也會進一步發(fā)展，LED應用將會更加廣泛?？梢栽O想利用LED的高穩(wěn)定性和低能耗，再與無線通信技術(shù)相結(jié)合在沙漠深處或者人跡罕至的雪山之顛樹立一塊依靠太陽能充電，通過無線傳輸方式更改顯示內(nèi)容的信息板為登山者提供指示和天氣信息，為沙漠迷路的人指引方向。設計結(jié)束了，但學習還在繼續(xù)。我相信通過此次設計所得到的知識、心得、經(jīng)驗乃至感受都會讓我在以后的日子里受益匪淺。參考文獻[1]關(guān)積珍.《\o"LED顯示屏發(fā)展狀況及趨勢"LED.顯示屏發(fā)展狀況及趨勢》[J].世界電子元器件，2000,(02)：277-301.[2]關(guān)積珍,陸家和.《我國LED顯示屏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展及展望》.現(xiàn)代顯示，2004，(02)：34-37.[3]繆思恩.《LED大屏幕顯示電路設計》[J].電子技術(shù)應用，1996，(08)：56-77.[4]DaveJackson.《關(guān)于DSP芯片的問與答》.今日電子，1998，(12)：1-7.[5]盧彌堅.《主從分布式LED大屏幕顯示系統(tǒng)》[J].電腦與信息技術(shù)，1997，(04)：6-13.[6]高勝東，梁采，張宏富.《一種LED大屏幕顯示系統(tǒng)》[J].成都氣象學院學報，1998，(03)：108-120.[7]張全福.《匯編語言程序設計實驗教學改革與探索》.教學研究，2005，(06)：3-5.[8]文哲雄.《用單片機控制LED顯示屏》[D].佛山：佛山科學技術(shù)學院，1995.[9]彭寧，只佩華.《單片機對LED大屏幕顯示的控制系統(tǒng)》[J].河北大學學報(自然科學版)，1993，13(3)：86-89.[10]陳玉華，王銘霞.《HYPERLINK"5/kns50/detail.aspx?filename=DLHS703.026&dbname=CJFD1997&filetitle=LED+%