LED显示屏控制器的设计与实现.doc

1 48 学科分类号学科分类号 0712 本科生毕业论文本科生毕业论文 设计设计 题目 中文 题目 中文 LED 显示屏控制器的设计与实现 英文 英文 The Design and Implementation of LED Display Controller 2013 年年 05 月月 15 日日 2 48 本科毕业论文 设计 诚信声明本科毕业论文 设计 诚信声明 作者郑重声明 所呈交的本科生论文 设计 是在指导 老师的指导下 独立进行研究所取得的成果 成果不存在 知识产权争议 除文中已近注明引用的内容外 论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果 对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式 标明 本声明的法律结果由作者承担 本科生论文 设计 作者签名 年 月 日 I 48 目 录 摘 要 I 关键词 I Abstract I Key words II 1 前言 1 1 1 LED 电子显示屏概述 1 1 2 LED 电子显示屏的分类 2 1 3 LED 显示屏市场前景 2 2 LED 显示原理的分析 3 2 1 LED 点阵模块结构 3 2 2 LED 动态显示原理 4 3 系统设计的任务与方案论证 7 3 1 设计任务 7 3 2 设计方案论证 7 3 2 1 显示单元模块的选择 7 3 2 2 主控制器的选择 8 3 2 3 点阵数据存储方式的选择 9 3 2 4 系统总体结构及原理分析 11 3 2 5 工作原理分析 12 4 硬件电路设计 13 4 1 LED 控制卡电路设计 13 4 1 1 列驱动电路设计 14 4 1 2 行驱动电路设计 15 4 2 时钟模块电路设计 16 4 3 温度驱动电路设计 16 4 4 MAX232 串行通信电路设计 17 II 48 4 5 系统电源及通信电缆的选择 18 4 5 1 对于 LED 显示屏的电源要求 18 4 5 2 开关电源在 LED 屏应用中的优势 19 5 系统软件设计 19 5 1 上位机软件设计 19 5 2 汉字字模的提取方法 21 5 3 上位机与单片机通信协议 22 5 4 下位机软件设计 23 5 5 中断数据处理 25 6 测试结果与分析 25 6 1 上位机软件测试 25 6 2 汉字移动测试 26 6 3结果分析 26 7 总结 26 参考文献 28 致 谢 29 附录 A LED 显示屏控制卡原理图 30 附录 B LED 显示屏控制卡 PCB 电路图 31 附录 C VB 上位机界面 32 附录 D 本设计显示效果图片 32 附录 E 程序清单 33 I 48 LED 显示屏控制器的设计与实现 摘 要 本设计是以 STC12C5A60S2 单片机作为核心控制器件 外围存储芯片实现 汉字编码的存储 可以实现中英文字符和动态显示 并且可以通过级连的方式 来扩展显示屏的尺寸 增加显示内容 本设计采用 Visual Basic 6 0 编写上位机 上位机与下位机采用 RS 232 通信标准来实现 上位机向下位机发送控制命令和 需要存储的汉字编码 下位机接收数据并处理上位机发送过来的控制命令以及 显示编码 由 LED 控制卡驱动 32 64 点阵屏显示 利用人眼的滞留现象 达到 能够实时修改显示内容的目的 关键词 上位机 LED 显示屏控制卡 32 64 单色点阵屏 时钟芯片 The Design and Implementation of LED Display Controller Abstract This design is based on STC12C5A60S2 microcomputer as the core control device to achieve the storage of the Chinese character coding through external memory chips The function of the system can be achieved in English characters and dynamic display or can be connected in cascade manner to expand the size and the content of display preparation of PC programmed by Visual Basic 6 0 the communication standard between the PC and the microcomputer is RS 232 The preparation of PC send commands and Chinese character coding that needs to be stored to MCU the next crew processes commands and the data that was sent from preparation of PC and display coding 32 64 dot matrix display driven by the LED display control card Achieving the purpose of display contents