LED显示屏毕业论文.doc

沧州职业技术学院毕业论文第一章绪论led大约是在80年代中期开始在电子显示屏中使用的。进入90年代以后，由于半导体工业的迅猛发展，带动了led制造材料和工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃。早期的led显示屏，由于受材料和工艺的限制，视角仅有200一300左右，从而制约了led显示屏的发展。在分辨率方而，由于受当时数字技术、集成电路技术和控制技术等技术的限制，很难作出高密度的led显示屏。今后随着半导体工业的不断发展，无论是材料，还是加工工艺，都会不断地提高，led显示屏在颜色、视角、亮度、密度、寿命等方面也会逐步完善，价格也会进一步降低。发光二极管(led)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由pn结芯片、电极和光学系统构成。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在pn结上加以正向电压之后，p区的空穴注入至n区，n区的电子注入至p区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以满足不同使用场合的要求。led 显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显示屏。一般把显示图形或文字的led显示屏称为图文屏。图文显示屏的主要特征是只控制led点阵中各发光器件的通断，而不控制led的发光强弱。近年来，随着高亮度发光二极管技术的发展，led显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的led显示屏技术条件也于1998年正式颁布实施。1995年至今，led显示屏应用领域更为广阔。全彩色led显示屏、256级灰度视频控制技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。led显示屏控制专用大规模集成电路已由国内企业开发生产并得到利用。我国led显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。led显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分。2 1第二章 led电子显示屏的介绍2.1 led显示屏简介led电子显示屏是由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的led像素点。led显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术屏幕同步的产品。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，被应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以满足不同使用场合的要求。led 显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显示屏。一般把显示图形或文字的led显示屏称为图文屏。图文显示屏的主要特征是只控制led点阵中各发光器件的通断，而不控制led的发光强弱。led图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条屏，也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。条与平面显示屏在显示与控制的原理上并无区别。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。2.2 led显示屏的特点随着科学技术的发展以及制造工艺的进步，led显示屏也在不断的进步和完善，高新技术使led显示系统与以前相比有了更为优异的性能。当前的led显示系统主要有以下特点：1.在局部设计上采用模块化电路设计按功能分成不同的模块，每个模块之间只需要极少的联系，极大的提高了系统的稳定性、可靠性。调试、维护难度大大降低。2.先进的分布式扫描技术显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。每个单元间的信号采用信号锁存技术进行同步控制，显示的稳定性大大增强。3.可视性好采用高性能led驱动芯片构成的显示屏具有高亮度、色彩鲜艳、视角大，寿命长(不少于50,000小时)，稳定性高，响应速度快等特点。2.3 led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颜色。 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。 3、按使用场合分类 ：室内显示屏：发光点较小，一般3mm-8mm，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。 4、按发光点直径分类:室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、25mm、31.25mm、36mm室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。第三章led显示屏的组成3.1 led显示模块结构 发光二极管(led)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由pn结芯片、电极和光学系统构成。