LED点阵显示系统设计 毕业设计.doc

东华理工大学毕业设计（论文） 摘要摘 要LED显示屏是全球迅速发展起来的新型信息显示媒体。本文通过对LED显示屏的现状和发展历史的认识，使我们更深层次的了解到了LED在现代社会中的地位以及重要性。本文对点阵LED的硬件设计做了分析对比，采用动态扫描法串行输出数据的方案对LED显示屏进行硬件设计，AT89C52作为整个系统的控制系统，通过列驱动和行驱动使LED显示屏能够滚动显示汉字英文以及图片等信息。关键词：LED显示屏、 点阵、芯片、AT89C52 东华理工大学毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTLED display is a rapidly developing new information shows up in the media. Based on the LED display the status and understanding of the history of the development so that we understand that the deeper the LED in a modern society, as well as the importance of the position. In this paper, the hardware design of LED dot matrix done a comparative analysis, the use of dynamic scanning program serial output data on the LED display for hardware design, AT89C52 as the control system of the entire system through the line out drive and LED display can be driven so that English, as well as a rolling display of Chinese characters, photographs, and other information.Key words:AT89C52 chip LED dot matrix display东华理工大学毕业设计（论文） 目录目 录绪 论10.1LED 显示屏的研究背景及意义10.2 LED显示屏的发展趋势41 LED显示屏工作原理61.1 LED技术现状61.1.1 LED显示屏相关定义和分类61.1.2发光二极管的检测81.1.3 LED显示屏相关技术91.2屏体部分结构与功能101.3控制器结构与功能121.4 点阵LED显示器的组成原理及控制方式131.4.1字点阵显示原理131.4.2 LED显示器的控制方式151.4.3 LED显示器与单片机的接口171.4.4 驱动电路简介171.4.5 字模数据171.5 PC机与单片机串行通信接口设计191.5.1 PC 机与单片机通信时必须进行电平转换191.5.2 MAX232 电平转换芯片192硬件模块设计202.1方案的比较202.2 主要元件介绍222.2.1 单片机AT89C52222.2.2 4线16线译码器74LS154242.2.3 大功率2SC8050NPN三极管282.3系统电路分析312.3.1 总体设计312.3.2 单片机功能电路322.3.3 单片机的复位电路322.3.4 单片机的晶振电路342.3.5 驱动电路362.4调试及性能分析363总结与展望373.1工作总结373.2 工作展望37致 谢39参考文献40附录东华理工大学毕业设计（论文） 绪论绪 论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。0.1LED 显示屏的研究背景及意义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。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。由于具有容易控制、低压直流驱动、组合后色彩表现丰富、使用寿命长等优点，广泛应用于城市各工程中、大屏幕显示系统。LED可以作为显示屏，在计算机控制下，显示色彩变化万千的视频和图片。 LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体。50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，1962年，通用电气公司的尼克何伦亚克（NickHolonyakJr.）开发出第一种实际应用的可见光发光二极管。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，即固体封装，所以能起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命、低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司3采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。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。一、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、二维、三维动画、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，如阴极管(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；影像投影设备亮度小、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、图像、动画、视频、录像信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。