基于单片机的LED广告屏设计

1、攵乏栏将峪曾等教育本科生毕业论文设计题目：基于单片机的LED广告屏设计学习中心：层次：专科起点本科专业：年级：年春/秋季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日内容摘要设计使用STC12C系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动96X16勺点阵LED显示屏。利用STC12C系列高速单片机本身强大的功能和内部E2PROM,可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进展显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性1。本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示六个16X16点阵汉字，并能通过上位机软

2、件修改显示内容和显示效果等等。采用IAP在应用可编程技术，把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储1024个字符。设计中采用了SPI接口的GB2312标准字库，支持所有的国标字符和ASCII标准字符的显示。因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。本文详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。关键词：单片机；点阵字库；动态显示；串行传输内容摘要I绪论1 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 课题的背景及意义1 HYPERLINK l

3、 bookmark9 o Current Document 国内外开展现状1国外LED广告屏开展现状1我国LED广告屏开展现状2 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 本文的主要内容3 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 系统整体方案设计4 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 设计要求4方案设计4硬件系统设计5系统芯片介绍5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 硬件电路设计9单片机电路设计9扩展电路和输入/

4、输出通道设计9控制面板设计12 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 软件程序设计14 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 系统控制流程图14 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 控制程序的设计15结论19参考文献20附录21wordzl.绪论课题的背景及意义随着社会文化的不断开展，广告牌扮演着越来越重要的宣传角色，不管是汽车站，火车站，股市交易市场，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不管是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求

5、，传统的霓虹灯广告亟待改良2。现在的LED电子显示屏所显内容信息量大，外形美观大方，操作使用方便灵活，该工程广泛涉及了计算机及电子技术中的电源技术、单片机技术、数据通讯技术、显示技术、存储技术、系统软件技术、接口及驱动等技术。由于单片机技术的不断开展和高亮度LED发光管的出现,使得大屏幕高亮度电子广告屏成为可能。与传统的显示设备相比，LED显示设备具有明显的优势：LED屏色彩丰富，显示方式变化多样、亮度高；LED屏可以随意修改显示内容；LED显示屏可用来与计算机屏幕同步。另外，它以其超大画面、超宽视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，广泛应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。

6、我国经济开展迅猛，对信息传播有越来越高的要求可以相信，LED电子显示屏以其色彩鲜亮夺目、大的显示信息量、寿命长、耗电量小、重量轻、空间尺寸小、稳定性高、易于操作、安装和维护等特点，将在社会经济开展中扮演越来越重要的角色。国内外开展现状国外LED广告屏开展现状近几年，同国内LED大屏幕控制器相比，国外开展并不迅速，其LED大屏幕控制器所专用的IC在国内外一直受到关注。国外的LED大屏幕控制器制造商相继推出一些用于LED大屏幕控制器的专用IC驱动芯片，如TI公司推出的LED驱动器等，而在国内的中庆数字设备XX在1997年也推出了LED驱动专用集成电路ZQ97013。这类芯片比通用的集成度高，使设计

7、简洁方便，功能上也有所提高，不过本钱上也相应增加。国外的制造商纷纷投入力量，研制开发设计适合自己开展的LED大屏幕控制器产品。其内部的驱动国外在90年代便有使用。正是由于国内市场开展的迅速，国外的同类产品在中国根本没有市场。正是由于LED大屏幕控制器行业的竞争越来越剧烈。其局部国外知名企业为提高其产品在奥运会，世博会和未来中国市场的竞争力，正在实施本地化的策略，独资或合资在国内建立研发，生产基地。在未来三五年中，会形成几家主导国内市场，与国际接轨的颇具实力的企业。竞争将使国内LED大屏幕控制器产业逐步趋于成熟和相对稳定，规模化，品牌化将成为行业的趋势并成为未来竞争的主要手段。我国LED广告屏开

8、展现状我国的LED大屏幕控制器产业经过几年的开展，根本形成了一批具有一定规模的骨干企业，据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。全国从事LED大屏幕控制器的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币。1996，1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落，在国内市场上，国产LED大屏幕控制器的市场占有率近100%。四十三届世乒赛主会场XX体育中心，京九铁路，西客站，首都机场，浦东机场等，均由国内代表企业中标。我国LED大屏幕控制器产业在规模开展的同时，产品技术推陈出