can be modified in II 48 time through human eye phenomenon Key words Host computer LED display control card 32 64 monochrome dot matrix screen Clock chip 1 48 1 前言 1 1 LED 电子显示屏概述 LED 电子显示屏 Light Emitting Diode Panel 是由几百至几 十万个半导体发光二极管构成的像素点 按矩阵均匀排列组成 利 用不同的半导体材料可以制造不同色彩的 LED 像素点 1 目前应用 最广的是红色 绿色 黄色 而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到 了实用阶段 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 2 LED 显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏 均由 LED 矩阵块组 成 图文显示屏可与计算机同步显示汉字 英文文本和图形 而条 幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示 LED 显示屏因为其像素 单元是主动发光的 具有亮度高 视角广 工作电压低 功耗小 寿命长 耐冲击和性能稳定等优点 3 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 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 4 本文主要研究一种基于 STC12C5A60S2 单片机的 LED 点阵屏 的控制系统 显示面板为单色 32 64 点阵屏 控制卡上集成了温度 传感器和时钟模块 可以独立显示时间和温度 并且有按键可以直 接在下位机上调整时间与显示速度 与上位机采用 RS 232 通信的方 2 48 式 控制更加简便 1 2 LED 电子显示屏的分类 1 按颜色分类 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 显示面积一般零点几至十几平方米 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 16mm 19mm 21mm 26mm 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 5 1 3 LED 显示屏市场前景 LED 全彩显示屏 是 20 世纪 90 年代在全球迅速发展起来的新 型信息显示媒体 它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组 3 48 成大面积显示屏幕 结合了微电子技术 光学技术 计算机技术 信息处理等现代高新技术 以其可靠性高 使用寿命长 环境适应 能力强 性价比合理 使用成本低等特点迅速成为大型平板显示的 主流产品 以其明显优越于背投 等离子 液晶显示及电视屏幕的 性能而在信息显示领域得到了广泛的应用 如体育场馆 大型展览 馆 市政广场 演唱会 车站 机场等场所 6 尤其是以其高亮度 大面积显示而让更多人在户外也感受到信息时代的来临 显示信息 无处不在 据业内专家预测 今后几年全球各类 LED 显示屏需求每 年均达到几十亿美元 且还在逐年递增 国际大都市如纽约 巴黎 伦敦都普遍使用大型 LED 全彩显示屏作为信息传播 广告宣传的新 型载体 在中国 随着经济的飞速发展 各类场馆的兴建和市政工 程改造项目的兴起 国内市场 LED 显示屏需求增长率更是高达 30 以上 按每年 30 的增长速度 LED 显示屏的市场规模将会不 断的壮大 由于 LED 产品具有性能稳定 寿命较长 功耗较小以及 价格低廉等优势 因此在各种实际应用中具有较强的市场竞争力 市场前景十分广阔 2 LED 显示原理的分析 2 1 LED 点阵模块结构 八十年代以来出现了组合型 LED 点阵显示器模块 以发光二极 管为像素 它用高亮度发光二极管芯阵列组合后 环氧树脂和塑模 封装而成 7 这种一体化封装的点阵 LED 模块 具有高亮度 引脚 少 视角大 寿命长 耐湿 耐冷热 耐腐蚀等特点 LED 点阵规 4 48 模常见的有 4 4 4 8 5 7 5 8 8 8 16 16 等等 根据像素颜色的数目可分为单色 双基色 三基色等 像素颜 色不同 所显示的文字 图像等内容的颜色也不同 单色点阵只能 显示固定色彩如红 绿 黄等单色 双基色和三基色点阵显示内容 的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定 如红绿都 亮时可显示黄色 如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间 则可 实现 256 或更高级灰度显示 即可实现真彩色显示 8 本系统所使用的 8 8 单色 LED 点阵显示器的内部电路结构和外 形规格如图 2 1 所示 其它型号点阵的结构与引脚可试验获得 图 2 1 8 8 单色 LED 模块内部电路 LED 点阵显示器单块使用时 既可代替数码管显示数字 也可 显示各种中西文字及符号 如 5x7 点阵显示器用于显示西文字母 5 8 点阵显示器用于显示中西文 