基于单片机的远程数码显示系统设计

基于单片机的远程数码显示系统设计内容摘要：

在应用时应将公共极 COM接到地线 GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 本科毕业设计（论文） 7 LED 数码管的应用已十分广泛，用于数码管显示的驱动电路种类较多。 常用于各 类仪表、仪器、家用电器等的数字显示 ,另外在大型商场、车站、码头、地铁站以及各类办事窗口等越来越多的场所需要用 LED 点阵显示图形和汉字。 LED 行业已成为一个快速发展的新兴产业，市场空间巨大，前景广阔。 随着信息产业的高速发展， LED 显示作为信息传播的一种重要手段，已广泛应用于室内外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所，例如户内外公共场所广告宣传、机场车站旅客引导信息、公交车辆报站系统、证券与银行信息显示、餐馆报价信息豆示、高速公路可变情报板、体育场馆比赛转播、楼宇灯饰、交通信号灯、景观照明等。 显然， LED 显 示已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。 167。 LED 显示屏 的发展过程 LED 显示屏技术包括半导体光电技术、电子电路技术、图像信息处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关的技术。 我国 LED 显示屏产业自 90 年代以来，在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。 早在 90 年代初，国产的 LED 显示屏就具备了成熟的 16 级灰度、 256 色视频控制技术和无线遥控等代表了当时的国际先进水平的技术。 近几年，在全彩色 LED 显示屏、256 级灰度控制技术 、级群控制技术等方面，国内企业均拥有了居行业先进技术水平的产品。 国内的 LED 显示屏技术的发展主要经历了以下三个阶段： （ 1） LED 显示屏的成长形成期 在 1990年以前国外应用较广，但由于受到 LED材料器件的限制，国内并没有 广泛的使用。 （ 2） LED显示屏的迅速发展期 进入 90 年代后，在 LED 显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。 LED 显示屏也经历了从单色、双色到全彩显示屏的发展过程。 在这个时期，不论是在器件的性能还是控制器的设计上都取得了长足的进步。 （ 3） LED 大屏幕的发展成熟期 进入 21世 纪后，由于 LED器件成本的大幅下降， LED显示屏得到了空前广本科毕业设计（论文） 8 泛的应用。 LED控制器的设计也同趋成熟。 LED控制器设计和屏体设计开始渐渐分离，这时出现了一批专业设计提供 LED大屏幕控制器的公司，它们在技术上也大大推动了 LED产业的发展。 LED控制器的设计趋于通用性。 目前 LED大屏幕的显示向高亮度、更高的发光均匀性、更高的可靠性等方向发展。 控制系统的运行，操作和维护也越来越向集成化、网络化、智能化等方向发展。 a) 高亮度、全彩化 蓝色及绿色超高亮 LED的出现，以及其成本的降低，使得 LED全彩显示屏成本大大下降，使得 其普及速度也大大加快。 b) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格基本均衡后， LED显示屏的标准化和规范化将成为 LED显示屏发展的一个趋势。 行业规范和标准体系的形成，使得 LED显示屏行业的发展趋于有序。 c) 产品结构多样化 随着社会的发展， LED显示屏的应用前景越来越广阔。 LED屏幕从大型系统开始向大批量、小型化系统发展。 总之，在 LED元件研制方面，单色、多色 LED点阵模块产品已经发展得很成 熟。 而在产品方面， LED大屏幕朝着标准化、大型化和小型化等方面发展。 167。 LED 显示屏的 类型 根据划分标准的不同， LED 显示屏可以有很多种类。 例如，按显示颜色分为：单色 LED 显示屏，双色 LED 显示屏和全彩色 (三基色 )LED 显示屏；按显示内容分 为 LED 图文显示屏、 LED 图像显示屏等。 对于不同种类的 LED 显示屏，其控制系统的设计也必然有所差异。 例如， LED 图文显示屏的控制相对简单，只要控制 LED 屏幕上各点的亮、灭即可。 而 LED 图像显示屏的控制则相对复杂，它不但需要控制 LED 屏幕上各点是否发光还要控制它 们的发光强度。 