9、新，一直保持比拟先进的水平。90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED大屏幕控制器，256级灰度视频控制技术，集群无线控制，多级群控技术等方面均有国内先进，到达国际水平的技术和产品出现；LED大屏幕控制器控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用4。LED大屏幕控制器产业培养形成了一批LED大屏幕控制器科技队伍，在全国LED大屏幕控制器行业的从业人数6000人中，科技人员有2800人，将近50%，LED大屏幕控制器行业正成为我国电子信息产业的重要组成局部，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。LED大屏幕控制器

10、的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：证券交易，金融信息显示；机场航班动态信息显示；港口，车站引导信息显示；体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息显示；邮政LED大屏幕控制器；广告媒体新产品。本文的主要内容本文研究的是基于单片机的温度控制系统设计。全文共分为五章，各章内容简介如下：第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外开展现状，介绍论文的主要内容；第二章详细讲述了LED广告屏的整体方案设计；第三章LED广告屏系统硬件电路设计；第四章LED广告屏系统软件电路设计；本文最后对全文进展总结，并指出了研究课题的未来开展方向。系统整体方案设计设计要求因本设计采用软件来实现滚屏，且

11、传输方式为串行方式。所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM7和高速8位单片机。ARM的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM内部的资源浪费严重，且本钱较高。因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC12C系列单片机。这几种单片机的处理速度均能到达IMIPS/MHz在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令，但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM7,时钟速度可到100MHz，但会浪费其内部丰富的资源而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。于是最正确选择为ST

12、C12C系列单片机，其最高时钟能到48MHz,且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为9元/片。大幅降低了产品本钱。除了根本要求外，本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。在传统的并行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，且每个显示单元的电路构造不同，PCB构造也不同，完全不符合模块化设计的要求。因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。不仅板间连接简单，更是降低了PCB布局及布线的难度。每个显示单元的PCB都是完全一样的，便于量产。2.2方案设计通过前面对各种方案的比拟与分析，初步

13、构建硬件系统框图如图2.1xt1地移位期存图3位拄制总救715虚扑SPI中央微控制一器5TC高速荐广机F圳条加硬件柩图1KB EEPROMCS3!汉ASCH 西卡与* 一图2.1LED显示屏硬件框图在图2.1中，X0、X1Xn为显示单元。每个显示单元由一个16X16点阵的LED模块和一个16位宽的移位锁存器用行一并行转换器构成。所有显示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。而每个显示单元的列数据那么由16位移位锁存器并行输出口提供。中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。MCU用通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁

14、存器移位锁存器之间的单向通信。MCU通过内部集成的SPI接口和字库芯片进展双向通信。PC机的RS-232C电平经过转换后，通过UART接口与MCU进展双向通信。电源那么为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。3硬件系统设计3.1系统芯片介绍1、STC12C5412ADSTC12C5412AD弓|脚配置图如图3.1所示n二 -.:?!- -I 口受口 夏！1 2 n 一.2-J 二 n_TiD. P3. 1 ?O. 0WRL? 工 TALIIV70. 73. 2P0 1lUb ?J, 3EC. ?3. 1PIMlFCAl/CBKL/tl/F3. 5力z -二K MO292827PLCC-321二

15、/1021口工士出口士Fl+ 1/ADC1Pl.7 StLK,7DCTPl. K/MOSI/ADCaF6 3Pi. I/SS . ADC !PL 31MDCS阳2十 mitaxwd/audJ-IICEUUTIF-mMu L Ed/OXTQ/OVTH/CWW . J V图3.1STC12C5412AD5I脚图根据方案论证的结果，本设计采用STC12C系歹1的STC12C5412AD作为主控芯片。STC单片机是XX宏晶科技的IC产品。STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机一样。对于STC12C5412AD主要特性见表3.1。表3.1STC12C系列单片机主要

