基于单片机的led大屏幕显示系统_毕业设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的led大屏幕显示系统_毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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2020届 电子信息工程 专业毕业设计（论文） 9 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。 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。 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。 于腾达：基于单片机的 LED大屏幕显示系统 10 第 3 章 总体方案设计与分析 显示单元 显示一个简体汉字，至少需要 16*16 点阵来描述。 本设计采用 4 个 8*8 点阵，像素直径 的 LED 模块拼接 成 16*16 点阵的 LED 阵列。 本设计要求整个屏幕能同时显示 2 个汉字，则至少需要用 8 个 8*8 的 LED 模块拼接成 32*16 的矩阵。 滚屏的实现 字符的位置在屏幕上实现移动，即术语 “滚屏 ”。 可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。 因此本设计采用软件算法实现左滚屏、左 铺幕 、 静止 显示等常见滚屏方式。 用软件来完成滚屏算法，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。 主控芯片的考虑 因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。 所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选 择的有 ARM7 和高速 8 位单片机。 ARM 的处理速度极快，但对于条屏的应用， ARM 内部的资源浪费严重，且成本较高。 因此选择高速 8 位单片机作为控制器， 由于考虑到价格等因素，所以选用接口比较丰富的 89C52 作为主控芯片。 关于现实内容的更新 目前常用的下载方式有串口下载、 USB 下载、无线下载等。 考虑到本设计的上、下位机进行一次通信时的数据量不大，而且对通信的速度及可靠性要求并不严格。 因此本设计采用 PC 机串口来作为下载接口， PC 机串口为 RS232C 标准，其特点是共模传输，因此通信电缆可以是成本低廉的普通双绞 线，同轴屏蔽线等。 PC 机串口的驱动程序编写较为简单，不需要掌握复杂的通信协议。 总体电路结构及工作原理 2020届 电子信息工程 专业毕业设计（论文） 11 硬件电路框图 通过对上面对各种方案分析与比较，初步构建硬件框图如图 图 硬件电路框图 工作原理 如图 所示，要显示一个完整的汉字需要一个 16*16 的 LED 点阵显示屏，这就需要 4 块 8*8 的 LED 点阵显示屏进行级联。 一个汉字的每一列由高八位和低八位组成，这就要用单片机的两个 I/O 口来传送数据，由于 AT89C52 的 I/O 并不能提供 LED 点阵屏所需要的电流，所以在设计时加了对应的两组行驱动电路。 而列扫描则使用能提供32 列信号扫描的芯片。 由于要控制显示的内容，所以要进行数据传输，而单片机的信号电平为 TTL 电平，所以要进行数据传输就要进行电平转换。 由上位机传送显示数据通过电平转换就可以将信号电平传递到单片机，然后完成显示数据。 32*16LED 显示屏 行驱动电路 列扫描电路 A T 8 9 C 5 2 电源 电平转换 PC 控制 于腾达：基于单片机的 LED大屏幕显示系统 12 第 4 章 硬件电路设计 LED 点阵模块的选择 本显示屏采用列扫描、直接送行显示码的方式工作，分辨率为 32*16 的显示屏由 8个共阳型 LED 点阵单元构成。 共阳型 LED 点阵单元的每个 LED 点阵 由行输入高电平列为低 电平从而点亮该显示单元。 图 是 8*8LED 显示屏的参数。 图 要显示一个完整的汉字需要一个 16*16 的 LED 显示屏，这就需要同时向每列传送16 个数据，为此我设计的电路是通过单片机的 P0 口和 P2 口进行传送数据的， PO 和P2 口刚好可以为本次设计提供 16 个 I/O 口，因为点亮一个 LED 需要通过列选通才能点亮，所以这 16 个 I/O 口可以提供总共 32 列的 LED 显示屏进行数据显示，只要在选通该列的时候传输所需要的数据点亮该列即可，由于刷新速率较快，而人眼又具有视觉暂留，所以可以感觉到整屏点亮。 而列选通则需要 32 个接口进行控制。 所以 8 块 8*8的 LED 显示屏的连接是 P0 口的 0 口到 7 口同时连接 4 块 LED 显示屏的第一行到第八行， P2 口的 0 口到 7 口连接另外 4 块 LED 显示屏的第一行到第八行，这样就可 以同时控制整个屏幕的第一行到第十六行，而 第一列到第三十二列的控制则由前两块 LED 显2020届 电子信息工程 专业毕业设计（论文） 13 示屏的第一列相连直到第八列，以此类推 直到最后一列 ， 这样 就可以组成 32*16 的 LED点阵显示屏。 图 为 本次设计中 8 块 8*8LED 点阵屏的级联成 32*26 点阵屏的原理图。 图 LED 点阵级联图 行驱动电路 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， 而本次设计中点亮 32*16 的 LED 显示屏已经 超过其负载能力， 所以为了得到较好的显示效果， 应 该 加驱动器。 市面上有多种驱动电路，从价格、原理等多方面的考虑，决定行驱动电路使用两片 74HC245，这是比较常用的驱动芯片，属于 总线驱动器，典型的 TTL 型三态缓冲门电路。 