此外， LED 图像显示屏的控制还要考虑所显示的图像是静止的还是运动的。 对于动态图像，其图像的显示还要考虑动作连续、 无闪烁等要求。 这就对其控制系统 的设计提出了更高要求。 本科毕业设计（论文） 9 167。 LED 显示屏的控制技术 LED信息显示屏系统的主要功能是实现对显示信息的接收、处理、存储和显示。 为达到功能设计要求目标，有很多技术路线和设计方案可供选择。 例如，作为 LED信息显示屏系统主体的主控模板可以是嵌入到 LED显示屏驱动电路中的单片机系统，也可以是独立的微机系统或者是微机 +单片机 [8]主从控制系统。 在诸多设计方案中，目前比较流行思路是由微机和单片机共同构成主从控制系统。 在此基础之上， LED显示屏的控制技术主要分同步控制和异步控制两种类型。 同步 控制技术在上位机 (微机 )与 LED屏幕之间建立一个映射通道，将微机显示器上的内容，直接映射到 LED屏幕上。 这样， LED屏幕就可以显示上位机显示器上的内容 (主要是动画靓频 )。 这种控制方式的突出优点就是显示内容可以更为丰富，缺点是显示屏控制系统的设计比较复杂，且难以实现对多个显示屏的集群控制。 异步控制则通过通讯接口 (一般是串口 )将显示信息发送到显示屏系统，并且存储到其存储器上。 然后，显示屏系统再根据控制命令管理这些信息，使之显示在 LED屏幕上。 显然，由于受本身信息处理能力和存储空间的限制，采用异步控制方式的控制 系统一般不具备显示复杂信息的能力。 因此，异步控制方式主要用于文字和静态图形信息的显示。 异步控制方式的优点是系统设计相对简单，且容易实现多个屏幕的集群控制。 在实际应用当中，以文字信息以及静态图形为主的 LED 信息显示屏系统多采用异步控制方式，以视频显示以及动态图形为主的 LED 信息显示屏系统则多采用同步控制技术。 本科毕业设计（论文） 10 第 2章 显 示 控制 和驱动 电路 单片机应用系统中使用的显示器件主要有发光二极管数码显示器（ LED）和液晶显示器（ LCD）简单地说， LCD 与 LED 是两种不同的显示技术， LCD 是由液态晶体组成的显示屏， 而 LED 则是由发光二极管组成的显示屏。 LED 显示器与 LCD 显示器相比， LED 在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。 另外， LED 价格低廉，配置灵活，与单片机接口简单； LCD 可进行字符和图形显示，但成本高，与单片机接口也复杂。 167。 LED 显示器的 工作 原理 LED 是发光二极管 （ Light Emitting Diode ） 的英文缩写。 LED 发光器件一般常用的有两类：数码管和点阵。 7 段数码管属于 LED 发光器件的一种，一般由 8 个发光二极管组成，其中包括 7 个细长型的 LED 组成一个“ 8和 1 个小数点型的 LED，每个 LED 成为一个字段，分别为 a、 b、 c、 d、 e、f、 g、共 8 段，其中 （ Decimal Point）为小数点，如图 21（ a） ,（ b）所示。 图 21 7 段数码管内部字段 LED 和引脚 数码管常用的有 10 根管脚，每一段有一根管脚，另外两根管脚为一个数码管的公共端，两根之间相互连通，即为一脚。 数码管有共阳极（其 LED本科毕业设计（论文） 11 的阳极都连接在一起）和共阴极（其中 LED 的阴极都连接在一起）两种结构形式，如图 22（ a）、（ b）所示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e vi s i onS i z eBD a t e : 11 J u n 20 10 S h e e t o f F i l e : C : \ D o c um e n t s a n d S e t t i ngs \ A d m i n i s t r a t or \桌面 \ gc x\ 郭长兴 .dd bD r a w n B y :C O Ma b c d e f g dp （ a）共阳极 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e vi s i onS i z eBD a t e : 11 J u n 20 10 S h e e t o f F i l e : C : \ D o c um e n t s a n d S e t t i ngs \ A d m i n i s t r a t or \桌面 \ gc x\ 郭长兴 .dd bD r a w n B y :C O Ma b c d e f g dp （ b）共阴极 图 22 7 段 数码管两种结构形式 下面以共阴极七段数码管为例，说明对显示的控制方法。 