毕业设计（论文）-LED点阵显示系统论文.doc

长春工程学院毕业设计（论文）1 引言 LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统。它以其色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，广泛应用于广告、证券、信息传播、新闻发布等方面，是目前国际上极为先进的显示媒体。1.1 LED显示屏的研究背景及意义 在现代信息化社会的高速发展过程中，最具意义的莫过于大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：(1)LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维、二维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。(2)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产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。(3)LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体：但就其性能看：如阴级管(crt)或石英管(dv)大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差（画面受光不均匀）；电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。而LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。LED显示屏的发展主要经历了三个阶段：1、1990年以前LED显示屏的成长时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED显示屏的应用领域没有广泛开展；另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4级调灰，成本较高。2、1990-1995年，这一段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。3、1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展。1.2 LED显示屏的技术现状及发展趋势LED显示屏的技术范围包括半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关技术。其控制原理如下图：图1-1 控制原理结构图1.2.1 LED显示屏相关定义：1、LED：发光二极管leght emitting diode2、LED显示屏：LED panel由LED器件组成的显示屏幕3、显示单元：display unit由电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成LED显示屏的最小单元4、CRT同步显示：电脑显示器大多采用CRT显象管，因此电脑显示器有时也称为CRT显示器。CRT同步显示是指LED显示屏的显示内容能实时、同步地反映电脑CRT显示器上的显示内容5、全彩色LED显示屏：all-color LED panel由红、绿蓝三基色LED器件组成并可调出多种色彩的LED显示屏71.2.2 LED显示屏的分类：1、根据使用环境，LED显示屏分为室内显示屏和室外显示屏2、根据显示颜色，LED显示屏分为单基色LED显示屏，双基色LED显示屏和全彩色（三基色）LED显示屏。按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。3、根据显示性能，LED显示屏分为文本LED显示屏、图文LED显示屏、计算机视频LED显示屏，电视视频LED显示屏和行情LED显示屏（一般包括证券、利率、期货等用途）等。4、根据基本发光点，室内LED显示屏可以按照LED单点直径分类；室外LED显示屏可以按照采用的象素直径分类。1.2.3 相关技术：1、显示颜色、亮度和视角基础半导体工业的迅猛发展，带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃，高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并得到应用。首先要按照亮度指标选择LED或者显示模块，其次是根据选择的产品红、绿、蓝颜色的亮度来确定哪一种颜色为基准，一般是将亮度比例低的一种作为亮度基准，当基准的一种已经达到最大亮度时，调整另外一种（双色）或两种（全彩）。显示屏幕是双色时，大多数情况下以绿色为基准，调整红色二极管的工作电流。一般是降低工作电流，一平衡颜色黄色为调整标准，这样就要减小整个显示屏幕的亮度。显示屏的颜色调整至最佳平衡状态，则会使屏的亮度降低。