LED显示装置总体设计

目录河南城建学院本科毕业论文目录目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 Abstract 目录 1.绪论 1.1课题研究背景 1.2LED发展现状和发展趋势 1.3研究本课题的内容及意义 2.LED显示装置总体设计 2.1系统设计要求 2.2系统设计方案 2.2.1系统设计思路 2.2.2系统的模块分析 3.LED显示装置硬件设计 3.1系统的硬件组成 3.2系统主要模块电路设计 3.2.1STC89C51单片机主控模块 3.2.274HC138译码模块 3.2.374HC595模块 3.2.4DS18B20模块 3.2.5其他模块 4.LED显示系统软件设计 4.1系统软件总体设计 4.2主要模块软件设计 4.2.1LED显示模块 4.2.2DS18B20模块 结束语 参考文献 致谢 附录 附录1 1.绪论1.绪论1.1课题研究背景半导体的发展，不但推进了重工业的飞速发展，并且在许多大众及服务行业也得到了广泛应用，一个重要的应用元器件就是二极管。二极管的分类有许多中，普通二极管、肖特基二极管、发光二极管以及势垒二极管等等，在不同的电路应用中，二极管的作用各不相同。以发光二极管为例，由成千上万个发光二极管均匀排列开来，以点阵的形式组成了LED显示屏，每一个发光二极管很好控制，那么若干个这样的二极管级联起来也可以通过计算机实现串行或并行控制，这样就实现了LED 显示屏的集中控制，这种技术也是随着计算机技术、电子技术、控制技术等不断发展起来的。利用发光二极管内部填充不同的气体，或者用不同材料制作而成，将其制作成不同色彩的LED显示源，就可以在通电情况下发出五颜六色的光亮。目前市场上应用较为广泛三种颜色是红色、绿色和黄色。这三种颜色按照一定的组合就可以实现变化的文本或图像，无论在室内和室外，其显示出的图像和文字、字符是其他显示装置或液晶屏所无法取代的[1]。随着这些年LED显示屏的广泛普及和大力发展，已经慢慢成为平板显示的主流产品，并且该产品在信息宣传以及信息显示等领域得到了广泛认可，主要因素有以下几点：首先是亮度高，LED的单元亮度是液晶显示无法取代的，由于LED显示更加细腻，因此在状态显示上劣于LED；其次是功耗小，LED单元的驱动电压低，功耗也小，得到业内广泛认可；再次是寿命长，由于LED只是状态驱动，要么开要么关，因此在使用寿命上更加久远；最后一点是安全性和稳定性好，经过同样的恶劣环境影响，LED显示平板比其他显示平板更加稳固可靠。基于上述优点，LED在以下领域得到了广泛应用。金融信息显示，特别是证券交易、商业银行信息显示。交通枢纽的信息显示；港口、码头的导引信息；体育场信息显示；道路交通灯及其他道路信息显示；调度指挥信息；服务领域的业务宣传；广告媒体显示等。1.2LED发展现状和发展趋势现代社会是一个人机时代，显示器件最为人机交互的枢纽，因此在社会发展中的作用不言而喻，LED平板显示技术已经是21世纪的主流产品。LED显示装置也在不断发展与优化，自从全彩化LED产品问世以来，LED的成本得到了有效降低，并且LED显示技术也得到了广泛应用。LED显示装置的应用已经从传统的单一色逐渐演变为全彩色变革，并且在制作成本上反而得到了降低，完全可以在实现全彩色显示的状态下，达到全天无气候影响显示的目标。按照这样的应用需求及发展速度，预计未来几年，更多的传统灯箱、彩色显示或霓虹灯都会被全彩色LED显示屏所取代，并且LED显示会向着更加的节能环保、对视觉友好化的趋势发展[2]。