简易电子广告屏设计.doc

简易电子广告屏的设计毕剑龙（德州学院物理与电子信息学院，山东德州253023）摘 要 本设计是基于单片机(AT89C51)为核心部件的室内用的1616LED电子广告屏的点阵显示。主要介绍了LED汉字显示屏的硬件电路、程序设计等方面的内容，以74HC595作为列驱动器，以三极管8550作为行驱动器，LED七段数码管作为字模显示用。本显示屏的设计具有体积小、硬件少、电路结构简单及易实现等优点，能帮助我们了解和认识汉字的点阵显示原理，单片机的基本结构、工作原理及应用方法，并提高对单片机知识技术的应用。关键词 LED显示屏； 行驱动器； 列驱动器1 绪论1.1电子广告屏的发展LED（Light Emitting Diode），发光二极管，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。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，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。由于其像素单元是主动发光的，具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、视角广、工作电压低、功耗小、使用寿命长等优点，因而被广泛应用于车站、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。随着近些年来科技的飞速发展，单片机的应用不断深入，以单片机为核心部件的控制系统也是多种多样。利用功能越来越丰富的单片机和操控越来越简单的外部设备，可以实现点阵电子显示屏更加丰富的功能。它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。1.2电子广告屏的应用随着生活水平的提高，时代的不断进步，LED行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。随着信息产业的高速发展，LED显示作为信息传播的一种重要手段，且具有众多优势，在市场中得到了广泛的应用，主要应用领域有： 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； 显示应用，主要包括指示牌、广告牌、大屏幕显示；照明应用，主要有便携灯具，汽车用灯，特殊照明；背光照明，应用于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显示器背光源以及投影仪用RGB光源。显然，LED显示已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。 本次研究课题主要以16x16点阵为例，讲述汉字的点阵显示原理，单片机的基本结构、工作原理及应用方法。2 系统总体设计方案2.1 方案设计原理 LED阵显示器是由一串发光或不发光的点状显示器按矩阵的方式排列组成的，其发光体是LED发光二极管。只要让某些LED点亮，就可组成数字、字母、图形、汉字等。LED驱动显示采用动态扫描方法，动态扫描方式是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。以1616点阵为例，把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第1行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第2行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；第16行之后，又重新燃亮第1行，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，就能看到显示屏上稳定的图形。2. 2 系统框图显示屏电路实现的结构框图如图2.1所示。单片机电源行驱动器 列驱动器LED显 示点 阵图2.1 显示屏电路框图3 系统硬件设计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三部分。3.1 控制器部分1.单片机AT89C51的简介 AT89C51是MCS-51系列单片机的典型产品，它是一种带4KB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能的CMOS 8位微处理器。AT89C51单片机包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，内部结构见图3.1所示。时钟电路ROM并行接口定时器RAMCPU串行接口中断系统P1 P2 P3 P4TXD RXDINTO INT1T0 T1图3.1 AT89C51单片机内部结构示意图各部分说明如下：（1）中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器。能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。由运算器和控制器构成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）（2）数据存储器(RAM) 片内为128B，片外最多可外扩为64KB。片内128B的RAM以高速RAM的形式集成在单片机内，加快单片机运行速度，降低了功耗。(3) 程序存储器(ROM)它用来存储程序。89C51片内集成有4KB的Flash存储器，如果片内程序存储器容量不够，片外最多可外扩程序存储器至64KB。(4) 定时/计数器：AT89C51有两个16位定时器/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。定时器/计数器T0由特殊功能寄存器TH0、TL0构成，定时器/计数器T1由特殊功能寄存器TH1、TL1构成。两个定时器/计数器都具有定时器和计数器两种工作模式，4种工作方式（方式0、方式1、方式2、方式3）。特殊功能寄存器TMOD用于选择定时器/计数器T0、T1的工作模式和工作方式。特殊功能寄存器TCON用于控制T0、T1的启动和停止计数，同时包含了T0、T1的状态。(5) 并行输入输出(I/O)口：AT89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。(6) 中断系统AT89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。