led点阵电子显示屏控制设计毕业设计(编辑修改稿)

led点阵电子显示屏控制设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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，无E2PROM， SPI。 这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。 因此， 8051 控图 21 字符 “B”的过程 图 LED 点阵电子显示屏控制设计 8 制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。 （ 2） 以 PIC 单片机为控制器的 LED 显示屏。 因 PIC 单片机是 RISC 架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。 作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时 PIC 单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。 因此，以 PIC 单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。 （ 3） 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。 （ 4） 以 ARM（ 32 位 RISC 架构高性能微处理器）为控制器的 LED 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。 LED 点阵电子显示屏控制设计 9 3 系统整体设计方案的选择 主控单元的选择 方案一：用可编程控制器 PLC 做主控芯片， PLC 具有强大的逻辑运算和控制能力，运算速度快，但价格比较高，增加了整个系统的成本，且布线麻烦。 方案二：采用 AT89S51 单片机做主控芯片， AT89S51 单片机具有价格低、编程灵活 和布线简单等特点，降低了整个系统的成本，而且支持在线编程，缩短了开发 周期。 通过以上对比，本设计采用第二种方案。 显示模块的选择 方案一 :采用列扫描， 3*16*16 的点阵模块要扫描 96 次。 而想让点阵模块不出现闪烁现象，必须要让显示频率高于 50HZ，也就是说显示完所有小灯的时间不长于20ms,3*16*16 点阵模块显示完一次要扫描 96 次，显示一次需要的时间比较长，因此不宜采用此方案。 方案二：采用行扫描， 3*16*16 的点阵模块，只需扫描 16 次就可以显示完一次所需要的时间比较少，故采用此方案。 驱动电路的选择 方案一：把行引脚直接接到单片机的 I/O 口上，但如果 点阵做的比较长时，占用I/O 口较多，而且 随着点阵长度的增加而增加，所以不宜采用此方案。 方案二：列驱动利用 74HC595 移位寄存器采用串入并出的方法，行驱动利用74HC154 四线十六线译码器提供行选通信号， 74HC245 驱动即可满足要求。 通过以上对比，本设计采用第二种方案。 根据本设计任务所规定的功能要求，该设计以 AT89S51 单片机为控制核心，显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。 [4]由四线十六线译码器 74HC154 给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序 依次对各行进行扫描（把该行与电源的另一端接通）。 另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。 接通的列就在该行该列点亮相应的 LED；未接通的列所对应的 LED 熄灭。 当一行的扫描持续时间结束后，LED 点阵电子显示屏控制设计 10 下一行又以同样的方法进行显示。 全部各列都扫描过一遍之后 （一个扫描周期） ，又从第一行开始下一个周期扫描。 只要一个扫描周期的时间比人眼 1／ 25 秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象，就可以在显示屏上得到稳定的图形或文字。 该方法能驱动较多的 LED，控制方式灵活，而且节省单片机的资源。 显示数据传 输采用串行传输的方式，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器， 在硬件方面无疑是十分经济的。 但串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输给列驱动器，只有当一行的列数据都已传输到位之后，这一行的各列数据才能并行 地进行显示。 对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以致于影响到 LED 的亮度。 采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾，可以采用重叠处理的方法。 即在显示本行各列数据的同时，传输下一列的数据。 为了达到重叠处理的目的，列数据的 显示就需要有锁存功能。 对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能。 这样本行已准备好的数据打入并锁存器进行显示时，串行移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。 系统框图 如图 31 所示。 图 31 系统框图 LED 点阵电子显示屏控制设计 11 4 系统硬件电路的设计 硬件电路主要由单片机系统及外围电路、列驱动电路 行驱动电路、 LED 点阵显示屏 四部分组成。 单片机系统及外围电路 单片机采用 AT89S51 和更高的频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使得显示更稳定。 [5]单片机 P2 口的 低四位与四线十六线译码器 74HC154 相连接，用来作 行 显示信号线，单片机 P2口的高四位与六片级联的 74HC595 相连接，用来作 列显示信号线。 单片机的 P0、 P P3 口空着，在有必要的时候，可以扩展系统的 ROM 和 RAM。 单片机系统及外围电路 图如图 41 所示。 列驱动电路 列驱动电路有集成电路 74HC595 构成。 它具有 8 位串入并出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器结构，而且移位寄存器和输出锁存器的触发脉冲信号都时各自独立的，可以在显示本行各列数据的同时，传输下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。 