如果显示屏幕为了达到亮度要求，将每一种颜色都达到最大的亮度，那么就失去了颜色的平衡，例如：双色屏幕的黄颜色偏红，或者偏绿。目前LED显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求，四元素的红色LED器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中得到普遍应用。在显示屏制作上采用SMD表贴技术的LED器件，可以获得更好的视角和亮度，目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用，但相对成本比较高，随着器件成本的降低，未来会有比较大的市场潜力8。2、灰度控制技术LED显示屏在进行图文显示时，对同一基色采用级差间隔亮度，实现颜色的组合，一般可做到16级、64级、256级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉特性，出现了非线性级差调灰技术，即在低亮度区级差小，增加级数，逐步到高亮度区时增大级差，形成视觉效果上的“级差一致性”。目前LED显示屏灰度控制一般都在256级，通过采用非线性调灰技术，显示屏的显示效果比较理想。实际上、受数据、图像的信号源的制约，单纯追求大数量级的灰度控制，在使用中的实际价值是值得商讨的。3、驱动电路LED正向导通电压的典型值3.0V4.0V，驱动电流为20mA。如果只是用一个固定的正向电压驱动LED，可能会产生变化范围较大的正向电流，例如用3.4V驱动6只LED，相应的正向电流差别较大：10mA44mA，取决于具体的LED特性曲线。为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求，典型最大值一般为30mA，但是，当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达到50时电流需限制在20mA以内。在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应该相应变化。LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的，原理比较简单，价格便宜，产品的技术开放性比较强。通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟，目前仍然是主流的驱动电路。近年恒流驱动IC的发展较快并受到重视和广泛应用。恒流驱动技术根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点，大大提高了LED显示的均匀性，同时，减少了显示驱动电路的阻容元件，降低了故障点，使LED显示屏更可靠、亮丽。LED显示屏专用的IC一直受到关注。一些IC制造商相继推出一些用于LED显示的专用IC驱动芯片，如TI公司推出的LED Driver等，这类芯片对原来通用驱动IC的集成度进行了提高，使显示屏的驱动电路设计简捷方便，功能上也有所提高，经过研制开发设计适合发展需要的大规模或超大规模专用LED驱动电路，这类专用IC相对复杂，功能较强。LED专用驱动IC简化了显示屏系统设计的复杂程度，在一定程度上增强了显示屏的功能，提高了整体的稳定性，具有积极的意义。4、系统控制技术控制系统是为了达到实现用“计算机”来控制“LED电子显示屏”而专门设计的。显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为业内关注并研究开发和应用的关键技术包括：串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制技术等。显示屏后的单片机、电子部件实现电子显示的功能。其信息的动态变换、刷新，就得通过通讯线，由计算机来控制。“通用图文屏管理系统”就是专门为此而设计的电脑方面使用的软件。能方便实现发布信息的内容输入、编辑排版、动态显示等全部功能。力图实现“所见所得”的效果即电脑屏幕所见的效果，就是LED电子显示屏所显示的效果！5、通信传输和网络控制对于信息的发送方式：一种是用232通讯，利用计算机串行口COM1COM4通讯，此方式通讯速度较慢，且距离不能太远，只有30米左右；另一种是采用在计算机上加插一块通讯卡的422通讯方式，此方式通讯速度快，且距离远，可达1000米左右。发送功能涉及到上端与下端方面的通讯。在电脑终端的信息数据通过“通讯协议”与单片机实现数据传递，达到电脑智能终端控制电子产品的“电子自动化”的目的。根据对信息传输显示的实时性，LED显示屏的通信传输控制有通信传输和视频传输。视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来，实现了在LED显示屏上实时显示计算机监视器上的内容，也可播放录像及电视节目，一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制方式。具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。