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在pn结上加以正向电压之后，p区的空穴注入至n区，n区的电子注入至p区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。led显示屏通常由若干led点阵显示模块组成，用于显示的8x8单色led显示点阵模块，每块有64个led。为了减少引脚且便于封装，led显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示led 。 8x8 led点阵的外观及引脚如图1，等效电路图如图2所示。led点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行led。微处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个led点阵显示模块内每个led显示点的亮、熄灭控制操作。 图1图23.2 led显示系统的构成led显示屏主要包括发光二极管构成的点阵或像素阵列、驱动电路、控制系统和传输接口以及相应的应用软件构成，如图3所示。 图33.2.1 驱动电路 led显示屏驱动电路的主要作用是接受来自控制系统的数字信号，使led阵列按要求点亮。(1)从采用的器件来分有常规型、专用型及功能型:常规型驱动电路是采用通用的集成电路，如 74hc154,74hc595, 74ls374等作为数据装载的主要器件。这种设计，原理简单，价格便宜，且几乎不受器件来源的限制，是目前较为广泛的应用形式。专用型驱动电路，是国内一些有实力的led显示屏制造厂家，通过先进的技术手段，研究开发出的适合自己产品的专用led显示屏驱动ic。国外的许多ic制造商也在跟踪这个市场，纷纷推出一些新的驱动ic。这些专用型的驱动ic，有的比较简单，仅仅是提高了原来通用型驱动ic的集成度或驱动能力;有的则比较复杂，是根据自己的产品特点开发出来的。 功能型驱动集成电路是在专用型驱动ic的基础上发展起来的。它不仅可以使显示屏的功能增强，而且还大大简化了系统设计的复杂程度，提高了led显示屏的整体稳定性，是led显示屏驱动电路的发展趋势。(2)从实现信息刷新的原理上分，led显示屏驱动电路又分为扫描型及锁存型两种 ：扫描型是指显示屏4行、8行、16行等n行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行led 的点亮时间占总时间的 1/n，只要整屏的刷新速率大于50hz，利用人眼的视觉暂留效应，就可形成一幅完整的文字或画面。这种设计电路结构比较简单，使用元器件较少，成本较低，但由于是分时工作，使得每一行led的点亮时间减少，使led的亮度有所降低。这种驱动方式一般用于室内led显示屏。锁存型驱动是指显示屏上的每一个 led都对应于一个驱动电路，与扫描型不同，驱动寄存器无需时分工作，每个led的亮度占空比接近 100%。锁存型驱动如采用常规型的设计方法，则所用元器件较多，成本较高，如采用专用型或功能型ic设计，则成本将大幅度降低。一般室外led显示屏大多用锁存型驱动。3.2.2 控制系统控制系统负责接收、转换和处理各种外部信号，并以一定的规律和方式将信号传送到led显示屏上显示。控制系统是led显示屏中的一个至关重要的组成部分，它的性能以及所能实现的功能，也直接代表了显示屏产品的性能水平。 (1)从实现控制的方式来看，系统控制电路可分为集中式和分散式两种 :集中式控制系统是指led显示屏仅受一个控制系统指挥，各个显示单元具有共同的数据信号，外同步信号和特别控制时基信号。采用这种方式，需要处理的整屏信息量大，工作时时钟频率较高，控制系统的设计较复杂，但易于管理，系统可靠性高，成本低。分散式控制系统是指显示屏的每一个单元都有自己的控制系统，各显示单元仅有共同的数据信号和外同步信号，而没有共同的特别控制时基信号，采用这种方式，仅需处理一个单元的信息量，其信息量和工作时钟频率都比较低，控制系统的设计也很简单，控制电缆数据量少，控制距离可较大，同时在单元的生产过程中基本上完成了整屏的调试。其结构形式大多为半移动式结构，但采用这种方式时，元器件的成本较高。(2)从显示的实时性可分为同步显示及异步显示两种：同步显示方式是指led显示屏能同步显示计算机crt上的信息，可将led显示屏当作一个计算机的外接大显示器。异步显示方式常用于由单片机控制的显示系统中。在信息显示的实时性要求不高的情况下，单片机通过串口按一定的通讯协议接收来自计算机串口的信号，通过处理后，以一定的规律将数据送至显示屏显示。这类显示屏的功能比较单一，只适用于简单的文字及图形显示。(3)从显示的效果可分为无灰度级显示及多灰度级显示两类：无灰度级显示是指 led显示屏的每像素点都只有亮与不亮两种状态，且全屏点亮的刷新时间一样长。多灰度级显示是指led显示屏中每像素点的亮度是可控的如 16级灰度就是指每点的亮度从暗到亮可分为 16级。显然无灰度级显示屏只适用于显示文字或简单的图形，而多灰度级的显示屏就能显示丰富多彩的画面。3.2.3 显示类型led大屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种。静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为n*m个像素，则需要n*m套驱动电路;动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是p路复用，则每p个像素需一套驱动电路，n*m个像素仅需n*m/p套驱动电路。对动态扫描显示而言，p越大，所需驱动电路就越少，成本也就越低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。