8x8 点阵可以用于显示简单的中文 文字 也可用于简单图形显示 用多块点阵显示器组合则可构成大 屏幕显示器 但这类大屏幕显示方法常通过 PC 机或单片机控制驱 动 2 2 LED 动态显示原理 LED 点阵显示系统中各模块的显示方式 有静态和动态显示两 5 48 种 静态显示原理简单 控制方便 但硬件接线复杂 在实际应用 中一般采用动态显示方式 动态显示采用扫描的方式工作 由峰值 较大的窄脉冲电压驱动 从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行 选通 同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号 反复 循环以上操作 就可以显示各种图形或文字信息 点阵式 LED 汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式 这 种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性 将连续的几帧画面 高速的循环显示 只要帧速率高于 24 帧 秒 人眼看起来就是一个 完整的 相对静止的画面 9 最典型的例子就是电影放映机 在电 子领域中 因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信 号线数量 便于 PBC 的布局难度促进工厂批量生产 因此在 LED 显示技术中被广泛使用 以 8 8 点阵模块为例 说明一下其使用方法及控制过程 红色 水平线 Y0 Y1 Y7 叫做行线 接内部发光二极管的阳极 每一 行 8 个 LED 的阳极都接在本行的行线上 相邻两行线间绝缘 同样 红色竖直线 X0 X1 X7 叫做列线 接内部每列 8 个 LED 的阴极 相邻两列线间绝缘 在这种形式的 LED 点阵模块中 若在某行线上施加高电平 用 1 表示 在某列线上施加低电平 用 0 表示 则行线和列 线的交叉点处的 LED 就会有电流流过而发光 比如 Y7 为 1 X0 为 0 则右下角的 LED 点亮 再如 Y0 为 1 X0 到 X7 均为 0 则最 上面一行 8 个 LED 全点亮 6 48 现描述一下用动态扫描显示的方式 显示字符 9 的过程 其过 程如图 2 2 所示 图 2 2 用动态扫描显示字符 9 的过程 假设 X Y 为两个 8 位宽的字节型数据 X 的每位对应 LED 模块 的 8 根列线 X7 X0 同样 Y 的每位对应 LED 模块的 8 根行线 Y7 Y0 在这个示例中 Y 叫行扫描线 行扫描线在每个时刻只有一根 线为 1 即有效行选通电平 X 叫列数据线 其内容就是点阵化的字 模数据的体现 下面用伪代码描述动态显示的过程 1 Y 0 x01 X 0 xFF 如图 2 2 第一行 2 Y 0 x1C X 0 x02 如图 2 2 第二行 3 Y 0 x22 X 0 x04 如图 2 2 第三行 4 Y 0 x22 X 0 x08 如图 2 2 第四行 5 Y 0 x1E X 0 x10 如图 2 2 第五行 6 Y 0 x01 X 0 x20 如图 2 2 第六行 7 Y 0 x04 X 0 x04 如图 2 2 第七行 8 Y 0 x38 X 0 x80 如图 2 2 第八行 9 跳到第 1 步循环 如果高速地进行 1 到 9 的循环 且两个步骤间的间隔时 7 48 间小于 1 24 秒 由于视觉暂留 LED 显示屏上将呈现出一个完整的 9 字符 这就是动态扫描的原理 只不过实际运用的时候 列线和 行线通常不止 8 位 还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或 列线来做扫描线 例如 0601 条屏 每行 6 个汉字 共 1 行 行线 有 16 根 列线有 96 根 10 如果用列线来做扫描线 则每列 LED 在 每 96 次循环扫描中只可能亮一次 则其发光视觉平均亮度为直流亮 度的 1 96 如果用行线来做扫描线 则每 16 次循环 每行 LED 就 能亮一次 其发光视觉平均亮度为直流情况下的 1 16 可见 用行 线做扫描线 因为其发光周期的占空比较大 其视觉亮度是用列线 做扫描线的 6 倍 因而发光效率比前者高 在实际运用的时候 还要在每两帧之间加上合适的延时 以使 人眼能清晰的看见发光 在帧切换的时候还要加入余辉消除处理 比如先将扫描线全部设置为无效电平 送下一行的列数据后再选通 扫描线 避免出现尾影 3 系统设计的任务与方案论证 3 1 设计任务 本设计的任务要求完成可以控制兼容 T12 和 T08 显示屏单元板 并可扩展显示单元数目的单色动态调幅屏 1 显示区域 单色显示 64 32 点 2 通过上位机修改显示内容 按键可改变显示内容 3 能存储 16 16 点阵汉字不少于 64 个 8 48 3 2 设计方案论证 3 2 1 显示单元模块的选择 LED 显示屏显示一个简单的汉字 至少需要一个 16 16 点阵单 元来构成 根据发光点直径的大小分为 3 75mm 和 5mm 的 LED 点 阵模块 方案一 3 75mm 的小型发光二极管组成的 8 8 的点阵模块 发 光亮度不足 电流过大时易烧坏 远距离观看视觉效果模糊一般把 3 75mm 的屏作为室内屏使用 方案二 5mm 直径组成的 8 8 点阵模块 在同样的距离内 5mm 直径的发光二极管组成的 8 8 