另外，随着计算机网络技术的发展，LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。1.3 论文主要研究内容及组织1.3.1 问题的提出：本次毕业设计设计的LED显示屏，只用于显示一些图形、文字，而对图象、动画以及信息的实时显示要求不高，而且信息的内容和屏与屏切换相对比较稳定，因此不需要固定计算机实时服务，只需要在控制显示屏的单片机中加入存储块，实现信息的保存功能。1.3.2 论文的主要研究内容：信息滚动显示屏能够通过串口接受PC机发送过来的信息，并将信息进行存储，然后通过一定的扫描方式将要显示的内容在屏幕上滚动显示出来。上位机（PC）机使用VB编写发送界面，实现内容的提取，并按照一定的规律和顺序向下位机（单片机）传送。通过对点阵模块和控制电路的分析，确定LED显示屏的部件构成；通过对单片机及智能控制模块的分析，确定LED显示屏的组成结构和驱动方式，实现LED显示屏的驱动。1.3.3 论文的组织通过对软件系统的简要分析，在论文中将对其进行详细的研究与设计。具体组织安排如下：第2章：LED显示屏工作原理。在这一章中主要介绍：2.1 LED图文显示屏软件系统工作原理；2.2 LED图文显示屏硬件系统工作原理。第3章：系统分析。在这一章中，根据具体应用环境的要求，对整个系统进行详细的分析。主要介绍以下内容：3.1整体分析。对软件的整体结构、框架进行分析与研究；并对硬件部分构成以及各模块的功能做分析。3.2软件控制系统分析。在本节中，对系统的编辑、保存、动态显示等功能进行详细的分析与研究；3.3设备驱动分析。通过对单片机以及各部分功能模块的分析，实现总体设计方案。第4章：硬件控制系统的设计与实现。该章的主要任务是通过第三章的分析，设计系统的硬件控制部分。具体的工作安排是：4.1硬件控制模块4.2 LED显示点阵驱动模块4.3硬件控制模块驱动第5章：软件控制系统的设计与实现。该章主要任务是通过对系统的分析，实现系统的软件控制部分。具体的工作安排是：5.1 PC机文本输入窗口的VB程序设计5.2 PC机与单片机的通信程序设计5.3 AT89S52单片机主控程序的设计第6章：电路调试。在完成软、硬件的分析设计后，进行各部分电路的调试。工作安排如下：6.1 行列驱动电路调试6.2 发送界面调试6.3 通信接收电路调试第7章：在完成系统分析、系统设计的工作后，对整体工作进行总结。7.1工作总结；7.2工作展望。以上是本次毕业论文的工作安排。在随后的工作中，将根据计划逐步完成论文。2 LED显示屏工作原理现在一般把显示图形或文字的LED显示屏称为图文屏，其实LED图文显示屏并没有一个公认的严格的定义，这里所谓的图形，是指由单色固定亮度的点阵线条组成的任意图形，其中LED点阵发光器件或发光或熄灭，即只有两种状态。本系统设计正是基于LED图文显示屏实际应用，着重实现LED显示屏的图文编辑及设备驱动。2.1 LED图文显示屏软件模块工作原理LED图文显示屏软件系统的功能是实现需要联机动态显示和更新部分或全部LED图文显示屏系统显示内容。动态显示只是对文字显示来说的。在应用软件的支持下，录入的文字或图形实时的由计算机下载给主控制器，并实时进行显示；更新显示内容时，计算机将录入的文字或图形数据下载给主控器，并存入存储器中。录入完毕移去计算机后，将显示更新后的内容。因此，相应的应用软件主要由输入界面和发送界面组成。设计的应用软件在Windows操作系统下使用。2.2 LED图文显示屏硬件模块工作原理图文显示屏的硬件模块基本结构可以分为屏体和控制器两大部分。2.2.1 屏体部分结构与功能屏体部分主要是LED和行列驱动电路构成。不论是图形还是文字，都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光。根据屏幕所需的平面面积大小，选择一定数量的LED。像数码管一类的LED显示器件只在需要发光的七段位置上布置LED器件，其它位置都是空白的，因此相对价格比较便宜。但是，由于数码管显示的信息有限，只有0-9（或再扩展到A-F）几个字符，这些字符的变化是靠组合7段LED的发光与否实现的。由于段数不多，组合形成的字符也不多。而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，每个LED发光器件占据数据中的一位，通过对点阵上全部的LED进行控制，在需要该LED器件发光时数据中相应的位填1，否则填0，这样依照所需显示的图形文字，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，得到满意的显示效果。由于文字的显示点阵格式比较规范，可以采用现行计算机通用的字库字模，如汉字的宋体、楷体和黑体等多种可供选择的方案；其大小也可以有16*16、24*24、32*32、48*48等不同规格。在本设计中，采用16*16的显示屏，点阵每一行所有的LED共阳极，每一列所有的LED共阴极。图文显示屏的颜色，有单色、双色和多色几种。本系统根据实际应用环境采用的是单色图文屏，采用红色的LED点阵单元，具体设计将在后面章节阐述。