2、 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。LED显示屏特点：1.使用寿命长：发光二极管的使用寿命在10万小时以上。2.反应速度快：半导体器件，延迟小。3.可视距离远：LED的单点直径可达60mm，甚至更大，可视距离500米以上。4.规格品种多：按照使用环境-室内显示屏、户外显示屏、半户外显示屏；显示颜色-有单色显示屏、双色显示屏、彩色显示屏。用途。5.颜色鲜艳、图象逼真：显示灰度已经达到625003种。6.数字化程度高：全数字化，可实现高分辨率图形方式。7.亮度高：可用于户外，如交通灯、防雾灯等。8.可视角度大：室内显示屏可达160度，户外的可达120度。影响力大：显示面积大，配备音响，具有其他显示器无法达到的感染力、轰动效应。驱动电压低：普通驱动电压为5V。0.2 LED显示屏的发展趋势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。近几年来，作为半导体照明领域的一部分，城市景观照明及室内外装饰照明的霓虹灯和部分传统光源必将逐步被具有节能、环保、寿命长、可靠性高及可实现全彩变化的LED光源所取代。目前，在装饰照明领域中用LED制作的各类灯具正被逐步推广。由于网络技术的普及和成熟, LED装饰照明控制系统中应用TCP/IP网络技术己成了一种明显的趋势。用TCP/IP协议可使整个系统的宽带、距离、可靠和双向等功能的实现，这意味着在一个网络里可同时连接的设备更多，且连接的距离更长，传输控制协议使LED装饰照明系统的控制质量和可靠性更高，双向通讯使设备的远程监测和控制更有效，因而构筑大规模可靠的LED装饰照明系统的网络成本更低，这是以现代计算机网络技术为支持的必然结果。设计一种控制系统如能采用现有成熟的技术方案和产品是相当明智的方法，LED-NET系统是以DMX512协议和计算机网络技术TCP/IP协议为基础开发出来的LED灯饰照明控制系统，使其更加适合LED灯饰行业的应用。这样意味着拥有大量现成而众多的DMX512设备、网络产品和软件资源例如集线器、电缆、光纤和无线连接产品以及远程控制和监测技术，此外，现有大楼和各种场所已遍布以太网，更可方便装饰照明系统工程的临时使用。我国LED显示屏的技术相对领先，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。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先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控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也已由国内企业开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。 应用领域广泛。LED诱人的产业前景：1.产业前景可观，LED光源已成为全球最热门、最瞩目的光源，特别是LED的发光效率正在大幅度提高，LED被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。人们生活水平的逐步提高,对生存环境质量的要求也越来越高,从而对照明产品也提出更高的要求。中国照明行业正处于高速成长时期，照明行业目前产值超1600亿，每年还以20%速度成长,具有很大的发展空间。据统计，2007年，中国LED照明市场继续保持着近年来良好的发展势头，比上年增长了43.5%。其中建筑景观LED照明市场已较为成熟，年规模达200亿，路灯市场每年有400-500个亿的市场需求。根据专家预计：LED照明进入通用照明市场将在2-3年之内必将实现，其潜在市场将是现有照明行业产值的3-5倍。2.国家政策推波助澜，国家节能政策大纲明确规划，要大力发展城市绿色照明技术，发展城市景观LED灯泛光照明。信息产业部将努力为LED产业营造良好的政策环境,同时在鼓励技术创新、扩大产业规模、加强应用开发三个方面推动产业发展。2008年1月21日，财政部和发改委联合发布高效照明产品推广财政补贴资金管理暂行办法。办法规定：城乡居民用户使用每只高效照明产品，中央财政将按中标协议供货价格的百50给予补贴，而大宗用户的每只高效照明产品，中央财政将给予30补贴。有关部门预计，在“十一五”期间，中国通过财政补贴方式将推广高效照明产品一点五亿只。由此可见，随着国家对节能和环保的高度重视，以及政策的大力支持，LED照明产业将有着很好的发展前景。3、城市景观LED照明市场趋于成熟，进入21世纪，城市的夜晚景观在国内外都受到越来越多的重视。美丽的灯光夜景是城市现代化的重要标志。开发城市的夜晚景观，是展示城市特色、促进商业和旅游业的繁荣及迈向国际化的“硬件”条件之一。现在的城市，没有夜景照明是不可想象的，所以城市的公用性建筑、标志性建筑，几乎都承担着夜间景观照明的使命。国内很多城市已经意识到开发城市夜晚景观的重要性，并做了许多实际工作，取得初步成效。城市景观照明的发展极大也刺激了对照明产业的需求，同时对照明产品的功能及技术提出了新的要求。LED在城市景观照明领域的应用优势几乎无可取代，LED具备高效节能、长寿命低维护、环保无污染、多彩新颖的LED光源，取代传统的白炽灯和充气光源，逐渐成为城市景观照明中的主角，其条件已趋于成熟11。5东华理工大学毕业设计（论文） LED显示屏工作原理1 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显示屏的文字、数字显示，并且只对系统硬件部分进行研究、设计。