基于LED显示屏的设计

学校代码 10126 学号 01072047 本科学年论文题 目 基于LED显示屏的设计院 系 内蒙古大学鄂尔多斯学院 专业名称 电子信息科学技术 年 级 2011 级 学生姓名 塔 娜 指导教师 李树华 王圆 2014年05月15日 学年论文指导教师评阅意见学 生姓 名塔娜专 业班 级电子信息科学与技术学号0107204711级（论文）题目基于LED显示屏的设计指导教师李树华 王圆教师职称教授 助教学年论文评语评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日摘要：近年来，LED(Lighting Emitting Diode, 发光二极管)电子显示屏作为一种高科技产品日益引起人们的重视。它可以实时显示或循环播放文字、图形和图像信息，具有显示方式丰富、观赏性强、显示内容修改方便、亮度高、显示稳定且寿命长等多种优点，被广泛应用于商业广告、体育比赛、交通信息报导等诸多领域。LED显示屏的核心技术主要集中在控制器中。目前，大部分异步显示屏采用的是8位或16位的微控制器，由于受到微处理器的处理速度、体系架构、寻址范围、外围接口资源等诸多限制，已难以在要求显示较多像素、显示内容帧频较高、动态显示效果复杂的情况下得到良好的动态视觉效果。 LED显示屏控制系统性能良好，工作稳定可靠，易于维护升级，具有很高的性价比。关 键 词：LED，数据传输，信息发布系统，单片机Author:TaNa Tutor:LiShuHua WangYuanABSTRACTIn recent years, Emitting Diode (LED the ambience, Emitting Diode) electronic display screen as a high-tech product increasingly attracted peoples attention. It can real-time display or looping text, graphics and image information, has displayed rich and appreciation of strong, display content modify convenient, high brightness, show stable and long service life etc. Various advantages, is widely used in commercial advertising, sport, traffic information reports, etc.The LED display core technology mainly concentrated in the controller. At present, most of the asynchronous display USES is 8 or 16 micro controller, due to the microprocessor processing speed, architecture, addressing scope, peripheral interfaces resources and so on many restrictions, it was difficult in required to display more pixels, display contents frame frequency taller, dynamic display effect of complex cases get good dynamic visual effect.The LED display control system has good performance, stable and reliable, easy maintenance upgrade, has the very high performance-price ratio.KEYWORDS:LED, Data transmission, Information release system,microcontroller目录第1章 绪 论31.1 LED大屏幕的发展状况与趋势4第2章 LED电子显示屏的介绍62.1 LED显示屏简介62.2 LED显示屏的特点7第3章LED显示屏的组成93.1 LED显示系统的构成103.2 LED显示屏的硬件原理13第四章 LED显示屏的设计144.1 LED点阵显示屏驱动设计144.1.1 常规驱动电路的设计144.1.2 点阵显示屏显示154.2 LED显示屏的控制模式16第五章 LED显示屏的应用195.1 LED显示屏的应用195.2 总结20参考文献21致谢21第1章 绪 论1.1 LED大屏幕的发展趋势二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一将有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。白光LED是LED产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受瞩目。欧、美及日本等先进技术国家也投注许多人力，成立专门的机构推动白光LED研发工作。可见国外LED显示屏技术主要集中在新材料的开发上，以新发光材料来提高显示屏的视觉效果、能耗等各种性能。随着能源紧缺问题越来越突出，LED的重要性和市场空间更加显著。鉴于我国LED产业的现状，不论技术还是产能短期内达到世界先进水平都有相当大的难度。要在国内发展高亮LED产业，可以充分利用国内现有的研发和生产力量，走合作发展的道路。 半导体产业的全球化发展，是每个企业都要面对和无法回避的。国内企业通过规范股权架构、加大研发，采取并购和合作的方式将海外先进技术引入国内，可争取与国际大厂基本在同一技术水平进行产业竞争。继上海、厦门、大连、南昌和深圳成为首批五个国家半导体产业化基地，国内封装和应用企业形成快速的市场适应能力和价格优势，我国大陆已经成为世界上重要的LED封装生产基地。封装及应用，尤其是国际应用产品加工有向我国转移的趋势。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。第2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。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示，与静态显示模式相对应的就有各种动态显示模式，它所显示的图文都是能够动的。产生不同显示模式的方法，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。例如，按顺序调整行号，可以使显示图文产生上下平移；顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的;同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著，刷新太快，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。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。4.易于安装采用显示单元板或显示单元箱体，可根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸，如果要扩大或缩小系统规模，只须按需要在系统中增加新单元，或拆去某个单元，系统完整性不会受到多少影响，便于安装和维护。综上所述 ，LED显示技术作为一种电子信息显示技术，相信随着各种科学技术的发展，LED显示系统以其优异的性能将会有更为广阔的发展前景。第三章LED显示屏的组成3.1 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3-3所示。PC机输出接口电路输入接口电路信号控制、转换LED显示屏行列驱动控制系统图3.3 LED显示系统构成3.2 LED显示屏的硬件原理LED显示屏由控制系统、驱动系统和显示器件组成，其中微处理器控制系统是整个显示屏的核心。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8X8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，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。LED显示屏的系统硬件结构框图如图3-4 所示: 图3.4 系统硬件结构框图LED大屏幕是由众多点阵模块排列而成。本系统由于横向点阵的列数较多，若采用列扫描方式来刷新点阵，有两点不足:一是点阵亮度受影响，二是整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。为了避免列扫描的不足，可以采用行扫描方式。这种扫描方式从每行模块的第一行LED顺次到该行模块的最后一行LED依次点亮模块的每一行。对于由8xS的模块构成的点阵来说，只要8次即可将每个模块刷新一次，也就是将屏幕刷新一次。LED显示屏作为一个单独的显示硬件，它能够将外来数据转换成图像显示出来。这个过程由硬件驱动程序来控制和实现。显示过程是这样的:首先控制显示的单片机接收LED屏主控微机传来的数据(按照通信协议组织的数据);接着，主控程序将数据转换成屏幕显示的图形，存储到显存；再按照扫描顺序与屏幕对应关系，将显存内容转换成扫描内容;再将数据输出到控制单个LED模块的数据锁存器;最后扫描锁存器中的数据，刷新屏幕。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4-1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4.1 扫描驱动电路原理由于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。第五章 LED显示屏的应用5.1 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。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。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。5.2 总结 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。通过行列驱动电路完成LED点阵模块的驱动，实现在脱离计算机的模式下完成保存信息的显示功能。通过信息预先保存，