对于双色图文屏和多色图文屏来说，在LED点阵的每一个“点”上布置两个或多个不同颜色的LED发光器件，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。显示的时候，各个颜色的显示点阵是分开控制的。事先设计好各种颜色的显示数据，显示时分别送到各自的显示点阵，即可实现预期的效果。每一种颜色的控制方法和单色的完全相同。在显示效果方面，完全可以通过扫描驱动方式实现可以感知的静止不动的效果-静态显示模式；通过随时间变化不断控制刷新显示数据可以实现各种动态显示模式，如闪烁、平移、旋转、缩放等，但这里对显示的数据进行的刷新并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成8。2.2.2 控制器结构与功能由M行N列组成的M*N图文显示屏其LED发光器件数量相当大，不宜使用静态显示驱动电路，而采用多行的同名列共用一套列驱动器。控制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前还要把该行各列的数据准备好。这一行上的LED发光器件就可以根据列数据进行显示。这种时序控制电路，可以由布线逻辑完成，但考虑显示数据的存储和设计的灵活性及通用性，一般都采用单片机实现。图2-1 单片机控制LED点阵显示框图电路中各器件功能如下：1单片机功能控制电路共采用两个单片机：AT89C2051与AT89S52。AT89C2051主要负责与上位机的通讯,而AT89S52主要控制存储显示据模块、安排控制信号的定时与顺序、控制驱动LED显示点阵的电路等。2存储器一般的设置随机存储器接收上位机的数据进行保存，或者用来存放汉字库。3驱动电路用来驱动LED显示点阵的电路。4控制信号模块各种控制信号用来使显示屏正常工作，包括行选通信号、列数据位信号、列数据输出锁存器打入信号等。本章小结本章通过实际应用的要求，阐述了LED显示屏软件与硬件控制系的功能。对LED显示屏的软件系统的功能分析，基本介绍了作为图文屏编辑的软件设计所需要达到的功能，阐述了组成主控系统的各个功模块的结构以及各自的功能。通过对LED显示屏硬件组成以及各部件分析、各部分部件之间的关系的分析，确定了控制系统的硬件组成模块以及各模块的功能。3 系统分析根据LED显示屏控制系统的应用以及显示设备驱动的具体要求，本章设计了LED图文显示屏的体系结构和工作流程。其中软件系统与控硬件主系统之间采用串行通讯方式完成程序下载，实现文本信息的传输3.1 整体分析LED图文显示屏系统由上位PC机、串行电平转换器、通信接受器、显示信息存储器、显示控制器、汉字库存储器、LED点阵显示屏行列驱动电路和LED点阵显示屏组成。基本结构如下图：图3-1 LED显示屏总体框架系统的工作过程如下：上位机（PC） 机使用VB编写发送界面，实现内容的点阵提取，并按照一定的规律和顺序向下位机（单片机）传送。单片机接受到PC机发来的信息后，在内部转换为并行数据，存放在EEPROM中。再通过触发器将输出数据锁存并送往LED显示屏行列驱动电路，通过单片机控制，将其内容显示在LED显示屏上，并实现内容的固定、左移、左右跑马、垂帘等功能。3.2 硬件模块分析与设计硬件模块主要完成LED显示屏的驱动任务，通过与上位机间的通讯接收文件信息并保存，通过行列驱动器控制完成LED点阵的驱动。1.单片机下位机采用AT89C2051单片机，与计算机之间采用串口通讯，通过I2C方式存入EEPROM中，通过单片机通信传递给主控单片机AT89S52。2.LED器件的驱动通过控制电路采用动态扫描的方式。3.整体电路显示数据输出电路主要功能是进行逐行扫描和将串行数据依次输出到LED显示单元模块。4.传输数据的保存通过EEPROM扩展单片机的存储，固化保存待显示信息。通过以上分析，可以得出从控制系统到LED显示屏的整体结构图：图3-2 LED显示屏整体结构图根据以上分析，下面进行电路设计模块与元器件的方案比较与选择。1、PC机与单片机通信模块的选择方案一 使用光耦连接 光耦连接可以达到很好的隔离功能，抗干扰能力很强，同时可以实现232电平和TTL电平的转换，但它与单片机通信时读写需要不同的线路，这使电路显得复杂。电路图如下图所示：图3-3 使用光耦完成pc机与单片机的通信方案二 通过MAX232连接MAX232是完成TTL和RS232双向电平转换的专用芯片，它的引脚分为五个部分：外接电容、TTL的输入、TTL的输出、RS232的输入，RS232的输出。使用MAX232可以很容易地实现PC机与单片机之间的电平转换，达到电平匹配11。其电路图如下图所示：图3-4 用MAX232完成PC机与单片机的电平转换与光耦连接相比，使用MAX232来完成PC机与单片机的通信显得十分方便，因此，应采用方案二。2、列驱动的选择 方案一 74HC595 74HC595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，这使数据的准备和列数据的显示可以同时进行。同时它还有一个最高位QH可作为多片74HC595级联应用时向上一级的级联输出，这对LED显示屏的扩展十分有用而且方便，可以在不增加I/O口的情况下扩展显示屏的显示尺寸7。