的点阵模块所发出的亮度值大约是 3 75mm 单元模块的一倍 清晰程度也高于 3 75mm 的单元模块 因此为了在较远距离处获得清晰的视觉效果 本设计选择方案 二 采用 32 个 8 8 点阵单元 像素直径 5mm 的 LED 模块拼接成 32 64 的 LED 显示屏 这样每个 8 8 汉字能够获得 16 16cm 的显示 尺寸 因此在 50 米处仍能清晰阅读 而本设计使用是一块完整的 32 64 的点阵屏 能同时显示 8 个汉字 3 2 2 主控制器的选择 随着广告屏显示内容的多媒体化 对控制器传输速度 运算能 力的要求越来越高 从单片机 到 FPGA 直到现在的 ARM 处理器 控制器的种类也在不断发展以适应市场需求 不同功能档次的广告屏 对应着不同的处理器 方案一 以单片机 STC12C5A60S2 高速单片机 为控制器的 9 48 LED 显示屏 STC12C560S2 单片机是传统的 8051 单片机的升级版 外部时钟频率可达到 80MHZ 60K 的 FLASH 存储器 1280 字节的 ROM 和 10 位 A D 转换 拥有 P4 口适合需要多个 I O 的设计系统 其内部资源对于点阵单元模块确定的条屏 LED 显示屏 无论从存储 容量还是单片机的执行速度都能很好的适用单元点阵模块确定的 LED 显示屏 方案二 以 FPGA 复杂可编程逻辑门阵列 为控制器的 LED 显示屏 FPGA 以高速 并行著称 是近年来新兴的可编程逻辑器 件 用他作为 LED 显示屏的控制器 能够高速的处理色阶 PWM 信 号 高速的完成动态扫描逻辑 高速的完成字符移动算法 因此被 运用于双基色 三基色的显示系统 但是其成本较高 开发难度较 大 方案三 以 ARM 32 位 RISC 架构高性能微处理器 为控制器 的 LED 显示屏 ARM 有着极高的指令效率 极高的时钟频率 因 此其运算能力非常强大 内部资源也十分丰富 极大的简化了硬件 设计的难度 缩短了开发周期 在条屏的运用中 能用 ARM 来实 现花样繁多的显示方式 以及高色阶 多像素的全彩屏驱动 ARM 与 FPGA 的组合更是功能强大 除了海量存储技术 无线更新技术 外 还能实时地显示视频信号 因此 以 ARM 为控制器的显示屏 常为视频全彩屏 经过上面方案的比较最终确定选择方案一 选用 STC12C5A60S2 单片机作为本次设计的核心控制器 其内部资源丰 10 48 富 成本比较低廉各项功能均能满足本设计的要求 3 2 3 点阵数据存储方式的选择 目前使用最广泛的技术是 通过上位机软件将待显示的字符串 转换为对应的点阵字模数据 通过烧写的方式将这些字模数据按一 定的顺序编址后存储在 E2PROM 中 在条屏显示的过程中按规定的 方式取出 E2PROM 中的字模数据进行处理 对于一个 16 16 点阵的 汉字字模数据 需要连续 32 字节的 E2PROM 空间来存储 照此计 算 若有 256 个需要显示的字符 则至少需要 32B 256 8192 字节 8KB 的 E2PROM 存储空间 通常的单片机内部没有集成这么大 容量的 E2PROM 因此需要在单片机外部扩展大容量的 E2PROM 方案一 选用 FLASH 存储器来存储上位机发送过来的汉字编码 FLASH 存储器种类多样 其中最为常用的为 NOR 型和 NAND 型 FLASH 通常 NOR 型比较适合存储程序代码 其随机读写速度快 容量一般较小 且价格较高 一般只能整块读写数据 随机存取能 力差 它们对数据的存取不是使用线性地址映射 而是通过寄存器 的操作串行存取数据 FLASH 存储器的擦除过程相对费时 且擦除 流程相对复杂 方案二 选用 AT24C64 存储器来存储汉字编码 AT24C64 采用 的是 I2C 总线接口方式 I2C 总线是一种用于 IC 器件之间连接的二 线制总线 连接总线的器件的输出必须是集电极或漏极开路 以具 有线 与 功能 I2C 总线的数据传送速率在标准工作方式下为 100kbit s 在快速方式下 最高传送速率可达 400kbit s 它通过 11 48 SDA 串行数据线 及 SCL 串行时钟线 两根线和连在总线上的 上位机进行通信 并根据地址识别每个器件 采用 I2C 总线标准的 单片机或 IC 器件 其内部不仅有 I2C 接口电路 而且将内部各单元 电路按功能划分为若干相对独立的模块 通过软件寻址实现片选 减少了器件片选线的连接 CPU 不仅能通过指令将某个功能单元电 路挂靠或摘离总线 还可对该单元的工作状况进行检测 从而实现 对硬件系统既简单又灵活的扩展与控制 由于本设计的任务是需要存储汉字不少于 64 个 采用 FLASH 芯片来存储汉字编码 其操作复杂 成本太高 不适合在本次设计 中采用 FLASH 芯片 因此本设计采用方案二来存储上位机发送过 来的汉字编码并用寻址读取数据 3 2 4 系统总体结构及原理分析 通过对各种方案的比较与分析 初步构建硬件系统框图如图 3 1 所示 低8位行扫描线 高8位行扫描线 行扫描驱动电路 Y0 Y15 X0 X1Xn 16位移位寄存器16位移位寄存器 16位移位寄存器 电源 STC12C5A60S2 单片机 EEPORM64 上位机 RS 232 电平转换 RS 232屏蔽线 I O口 I O口 通用IO口 图 3 1 LED 显示屏系统框图 12 48 在图 3 1 中 X0 X1 Xn 为显示单元 整个显示单元由一个 32 64 点阵的 LED 模块和一个 