1.3研究本课题的内容及意义本文主要介绍LED显示装置的软件设计和制作过程，首先通过对LED显示研究背景和发展现状的介绍，给出了LED显示屏的研究内容和研究意义；其次针对LED显示装置的总体框架，给出了其硬件设计和软件设计内容，重点介绍软件设计部分；最后在附录中给出了采用LED显示屏实现实时温度显示的软件程序。说明了采用单片机实现LED显示屏的设计过程。LED显示屏的设计使我对该行业有了较为深刻的认识，通过采用STC89C51单片机控制LED显示屏，不但对LED显示屏的基本构成和基本原理有了一定的了解，并且在一定程度上掌握了控制器如何实现小系统。掌握单片机的软硬件开发过程特别是软件设计过程，使我对机器语言及C语言逻辑有了进一步理解，虽然我国的LED显示技术与国外还存在一定的差距，但是通过对LED显示技术的不断研究深入，将对我国LED显示技术具有十分重要的推动作用。2.LED显示装置总体设计2.LED显示装置总体设计HYPERLINK2.1系统设计要求LED显示装置所要实现的最基础的目标是对文字、语言或图像的显示，在此基础上，不但可以实现静态显示，并且还可以实现动态显示，这些显示都应该具备实时性要求，在此以温度显示为目标，通过在主控制器上拓展功能，实现通过红外遥控或按键实现对温度显示的良好控制。2.2系统设计方案按照下图2.1所示的系统框图，温度传感器与LED显示之间存在四个功能块，分别是主控制模块、行译码、列译码以及红外遥控。其中LED显示模块是主要部分，该部分直接与用户相连接。图2.1系统总体方框图2.2.1系统设计思路按照上述的系统总体框架图，其核心控制模块是主控制模块，该模块是STC89C51单片机，分别与行译码器和列译码器通过光隔离器件连接。在本文设计中，行译码器选用74HC138，列译码器选用74HC595，在控制器进行控制程序的设计之前，首先将需要用的汉字、字符或者图片用字库的形式编辑成数组，并且将该数组与文字、图片进行关联，当STC89C51单片机需要给LED显示数据时，按照特定数组的内容进行输出显示；当STC89C51单片机采集到DS18B20实时监测到的温度信息是，将其存储到相应的位置。2.2.2系统的模块分析目前大多LED显示系统都不是集中放置的，因此当某一部分出现故障时，为了便于维修或调整，采用模块化设计是一种比较有用的方案。以下对每一模块进行描述：（1）主控模块主控模块也称为主控制器，是LED显示系统中控制核心单元，一般采用单片机或者DSP进行控制，在本文的设计中，控制信号简单，因此采用STC89C51单片机进行控制。=1\*GB3①单片机单片机是一种微型计算机，常规由CPU，ROM，RAM和I/O口四部分组成，其中CPU相当于整个控制器的大脑，处于核心控制器的核心，控制性能的好坏在一定程度上区别于CPU的优劣。单片机的发展经历了漫长的过程，从8，16，32到64位CPU，经历了极大的发展，一些CPU内部还集成了数模转化技术、“看门狗”以及其他的扩展接口，极大的满足控制器开发者和使用者的使用。随着芯片内部集成化的不断发展，供电电压也在不断降低，从5V降低到3V，2V降低到1V，工作电流也从mA级别降至μA级别，这些方面的优化都使得单片机的应用更加广泛[3]。=2\*GB3②DSP芯片DSP技术也是微型计算机控制技术，该技术在数字信号处理能力方面是优于单片机的，特别是运算量较大，数据量较大的信号处理，DSP处于领先的地位。由于该芯片在这些方面的优势，因此其被广泛应用于通信、航空航天、医疗设备以及雷达跟踪等领域，普通控制器只能实现加法或逻辑门的运算，但是DSP却能实现乘法的运算，并且运算速率十分惊人，DSP具有三种结构：修正的哈佛结构、多总线技术以及流水线结构，除了这些特殊的结构之外，还具有一些特殊的指令，比如LMS，MACD指令等[4]。