其级联方式如下图所示：图3-5 74HC595的级联方案二 通过74HC164来进行扩展 采用74HC164来扩展单片机的I/O口，通过与反相器和达林顿管的连接来实现LED点阵显示屏的航驱动。该方案所用芯片较多，而且随着LED点阵显示屏的扩展，所用的芯片越来越多，从而产生的干扰也随之增加，其优越性显然不如方案一，因此应选择方案一。 下图是该方案的结构图。图3-6 使用74HC164实现显示屏的列驱动3.3 软件模块分析与设计软件系统采用模块化结构，包括PC机程序设计模块，AT89C2051单片机通信程序设计模块和AT89S52单片机主控程序设计模块。PC机控制程序主要用于发送信息的人机界面。在该设计中，用VB6.0设计发送界面。界面将有文字输入、选择通讯口、打开、保存、传送等功能。AR89C2051单片机通信程序设计的主要功能是实现与上位PC机与单片机的串口通信。在初始化工作后，不断查询串行接收状态，当检测到PC机有信息发来，则将接受到的数据写入存储器。AT89S52的主要任务是从汉字库中取点阵数据，供定时中断服务子程序通过行列驱动电路发送到LED显示屏上。它包括汉字首地址计算模块、取字模块、显示模块和移动模块。在初始化工作后，根据装载标志的不同，将显示数据装入缓冲区，同时建立中断服务子程序，实现显示屏的行列扫描和定期扫描，实现图文的动态显示功能，并使人能够看到稳定清晰的图像。软件部分可以实现与计算机的通信，可非常方便地任意修改所要显示的图形文字，并使显示屏可固定、平移等功能显示。程序中将数据存储器分为三个区。单片机通过串口接受PC机传来的数据，暂时存放在接受缓冲区，处理后放入数据存储区保存，然后再根据显示方式从数据存储区中读出数据放入显示缓冲区用于显示。显示方式的实现取决于数据放入显示缓冲区取数的顺序，左移是从数据存储区取出一位数放入显示缓冲区，上移是每次取出一行数据放到缓冲区。显示时并不识别显示缓冲区的数据，只是依次从显示缓冲区取数据向显示屏发送并送入相应的锁存消隐和行值信号，完成扫描。本章小结本章根据LED显示屏的控制系统的功能要求，对整个控制系统所要实现的功能做了整体的分析，并根据显示设备的工作原理阐述了计算机与设备的通讯方式与具体实现过程。通过在计算机显示屏开启标Windows文本窗口，在其中填写需要传送的图形、文字。在通讯方面，采用串口通讯的方式，通过与具体设备的通讯完成文本信息的传输功能。4 硬件控制系统的设计与实现LED显示屏硬件控制系统在设计主控制系统时采用单片机控制，单片机主要负责与上位机进行通讯、接收和存储显示数据、驱动LED显示点阵和控制信号等。在该设计中，需要用到两个单片机，AT89C2051与AT89S52,分别负责与单片机通信和行列电路的驱动及显示屏的动态特效显示。为使计算机与控制电路能够随时通信，需要单片机89C205l与89S52与其它器件之间可以通信。系统方案应如下图所示：图4-1 LED点阵显示屏整体方案4.1 硬件控制模块硬件控制模块按照功能，主要可以分为串行通讯接口电路、行地址译码电路、列信号处理电路、储存器扩展电路、单片机基本系统等。4.1.1 串行通讯串行通信是能把二进制数据能够按位传送的通信，且所需传输线极少，AT89C2051内部除了含有4个并行I/O接口外，还有一个串行I/O接口。串行通讯接口电路的主要作用是将上位机发送过来的图文点阵信息转换为单片机能够识别的数字信息。系统采用美国电子工业协会颁布的RS-232C串行总线。由于上位机RS-232C串行口的逻辑电平和单片机串行口的TTL电平完全不兼容，因此必须进行电平转换17。接口电路的基本原理如下图4-2 串行通讯接口电路当上位机发送逻辑电平“0”时，其电压范围为+5VV+15V,二极管D1导通，A点位在+5V多一点，经反向器输出为TTL电平的逻辑“0”。同理，当上位机发送逻辑电平“1”时，其电压范围为-15VV-5V,二极管D2导通，A点位在0V左右，经反向器输出为TTL电平的逻辑“1”。综上所述，可得到PC机与AT89C2051电平转换电路如下图所示：图4-3 PC机与AT89C2051的电平转换电路4.1.2 基本系统下位机采用AT89C2051单片机担任，主要负责与上位机进行通讯。电路结构图如下：4-4 通讯电路控制结构图 在该系统中，与PC机进行通信的单片机采用AT89C2051，它通过MAX232与PC机连接，完成RS232与TTL的电压转换。为了适应串口通信的频率，其晶振频率取11.0592MHZ.单片机在接受到串行数据后，在内部转换为并行数据，并以I2C总线方式存入EEPROM。主控单片机采用AT89S52,其晶振频率选取12.000MHZ,来满足点阵显示屏的刷新频率。它扩展了两个存储器，FLASH存储器和8KB SRAM，分别用来存放汉字库和系统运行时进行数据处理暂存。主控单片机的数据经8D触发器74HC374锁存并送往LED显示屏行列驱动电路。存储显示数据、安排控制信号和驱动 LED 显示电路则由与AT89C2051进行通信的单片机89S52完成，驱动电路模块如下图所示：4-5 LED显示屏行列驱动电路模块在该模块中，单片机负责发送数据并控制图文的移动。