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 2 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 3 ，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、48、57、58、88、1616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88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 88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，58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。 5 以88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、Y1Y7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、X1X7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L ED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。 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6432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1616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3.75 mm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88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88汉字能够获得1616cm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LED 显示屏。STC12C560S2单片机是传统的8051单片机的升级版，外部时 8 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LE D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 9 需要显示的字符，则至少需要32B256=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，F LASH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。 10 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 11 AT24C64存储区中开辟192字节（1536位）动态显示缓冲区Display_Buf fer和32字节的字模数据缓存区Temp_Buffer,两个缓存区编址连续。Di splay_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（Y0Y15），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ASC II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。 12 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STC 12C5A60S2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 10F 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 13 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74 HC595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 14 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2.5V5.5V。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318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为时钟模块电路： 15 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 2C 。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-55C+125C，在- 10+85C范围内,精度为0.5C。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 16 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12 个标准RS-232C串口，即通道COM1和COM211。 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 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 17 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。 18 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. 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