32 位宽的移位锁存器 串行 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则由 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 通用 I O 口来驱动行扫描驱动电路 通用 I O 口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器 移位锁存器 之间 的单向通信 3 2 5 工作原理分析 单片机上电复位后 先从外部存储器 E2PROM 读取上次存储在 内部的显示模式 在 32 64 单色屏中上半屏存储时间 温度等数据 下半屏存储的是上位机要传输过来的数据 进入下载模式后从上位 机传送来的数据经过 MAX232 串口存放到单片机内部的扩展数据存 储区 在 AT24C64 存储区中开辟 192 字节 1536 位 动态显示缓 冲区 Display Buffer 和 32 字节的字模数据缓存区 Temp Buffer 两个 缓存区编址连续 Display Buffer 中的一位与 LED 的一个点阵一一 对应 遵循结构化的程序设计思路 把单片机在显示模式时所有工作 量分为以下三个任务 1 扫描显示任务 扫描显示任务负责把 Display Buffer 中的 数据依次发送到列驱动器 74HC595 并按严格的时序高电平选通十 六根行扫描线 Y0 Y15 使每一列数据对应着一个行线状态 2 移动处理任务 移动处理任务负责完成显示字符逐点阵向 13 48 左移动的算法处理 这是最基本的显示效果 其它大部分显示效果 如 左移六字暂停 全屏定格显示等都是以逐位左移为基础 对显 示字符的移动 实质上是对显示缓冲区 Display Buffer 内数据的移 动 该算法是将 Display Buffer 和 Temp Buffer 中的数据首尾相接地左移 一位 并不断把 Temp Buffer 移入 Display Buffe 3 字符更新任务 在单片机的 xdata 区开辟了 32 字节的字模 数据缓存区 Temp Buffer 该缓存区与 Display Buffer 编址连续 当 调用字符更新任务时 程序从 E2PROM 内码区指定位置读取相邻两 字节的汉字内码数据 并通过一定的算法 把上位机发送的汉字编 码转换成标准的 GB2312 汉字编码 单片机通过 I2C 接口 向 E2PROM 发送读命令和地址 单片机连续读取 32 字节的全角汉字字 模数据或 16 字节的 ASCII 半角字模数据 这些字模数据就存储在 32 字节的字模数据缓存区中 字模数据缓存区 Temp Buffer 中的数 据可通过调用移动处理任务而逐位转移至动态显示缓冲区 Display Buffer 中 这样在 LED 显示屏上就显示我们所需要的内容 4 硬件电路设计 4 1 LED 控制卡电路设计 LED 点阵屏控制卡是整个 LED 显示屏的核心控制器件 它集 成了 STC12C5A60S2 主控芯片 时钟芯片 温度传感器 存储芯片 串口转换电路为一体的控制器 它是控制点阵屏的核心部分 各项 14 48 功能的实现必须经过控制卡的控制 通过 LED 控制卡来驱动 32 64 显示屏上面的行 列选通芯片 把十六进制汉字编码送 74HC595 显 示 本系统设计的控制卡接有标准的 T08 接口和 T12 接口 也适合其它型号的点阵屏使用本控制卡 因此控制卡的设计非常重 要 图 4 1 为核心控制器件与标准的接口 其他各个部分控制电路 见附录 A P4 2 INT3 1 P1 0 T2 2 P1 1 T2EX 3 P1 2 4 P1 3 5 P1 4 6 P1 5 7 P1 6 8 P1 7 9 RST 10 RXD P3 0 11 INT2P4 3 12 TXD P3 1 13 INT0 P3 2 14 INT1 P3 3 15 T0 P3 4 16 T1 P3 5 17 WR P3 6 18 RD P3 7 19 XTAL2 20 XTAL1 21 GND 22 P4 0 23 P2 0 24 P2 1 25 P2 2 26 P2 3 27 P2 4 28 P2 5 29 P2 6 30 P2 7 31 P4 4 32 ALE P4 5 33 P4 1 34 P4 6 35 P0 7 36 P0 6 37 P0 5 38 P0 4 39 VCC 44 P0 0 43 P0 1 42 P0 2 41 P0 3 40 STC12C5A60S2 PLCC 44 1 89C52 44 30P C6 30P C7 GND 10 F CJ1 1k R2 10k R4 S5 GND VCC RST RST X1 X2 X1 X2 18B20 SCL SDA P2 5 P2 3 P2 4 P3 3 1 2 3 4 5 6 7 8 P2 CON1x8 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 CON1x8 GND GND GND GND GND EN R1 R2 A B C D G1 G2 CLK STB 1 2 3 4 5 6 7 8 P4 CON1x8 1 2 3 4 5 6 7 8 P3 CON1x8 GND GND GND GND GND EN R1 R2 A B C D G1 G2 CLK STB 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P6 