用16个大功率的PNP 管作为行驱动，用74HC595作为列驱动。4.2 LED显示点阵驱动模块屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用16*16单色显示单元，控制电路采用动态扫描驱动方式驱动LED器件，每一行一个大功率PNP做驱动，通过单片机与译码器的控制，完成整个显示电路的行列驱动。4.2.1 LED特性及动态扫描原理从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，通过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是如何使它的PN结处于正偏置。流过LED的电流i与其两断电压V的关系式为：其发光亮度基本上正比于通过的电流强度。当对于n个LED器件进行扫描驱动时，假定切换电路在切换过程中没有时间延迟，且每个LED的导通时间是相等的，则占空比为1/n。此时的驱动电流幅值应该等于相当直流驱动电流的n倍，才能达到与相当直流驱动一样的效果，且驱动电流幅值不能超过该器件允许的最大脉冲幅值，所以对于本系统中的LED显示屏，n值取为16，能够满足亮度要求。4.2.2 显示驱动模块采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对个行进行扫描。根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通，接通的列，就在该行该列点燃相应LED，未接通的列所对应的LED熄灭。当一行的扫描持续时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。全部各行都扫描一遍后，又从第一行开始进行下一个周期的扫描。只要一个扫描周期时间比人眼1/25秒的暂留时间短，就感觉不出闪烁。 行驱动行选通信号来源于单片机按照时序要求所给出的二进制行号，为在一行显示时间内保持行号的稳定，行号需经锁存器锁存。采用译码器方案，保证同一时刻选通一条行线，达到显示的稳定性。4-5 行驱动原理行扫描驱动电路基本由74HC138译码器以及门电路组成。行地址译码电路的基本工作方法是通过由两个3-8线译码器74HC138组成的4-16译码器产生16个行选信号，经驱动后控制行驱动板的工作。采用译码器方案，可以保证同一时刻只选通一条行线，从而达到显示的稳定性。行扫描电路如下图所示：图4-6 行扫描电路图 列驱动 列输入驱动由8位串行输入，串行或并行输出的三态移位寄存器74HC595实现。该芯片具有串行输入，并行输出两个独立的时钟信号。输入数据在串行细微时钟SRCLK上升沿由串行输入端SER输入到芯片内部串行移位寄存器中，同时，SQH端串行输出；在锁存时钟信号RCLK上升沿到来时，芯片将内部串行移位寄存器8位数据并行输出。正常工作时，应将复位端SRCLK与使能端RCLK分别接高电平、低电平。单片机输出信号直接与串入并出移位寄存器74HC595的锁存器输出端连接。列驱动电路原理图如下图所示：图4-7 列驱动原理图由74HC595组成的列驱动器中，第一片列驱动器的SER端连接单片机输出的串行列显示数据，其Q7端连接下一片的SER端，各片相应的SRCLK、SRCLR、RCLK端分别并联，作为统一的串行数据移位信号、串行数据清除信号和输出锁存器打入信号。这样的结构，使得串行移位能把显示数据依次输入到相应移位寄存器输出端，移位过程结束后，控制器输出RCLK打入信号，各列显示数据一起打入相应就按照的输出锁存器，通过选通相应的行，该行的各列显示数据的要求进行显示。本章小结本章阐述了硬件控制系统的分析与实现。通过具体分析，结合图示介绍了LED点阵显示屏结构，通过对89S52单片机结构和性能的分析，扩展了其存储和驱动功能，完成了电路的分析与设计，通过对具体设备的驱动程序最终实现了对整个LED图文显示屏硬件部分的驱动。5 软件控制系统的设计与实现在LED显示屏的软件控制系统中，PC机文本输入窗口的编辑、PC机与单片机的通信程序、AT89S52单片机主控程序的设计是本次设计的核心内容。设计的程序功能框图如下图所示：5-1 程序功能框图 下面对程序的各个模块进行具体分析：5.1 PC机文本输入窗口的编辑微机控制程序主要用于发送信息的人机界面。目前人机界面一般都是基于windows 环境下的程序开发，可选VB,VC+等编程语言，在本设计中，我们使用VB6.0设计发送界面。PC机的通讯利用Visual Basic 6.0提供的串行通讯的MSComm 控件。通过此控件PC 机可以利用串行口与其它设备连接，简单高效地实现设备之间的串行通讯MSComm 控件是Microsoft 公司提供的Windows 下串行通讯编程的ActiveX 控件。MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。MSComm 控件的主要属性有：1、CommPort 属性设置并返回端口号，端口号可以设置成1 到16 任何值（默认值为1）。