LED显示屏控制器的设计与实现

学科分类号学科分类号 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 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 2013年年 05月月 15日日 本科生论文 设计 作者签名 年 月 日 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 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 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 time through human eye phenomenon II Key words Host computer LED display control card 32 64 monochrome dot matrix screen Clock chip 1 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L ED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 2 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 26m m 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 3 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 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 4 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 5 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LE D全点亮 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 6 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 7 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 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 75m m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L 8 ED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FPG A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STC12C5A60S 2单片机作为本次设计的核心控制器 其内部资源丰富 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 9 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E 2PROM 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FL ASH 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 10 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 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3 2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 11 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 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 12 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ST C12C5A60S2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59 13 5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 14 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 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RA M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 15 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 16 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 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 17 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 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 18 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 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 27 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 毕业设计也接近尾声 我的毕业设计也快完成了 在本次毕业 设计中也遇到了许多的问题 从最初的找资料到方案论证都经过了 周老师的细心指导 对我的毕业设计和论文提出了许多宝贵的意见 在我们不懂的时候还特意为我讲解 解开我的困惑 在此 谨向周 老师表示衷心的感谢 感谢我的同学和朋友 在设计期间是他们给了我无限的帮助与协助 帮我解答各种设计和论文上的疑问 对我的设计提出许多有用的 改进意见 在此一并感谢了 在设计和论文即将完成之际 我的心情无法平静 从开始进入 课题到论文的顺利完成 有多少可敬的师长 同学 朋友给了我无 言的帮助 在这里请接受我诚挚的谢意 28 29 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 6 7 8 9 10 P1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P2 GND STB CLK R1 EN D C B A R2 G1 D1 D2 USB1 GND S5 SW6 1k R2 D2 LED VCC GND 1 2 PJ2 1 2 PJ3 GND VCC 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 GND 12 Y1 6MHZ 12 Y2 11 0592kHZ 温度传感器 AT24C64存储器 DS1302时钟模块 串口通信模块 08接口 我的屏接口 主控器芯片 30 附录B LED显示屏控制卡PCB电路图 顶层 顶层 底层 底层 31 附录C VB上位机界面 附录D 本设计显示效果图片 1 阳码静态显示效果 2 低刷新率显示移动效果 32 3 中速刷新显示移动效果 附录E 程序清单 include include zimo h 字模采用阴码逐行 显示 32x32 define uchar unsigned char define uint unsigned int define SPEED 2 定义速度4 6 define LIGHT 10 定义亮度 取值范围0 10 define NUMBER 7 定义要显示总32X32汉字个数 计算 方法 NUMBER 汉字个数 uchar word 0 col 0 coll 0 disrow 0 wor为 要显字变量 col为位移变量 col1为字 节偏移