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1、目 录摘要1前言21 概述21.1 LED电子显示屏的分类21.2 LED显示屏的应用示例21.3 设计任务22 显示原理及控制方式分析32.1 LED点阵模块结构32.2 LED 动态显示原理32.3 LED常见的控制方式53 总体方案设计与分析63.1显示单元的考虑63.2 滚屏的实现63.3 关于可扩展性63.4 微控制器的考虑63.5 总体电路结构及工作原理63.5.1 硬件电路框图63.5.2 工作原理74 硬件电路设计74.1 显示单元电路设计74.1.1 LED点阵模块的选择84.1.2 列驱动电路设计84.1.3 行驱动电路设计94.2 单片机控制系统电路设计104.2.1单片
2、机的选型104.3对于系统电源及通信电缆的选择114.4 其它元件的选择115 单片机软件设计与仿真125.1 开发工具及语言125.2 单片机软件流程135.3 单片机软件中算法的实现145.4 调试及仿真结果156 PCB设计及硬件调试166.1 PCB设计平台166.2元件布局及PCB整体结构工艺166.3 布线工艺与准则167 总结17谢 辞18参考文献19附 录20LED点阵电子显示屏系统的设计xxx摘要：本设计使用STC系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动1664的点阵LED显示屏。本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示特定的四个1616点阵汉字。本文从LED
3、的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。关键词：LED；单片机；点阵；Design of LED Dot Matrix Electronic Display SystemSOND Jian-leiAbstract: This design uses STC series MCU as a main controller and depends on a simple external circuit to drive 1664 the lattice LED display. The LED Display dynamic scan can sho
4、w the way at the same time six 16 16 dot matrix Chinese characters. This article from the start LED display principle, elaborated on the LED display dynamic process, as well as hardware circuit design, computing and software algorithms.Key words: LED；Single Chip Microcomputer；Dot Matrix前言LED(Light E
5、mitting Diode，LED)电子显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅速发展而形成的一种新型信息显示媒体。LED电子显示屏是由几百-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。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
6、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。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2。1 概述1.1 LED电子显示屏的分类LED电子显示屏分类有很多种方法。按颜色分类，可以分为单基色显示屏、双基色显示屏、全彩色显示屏；按显示器件分类，可以分为LED数码显示屏、LED点阵图文显示屏；按使用场合分类，可以分为
7、室内显示屏、室外显示屏。1.2 LED显示屏的应用示例LED点阵显示屏在实际生活中应用十分广泛，如图1-1就是LED电子显示屏的应用实例。 图1-1 LED电子显示屏应用示例其中的LED点阵单色图文动态条幅屏（下文中简称条屏），因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良，所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品3。1.3 设计任务本设计旨在设计一种用于值班室外等场合的公告牌的LED点阵电子显示屏。公告内容随时可以更新，能够实施显示温度和日期时间。考虑到所需器件的已购买，本设计使用8*8的点阵发光管模块，组成16*64发光点阵，显示特定的中文、字符以及数字。2 显示原理及控制方式分析2.1 LED点
8、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。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44、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、图象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
9、灰度显示，即可实现真彩色显示4。图2-1示出最常见的88单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。 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，但这类实用装置常通过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
10、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5。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，因此在LED显示技术中被广泛使用。以88点阵模块为例，说明一下其使用方法及控
11、制过程。图2.1中，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，蓝色竖直线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LED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“B”的过程。其过程如图2-2图2-2 用动态扫描显示字符“B”的
12、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=0x01,X=0xFF，如图 2.2第一帧；（2）Y=0x02,X=0x87，如图 2.2第二帧；（3）Y=0x04,X=0xBB，如图 2.2第三帧；（4）Y=0x08,X=0xBB，如图 2.2第四帧；（5）Y=0x10,X=0x87，如图 2.2第五帧；（6）Y=0x20,X=0xBB，如
13、图 2.2第六帧；（7）Y=0x40,X=0xBB，如图 2.2第七帧；（8）Y=0x80,X=0x87，如图 2.2第八帧；（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“B”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。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
14、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。2.3 LED常见的控制方式目前常见的是并行传输方式（见附录1.1），通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度
15、要求较低。但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。每增加一个1616点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏6。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。因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。（1）以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，