74HC595 的外形及引脚如图 42 所示。 图 41 单片机系统及外围电路图 LED 点阵电子显示屏控制设计 12 它的输入侧有 8 个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。 引脚 SI 是串行数据的输入端。 引脚 SCK 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿将发生移位，并将 SI 的下一个数据打入最低位。 移位后的各位信号出现在 各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。 RCK 是输出锁存器的打入信号，在其上升沿将移位寄存器的输出数据打入输出锁存器。 引脚 OE 是输出三态门的开放信号，只有当其为低电平时输出锁存器才开放，否则三态门为高阻态。 引脚 SCLR 是移位寄存器的清 0 输入端，当其为低电平时移位寄存器的输出全为 0。 由于 SCK 和RCK 两个信号是相互独立的，所以能够做到输入串行移位和输出锁存器互不干扰。 芯片的输出端为 QAQH，最高位 QH 可作为多片 74HC595 级联应用时，向上一级的级联输出。 但因 QH 受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了 QH39。 ，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。 图 42 74HC595 的外 形及引脚图 LED 点阵电子显示屏控制设计 13 其引脚说明 如 表 41 所示。 表 41 引脚说明 其真值表 如 表 42 所示。 表 42 真值表 其时序图 如图 43 所示。 LED 点阵电子显示屏控制设计 14 列驱动器图 如图 44 所示。 图 43 时序图 图 44 列驱动器图 LED 点阵电子显示屏控制设计 15 行驱动电路 单片机的 P2 口的低四位输出的信号经四 线十六线译码器 74HC154 译码后生成16 条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行信号线。 一条行信号线上要驱动 48列的 LED 进行显示，需要引入电流驱动器，根据 该系统的电流需求，选用 74HC245三态门即可满足要求。 四线十六线译码器 74HC154 74HC154是一款高速 CMOS器件， 74HC154引脚兼容低功耗肖特基 TTL（ LSTTL）系列。 74HC154 译码器可接受 4 位高有效二进制地址输入，并提供 16 个互斥的低有效输出。 [6]74HC154 的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端 上的通常译码 “假信号 ”，也可用于译码器扩展。 该使能门电路包含两个 “逻辑与 ”输入，必须置为低以便使能输出端。 任选一个使能输入端作为数据输入， 74HC154 可充当一个 116的多路分配器。 当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。 74154 这种单片 4 线 —16 线译码器非常适合用于 高性能存储器的译码器。 当两个选通输入 G1 和 G2 为低时 ,它可将 4 个二进制编码的输入译成 16 个互相独立的输出之一。 其外形及引脚图 45 所 示。 图 45外形及引脚图 LED 点阵电子显示屏控制设计 16 其真值表 如 表 43 所示。 表 43真值表 三态门 74HC245 总线驱动器，典型的 TTL 型三态缓冲门电路。 由于单片机等 CPU的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器另外，也可以使用 74HC244 等其他电路， 74HC244 比 74HC245 多了锁存器。 三态门 74HC245 引脚图如图 46 所示。 第 1 脚 DIR，为输入输出端口转换用， DIR=“ 1” 高电平时信号由 “ A” 端输入图 46 74HC245 引脚图 LED 点阵电子显示屏控制设计 17 “ B” 端输出， DIR=“ 0” 低电平时信号由 “ B” 端输入 “ A” 端输出。 第 29 脚 “ A” 信号输入输出端， A1=B、 A8=B8， A1 与 B1 是一组，如果DIR=“ 1” OE=“ 0” 则 A1 输入 B1 输出，其它类同。 如果 DIR=“ 0” OE=“ 0” 则B1 输入 A1 输出，其它类同。 第 1118 脚 “ B” 信号输入输出端，功能与 “ A” 端一样，不再描述。 第 19 脚 OE，使能端，若该脚为 “ 1” A/B 端的信号将不导通，只有为 “ 0” 时A/B 端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。 第 10 脚 GND，电源地。 第 20 脚 VCC，电源正极。 其真值表如表 44 所示。 表 44 真 值表 LED 点阵电子显示屏控制设计 18 行驱动器图 行驱动器电路如图 47所示。 LED 点阵 块 结构及点阵屏 LED 点阵 显示屏是由半导体发光二极管像素点均匀排列组成。 其内部结构 图 如图 48 所示。 图 47 行驱动器电路 图 48 内部结构 图 LED 点阵电子显示屏控制设计 19 引脚分布图如图 49 所示。 点阵块实物图如 图 410 所示。 图 49引脚分布图 图 410 点阵块实物 图 LED 点阵电子显示屏控制设计 20 系统整体电路图 系统整体电路图 如图 411 所示。 图 411 系统整体电路图 LED 点阵电子显示屏控制设计 21 5 点阵字模生成原理与方法 汉字字模码 为了将汉字的字形显示输出，汉字信息处理系统还需要配有汉字字模库，也称字形库，它集中了全部汉字的字形信息。 需要显示汉字时，根据汉字内码 向字模库检索出该汉字的字形信息，然后输出，再从输出设备得到汉字。 所谓汉字字模就是用 0、 1 表示汉字的字形，将汉字放入 n 行 *n 列的正方形内，该正方形共有 n^2 个小方格，每个小方格用一位二进制表示，凡是笔划经过的方格值为 1，未经过的值为 0。 汉字点阵字模有 16*16 点、 24*24 点、 32*32 点， 48*48 点几种，每个汉字字模分别需要 3 7 12 288 个字节存放，点数愈多，输出的汉字愈美观。 存放在磁盘上的字模库称为软字库，存放在由 ROM 组成的印刷线路板上的字模库称为硬字库， 也称为 “ 汉卡 ”。 字模生成原理 本设计中因为使用汉字。