上述两种控制器各有优缺点，并且在使用的过程中各有利弊，因此在要根据实际过程中的设计目标进行选取，因为在设计中，主要是实现对点阵LED显示的控制，因此选择单片机就可以很好的完成相应的功能，而无需采用DSP实现复杂的运算功能。（2）通信方式在LED显示系统中，通信传输是一个关键环节，不但要是实现温度传感器与控制器之间的实时互通，并且还要实现控制器与LED点阵之间的有效控制，因此通信传输无论在信号稳定性上，还是在信号的传输距离上，都有一定要求，一般情况下，通信分为串行通信和并行通信，这两者通信根据使用对象及硬件接口各有区别。=1\*GB3①并行通信并行通信可以实现并行传输，一般情况下传输速度快，适用于距离较短的通信，成本较高。=2\*GB3②串行通信串行通信是将一包数据一位一位传输，数传速度慢，传输距离较长，并且该种通信方式一般是对通信要求不高的情形。由于本设计对通信速率要求不高，无需达到us级别的显示差异，因此在设计过程中采用串行通信就可以实现该部分功能。（3）LED点阵显示屏在介绍LED显示屏之前，以8×8的LED点阵为例进行说明，如图2.2所示，将8×8个LED发光二极管按照矩阵的方式进行阴极和阳极互联，一般情况下进行数据转换的芯片有74LS154、74HC138和74LS164三种，由于第一种芯片价格较高，第三种芯片没有锁存功能，因此选择第二种芯片。因此在本设计中，行控制采用74HC138译码器，列控制采用74HC595译码器。这样就实现了串转并和并转串的操作。图2.2LED点阵图电力学院本科毕业设计（论文）3.LED显示装置硬件设计3.LED显示装置硬件设计3.1系统的硬件组成对应于系统总体设计框图，硬件部分也是按照上述内容进行设计的，主控单元、74HC138行译码器、74HC595列译码器、DS18B20温度显示部分、红外模块以及LED显示部分，现将结构框图在protel中绘制出硬件原理图，得到如下图3.1所示的硬件设计。图3.1系统的硬件接线图3.2系统主要模块电路设计3.2.1STC89C51单片机主控模块单片机的硬件设计原理图如下图3.2所示，该电路是整个显示系统的核心设备，如果这部分出现异常，整个系统将出现瘫痪，如果这部分正常工作，但是其他部分出现异常，一般只需要实现硬件上更好，就可以达到系统恢复的目标，因此该部分在整个显示系统中处于十分重要的作用。该部分的主要元器件是STC89C51芯片，该芯片具体以下特征：（1）机器周期可调整，对于传统8051代码具有良好的兼容性；（2）具有宽泛的工作电压范围；（3）系统主频率可调整性；（4）具有8K字节的用户自定义区间；（5）具有512字节RAM；（6）32个通用I/O口；（7）具有专用的编程接口；（8）良好的EEPROM功能；（9）看门狗功能；（10）控制器有3个16位定时器/计数器。；（11）4路外部中断；（12）具有异步串口；（13）PDIP封装。[5]。该最小系统的硬件电路原理如下图3.2所示。图3.2最小系统硬件接线图3.2.274HC138译码模块该译码模块作为本设计的行译码器，一方面是因为该译码器属于高速CMOS器件；另一方面是由于该译码器属于TTL（LSTTL）系列。将3个二进制地址输入转换为8个有效输出，该芯片具有两个低有效和一个高有效（低有效是E1和E2，高有效是E3），当对两个74HC138芯片进行扩展后，就可以实现一个4线-16译码器的操作。针对上述叙述，得到如下图3.1所示的真值表。