在实际使用的led大屏幕显示器中，很少采用静态驱动。led点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行led。处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个led点阵显示模块内每个led显示点的亮、熄灭控制操作。第四章 led显示屏的设计led点阵电子显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，如汽车报站器、广告屏以及公告牌等。4.1 led点阵显示屏驱动设计4.1.1 常规驱动电路的设计led显示屏的扫描驱动电路原理见图4所示。显然，在脉冲周期的t1期间，led处于发光状态，而在脉冲周期t2期间，led处于熄灭状态。 图4由于led发光管没有余辉效应，则当扫描周期t(t1+ t2)较大时，也即亮暗重复得不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁;而当重复频率较高，即t较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的led就为连续稳定的发光。理论 与实践证明，当t50hz，时，在常规的背景亮度下，led的显示就不会有闪烁感。根据这一原理，将led发光管排成阵列行式结构，称横线为行，纵线为列。如n行led共用一列数据，称其为i/n 扫描方式，或称1:n扫描。n常规取值有4, 8,16,32等。当n根行线中的某一行有效时(处于高电平)，则该行中的发光管亮暗全由对应的列线确定，列线为低电平，发光管就亮，列线为高电平，发光管灭。当n根行线分时工作且刷新速率足够高时，就能显示出一幅稳定完整的文字或图形。用74hc595作为列数据锁存器，用74hc 161作为行计数器，以74hc 164作为列译码驱动器，tip127作为行驱动管。其工作原理为:利用串行时钟clk信号，将第一行要显示的数据逐位移入74hc595中，当全行数据全部移到位后，产生的数据锁存信号str将数据由74hc595的后台移入前台锁存，同时利用str信号进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行pnp管饱和导通，即第一行的led 正端全部接为高电平，由于在74hc595中锁存的数据将使对应的列驱动三极管8050导通或截止，所以第一行led的亮暗将由所移入的数据确定，在第一行有效的时期内，移位时钟移入第二行要显示的数据，全部移入后，进行数据锁存并由计数译码电路产生第二行有效信号，显示第二行数据-一如此重复，当移位时钟足够高使整屏刷新速率50hz时，就可显示一幅稳定完整的画面。4.1.2 点阵显示屏显示串行方式可同时显示4个16l6点阵汉字或8个168点阵的汉字、字符或数字。点阵显示屏每个单元由16个88点阵led显示模块、行信号选择译码器74hc138、驱动器74hc245、数据移位寄存器74hc595和行驱动器组成。单元显示屏可以接收控制器(主控制电路板)或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。此方案为点阵显示屏系统中比较常用的，所用器件也比较常用，容易买到。但是它存在一个致命的缺点，就是刷新速度不够快。如果要驱动64列点阵显示，通用51单片机会比较吃力，出现比较严重的闪烁停滞现象。此外，要实现文字的左右移动和调整移动速度等功能，都会给软件设计带来较多困难。并行方式显示可以通过锁存器芯片来扩展i/o口，达到控制led点阵的64个列线的目的。运用16片锁存器74hc573来组成8组双缓冲寄存器，驱动led点阵的8组列线，用4/16译码器74hc595对led点阵的16行进行扫描。在送每一行的数据到led点阵前，先把数据分别送到第一级的8个74hc573，然后再给第二级的8个74hc573送锁脉冲，数据一起输出到led点阵列中，这样就避免了各行数据显示不同步问题。由于并行数据传输速度比串行快，所以字符闪烁的问题得到较好地解决，文字左右移动也比较容易控制。4.2 led显示屏的控制模式单机工作模式采用一个单片机控制实现所有功能，其中包括led点阵显示屏的刷新显示、模式设定、时间读取、温度检测，以及与上位机的通信等。只用一个单片机控制点阵显示屏可以使电路大大减化，软件设计方面也容易实现。但是，将所有功能集成在一起，一片at89c51单片机处理能力是不够的。此时，单片机的cpu内部资源已显不足，会导致系统功能欠佳，达不到较好的性能。主从工作模式采用主从单片机工作方式来控制整个系统。其中一个单片机用于控制led点阵显示，另外一个单片机用于扩展键盘、串口与上位机通信、温度测量、时间读取等工作。相对单机工作方式，主从工作模式的处理能力大大提高，并且分工明确，执行速度得到很大的提高。虽然硬件电路以及软件设计方面要求相对高了一些，更涉及到主从单片机通信问题。根据led显示屏驱动电路的工作原理，要使led显示屏同步显示pc机crt上的实时信息，所设计的控制系统应包括与pc机的接口电路设计、信号控制及信号转换电路及输出至led显示屏驱动电路的接口电路。输入接口电路的功能是如何获取crt的数据信号及与此相关的信号，如像素点时钟、行、场同步信号等。4.3 led显示屏的主控电路4.3.1系统主控电路系统主控器电路如图5所示，即为一单片机最小系统，外加扩展槽与一些功能电路，通过键盘扫描来确定工作模式以及完成相关操作。还包括了与上位机rs-232接口电路。其主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。图5电路主要将单片机发送来的输出点阵数据，通过锁存器芯片扩展的i/0口，来控制led点阵的64个列线端。