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1、电气与信息工程系课程设计任务书10/11学年 2学期 11年6月3日专业电力系统自动化班级电力09-9（1）课程名称单片机原理设计题目LED点阵广告牌设计指导教师起止时间2011-6-3周数1设计地点301设计目的：通过为期一周的单片机设计，完成LED点阵广告牌设计原理及调试运行。设计任务或主要技术指标：1.设计一款能显示不同字符的LED点阵广告牌；2.设计不同的字符切换效果（闪烁，静止，平移等）；3.设计控制按钮，可以在不同的效果间切换；*4.（创新功能） 其他功能；设计进度与要求：1.系统组成，确定，分析，系统框图，应用背景；2.硬件电路设计及原件清单；3.软件设计及系统流程图；4.仿真调
2、试；5.参考文献及总结；主要参考书及参考资料：1单片机原理及应用：C语言版/周国运主编.-北京：中国水利水电出版社，20092全国计算机等级考试二级教程.C语言程序设计：2010年版/教育部考试中心.-北京：高等教育出版社，2007.8（2009重印）教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日课程设计评定意见设计题目： LED点阵广告牌设计 学生姓名： 王金涛 专业 电力系统自动化 班级 电力09-9-(1) 评定意见：评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日评定意见参考提纲：1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。2.学生的勤勉态度。3.设计或说明书的优缺点，包括：学生对
3、理论知识的掌握程度、实践工作能力、表现出的创造性和综合应用能力等。摘要本设计使用AT89C51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1616的点阵LED显示屏。利用AT89C51系列高速单片机本身强大的功能，可以很方便的实现单片机与PC机间的数据传输及存储，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示广告牌广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，所以本设计具有很强的现实应用性。本LED显示广告牌能够以动态扫描的方式同时显示4个1616点阵汉字，并能通过上位机软件修改显示内容和显示效果等等。把字符内码存储在空闲的单片机程序存储器空间，使本LED显示系统能掉电存储10
4、24个字符。设计中采用了SPI接口的GB2312标准字库，支持所有的国标字符和ASCII标准字符的显示。因为采用串行传输方式，使本系统的可扩展性得到提升，便于多个显示单元的级联。本文从LED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：动态显示；单片机；点阵字库目录1 LED概述11.1 LED电子显示屏概述12 显示原理及控制方式分析22.1 LED点阵模块结构22.2 LED 动态显示原理32.3 LED常见的控制方式43 系统硬件概述53.1单片机简介53.1.1 单片机概念63.1.2 单片机的发展史63.1.3单片机的特点73.1.4主
5、控单片机的接口说明73.2 74HC138译码器83.3 1616LED点阵显示制作93.3.1 1616LED点阵的内部结构及工作原理93.3.2 用88LED点阵构成1616LED点阵103.4 LED显示驱动电路114 字模生成134.1 字模简介134.1.1 LED显示屏领域字模实现技术134.1.2 软件控制系统字模提取的分析与设计134.2 字模存储技术144.3 字库生成155软件设计165.1 程序设计总体思路和结构165.1.1 程序设计总体思路165.1.2 程序流程图165.2 各模块程序设计175.2.1 系统初始化程序：175.2.2 LED动态显示185.2.3
6、字符显示的原理195.3系统功能测试195.3.1 单元模块电路测试195.3.2 系统整体功能测试19总结21致谢22附录A23附录B24参考文献34LED点阵广告牌设计1 LED概述1.1 LED电子显示屏概述LED（Light Emitting Diode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N兴办导体，在这边主要是电子。但这两种半导
7、体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。多个 LED发光灯组成固定的字符或图形进行显示，即形成LED点阵图文显示屏。其主要特征是只控制LED点阵中各发光器件的通断（发光或熄灭），而不控制LED的发光强弱。LED点阵的汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵（如1616 点阵），将点阵文件存入ROM，形成新的汉字编码；而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句，再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。LED点阵显示具有如下特点：（1） 电压：
8、LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一种比使用高压电源更安全的电源。（2） 效能：消耗能量比同光效的白炽灯减少80%。（3） 适用性：每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。（4） 稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。（5） 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。（6） 对环境污染：无有害金属汞。（7） 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。由于LED的众多优势，在市场中得到了广泛的应用，主要应用领域有：（
9、1）、信号指示应用：信号照明是LED单色光应用比较广泛也是比较早的一个领域，约占LED应用市场的4%左右。（2）、显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等， LED用于显示屏幕的应用约占LED应用的20%25%，显示屏幕可分为单色和彩色。（3）、照明应用：便携灯具，汽车用灯，特殊照明。由于LED尺寸小，便于动态的亮度和颜色控制，因此比较适合用于建筑装饰照明。背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸超大尺寸LCD显示器背光源等。以及投影仪用RGB光源。LED电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）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
10、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。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。1.2 LED电子显示屏的分类按颜色分类：单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。双基色显示屏：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
11、彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。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。2 显示原理及控制方式分析2.1 LED点阵模块结构八十年代以来出现了LED点阵组合型模块，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
12、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或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示。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，
13、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
14、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。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“
15、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”的过程2.3 LED常见的控制方式目前常见的是并行传输方式，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