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。1.1 LED技术现状1.1.1 LED显示屏相关定义和分类LED点阵显示器亦称LED点阵或LED矩阵板.它是以发光二级管为像素(亦称像元),按照行与列的顺序排列起来，用集成工艺制成的显示器件.具有亮度高且均匀,该可靠性,接线简单,拼装方便等优点,被广泛用于大屏幕LED智能显示屏、智能仪器和机电一体化设备中，用先进的智能显示技术来取代数显技术。常见的有（其中代表列数，代表行数）、点阵。下面是LED相关的定义：一、LED：发光二极管 Light Emitting Diode二、LED 显示屏 ：LED Panel由LED器件组成的显示屏幕三、双基色LED显示屏：Double-color LED Panel 由红绿双基色LED器件组成并可以调出橙色的LED显示屏四、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显示屏显示屏的分类：一、按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。按灰度级又可分为16，32，128，256级灰度LED显示屏等。二、按发光管出光面特征分，分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。三、从发光强度角分布图来分有三类：1.高指向性:一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。2.标准型:通常作指示灯用，其半值角为2045。3.散射型:这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。4按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。四、按发光强度和工作电流分，有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。LED的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VRRm。LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。下表1表示几种单色、彩色LED点阵显示器的主要参数：表1：几种单色、彩色LED点阵显示器的主要参数型号规格像素/个发光颜色PM/mWIF/mAIFM/mAUF/VIV/mcdP/nm单色光复合光BFJ-OR5*735红-6010302。50。26308*864BJT-G5*735绿-6010302。50。35658*864BJT-OR/G8*864红橙60*210302.50。2630绿0。3565KSM-855-18*864红全彩色140255001。9160628绿120305003。8180468蓝220505001。9110550通过上表1可知,彩色LED点阵显示器以三变色发光二级管作为彩色像素,可发出红、绿、橙（复合光）三种颜色，像素密度相当于单色点阵的3倍，能获得近似的彩色效果，如果构成彩色智能显示屏。典型BFJOR/G型每条行线和各条列线之间，分别接一只红色、绿色发光二级管。1.1.2发光二极管的检测一、普通发光二极管的检测1.用万用表检测。利用具有10k挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200k,反向电阻的值为。如果正向电阻值为0或为，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为10k挡不能向LED提供较大正向电流。如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。两块万用表均置10挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至1若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于1，以免电流过大，损坏发光二极管。2.外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。如果测得VF在1.43V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF3V，且不发光，说明发光管已坏。二、红外发光二极管的检测由于红外发光二极管，它发射13m的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.32.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。1.1.3 LED显示屏相关技术一、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，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。二、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。三、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。1.2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 。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双色LED屏，具体设计方案将在后面加以叙述。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3。