16、特性STC单片机与8051单片机的性能比拟高速：一个时钟/机器周期，增强型51内核，平均速度可到达IMIPS/MHz宽电压：5.53.8V宽温限：-40C85c高抗静电：ESD保护，轻松过4KV快速脉冲干扰EFT测试低功耗：有空闲模式工作电流小于1.3mA，掉电模式可由外部中断唤醒，工作电流小于0.1uA，正常模式工作电流2.77mA工作频率：可从0U48MHz,相当于传统8051主频0576MHz时钟：可选择外部晶体或内部RC振荡器STC12C5412AD单片机的内部资源12K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上512字节片内RAM数据存储器12K字节片内E2PROM512字节

17、7扇区ISP/IAP,在系统口编程，在应用口编程，无须专用编程10位ADC,8通道4通道捕状/比拟单元PWM/PCA/CCU2个硬件16位定时/计数器硬件看门狗WDT高速同步串行通信接口SPI,全双工异步用行口UART32个通用存放器，硬件乘/除法器27DIP28,SOP28有23个个通用I/O口，可设置成弱上拉准双向口、强上拉推挽输出、高阻输入、开漏输出，四种模式。每个I/O口的驱动能力均能到达土20mA,但整个芯片最大不得超感mA对于单色动态条幅屏的应用需要，STC12C5412AD单片机有以下突出的优点:1较高的处理速度和时钟频率，能轻松的实现条屏的各种移动算法。2有SPI和UART两个

18、串行口，能实现与字库芯片或PC机之间的数据交3有内部E2PROM,可用于掉电存放条屏的各种设置参数、汉字内码等数据。4ISP/IAP功能，使芯片可以不脱板下载程序，便于产品的软件升级。5内部看门狗，使条屏可以工作在恶虐的电磁环境下。6宽电压X围，条屏的负载端电压的波动不会影响其正常运行。7丰富的I/O口，可以代替LED行扫描用的行选通译码器，降低本钱。2、字库芯片GT21L32S4W1。本设计所选用的字库芯片GT21L32S4W1,是集通数码科技的产品。GT21L32S4W1是一款支持GB2312字符集6763字的11X12、15X16、24X24、32X32点阵字库芯片GT21L32S4W1

19、的弓I脚配置图如表3.2所示。表3.2字库芯片GT21L32S4W1的管脚定义管脚号管脚名称数据流向管脚功能描述1CS#I片选输入2SOO用行数据输出3GND地4GND地5SII用行数据输入6SCLKI串行时钟输入7HOLD#I总线挂起8VCC_+3.3V电源_CS#匚1OBVCCSO匚27口HOLM由口匚36SCLK川口匚45SISOPB3、串行通信芯片MAX232在本系统中，PC机与单片机之间的通信是近距离的串行通信，可以采用由XX仪器公司TI推出的一款兼容RS232s准的芯片5。由于电脑串口rs232t平是-10v+10v,而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5v,max23

20、2l勺其弓I脚图如图3.2所示M磁0 AM建融 肝比工W4国业词GNDmrtuiE干w回AitjUlm|T1h;d|rziiiQ检U1图3.4MAX232引脚图4、电源芯片LM1117-3.3图3.5中，右上角虚线框内为3.3V稳压电路。采用的是LDO低压差线性三端稳压器件LM1117-3.3或与之性能完全一样的REG1117-3.3,外围的电容起到滤波和高频旁路作用，能有效地降低电压纹涉及防止稳压芯片的高频自激5oLM1117-3.3是一款性能优良的3.3VLDO,它在800mA输出的时候，只需要FJlMtCSDT-2231.2V的输入输出压差。效率较高，常用于MCU,MPU,ARM等对电源

21、电压要求较为严格的场合。LM1117-3.3的封装及引脚如图3.5所示。图3.5LM1117引脚排列及封装3.2硬件电路设计单片机电路设计根据本条屏的实际运用要求，参考STC单片机官方数据手册上的应用指南,设计单片机系统电路如图3.6所示。MCU外部时钟电路：复位 ；电路+5V DC ：VGG+57 ；axH lupLA104VCCCKOUT GHD4000CMHz有源晶振 1104100u10KF27 PMP25F24F23P22P21P20f击EEEE PQg 6ddiP-d 口 dd P022 3 4 5一一 QJX1J 11 11 - ,YY.FY. Y 1YPD3STC12C?412