GND STB CLK R1 EN D C B A R2 G1 1 2 PJ1 P3 0 P3 1 GND VCC R1 R2 G1 G2 EN STB CLK A B C D P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 12 Y1 11 0592kHZ T20单 单 T08单 单 T08单 单 单 单 单 单 单 单 单 图 4 1 控制卡原理图 4 1 1 列驱动电路设计 本设计中 32 64 点阵屏的列驱动电路由 16 片串联的 8 位移位锁 存器 74HC595 构成 如下图 4 2 所示 通过第一片串行数据输出脚 SQ 接入第二片的数据输入端 再从第二片的数据输出脚接入第三 片 595 的 14 SI 脚数据输入端 这样通过多片级联就可以控制多 个点阵屏模块的列选 再加上时钟线 CLK 输出锁存数据线 RST 多块 595 级联时也只要控制这三个控制端口我们就可以控 制 32 64 点阵屏的列选号的输出 74HC595 在 5V 供电的时候能够达到 30MHz 的时钟速度 每 15 48 个并行输出端口均能承受 20mA 的灌电流和拉电流 这个特点保证 了不用增加额外的扩流电路即可轻松的驱动 LED 它输入端允许 500nS 的上升 下降 时间 对严重畸形的时钟脉冲仍能检测 这样 就可以容纳较大的传输线对地电容 使本设计的抗干扰能力增强 由于 LED 显示屏的工作电流时刻在变化 造成了系统电压的波 动 这种电压波动有高频成分 也有低频成分 轻则对周围无线电 环境造成电磁污染 重则使系统时钟紊乱 逻辑错误 为避免此问 题 在每个 74HC595 的电源 VCC 和 GND 旁边都并联了两个电容 用于滤波和退耦 稳定系统电压 旁路掉电源中的高频脉动成份 消除自激 减小对外杂散电磁辐射 提高 EMI 电磁兼容性 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 GND 8 Q7 9 MR 10 SHcp 11 STcp 12 OE 13 DS 14 Q0 15 VCC 16 1 74HC595 Q1 1 Q2 2 Q3 3 Q4 4 Q5 5 Q6 6 Q7 7 GND 8 Q7 9 MR 10 SHcp 11 STcp 12 OE 13 DS 14 Q0 15 VCC 16 2 74HC595 GNDGND GB64 GB65 GB66 GB67 GB68 GB69 GB70 GB71 GB72 GB73 GB74 GB75 GB76 GB77 GB78 GB79 VCC GND VCC GND VCC VCC R1 RST CLK SD 图 4 2 两片 74HC595 级联图 4 1 2 行驱动电路设计 32 64 点阵屏共用 16 片 138 级联 通过总线驱动芯片 74HC245 驱动行 列信号 从总线上的低 4 位输出的行号经两片 138 级联后形 成 4 16 线译码器后生成 16 条行选信号 具体电路如图 4 3 所示 再经过驱动管驱动对应的行线 一条线上要带动 32 列的 LED 灯同 时发光时 按每一 LED 器件 15mA 电流计算 32 个 LED 同时发光 16 48 时 需要 480mA 的电流 选用三极管 8550 作为驱动管可以满足要 求 74HC138 为 3 线 8 线译码器 其工作原理为 当一个选通端 G1 为高电平 另外两个选通端 G2A 和 G2B 为低电平时 可将 地址端 A B C 的二进制编码在 至 对应的输出端以低 电平译出 当数据超过 位之后 电平拉高后可对 数据操作 两片级联后的 138 电路如下 A 1 B 2 C 3 G2A 4 G2B 5 G1 6 Y0 7 GND 8 Y1 9 Y2 10 Y3 11 Y4 12 Y5 13 Y6 14 Y7 15 VCC 16 U3 74HC138 A 1 B 2 C 3 G2A 4 G2B 5 G1 6 Y0 7 GND 8 Y1 9 Y2 10 Y3 11 Y4 12 Y5 13 Y6 14 Y7 15 VCC 16 U2 74HC138 VCCVCC GNDGND A0 B0 C0 OE1 D0 D0 C0 B0 A0 OE2 OE2 图 4 3 两片 74HC138 级联电路图 4 2 时钟模块电路设计 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能 低功耗 带 RAM 的实时时钟电路 它可以对年 月 日 周日 时 分 秒进 行计时 具有闰年补偿功能 工作电压为 2 5V 5 5V 采用三线接 口与 CPU 进行同步通信 并可采用突发方式一次传送多个字节的时 钟信号或 RAM 数据 DS1302 内部有一个 31 8 的用于临时性存放 数据的 RAM 寄存器 DS1302 是 DS1202 的升级产品 与 DS1202 兼容 但增加了主电源 后背电源双电源引脚 同时提供了对后背电 源进行涓细电流充电的能力 可以对时间进行不掉电保存 图 4 4 17 48 为时钟模块电路 VCC 1 X1 2 X2 3 GND 4 RST 5 I O 6 SCLK 7 VCC2 8 DS1302 U2 DS1302 10P C8 10p C9 VCC GND 10k R3 12 BT1 CR1220 GND VCC P2 3 P2 