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。下图做示的为LED共阴极的内部电路，图中为绿色发光二极管，为红色发光二极管。两种二极管封装在一起，通过对选通信号的选择控制来控制二极管的亮灭。图1 LED共阴极的内部电路1.3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。单片机系统行扫描电路及控制列扫描电路及控制行驱动列驱动16*16点阵接口图2单片机功能框图1.4 点阵LED显示器的组成原理及控制方式1.4.1字点阵显示原理 利用1616点阵可以显示8912个国标一、二级汉字、西文、数字和字符，常见的汉字均可用32个字节点阵的16进制码表示。若把图全部摸黑，上述16组 编码均可改成F，就以全亮方式显示，由此可检查屏幕上所有LED的质量好坏。我们以UCDOS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象素，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象素范围内的任何图形。如查用8位的AT89C52单片机控制，由于单片机的总线为8位，一个字需要拆分为2个部分，如图3所示。图3.汉字显示原理为了弄清楚汉字的点阵组成规律，首先通过列扫描方法获取汉字的代码。汉字可拆分为上部和下部，上部由816点阵组成，下部也由816点阵组成。本例通过列扫描方法首先显示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00P07口，方向为P00到P07，显示汉字“大”时，P05点亮，由上往下排列，为：P0.0灭，P0.1灭，P0.2灭P0.3灭，P0.4灭，P0.5亮，P0.6灭，P0.7灭。即二进制00000100，转换为十六进制为04h。上半部第一列完成后，继续扫描下半部的第一列，为了接线的方便，我们仍设计成由上往下扫描，即从P27向P20方向扫描，从图3可以看到，这一列全部为不亮，即为00000000，十六进制则为00h。依照这个方法转向第二列、第三列，直至第十六列的扫描，一共扫描32个8位，可以得出汉字“大”的扫描代码为：04H,00H,04H,02H,04H，02H,04H,04H04H,08H,04H,30H,05H,0C0H,0FEH,00H05H,80H,04H,60H,04H,10H,04H,08H04H,04H,0CH,06H,04H,04H,00H,00H由这个原理可以看出，无论显示何种字体或图像，都可以用这个方法来分析出他的扫描代码从而显示在屏幕上。上述方法虽然能够让我们弄清楚汉字点阵代码的获取过程，但是依靠人工方法获取汉字代码是一件非常繁琐的事情。为此，我们经常采用字库软件查找字符代码，软件打开后输入汉字，点“检取”，十六进制数据的汉字代码即可自动生成，把我们所需要的竖排数据复制到程序中即可，如图4所示。图4.字库提取程序可见，汉字点阵显示一般有点扫描、行扫描和列扫描3种。为了符合视觉暂留要求，点扫描方法的扫描频率必须大于1664=1024Hz，周期小于1ms即可。行扫描和列扫描方法的扫描频率必须大于168=128Hz，周期小于7.8 ms即可，但是一次驱动一列或一行(8颗LED)时需外加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。我们把行列总线接在单片机的I0口，然后把上面分析到的扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。在这个例子里，由于一共用到16行，16列，如果将其全部接入89c51单片机，一共使用32条io口，这样造成了io资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。实际应用中我们使用4-16线译码器74ls154来完成列方向的显示。而行方向16条线则接在P0口和P2口。为了将汉字在显示器或打印机上输出，把汉字按图形符号设计成点阵图，就得到了相应的点阵代码（字形码）。全部汉字字码的集合叫汉字字库。汉字库可分为软字库和硬字库。软字库以文件的形式存放在硬盘上，现多用这种方式，硬字库则将字库固化在一个单独的存储芯片中，再和其它必要的器件组成接口卡，插接在计算机上，通常称为汉卡。用于显示的字库叫显示字库。显示一个汉字一般采用1616点阵或2424点阵或4848点阵。已知汉字点阵的大小，可以计算出存储一个汉字所需占用的字节空间。例：用1616点阵表示一个汉字，就是将每个汉字用16行，每行16个点表示，一个点需要1位二进制代码，16个点需用16位二进制代码（即2个字节），共16行，所以需要16行2字节/行=32字节，即1616点阵表示一个汉字，字形码需用32字节。即：字节数=点阵行数点阵列数/8用于打印的字库叫打印字库，其中的汉字比显示字库多，而且工作时也不像显示字库需调入内存。可以这样理解，为在计算机内表示汉字而统一的编码方式形成汉字编码叫内码（如国标码），内码是惟一的。为方便汉字输入而形成的汉字编码为输入码，属于汉字的外码，输入码因编码方式不同而不同，是多种多样的。为显示和打印输出汉字而形成的汉字编码为字形码，计算机通过汉字内码在字模库中找出汉字的字形码，实现其转换8。1.4.2 LED显示器的控制方式本次设计中采用88点阵LED显示器，简称LED点阵板或LED矩阵板。它是以发光二极管为像素，按照行与列的顺序排列起来，用集成工艺制成的显示器件。有单色和双色之分，这种显示器有共阳极接法和共阴极接法两种，设计中用到的是共阳极的显示器。共阳极接法的原理图如图5所示，图中画出了88点阵的二极管。每一行发光二极管的阳极接在一起，有一个引出端r，每一列发光二极管的阴极接在一起，有一个引出端c。当给发光二极管阳极引出端r1加高电平，阴极引出端c1加低电平时，左上角的二极管被点亮因此，对于行和列的电平进行扫描控制时，可以达到显示不同汉字的目的。