表3.174HC138译码器功能表74HC138真值功能表INPUTS输入Outputs输出ENABLE使能ADDRESS地址E3E2E1A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7XXHXXXHHHHHHHHLXXXXXHHHHHHHHXHXXXXHHHHHHHHHLLLLLLHHHHHHHHLLLLHHLHHHHHHHLLLHLHHLHHHHHHLLLHHHHHLHHHHHLLHLLHHHHLHHHHLLHLHHHHHHLHHHLLHHLHHHHHHLHHLLHHHHHHHHHHL3.2.374HC595模块上述介绍了74HC138模块，在此介绍74HC595模块，该芯片是移位存储器模块，是将串行输入信号进行存储之后，实现并行输出的过程，通过该芯片，不但可以实现信号的有效转化，而且可以控制下一级连接芯片。该模块具有以下特点：（1）高速时钟特性，主时钟频率可以达到25MHz以上；（2）具有标准的串行外接接口（SPI）；（3）可进行多级联；（4）具有较低功耗：在温度为25℃时，其最大电流Icc=4μA[7]。按照上述描述的74HC595特点，以及图3.1给出的硬件原理图，现给出管脚图如图3.3所示。图3.374HC595管脚图根据图3.3所示的管脚图，74HC595的管脚定义如表3.2所示。表3.274HC595管脚说明3.2.4DS18B20模块本设计中为了验证LED良好的显示功能，以较常用的实时温度测量为目标进行设计，温度传感器多种多样，有些可以实现对温湿度的测量，并且测量方法多种，测量手段也多种，模拟式、数字式都有，在此以最为经典的温度传感器DS1820为代表进行设计，DS1820是美国Dallas半导体公司研制的第一片数字化温度传感器芯片，并且该传感器上集中了该公司的多项专利技术，将传感器以及转换电路集成在一个类似于三极管的电路之上，测试准确、使用灵活方便[8]。DS18B20温度传感器的接线图如下所示。图3.4DS18B20接线图3.2.5其他模块（1）红外模块：如图3.5为一常用的红外接收模块。其内部含有高频的滤波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号（38KH），并送出接收到的信号。当红外线合成信号进入红外接收模块，在其输出端便可以得到原先发射器发出的数字编码，只要经过单片机解码程序进行解码，便可以得知按下了哪一个按键，而做出相应的控制处理，完成红外遥控的动作。[9]图3.5红外接收原理图（2）电源电路：如图3.6所示，J11为DC座，用于接入5V电压，F1为保险管，主要起电路保护作用，而电容起滤波作用，C8和C9并联。图3.6电源电路原理图（3）按键电路：按键电路也是十分具有技术要求的，一方面是要实现防抖动功能，另一方面是实现按键的可靠实现。如下图3.7所示，四个开关信号可以在软件中实现良好的防抖动和中断延时操作，本设计中也可以用红外遥控代替按键。图3.7按键电路原理图电力学院本科毕业设计（论文）4.LED显示系统软件设计4.LED显示系统软件设计4.1系统软件总体设计软件设计是该LED显示系统的难点，一般都是通过用户所能识别的语言（在此用C语言）转换为机器语言，通过机器语言下载在控制器中，按照相应逻辑控制设备的方式进行设计的。当用户在进行软件设计时，首先对整个系统的构架进行梳理，然后对所要实现的功能进行逻辑化描述，完成编程所需的主流程图，然后根据流程图进行编程，最后进行模块化编程[10]。主程序流程图如下所示。