4 P2 5 GND 12 Y2 32 768KHZ 图 4 4 DS1302 时钟电路图 4 3 温度驱动电路设计 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS1820 是世界上第一片 支持 一线总线差为 2 C 现场温度直 接口的温度传感器 一线 总线独特而且经济的特点 使用户可轻松地组建传感器网络 为测 量系统的构建引入全新概念 现在新一代的 DS1820 体积更小 更 经济 更灵活 DS18B20 支持 一线总线 接口 测量范围 55 C 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C DS1822 的精度较 接以 一线总线 的数字方式传输 见图 4 5 所示这种方式大大提高了 系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的现场温度测量 如 环境控制 设备或过程控制 测温类消费电子产品等 本设计通过不断采集 DS18B20 的 I O 口输出的数据送入显示函数实时更新采集过来的温 度然后送 LED 显示屏显示 GND E I O B VCC C DS1 DS18B20 10k R9 GND VCC 18B20 图 4 5 温度采集电路 4 4 MAX232 串行通信电路设计 要使上位机能对条屏进行参数设置 显示内容更新等操作 就 18 48 离不开和上位机的通信 有并行和串行两种通信方式 为了节约传 输线成本 本设计采用 RS 232C 串行通信方式 如图 4 6 所示的 P3 0 与 P3 1 口接入单片机的数据输入端和数据输出端 通过 LED 灯的闪烁判断数据是否已传输到下位机 RS 232C 是由美国电子工业协会 EIA 正式公布的 在异步 串行通信中应用最广泛的标准总线 现在 计算机上的串行通信端 口 RS 232C 是标准配置端口 已经得到广泛应用 计算机上一 般都有 1 2 个标准 RS 232C 串口 即通道 COM1 和 COM2 11 RS 232C 规定最大的负载电容为 2500pF 这个电容限制了传输 距离和传输速率 由于 RS 232C 的发送器和接收器之间具有公共信 号地 GND 属于非平衡电压型传输电路 不使用差分信号传输 因此不具备抗共模干扰的能力 共模噪声会耦合到信号中 在不使 用调制解调器 MODEM 时 RS 232C 能够可靠进行数据传输的 最大通信距离为 15 米 因此不适合做远距离通信 但是对于条屏 通信 15 米的通信距离已经足够 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U1 MAX232 104 C1 104 C2 104 C4 104 C5 104 C3 GND GND 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J1 DB9 GND P3 0 P3 1 D1 LED 1k R1 VCC VCC 图 4 6 上位机与单片机串行通信电路图 19 48 4 5 系统电源及通信电缆的选择 4 5 1 对于 LED 显示屏的电源要求 本系统没有设置独立的 5V 稳压器件 因此要求外部能对其提供 相对稳定的电压 为保证单片机等集成电路的稳定工作 要求电源 电压的最大波动范围在 4 8 5 2V 之间 本系统的工作电流随着显示内容的不同有很大变化 在 LED 全 灭的状态下 耗电电流为 60mA 左右 在 LED 全亮的情况下 工作 电流可以达到 3A 在滚动显示汉字的时候 耗电约为 500mA 左右 因此 要求供电电源在负载电流变化较大的情况下能保持相对稳定 的电压输出 同时 条屏一般是全天候工作 对电源系统的长时间 工作的稳定性要求较高 考虑到上述因素 本设计采用功率容量 200W 输出 5V 40A 的 成品单端反激式开关电源来为条屏系统供电 10A 的电流容量对于 条屏系统 3A 的满负荷电流仍有较大的余量 保证了长时间使用稳 定性 4 5 2 开关电源在 LED 屏应用中的优势 使用开关电源 相对于线性电源来说 有以下几个明显的优势 成本低廉 同等电压和电流容量的开关稳压电源的成本 是传统的 工频变压器线性稳压电源的 30 左右 因此 在许多场合 开关电 源已逐步取代线性电源 高效率 体现在极高的转换效率和极低的 调整损耗上 开关电源的换能器是工作在开关状态下 因此转换的 20 48 效率极高 长时间满负荷工作也不会引起电源过热 正好满足条屏 的应用场合 功率密度大 开关电源能够轻松地提供 10A 以上的电 流 在同等输出功率下 开关电源的体积只有线性电源的四分之一 重量为线性电源的十分之一 功率越大 其优势越明显 对于通信 电缆的选择 本设计是将通信线和电源输入合并在一个 DB9 连接器 上 外部电缆使用多芯屏蔽电缆 这样的设计 紧凑美观 坚固耐 用 5 系统软件设计 5 1 上位机软件设计 因为是采用 VB 语言进行设计 故是采用面向对象的思想进行 编程 没有像 C 语言一样的具体流程 只能将各主要控件的主要事 件响应作简要流程说明 具体流程图如 5 1 所示 其关键的 HZK16 16 的汉字提取程序如下 For i 1 To 32 Step 1 字模校正对话框的字模代码显示 If Len Hex zw i 1 Then Text2 Text Text2 Text 2 