例如“毕业设计”的显示可以按照从左到右，先下后上的顺序写出编码。然后写入单片机的数据存储单元中。“毕业设计”4个字的编码表如下：TAB: DB 0BBH,99H,88H,0F7H,80H,0F7H,0F7H,0F7H 毕 DB 0DBH,0DBH,5AH,99H,0DBH,0DBH,0DBH,00H 业 DB 0B1H,0B5H,04H,0BFH,0B1H,0B5H,9BH,0A4H 设 DB 0BBH,0BBH,1BH,0A0H,0BBH,0BBH,9BH,0BBH 计 DB 00H,00H,00H,00H图5 88点阵单色LED显示器组成原理图图6 88点阵单色LED引脚的排列图1.4.3 LED显示器与单片机的接口88点阵LED的引脚图如图6所示，当采用单片机进行控制时，连接点阵显示器的共阳极r端需经驱动三极管8055与单片机的P3口相连，而共阴极c端需经限流电阻与单片机的P0口相连。在编程控制时，将88点阵LED显示分成行和列两部分，字符数据从P0口输出，扫描控制字从P3口输出，每一列由一个字节的数据组成，数据可一次送入，然后扫描一行，显示一个字需要扫描8次7。1.4.4 驱动电路简介显示器驱动是一个非常重要的问题，如果驱动能力差，显示器亮度就低；而驱动器长期在超负荷下运行则很容易损坏。如果是静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器工作电流相匹配即可。而且只须考虑段的驱动，因为，共阳极接+5V，而共阴极接地，所以位的驱动无须考虑。动态显示则不然，由于一位数据的显示是由段和位选信号共同配合完成的，因此，必须同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。理论分析表明，同样的驱动器，当其驱动静态显示器时，其亮度为驱动动态显示器的n倍，n近似为显示位数。所以要使动态显示器达到静态显示器的亮度，必须将驱动器能力提高n倍。本设计中，因为采用了4个88点阵LED显示器，用AT89C52单片机进行控制，因此它很适宜于按扫描方式动态显示多个字符数据，所以我们只选用了48个NPN型三极管作为驱动显示器的电路。 对于点阵型LED显示可以采用共阴极或共阳极，本系统采用共阴极。当行上有一负脉冲选通信号时，列端四位数据为1者发光二极管导通点亮。这样只需要将图形或文字的显示码作为列信号且对应于行信号的0逐行扫描，就可以逐行点亮点阵。由于扫描时间很快和人眼的视觉暂留效应，就可以显示图形或文字。1.4.5 字模数据 首先，从我们常用的计算机系统谈起，再扩展到我们要开发设计的点阵 LCD&LED 显示系统中去，其实单片机系统的显示原理和计算机是一样的。在计算机中，所有的数据（包括指令等）都是以 0 和 1 来表示的，这意味着，如果我们想要在显示器上显示字符，那么这些字符的信息将也会是以0、1来保存显示的。那么计算机是如何来存贮显示字符的呢？下面我们举例来说明点阵字符的数据存贮及显示原理（这里我们主要讨论的是点阵字符，故有关计算机矢量字符的显示及其原理这里就不作说明，而且单片机的寻址和计算能力远不及 PC ，故显示矢量的字符还是有一定的困难）。假设我们把计算机液晶显示器上显示 8x8 点阵的“田”字放大 10 倍，如下图7所示：0000000000000000011111000101010001111100010101000111110000000000图7 字模示意图字模数据放大之后，每一个小方格代表一个点，黑色的为1，白色为0；每一个点看作为一位（bit）。据此可以描绘出“田”字的位（bit）信息。采用行扫描的方式，每八位（bit）为一个字节，这里采用十六进制表示，这样就得到了字模数据。由上述的示例，我们可以清晰的了解到可视字符、位信息与字模数据之间的关系。（1） 点阵异常处理假设字符的点阵不是8的倍数怎么办呢？通常情况下可以不计或在后面以 4个0位补足8位都可，例如：1212点阵的汉字，以本人编写的字模工具软件 为例，是这样处理的：先假设对1212的点阵字符进行扫描，第一行的前8位为一个字节，第一行的后面4位形成一个字节，以后的每行逐次类推，直到扫描到最后一行，行成一个完整可用的字模数据。（2）点阵字库把上述很多很多字符的字模数据按照一定的排列顺序存放在一起，就形成了点阵字库。这里所讲的字库是广义的，可以是文件，也可以是其他的东西，例如：数组、 DB 表等等所有可以存取数据的形式。1.5 PC机与单片机串行通信接口设计1.5.1 PC 机与单片机通信时必须进行电平转换PC 机串行口使用的是RS - 232C 逻辑电平,而AT89C51 单片机串行口的输入输出均为TTL 电平,因此,当PC 机与单片机通信时必须进行电平转换。常见的电平转换方法有以下3种:1.使用MC1488 和MC1489 电平转换器。由于MC1488 和MC1489 需要15V 或12V 供电,所以使用不方便,而且工作稳定性和可靠性也不高。2. 使用2 个三极管构成准RS - 232C 电平转换器。采用此方法串行通信只能工作于半双工状态,而且程序设计复杂。3. 使用双向电平转换集成芯片。此方法优点是只需单一个+ 5V 电源供电,可靠性高,无需增加程序设计的复杂性, 常用的芯片有ICL232 ,MAX232 ,TSC232 等。本文采用最后一种方法,芯片选用MAX232 9。1.5.2 MAX232 电平转换芯片MAX232 的组成框图如图1 所示。MAX232电平转换芯片是MAXIM 公司生产的一种新型的电平转换芯片,其内部有电压倍增电路和电压转换电路,只需单一 + 5V 电源供电。它含有4 个反向器,可实现2 路TTL/ CMOS 电平+ 5V 到RS -232C 电平10V 的转换和2 路RS - 232C 电平10V 到TTL/ CMOS 电平+ 5V 的转换。在实际应用中,MAX232 器件对电源噪声敏感,因此,电源VCC 应加上1F 的去耦电