图4.1主程序流程图4.2主要模块软件设计4.2.1LED显示模块本次设计中的LED显示部分是根据预先制作好的LED显示屏进行程序设计的，按照LED显示屏的尺寸将字符、图片以数组的方式存储在字模中，当单片机需要显示某一个字符或者图片，就在字模中进行查中，查找过程需要逐行进行扫描，按照预定的扫描次数得到扫描结果后，将结果传输给译码器，译码器收到之后以数组的方式发送给LED显示屏，这样就实现了点阵的显示，如下图4.2所示。图4.2静态显示流程图4.2.2DS18B20模块下图是单片机按照预定流程读取温度传感器的数据，如图4.3所示，单片机首先对DS18B20传感器进行芯片初始化，然后根据传感器与控制器之间的逻辑关系进行数据读取与转换。图4.3DS18B20程序流程图电力学院本科毕业设计（论文）目录河南城建学院本科毕业论文目录结束语本课题以LED显示系统的设计为研究点，通过采用单片机对DS18B20温度传感器的控制，实现了控制器对信息的采集，然后通过译码器对LED点阵显示的控制。通过本课题的研究与设计，使我了解了单片机及一些外围器件的基本结构和功能，在此基础上学会了在单片机上进行编程的思路，并且掌握了对小系统进行软件设计的方法。增强了我分析问题、解决问题的能力。总结起来，本设计所做的主要工作是：系统总框架设计，在节约成本基础上最高效的达到实验目标；在总体方案的基础上完成原理图设计；画PCB板，购买元器件；制板以及电路完善；软件设计；采用温度传感器DS18B20，温度显示；采用红外遥控，实现实时温度显示；论文写作在课题的设计过程中，特别是软件调试过程中，由于缺少上位机后台的指令显示，在提取温度信息后，很难确定该信息在发送给LED显示屏的过程中的问题，如果具有良好的显示系统，将避免由于字模错误、程序有误、通信异常等方面的调试问题。因此，上位机后台的完善，是该课题应该进一步需要深入的研究点。目录TOC\o"1-3"\h\u摘要 Abstract 目录 1.绪论 1.1课题研究背景 1.2LED发展现状和发展趋势 1.3研究本课题的内容及意义 2.LED显示装置系统介绍 2.1LED显示装置控制系统 2.2LED显示部分 2.3数字时钟 2.4温度采集部分 2.5芯片的选择 2.6串口通讯芯片的选择 3.LED显示系统硬件设计 3.1LED显示屏屏体 3.1.1LED点阵发光器件 3.1.2LED点阵显示驱动及接口电路 3.1.3PCB电路板 3.2LED显示屏控制系统 3.2.1微处理器 3.2.2数据存储器通信及接口电路 3.2.3时钟模块设计 3.2.4温度测量模块 3.3电源的选择 4.LED显示装置安装与调试 4.1LED显示装置安装 4.2LED显示装置调试 4.2.1单片机硬件电路测试 4.2.2系统功能测试 4.3系统测试结果分析 结束语 参考文献 致谢 电力学院本科毕业设计（论文）1.绪论1.绪论1.1课题研究背景LED就是发光二极管英文翻译的简称，当把少量的载流子注入到部分半导体的PN结里，此时注入的载流子将会跟绝大部分载流子汇合，此时将会释放出光能，而这部分光能是载流子汇合时产生的多余能量转化而来，即电能转化为光能的过程。若不想使LED发光，只需要在PN结处施加相反的电压，那么载流子将不能注入，就无法汇合释放能量。上述这种作用模式就是LED的作用原理。LED显示屏是平面显示屏，是通过发光二极管的点阵模块构成。上世纪八十年代起，LED制造技术率先在国外掀起了信息化浪潮，开始广泛应用，并不断地技术革新，综合概括其特点鲜明，能耗低、光亮高，还具有超长使用寿命，且成本低廉，故障率低，组成形态灵活，具有很好的光照范围和较远的照射距离，并且可以制作不同的色彩，可以同时适用于户内户外，正因如此，它的发展势不可挡被应用于传媒领域。在国外技术不断完善的十年后，LED显示屏在改革开放的政策下，快速进入国民的视野，开始频繁应用于对外发布消息的公众场合，成为快速、便捷、清晰高端的媒介传播器，所以，LED显示屏无论在设计、制造或应用上，都得到了飞速发展和空前规模。