2. AT89C51的主要特性与MCS-51兼容4KB可编程闪烁只读存储器寿命:1000次写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：024Hz三级程序存储器锁定128 X 8位定时/计数器32位可编程I/O线两个16位定时/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3AT89C51单片机系统及外围电路 AT89C51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的。 AT89C51有40条引脚,与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分。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断电模式。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。在断电模式下，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。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据，P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5P1.7口则用来发送控制信号。P0口和P2口空着，在有必要的时候可以扩展系统的ROM和RAM。 图3.2 AT89C51最小相位系统及其结构图各引脚功能如下：(1) 电源 VCC 供电电压 GND 接地(2) 时钟电路引脚: XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。(3) 控制线1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。2) PSEN:外ROM读选通信号，低电平有效。3) RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：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。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。4） EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：当EA保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000HFFFFH），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，则在此访问外部存储器。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加12V编程电源Vpp。（4） I/O线89C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P0口（P0.0P0.7）：漏极开路的8位准双向口，每脚可吸收8个TTL门电流。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8位。在flash存储器编程时，P0口作为原码输入口，当flash存储器进行检验时，P0口输出原码，此时P0口外部被拉高。P1口（P1.0P1.7）：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。在flash存储器编程和检验时，P1口作为第8位地址接收。P2口（P2.0P2.7）：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，P2口输出地址的高8位。在flash存储器编程和检验时接收高8位地址信号和控制信号。P3口（P3.0P3.7）：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，可接收输出4个TTL门电流。P3口除了作为一般的I/O口使用之外，每个引脚都具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） （5） P3口第二功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 INT0 外部中断0（低电平有效）P3.3 INT1 外部中断1（低电平有效）P3.4 T0 定时计数器0P3.5 T1 定时计数器1P3.6 WR 外部数据存储器写选通（低电平有效）P3.7 RD 外部数据存储器读选通（低电平有效）3.2列驱动器部分列驱动电路由集成电路74HC595构成，硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路。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各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。1. 74HC595的引脚图及功能图3.4 74HC595引脚结构图74HC595的外形及内部结构如图3.4所示，它是带锁存功能的传入并出的移位寄存器，为三态输出，引脚功能如下表3-1所示：符号引脚描述QAQH17并行数据输出GND8地QH19串行数据输出,芯片级联信号SRCLR10主复位（低电平）SRCLK11移位寄存器时钟，上升沿有效RCLK12锁存寄存器时钟输入，上升沿有效CE13输出使能，低电平有效SER14串行数据输入VCC16电源表 3-1 引脚功能2. 74HC595原理图及用途74HC595原理图如图3.5示。图3.5 74HC595原理图将2片74HC595 进行级联，可共用一个移位时钟SCK及数据锁存信号RCK。这样，当第一行需要显示的数据经过8x8=64个SCK时钟后便可将其全部移入74HC595中，此时还将产生一个数据锁存信号RCK将数据锁存在74HC595中，并在使能信号CE的作用下，使串入数据并行输出，从而使与各输出位对应的驱动管处于放大或截止状态；同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高，显然，第一行LED管的亮灭就取决于74HC595中的锁存信号；此外，在第一行LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭进而接通第二行，使第二行LED管点亮，以此类推，当第四行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像。