2、PortOpen 属性设置并返回通信端口的状态（开或关）其属性语法为: Mscomm.PortOpen=True/False。设置为True 为打开端口，False为关闭端口并清除接收和传输缓冲区。3、Input 属性返回并删除接收缓冲区中的数据，InputLen属性确定被Input属性读取的字符数。InputLen0则Input属性读取数据缓冲区中的全部内容。InutMode 属性确定Input属性读取的数据类型。4、OutPut 属性向发送缓冲区传送字符串。5、Setting属性设置并返回波特率，奇偶校验，数据位，停止位。其属性语法为:MSComm.Setting “BBBB,P,D,S” BBBB 为波特率，P 为奇偶校验位，D 为数据位，S 为停止位，其默认值为9600，N,8,1。MSComm控件提供的串行通讯方式有：1、查询方式查询方式是通过检查CommEvent 属性查询事件和错误从而确定相应的处理。2、事件驱动方式事件驱动方式是处理串口通讯的一种有效方法。当串口接收或发送指定数量的数据或串口通讯状态发生改变时，MSComm控件触发OnComm 事件，在OnComm 事件中可通过检测MSComm.CommEvent 属性值获知串口的各种状态，从而进行相应的处理19。本文就采用这种事件驱动方式来实现双方的通讯。发送界面各控件的属性如下表所示： 表5-1 发送界面各控件属性对象属性属性值Command1Caption打开Command2Caption保存Command3Caption传送Command4Caption结束Lable1Caption文字输入区Lable2Caption空白Option1CaptionCom2Option2CaptionCom1Frame1Caption选择通信口FormCaption空白Comm1Timmer1EnableTrueCommondialog15.2 PC机与单片机的通信程序5.2.1 通信方式选择串行通信传输方式有三种:单工,半双工,以及全双工. 考虑全双工要求的接线较多,我们采用半双工配置. 通信方式上,也采用异步方式18.微处理器对PC 机的通信采用串口中断方式，单片机89C51 采用C51语言进行编程.它有一个标准的串行口,有4 种工作方式,其中方式1 是标准的10 位异步通信方式,10 位数据和PC机的标准串口相对应,由串口控制寄存器SCON 设置状态,其字节地址为98H14. 如下所示:表5-2 控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI5.2.2 89C51 通信波特率设置及通信的设置在串行通信中,一个重要的指标是波特率,它反映了串行通信的速率,也反映了对传输通道的要求. 波特率越高,要求传输通道的频带越宽. 由于异步通信双方各自用自己的时钟源,要保证捕捉到的信号正确,最好采用较高的时钟. 一般选择时钟频率比波特率高16 倍或64 倍. 如果时钟频率等于波特率,则频率稍有偏差便会产生接收错误. 这里选用11.059MHz 晶振。8051 的串行通信的波特率由定时器T1 的溢出率获得,当串口工作于方式1 或方式3 时,波特率为:波特率= 其中f 为晶振频率,定时器模式2 时K 为8。因此我们选择通信的波特率为1200b/ s ,令SMOD = 0 ,可算得初值为F3F3H ,那么, TH1 的初值为0F3H ,TL1 的初值为0F3H. 系统晶体振荡频率选11.0592MHz 就是为了使初值为整数,从而产生精确的波特率. 由于T1 模式2 是定时自动重装载的操作模式,当定时器T1 工作于模式2 时,可直接用作串行口的波特率发生器。综上所述，在该设计中，PC机与单片机AT98C2051之间采用串行异步通讯方式，各种参数确定如下：波特率:1200b/ S ;信息格式:8 位数据,1 位停止位,无奇偶校验;传送方式:PC 机采用查询方式接收数据,8051采用中断方式接收,查询方式发送;校验方式:累加和校验; 握手信号:采用软件握手。5.2.3 PC机与89C51 通信软件的设计该程序设计的状态流程为：初始化工作后，不断查询串行接受状态，若PC机有信息发过来，则将接受到的数据写入U4(AT24C01)，随后启动定时器T0开始计时。T0为50ms定时中断服务子程序，它实现每50ms将时间计数单元time_cnt加1.当主程序不断接受PC机发送的数据时，也在不停地清除time_cnt的数据，一旦接受完毕，将不再清除time_cnt的数据，这时T0中断服务子程序不断使time_cnt计数值累加。当计数值未0时，时间为4050ms=2000ms，将P3.7置0，给主控CPU（AT89S52）发去一个信号，说明已接受到新的显示内容，且已接受完毕；当计数值为50时，即时间为5050=2500ms时，将P3.7置1，同时关闭定时器T0。其程序流程图如下图所示： 图5-2 通信程序主程序流程图 图5-3 串行通信T0中断服务子程流程图5.3 AT89S52单片机主控程序的设计 要实现图文在LED显示屏上的移动，首先要弄明白图文显示的原理。下面以1616汉字显示为例来说明图文显示的原理。