近两年，央视春晚的舞台效果和背景设计被人们津津乐道，而舞台最酷炫的部分正真是LED显示屏所呈现的效果。LED又被誉作第四代照明光源，这种固态的照明源，具有很多优良特点，低能耗、光亮高，超长使用寿命，且成本低廉，故障率低，组成形态灵活迅速响应，具有很好的光照范围和较远的照射距离，光色丰富多彩且开关闪可连续进行，可以同时适用于户内户外等诸多优势，逐渐成为新一代照明光源。细数LED的应用，起初只是应用于指示灯，通过技术发展，开始在交通信号灯使用，还能在各种场合的电子大屏看到身影，近来LED显示屏开始在功能性照明领域频繁和广泛应用，如园林景观的照明、道路交通的照明以及高速隧道照明等。1.2LED发展现状和发展趋势若论LED发展，不得不说美国在这一领域的优先技术和领导地位。美国的LED技术和知识产权最多也最为先进，他们具备LED构件的产权和研发技术，从外延片到芯片，再到生产设备等都优势明显，目前LED基本替代了白炽灯和荧光灯，计划在两年后将全面占领照明市场。再论日本，在LED的技术水平也不容小觑，日本的LED水平处于国际先进水平，尤其是高亮度的功率型LED技术上，包括外延片、芯片研发和生产方面。据统计，日亚化学拥有和掌握着LED蓝光/白光的大量研发生产专利权限。并同美国Lumileds厂商达成合作协议，双方将在LED的研究领域内信息共享，技术交叉，从而发挥发光二极管的更大潜能，这些交叉合作内容几乎涵盖了两家公司所有关于LED的技术。远在德国的灯泡制造商——OSRAM公司也宣布，初步建立了专门的LED芯片生产线，技术一流。该公司将目标锁定在LED领域并立志制作环保高寿命的节能灯。另外，韩国、台湾等周边地区对LED的需求也不断升温，一些韩国的半导体公司先后在LED的外延芯片领域扩大产能，台湾地区还从日美国家购买技术，在产品应用、芯片生产、器件组装等方面均有大大的提高和发展，目前已成为全球最大的LED生产基地。LED产业在我国起步发展至今已近40年，已初具规模，形成7个国家级半导体产业园区来支持和发展照明工程，分别在大连、上海、石家庄、深圳、厦门、南昌、扬州，中国是全球第一照明电器生产国，也是第二照明电器出口国。尽管如此，LED散热是制约其发展的最主要因素。1.3研究本课题的内容及意义LED显示屏显示内容丰富多彩，适用范围也广，还具有电视、液晶屏等所无法超越的优势。因而受到人们重视并深入研究，其发展前景更为广阔，现阶段，LED的发展还需要在这些方面有所突破，即高耐气候性、高发光密度、高亮度、发光更加均匀性、发光可靠性提高、发光色彩更加全面化等方面发展。电力学院本科毕业设计（论文）2.LED显示装置系统介绍2.LED显示装置系统介绍HYPERLINK2.1LED显示装置控制系统控制系统的设计是最核心最关键部分，本文采用DS80C320单片微处理器产品作为控制系统，该系统采用新的微处理器内核，由美国DALLAS公司生产，具有以下优势：具有80C32的全部功能，还可提供一个全双工串行接口，对定时器可编程，具有掉电中断、复位功能，同时还能改善存取功能，频率范围在1～33MHZ内，CPU运行速度快，数据传送效率高。LED在显示时，扫描、状态控制、移动控制等需要分时段使用CPU，所以扫描频率高于60赫兹，所以对CPU指令执行速度要求高。DS80C320正好满足这一点，工作频率高，机器运转周期短，非常适合显示控制系统，对显示稳定性、可靠性都是有益的。2.2LED显示部分本文采用动态显示方案来实现LED8*8点阵的显示设计。动态显示需要将显示画面进行分割，然后分别显示。