下图为 74HC245 的逻辑图 (图 )和引脚图 (图 )。 于腾达：基于单片机的 LED大屏幕显示系统 14 图 74HC245 逻辑图 图 74HC245 的引脚图 下面说明各引脚的定义 及功能 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“B”端输出， DIR=“0”低电平时信号由 “B”端输入 “A”端输出。 2~9 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。 11~18 脚 “B”信号输入输出端，功能与 “A”端一样，不在描述。 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。 10 脚 GND，电源地。 20 脚 VCC，电源正极。 2020届 电子信息工程 专业毕业设计（论文） 15 74HC245 的真值表如下 表 74HC245 的真值表 Control Inputs 控制输入 Operation 运行 G DIR L L B 数据到 A 总线 L H A 数据到 B 总线 H X 隔开 H=高电平， L=低电平， X=不定 在本设计中，当 DIR 接高电平时， A 端为输入、 B 端为输出。 行驱动电路连接 100欧姆的限流电阻，如下图所示。 图 行驱动电路 列扫描电路 列扫描电路由于要向 32*16 的 LED 点阵传 送信号，所以需要提供 32 个列信号，在这里则是利用了两片 416 线译码器 74LS154，分别对应左、右屏。 A、 B、 C、 D 为输入、 Y0~Y15 为输出。 此外，还有两根线分别使能左、右屏译码器，也就是使能左、右屏。 片选为低电平使能。 下图为 74LS154 的逻辑图 (图 )和引脚图 (图 )。 图 74LS154 的逻辑图 于腾达：基于单片机的 LED大屏幕显示系统 16 图 74LS154 的引脚图 下面介绍各引脚定义。 111， 1317 ：输出端。 (outputs (active LOW)) 12： GND 电源地 (ground (0 V)) 1819： 使能输入端 (enable inputs (active LOW)) 2023 地址输入端 (address inputs) 24： VCC 电源正 (positive supply voltage) 74LS154 的真值表如下图所示。 图 74LS154 的真值表 在本次设计中， 74ls154 的输出接了 32 只 PNP 型三极管，在这里起到开关的作用。 通过控制输出来使得在任何时刻只有唯一的列导通以点亮该列，当列切换的速度足够快时，由于人眼的视觉暂留现象，看上去整个屏都是亮的，下图为 本次设计 的 列扫描电路 图。 2020届 电子信息工程 专业毕业设计（论文） 17 图 列扫描电路 串口通讯 在工业自动控制，智能产品中，单片机应用越来越广泛，同时也需要对数据进行较复杂的处理，由于单片机的运算能力较差，在处理复杂数据时速度较慢，所以需要借助计算机进行运算。 因此，单片机与 PC 间的通信便显得非常重要。 大多数的计算机都具有 RS232C 接口，尽管它的性能指标并非很好。 在广泛的市场支持下依然长盛不衰。 就是用而言， RS232 也确实有其优势：仅需 3 根线便可在两个数字设备之间全双工传送数据。 不过， RS232 的控制要比使用并行通信的打印机接口难于控制。 RS232C 使用了远比并行口更多的寄存器。 这些寄存器用来实现串行数据的传送及 RS232C 设备之间的握手与流量控制。 RS232 总线标准 串行通信接口标准以 RS232C 为主。 RS232C 标准是美国 EIA 与 BELL 等公司一起开发的，它适合于数据传输速率在 0~20200bit/s 范围内的通信。 RS232C 还对电器特性，逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。 RS232C 使用 3V~ 25V 表示数字 “1”，使用3~25V 表示数字 “0”， RS232C 在空闲时处于逻辑 “1”状态。 在开始传送时，首先产生一个起始 位，起始位为一个宽度的逻辑 “0”，紧随其后的为要传送的数据，所要传送的数据由最低位开始送出，最后以一个结束位标志表示该字节传送完毕，结束位为一个宽度的逻辑 “1”。 RS232C 接口电路 由于 RS232C 信号与 MSC51 单片机信号电平不一致 (前者为 RS232 电平，后者为于腾达：基于单片机的 LED大屏幕显示系统 18 TTL 电平 )，因此，采用 RS232C 与单片机通信时必须要进行信号电平转换。 目前， RS23C与 TTL 电平转换最常用的芯片有 MAX232,MC1488 等，本设计采用 MAX232 进行电平转换。 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的接口电路 ,使用 +5v 单电源供电。 下图为 MAX232 的外部引脚 (图 )和内部电路 (图 )。 图 MAX232 的外部引脚 图 MAX232 的内部电路 内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。 由 6 脚和 4 只电容构成。 功能是产生 +12v 和 12v 两个电源，提供给 RS232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚（ R1IN）、 12 脚（ R1OUT）、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS232 数据从 T1OUT、 T2OUT 送到电脑 DB9 插头； DB9 插头的 RS232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从 R1OUT、。