在国标汉字库中每一个字均由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个图像。如果用8位的单片机控制扫描显示，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分。一般我们把它拆分为上部和下部，上部由816点阵组成，下部也由816点阵组成。单片机扫描时，上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，然后单片机转向上半部第二列，这一列完成后继续进行下半部分的扫描，以此类推。一个汉字需扫描32个8位。 由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这种方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用2个字节长度，为了和ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始（小于80H的为ASCII码。将机内码每个字节的最高为屏蔽掉，再以十六进制的形式显示出来则为国内码。将机内码的每个字节减去0A0H再以十进制显示出来，即为该汉字的区位码。 即：区位码=机内码0A0A0H. 在该设计中，用了一块EPROM27C2001来存储汉字库，该芯片的存储量达256KB，而89S52的地址线为16条，最大寻址范围为216=64KB,因此将汉字库分成4个区，通过P1.0、P1.1这两条线进行分区选择，这样总的寻址范围达464=256KB。单片机89C2051将采集来的数据放到串行E2PROM (AT24C16)中，89S52的串口接收由E2PROM (AT24C16)存储的汉字内码，并将其换算成汉字首地址，从EPR0M(M27C2001)的字库中提取相应的汉字(一组32字节的数据)，对应于显示屏排列好存贮到片外RAM(6264)中，重复上述过程将所有的汉字都提取出并排列存储好，最后由89S52将RAM 中的数据经P1口和P3口输出给显示驱动电路。 因此，AT89S52单片机的主控程序设计应为：先进行初始化工作，随后根据装载标志的不同将图文的行显示数据装入XBUFF或YBUFF缓冲区。其流程图如图所示：图5-4 主程序状态流程图除此之外，还要另外建立T0定时中断服务子函数（定时周期为1.4ms）及INT0外中断服务子函数。T0定时中断服务子函数是用来实现显示屏的行列扫描，每行的扫描周期为1.4ms，供共扫描16行（为一帧图像），一帧图像的刷新周期为1.416=22.4ms，由于人眼的视觉居于暂留性，因此我们能看到稳定清晰的图像。同时，通过按照不同的顺序取存储器中的点阵，实现显示内容的动态显示。其流程图如下图所示：图5-5 T0定时中断服务子函数状态流程图INT0外中断服务子函数用于响应已受到的PC机发的新数据，使屏幕显示内容能及时更新。扫描显示子程序按照从上至下，从左至右的顺序将要显示的信息一行一行的显示在LED显示屏上，完成信息传送的任务。本章小结本章完成了 LED 显示屏软件控制系统的整体设计，确定了系统工作流程，完成了系统软件控制功能。系统的工作流程：在计算机显示屏上开启文本窗口，完成图形、文字的编辑。在完成整体编辑后，根据具体设备通讯要求，采用串口通讯技术，通过介绍端口通讯以及串口通讯协议的相关知识，实现控制系统与硬件设备部分的通讯，完成实现LED 显示屏的文本信息传输功能。6 电路调试设计完成以后，需对程序和硬件电路进行调试，看能否达到预期目的。本次设计的调试过程可分为三步：行列驱动电路调试、发送界面调试及通信接受电路调试。6.1 行列驱动电路调试 从行列驱动电路板上拔下IC11(74HC244),在IC12的位置上插入一片已编程的AT89C2051（写入移动模块的程序与要显示的字模点阵），接通5V/3A的开关电源，看到LED显示屏上的内容可按照程序进行移动，这说明行列驱动电路工作正常。6.2 发送界面调试 在VB环境下进行发送界面调试，可得到如下调试结果，设计时的界面窗口如图所示：图6-1 设计时的界面窗口 运行时的界面窗口如图所示：图6-2 运行时的界面窗口 6.3 通信接收电路调试 从行列驱动电路板上IC12的位置取下AT89C2051，在IC11位置上插上74HC244. 主控板的输出口排针JP1通过排线与行列驱动电路板的控制信号输入口排针JI1相连，主控板的通信口与计算机串口相连。行列驱动电路板接通5V/3A开关电源，在发送界面的文本栏中输入文字，设置好通信口后，单击“传送”按钮，主控板上的AT89C2051单片机收到数据后，会将数据转存到AT24C16中。关断5V/3A开关电源后，取下AT24C16，将其放在通用型编程器TOP851上读取数据，看读出的数据是否与发送的汉字内码相同，若相同，说明工作正常。7 总结与展望随着集微电子技术，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。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。