所以在设计上要求更高，否则容易出现亮度不够,灯光闪烁等问题。这种设计主要是利用多路复用技术展开动态扫描从而显示,并非无限制的复用，而是要充分考虑了人眼的暂留效应、LED发光间隔和亮度等因素影响。经实验验得出，当扫描刷新频率以50赫兹为宜，LED导通时间低于1ms,则显示效果稳定亮度合适。2.3数字时钟数字时钟是重要的设计部分，本文采用时钟芯片DS1302。该芯片的振荡器是石英晶体，精度小于10ms/年，闹钟功能齐全，可直接设置并显示，省去复杂的程序编码。为确保时钟始终运行正常，该芯片里还带有锂电池作为储备电源。当电压不稳或临时断电时，时钟将会自动切换至锂电池的供电系统中。这样即使系统不运作，时钟仍能正常运作，芯片不会受到影响，时刻显示准确时间。2.4温度采集部分为了体现人性化、创新化的设计理念，本设计中加入温度测量的设计部分，便于多样化追求和多功能化服务，故而我们选择了DS18B20温度传感器。该传感器可以测量零下55到零上125之间的华氏温度，每0.5摄氏度为一个增量，测量精度高，温度转化数字快，所测温度值在阈值中，由单片机直接读出快速转化成温度，使用便捷。2.5芯片的选择本文选用串口输入，可供我们选择的芯片范围有:驱动器74HC245、译码器74HC138、行驱动器、数据移位寄存器74HC595等。若显示内容较多，择显示单元可增加。2.6串口通讯芯片的选择由于AT89S52串行口采用的是TTL电平，所以需要电平转换电路，经比较发现，1488或1489芯片在电平转换时可靠性较差，对电压需求高，因此采用MAX232A，该芯片是单电源电平转换，电路简单，可靠性高。电力学院本科毕业设计（论文）4.LED显示装置安装与调试3.LED显示系统硬件设计为让LED显示屏更加灵活，便于控制，我们对硬件精心设计。LED点阵显示屏由外部显示屏和内部控制系统组成。其中屏体由显示驱动器、发光器件、连接电路、电路板等组合，控制系统由数据存储器、微处理器、电路、时钟和温度测量模块组成。具体构成如图1所示：图3.1系统硬件结构图3.1LED显示屏屏体LED显示屏屏体采用的是标准化设计模块，安装方便，容易维护，整屏是许许多多小单元板组成的，这些小单元板大小、电路结构相同，所以单元板的材料好坏，在显示效果上直接体现。模块化的屏体，无论是移动、安装、拆卸都较为方便，另外还容易散热，电路相对简单，性能高，利于维护，造价低，不容易产生静电，物美价廉。图3.2LED显示屏屏体结构图3.1.1LED点阵发光器件相比于LCD，LED的性能更加全面，应用较为广泛，因为LED自带发光源是LCD无法比拟的，所以LCD的发展受限。LED的点阵模块组成灵活多变，与微电子、光电子的技术发展有关，是目前信息显示屏的代表。其高可靠性、较强的环境适应率，高寿命、高性价比、低成本都是不可或缺的特点，仅仅十年时间发展迅速，成为平板显示的关键产品，实践应用范围广泛。到处可见的户外广告屏幕、车站电子广告栏、大厦显示屏等都是LED屏体应用。图3.3LED点阵发光器件发光器件的好坏直接反应在在LED显示屏上，所以屏体选用台湾国联LED管芯，该管芯的发光器件具有良好的视觉效果和均匀性，无论是亮度、色度都较为稳定。3.1.2LED点阵显示驱动及接口电路LED的显示驱动是核心部分，最为复杂和关键，电路设计的合理性直接关系到最终的呈现效果，是衡量亮度和稳定度的重要指标。LED采用扫描方式显示，当扫描的周期短于人眼的暂留时间，闪烁现象就不会出现。另外采用串行传输方法，既可以满足串入并出的移位功能；又可以实现并行锁存的功能。同时具备这两种功能的驱动电路以74HC595为代表，如下图所示。