器件选择时要详细阅读器件使用手册 不但要考虑器件的 功能实现还要考虑器件在整个系统中的兼容性 3 硬件系统的建立必须合理和稳定 实物建立之前最好进行 仿真这样才能为软件提供一个可靠的试验平台 4 软件的编写不但要实现功能还要不端的优化 简练 易读 虽然设计结束了 但学习还在继续 我相信通过此次设计所得到的 知识 心得 经验乃至感受也会让我在以后的日子里受益匪浅 参考文献 1 关积珍 LED 显示屏发展状况及趋势 J 世界电子元器件 2000 02 277 301 2 关积珍 陆家和 我国 LED 显示屏技术和产业发展及展望 J 现代显示 2004 02 34 37 3 袁波 朱保华 LED 显示屏的应用及发展状况 J 中国电子报 2004 09 2 8 4 王尔镇 我国 LED 及显示屏的技术和市场概况 J 微电子技术 1998 06 1 10 5 高春艳 李俊民 刘彬彬 Visual Basic 应用开发完全手册 明日科技编著 M 北京 人 29 48 民邮电出版社 2006 12 33 76 6 李朝青 刘艳玲 沈怡麟 单片机与 PC 机网络通信技术 M 北京 北京航空航天大学出 版社 2007 2 1 110 7 谭浩强 C 程序设计 第二版 M 北京 清华大学出版社 1999 12 56 8 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 M 北京 电子工业出版社 2009 1 178 184 9 付军 VisualBasic 实用编程 100 例 M 北京 中国铁道出版社 2003 5 152 158 10 李长林 VisualBasic 串口通信技术与典型实例 M 北京 清华大学出版社 2004 4 89 11 周子琛 申振宁 用 VB 实现计算机与单片机的串行通信 J 半导体术 2002 27 1 42 44 12 Miscrosoft 公司 Visual Basic6 0 中文版语言参考手册 M 北京 希望电脑公司希望图书 创作室 1999 1391 1394 13 李现勇 Visual C 串口通信技术与工程实践 第二版 M 北京 人民邮电出本社 2004 7 310 314 致 谢 30 48 31 48 附录 A LED 显示屏控制卡原理图 P4 2 INT3 1 P1 0 T2 2 P1 1 T2EX 3 P1 2 4 P1 3 5 P1 4 6 P1 5 7 P1 6 8 P1 7 9 RST 10 RXD P3 0 11 INT2P4 3 12 TXD P3 1 13 INT0 P3 2 14 INT1 P3 3 15 T0 P3 4 16 T1 P3 5 17 WR P3 6 18 RD P3 7 19 XTAL2 20 XTAL1 21 GND 22 P4 0 23 P2 0 24 P2 1 25 P2 2 26 P2 3 27 P2 4 28 P2 5 29 P2 6 30 P2 7 31 P4 4 32 ALE P4 5 33 P4 1 34 P4 6 35 P0 7 36 P0 6 37 P0 5 38 P0 4 39 VCC 44 P0 0 43 P0 1 42 P0 2 41 P0 3 40 STC89C52 PLCC 44 1 89C52 44 30P C8 30P C9 GND 10 F CJ1 1k R7 10k R9 S6 GND VCC RST RST X1 X2 X1 X2 GND E I O B VCC C DS1 DS18B20 10k R8 GND VCC 18B20 18B20 A0 1 A1 2 A2 3 VSS 4 SDA 5 SCL 6 WP 7 VDD 8 U2 24C08 10k R5 10k R4 VCC GND GND SDA SCL SCL SDA VCC 1 X1 2 X2 3 GND 4 RST 5 I O 6 SCLK 7 VCC2 8 DS1302 2 DS1302 10P C6 10p C7 VCC GND 10k R3 12 BT1 CR1220 GND VCC P2 3 P2 4 P2 5 P2 5 P2 3 P2 4 S1 S2 S3 S4 GND P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 1 2 3 P7 VCC GND 1k R6 VCC P3 3 P3 3 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U1 MAX232 104 C1 104 C2 104 C4 104 C5 104 C3 GND GND 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J1 DB9 GND P3 0 P3 1 D1 LED 1k R1 VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 P4 CON1x8 1 2 3 4 5 6 7 8 P3 CON1x8 GND GND GND GND GND EN R1 R2 A B C D G1 G2 CLK STB 1 2 3 4 5 6 7 8 P6 CON1x8 1 2 3 4 5 6 7 8 P5 CON1x8 GND GND GND GND GND EN R1 R2 A B C D G1 G2 CLK STB 1 2 3 4 5