3.3行驱动器部分由于4点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它的结构如图3-4所示。图3-4 74LS154结构图单片机P1口低4位输出的行号经一个线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20 mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320 mA电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。图3-5 为系统的行驱动电路。图3-5 行驱动电路图4 系统程序的设计显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示文字、图像或其他信息。根据软件分层次设计的原理，可把显示屏的软件系统分成两大层：第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作，显示驱动程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置(初始化)、显示效果处理等工作，由主程序来实现。4.1 显示驱动程序 显示驱动程序在进人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，116扫描显示屏的刷新率(帧频)计算公式如下：刷新率(帧频)=1/16T0溢出率 =1/16fosc/12(65536to) 其中fosc为晶振频率，to为定时器T0初值(工作在16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，并通过串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4.1为显示驱动程序流程图：进入中断定时器赋初值切换显示数据读取行号并增1送新行号、打开显示送新行显示数据消隐退出中断图. 显示驱动程序流程图4.2 显示主程序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；然后以黑屏效果显示，停留约3 s；接着向上滚动显示汉字，停留约1.5 s；再向上滚动显示汉字。由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断地循环执行上述显示效果。图4.2是系统主程序的流程图:开始向上滚动定时器初始化向上滚动向上滚动串口初始化黑屏初始化图4.3 系统主程序的流程图4.3 扫描程序1毫秒刷新一次，每次显示1毫秒开 始关行显示重装定时器初值查 表左边字节偏址加1判断8行是否扫描完右边字节偏址加1开显示修改显示行地址开定时器查 表送串口显示串口寄存器设置标志位置1送串口显示判断下一行显示判断是否显示16行NY00H标志位置中断返回帧扫描完，关扫描结束4.4 汉字显示原理我们以中文宋体字库为例，每一个字由16行16列的点阵组成显示。即国标汉字库中的每一个字均由256点阵来表示。我们可以把每一个点理解为一个像素，而把每一个字的字形理解为一幅图像。事实上这个汉字屏不仅可以显示汉字， 也可以显示在256像素范围内的任何图形。5 系统的理论性能分析LED显示屏硬件电路只要硬件质量好，引脚焊接正确，调试准确后即可正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定。从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。这个方案设计的1616的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏，显示屏各点亮度均匀、充足，显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。6 总结本设计是基于单片机(AT89C51)为核心部件的室内用的1616LED电子广告屏的点阵显示,主要介绍了LED汉字显示屏的硬件电路设计、软件设计等方面的内容，以74HC595作为列驱动器，以三极管8550作为行驱动器，LED七段数码管作为字模显示用。该系统可以实现文字或图像的显示，结果证明，显示屏的各点亮度均匀，文字或图形显示稳定，而且本次设计具有体积小、硬件少、电路结构简单及易实现等优点，对于各种领域的应用具有积极作用。由于时间紧促和自己能力有限，此系统可能存在一些有待探讨和改善的地方。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析的锻炼，同时使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程等方面有了很大的提高，为日后的发展打下了良好的基础。参考文献1 周国雄，晏密英.单片机应用系统设计精讲.北京：中国铁道出版社,2011：80.2 刘坤,郑锋等.51单片机应用系统典型模块开发大全.北京：中国铁道出版社，2011: 500.3 胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社,2004:49-70.4 邱丽芳，彭志刚.单片机原理与应用. 北京:人民邮电出版社,2009:5-8.5 郭天祥.单片机C语言教程.北京：电子工业出版社,2012:10-20.6 张振荣，晋明武等.MCS-51单片机原理及应用技术.北京：人民邮电出版社,2000:64.7 童诗白.华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社,2006:38 陈丽.浅谈简易LED电子广告牌的设计.江苏射阳中等专业学校,2011.9 靳桅.基于51系列单片机的LED显示屏开发技术.北京：北京航天航空大学出版社,2009：12-5110 李仁青.点阵式LED电子显示屏的制作.电子制作,2002：26-41.11 王莹.LED产业的发展概况.电子世界产品,2009(10):14-21.12 刘曙光.LED电子显示屏真彩实现技术.