22、.AD poiLi RICUXTAUR5TVCC Oizco b sg、f-I HI 1-8 I 101 I 11 1liQi 口 口 a. p4 09101aMCLK -MOSI dAT CLK OM单片机电源滤波及退耦电路；单片机X网络图3.6单片机系统电路在图3.6中，有源晶振为单片机提供40MHz,0-5V幅度的高精度时钟。其时钟的频率精度可以到达10-7级别，频率的稳定性可以到达10ppm/C。根据STC单片机数据手册约定，外部有源时钟应从XTAL1脚输入，XTAL2必须保持浮空。图中1uF的电解电容和10KQ的电阻构成微分电路，在系统上电的瞬间，为单片机RESET脚提供约2mS的高

23、电平脉冲，使单片机上电后立即可靠复位。图中的100uF电解电容和两个0.1uF独石电容，为单片机的供电电源进展滤波和高频旁路，滤除MCU及有源晶振对电源系统造成的高频脉动成分，提高系统的稳定性，降低对外电磁辐射。旁路电容采用独石电容，具优点是高频特性优良。在高频电流通过的时候，独石电容介质上的损耗小，因而对高频成分的容抗较小，旁路效果优于电解电容，金属膜纸介电容，瓷片电容等。而且独石电容的耐压较高，在高电压脉冲下不易击穿。扩展电路和输入/输出通道设计1、字库芯片与单片机的接口设计参考GT21L32S4W1官方提供的应用指南，结合本系统的具体要求，设计GT21L32S4W1与单片机的接口电路如图

24、3.7所示。3JV二端稳压电图Tr-fliJCiu.8)=0 xA1&(charctor8)8)-0 xA1)*94+(charctor&0 xff)-0 xA1)*32+0 x2C9Delseif(charctor8)=0 xB0&(charctor8)8)-0 xB0)*94+(charctor&0 xff)-0 xA1)+846)*32+0 x2C9D0;4、片上E2PROM的空间分配STC12C系列单片机是采用IAP(在应用可编程)技术，把内部除了程序占用空间以外的Flash存储区当作E2PROM使用。因此E2PROM在Flash物理空间中的地址应由程序代码的大小决定本设计的单片机代码

25、量为5.2K字节。仅占用整个Flash空间的前11个扇区每扇区512字节，因此从第12扇区到第24扇区共6K字节的Flash空间可做E2PROM使用。考虑到以后对程序的修改、显示功能的完善等。给程序预留9.5K字节的空间。仅使用第20扇区到第24扇区共2.5K字节Flash作为E2PROM使用。在E2PROM中，第20扇区保存了上位机对下位机的各项设置常数，第21扇区到第24扇区那么保存着待显示汉字的GB2312标准内码。本设计中，对E2PROM的空间规划如图4.3所示:应用程序区(AF区)第1扇区百 O 匕第23扇N笫24扇区第21扇口笫区第19扁区B2S03H定格时间第22扇区 告2600

26、H显示模式2601H刷新率26O2H左移动速度2604H显示背景2&05H字符数目 高位2806H字符数目 低位26 0 TH上电模式双宇内封存储区图4.3单片机内部E2PROM空间规划5、单片机与PC机间的通信协议一个最完整的通信系统至少是由通信链路和通信协议两局部组成。本设计使用的链路是符合EIA美国电子工业协会标准的RS-232C链路协议。本设计制定上位机往下位机发送命令/数据流的帧格式如图4.4示。IBIBIBIBIBIBIBIB1B叫，提手字同步头显示模式刷新率左移博格时间显示背景宇粒数高位内码OyMOJAOxSF图4.4数据流的帧格式根据图4.4的帧格式，制定通信协议如下：1下位机不断检测收到的数据，假设检测到握手字0 xA0那么执行II,否那么重复I2继续承受1字节数据，假设为同步头0 xFA那么执行III,否那么跳转至I3下位机连续承受7字节的设置数据，并返回各字节数据的反码4上位机不断检测下位机发出的取反校验