设共阴极电平为 Ue，每字段上所加电平分别为 Ua、 Ub、 Uc、 Ud、 Ue、 Uf、 Uh。 设某字段的电平为 Ui，当 Ue为高电平时， Ui为任何电平该段二极管都不发光；当 Ue为低电平时，若 Ui为高电平，则该段发光；若 Ui为低电平，则该段不发光。 因此，可以看出： a） Ue可以实现对整个数码管是否发光的控制。 b） 可以实现对数码管中某一字段的发光控制。 7段数码管可以显示包括小数点的 0～ 9数字和部分的英文字母。 为 了获得不同的字型，数码管各段所加的电 平也不同，编码也不一样。 字型，字段和编码关系如表 21 所示，其中 a 段为最低位， dp 为最高位。 本科毕业设计（论文） 12 表 21 7 段 LED 数码显示字型表 字型 共阳极段码 共阴极段码 字型 共阳极段码 共阴极段码 0 COF 3FH 9 90H 6FH 1 F9H 06H A 88H 77H 2 A4H 5BH B 83H 7CH 3 B0H 4FH C C6H 39H 4 99H 66H D A1H 5EH 5 92H 6DH E 86H 79H 6 82H 7FH F 84H 71H 7 F8H 07H 空白 FFH 00H 8 80H 7FH P 8CH 73H 167。 LED 显示器的显示方式 单片机驱动 LED 数码管有很多方法，按显示方法可分为 动态 显示和 静 态显示。 167。 LED 的 动 态显示方法 动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的 8 个笔画字段（ a～ g 和dp）同名端连接在一起，而每一个显示器的公共极 COM 各自独立的接受 I/O线控制。 CPU 向字段输出端口输出字型时，所有显示器接收到相同的字型码，但究竟使用哪个显示器，则取决于 COM 端，而另一端是由 I/O 口控制的，由单片机决定何时显示哪一位。 动态扫描用分时的方法轮流 控制各个显示器的COM 端，使各个显示器轮流点亮。 在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就是一组稳定的显示数据。 静态显示和动态显示各有利弊。 静态显示虽然数据显示稳定，占用很少的 CPU 时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的电路硬件较多，如果显示的位数比较多，硬件的开销、电源的功耗等问题将变得更加突出；动态显示需要分时显示，需要 CPU 时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用 CPU 时间多，但使 用的本科毕业设计（论文） 13 硬件少，可以大幅度地降低硬 件成本和电源的功耗，还可以节省电路板空间。 在一般较为简单的系统中，为了降低成本，动态显示的方案具有一定的实用性，也是目前单片机数码管显示中较为常用的一种显示方法。 所以本设计就是采用动态扫描方式来实现数码管的显示。 167。 LED 的静态显示方法 静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将要显示的数据送出后就不再控制 LED，直到下一次显示时再传送一次新的显示数据。 只要当前显示的数据没有变化，就无须理睬数码管显示器。 静态显示的数据稳定，占用的 CPU 时间少。 静态显示中，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I/O 接口。 这样单片机只要把显示的字型代码发送到接口电路，该字段就可以显示发送的字型。 要显示新的数据时，单片机再发送新的字型码。 另外， LED 显示器工作在静态方式时，其公共端应接到一个固定的电平（共阴极接低点平，共阳极接高电平）。 167。 芯片介绍 数码管显示电路一般都是由单片机直接控制驱动数码管显示的方法，利用 CPU来控制数码管显示部分的导通和截止，其工作过程一般是：将字型代码送入字型锁存器锁存，此时所有的数码管都可能显示同样的内容，再将需要显示的位置送入字位锁存器锁存，这样就可以在正确的字位上显示正确的字型。 由于以上的显示会增加单片机的工作量，对单片机自身的各项要求都会加大。 然而实际上目前有很多厂家都推出了专用的数码管显示驱动芯片，本设计就是使用专用驱动芯片驱动数码管显示的方法。 目前市面上已有的 LED 显示驱动芯片种类繁多，常用的专用数码管显。