现代电子技术,2001:2-8.13 Nigel Piercy.Market-led Strategic Change.Butterworth-Heinemann,2002：11-35.14 Steve Winder.Power Supplies for LED Driving.Newnes,2008:26-41.15 Jacob Millman.Electronics.McGraw-Hill Pub.Co,1999:4-21.Design of simple electronic advertising screenBi Jianlong(College of Physics and Electronic Information, Dezhou University, Dezhou,253023)Abstract This design is based on single chip microcomputer (AT89C51) as the core component of indoor use 16X16 led electronic screen dot matrix display of advertising design. Mainly introduces the LED display the contents of the program design of hardware circuit, column driver by a 74 HC595 are needed, in a triode 8550 as a line drive, LED seven-segment digital tube as the font display.This display design with small volume less hardware circuit structure is simple and easy to implement, etc, this can help us to understand and recognize Chinese characters dot matrix display principle. the basic structure of single-chip microcomputer working principle and application method, and the application of the knowledge of single chip microcomputer technology.Keywords LED panel； Row driver； Column driver致谢本次论文设计是在我的指导老师曹东燕老师的悉心指导下完成的，在论文完成之际，我要真诚的感谢曹老师对我的鼓励和不懈的支持，在设计的过程中，曹老师在各个方面都给了我无致的教诲和无限的帮助，特别是她严谨的治学态度、深厚的学术素养使我受益匪浅，在此表示我深深的谢意。其次，感谢物理系所有的老师，感谢他们在这四年里对我的关心和悉心栽培，使我掌握了很多知识和各方面的技能，此外，还要感谢在论文设计的过程中同学们对我无言的帮助。最后，感谢我的母校德州学院四年来对的培养和无限的帮助。再次表示衷心的感谢：谢谢您们！ 附 录附录1 程序（1）显示驱动程序：#include reg52.h#define BLKN 8 /列锁存器数(=LED显示字数*2)#define TOTAL 20 /待显示字个数,本例共20个#define CONIO P1 /显示控制口sbit G=CONIO7; /CONIO.7为154译码器显示允许控制信号端口,0时输出,1时输出全为高阻态.unsigned char idata dispram(BLKN/2)*32=0; /显示区缓存,四字共4*32单元/*显示屏扫描（定时器T0中断）函数*/void leddisplay(void) interrupt 1 using 1register unsigned char m, n=BLKN;TH0 = 0xFc; /设定显示屏刷新率每秒62.5帧(16毫秒每帧)TL0 = 0x18;m = CONIO; /读取当前显示的行号m = +m & 0x0f; /行号加1，屏蔽高4位do n-; SBUF = dispramm*2+(n/2)*30 + n; /送显示数据 while (!TI); TI = 0; while (n); /完成一行数据的发送G = 1; /消隐（关闭显示）CONIO &= 0xf0; /行号端口清CLK=1; /显示数据打入输出锁存器CONIO |= m; /写入行号CLK=0; /锁存显示数据G = 0; /打开显示（2）显示主程序START: MOV 20H,#00H ;清标志,00H为第16行开始扫描标志,01为1帧扫描结束标志 MOV A,#0FFH ;端口初始化 MOV P1,A MOV P2,A MOV P3,A MOV P0,A CLR P1.6 ;串行寄存器打入输出端控制位 MOV TMOD,#01H ;使用T0作16位定时器,行扫描用。 MOV TH0,#0FCH ;1ms初值(12MHZ) MOV TL0,#18H MOV SCON,#00H ;串口0方式传送显示字节 MOV IE,#82H ;T0中断允许,总中断允许 MOV SP,#70HMAIN: LCALL DIS1 ;显示准备，黑屏，3.0秒 MOV DPTR,#TAB LCALL MOVDISP ;向上滚动显示一页(4个字) INC DPH LCALL MOVDISP ;向上滚动显示一页(4个字) INC DPH LCALL MOVDISP ;向上滚动显示一页(4个字) AJMP MAIN（3）扫描程序 INTT0: PUSH ACC MOV TH0,#0FCH ;1ms初值重装 MOV TL0,#18H JBC 00H,GOEND ;16行扫描标志为1，结束 INC R1 ;取行右边字节偏址 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR ;查表 MOV SBUF,A ;串口0方式发送WAIT: JBC TI,GO ;等待发送完毕 AJMP WAIT ;GO: DEC R1 ;取行左边字节偏址 MOV A,R1 MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,AWAIT1: JBC TI,GO1 AJMP WAIT1GO1: SETB P1.7 ;关行显示，准备刷新 NOP ;串口寄存器数据稳定 SETB P1.6 ;产生上升沿，行数据打入输出端 NOP ; NOP ; CLR P1.6 ;恢复低电平 MOV A,R2 ;修改显示行地址 ORL A,#0F0H ;修改显示行地址 MOV R2,A ;修改显示行地址 MOV A,P1 ;修改显示行地址 ORL A,#0FH ;修改显示行地址 AN