4/16译码器74hc595对led点阵的16行进行扫描。驱动电路由集成电路74hc595构成，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。4.3.2驱动芯片驱动芯片主要是74hc595，74hc595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。 图674hc595各个引脚的功能：q1-7 是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口q7 串行输出口，其应该接spi总线的miso接口stcp 存储寄存器的时钟脉冲输入口shcp 移位寄存器的时钟脉冲输入口oe的非输出使能端mr的非 芯片复位端ds 串行数据输入端4.4 led显示屏的实现技术led电子显示屏最基本的显示部件为led管芯，根据人类视觉原理，可见的自然光是由红、绿、蓝三基色组成的。三种基色具有严格的波长，不同配比可组合成自然界各种各样的光。如白光配比的红、绿、蓝约为3: 6: 1。由红、绿、蓝三基色led管芯按光强进行配比可组成像素点，整个led电子显示屏就是由多个这样的像素点组成。在系统可编程技术中，用户自己设计的目标系统中或电路板上为重构逻辑器件编程或反复改写的能力。常规pld在使用中通常是先编程后装配，而采用isp技术的pld则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程。系统可编程技术的出现，从实践上实现了逻辑设计师们多年来梦寐以求的“硬件设计与修改软件化”的愿望。采用isp技术后，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可以随时加以修改或按预定的程序改变组态。这不仅扩展了器件的用途，缩短了系统调试周期，而且根除了对器件单独编程的环节，省却了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。isp技术在采用系统设计软件进行逻辑输入时，输入与所选器件无关。在输入之前可选择任何一种器件，甚至可以选择一种“虚拟器件”。在输入后，再根据仿真和适配的结果选择器件。这种器件改变了传统的数字系统设计方法采用可编程逻辑器件对器件进行设计，通过设计芯片来实现逻辑功能，这称为基于芯片的设计方法。新的设计方法增强了设计的灵活性，提高了工作效率，减少了芯片的数量，缩小了系统的体积，减低能源的消耗，提高了系统的性能指标和可靠性，尤其是在系统可编程技术(isp)的出现解决了可编程器件的编程问题，简化了器件的设计流程，极大地缩短了新产品的研制、开发周期、给样机的设计、电路板的调试、系统制造、升级带来了革命性的变化。第五章 led显示屏的应用随着集微电子技术，光电子技术，计算机技术，信息技术于一体的led显示屏在各行各业的广泛应用，对其研究逐渐成为一个重要的课题随着计算机技术，尤其是网络技术的发展，信息以各种文件格式保存，并以数据包的形式在网上传输。实际应用过程中若信息是以计算机文件的形式传送到led大屏幕或网络终端上显示，其间的控制是由控制软件通过微机或网络来实现的。本文通过分析 led显示屏的技术发展现状，根据实际应用需求，完整的设计了 led显示屏控制系统。并且，针对系统中的关键问题进行详细的分析和实现，同时在理论上对其做了系统的论述和说明。基本符合预期设想，并在实际中得到应用。我国大陆已经成为世界上重要的led封装生产基地，在封装和应用领域中国已经完全有可能、有能力在高端市场占据一席之地，但必须加大产品的创新、加强品牌的培育。目前全世界都在寻求解决经济发展和能源短缺的矛盾，给整个绿色照明生产行业带来广阔的市场前景与新的机遇。目前，led显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括 ：（1）证券交易、金融信息显示。 这一领域为led显示屏的主要需求行业。上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了led显示屏。 （2）机场航班动态信息显示。 首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机场都选用了国产的led显示屏产品。 （3）港口、车站旅客引导信息显示。 北京站、北京西站、南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。 其他领域还包括体育场馆信息显示；道路交通信息显示；调度指挥中心信息显示；邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示；广告媒体新产品等等。而且随着led技术的不断进步，新型发光管正逐步拓展着led显示屏的应用市场。总结转眼间，在北京京东方显示技术有限公司的实习已经结束了，通过这三个月的实习我受益匪浅，也为毕业后正式走进北京京东方显示技术有限公司做好了准备。2012年1月6日，我正式走进了北京京东方显示技术有限公司开始了实习工作。接触到了真正的规模的工作，真正的从课本走到了现实工作中。由于刚从校园走到社会，什么都处于懵懂的状态，对公司的各方面更是陌生，初到公司是面对偌大的产线，对即将面临的工作充满了好奇与期待。经过简单的培训之后我们正式开始实习。由于是新人，公司都给我们分配了师傅带领我们学习。在工作中有时会遇到各种问题，但在师傅以及同事的帮助下，我没有放弃，努力学习知识，我心里明白我要以良好的工作态度以较强的工作能力和勤奋好学来适应公司的工作，完成公司的任务。我知道这是人生的一大挑战，角色的转换，这除了有较强的适应力和乐观的生活态度外更重要的是学习的积累