CLK是时钟信号，当时钟变化时，74HC595才进行数据位的移动，在这个过程中，74HC595还可以实现数据的锁存。行扫描信号用A、B、C、D表示，这四个状态的变化可以通过STR信号的控制进行变化，并且74HC595之中有使能信号，只有使能信号为低时，输出才有效，否则无效，也就是说行扫描有效时，当74HC595信号的使能信号为低，则无有效信号输出。图3.4LED点阵驱动电路结构图3.1.3PCB电路板LED显示系统的PCB制板图如下所示：图3.5LED显示系统PCB制板图3.2LED显示屏控制系统LED显示控制系统是一个综合应用系统，需要使用到超大规模集成电路、计算机技术、媒体视频控制技术等，所以不但具有高信息传输性、还具有视频接送功能，是一个多媒体实时传播媒介，途径多样。同时在网络技术的控制下，显示屏的传输、处理和存储等都更加快速、可靠。图3.6LED显示系统控制器原理图3.2.1微处理器微处理器我们选用AT89S51为主控芯片，AT89S51不仅具有8051的所有功能，同时还具备一些非常实用的功能。比如可擦写的4kb程序存储器，这一改变让下载程序代码时仅需几秒钟，实用便捷。再比如，AT89S51还具有一个ISP下载接口，方便单片机系统后续的设计与开发。微处理器AT89S51是系统的中央控制系统，它可以将DS18B20和DS1302读取的数据进行转译处理，然后在屏幕上显示为温度、日历、时间等内容。LED点阵显示器是最为重要的显示部分，它把处理器中的数据经过处理、传输、显示，同时还可以实时更新，动态显示，并且还可以通过光电传感器直接实现，而非必须接触才能实现。当然在显示电路设计上，会设置许多按键来供控制和选择，从而方便在显示过程中的功能选择、画面切换。3.2.2数据存储器通信及接口电路微处理器AT89S51要完成显示，需要与PC进行数据传输和通信联系，从而让数据在显示屏上展示，并对显示效果进行控制。在LED显示系统中，通信传输是一个关键环节，不但要是实现温度传感器与控制器之间的实时互通，并且还要实现控制器与LED点阵之间的有效控制，因此通信传输无论在信号稳定性上，还是在信号的传输距离上，都有一定要求，一般情况下，通信分为串行通信和并行通信，这两者通信根据使用对象及硬件接口各有区别。=1\*GB3①并行通信并行通信可以实现并行传输，一般情况下传输速度快，适用于距离较短的通信，成本较高。=2\*GB3②串行通信串行通信是将一包数据一位一位传输，数传速度慢，传输距离较长，并且该种通信方式一般是对通信要求不高的情形。由于本设计对通信速率要求不高，无需达到us级别的显示差异，因此在设计过程中采用串行通信就可以实现该部分功能。本设计采用串行通信，由芯片MAX232组成。其电路原理图如图3.7所示：图3.7LED显示系统接口电路原理图单片机的串口通过MAX232将TTL电平转换成EAI适合的电平，实现了单片机和PC机之间的通信。在本文的设计过程中，采用该种通信模块，就可以实现相应的功能。3.2.3时钟模块设计有些时钟模块是与单片机协同工作的，有些是外置配用的，本设计采用DS1302芯片，该芯片是由DALLAS研发的，具有实时时钟及各种通信设置的功能，可以有效实现实时更新信息的功能，并且能给其他控制元器件提供稳定、准确、较低功耗的时钟。3.2.4温度测量模块本设计中为了验证LED良好的显示功能，以较常用的实时温度测量为目标进行设计，温度传感器多种多样，有些可以实现对温湿度的测量，并且测量方法多种，测量手段也多种，模拟式、数字式都有，在此以最为经典的温度传感器DS1820为代表进行设计，DS1820是美国Dallas半导体公司研制的第一片数字化温度传感器芯片，并且该传感器上