基于单片机的交通信息显示系统设计设计(论文)(编辑修改稿)

基于单片机的交通信息显示系统设计设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

标志、广播、电视、因特网、电话等。 其中，比较有效的手段是交通广播和安装在道路上的交通诱导室外 LED 显示屏及可变交通标志，这也是目前广为发展和普遍采用的交通诱导信息对外发布的主要方式。 面向公众的交通诱导信息一般是在室外环境下发布的。 由于 LED 显示 的高亮度特点，因此成为交诱导信息的主要发布载体。 常见的交通诱导 LED显示方式有交通诱导 LED显示屏（可变情报板）、交通诱导路径显示牌、停车指示牌、可变标识标志等。 材料技术的不断提升，拓宽了 LED 的应用范围。 交通领域 LED 显示的应用，有以下几个方面。 (1) 交通信号灯市场需求旺盛。 超高亮、大功率的 LED 器件，在城市交通信号灯中已得到广泛应用。 LED 信号灯以其高亮度、高可靠性、低使用成本、长寿命等特点，得到城市交通管理部门的青睐。 随着城市化进程和道路市政建设的发展，新建交通路口数量不断增加，目前使用的传统交通信号灯正在被 LED 信号灯替换。 预测国内道路交通 LED 信号灯市场约有几十亿元。 另外，公路车道指示灯、机场、铁路、航运等领域的信号、标识类用灯，也有很大的市场潜力。 (2) 公路 LED 可变情报板、可变限速标志等产品已发展成为公路建设中的规范化和标准化产品。 现有的道路需要补充完善，新建的道路有标准规范的要求，相关产品的行业标准也已正式发布实施。 预计每年公 路可变情报板、可变限速标志等显示类产品的市场在 35亿元左右。 (3) 汽车领域应用。 据研究统计， LED 用作汽车主刹车灯时的响应时间比传统的白炽灯要快 80ns，在高速公路上行驶会增加 4~6m的安全距离。 由于 LED具有良好的抗震性能、节电、绿色环保等特点，汽车照明、灯饰等方面的应用前景看好。 目前国内外许多品牌的汽车制造商已经在开始采用 LED 刹车灯、仪表灯和照明灯。 (4) 城市道路交通诱导、标识标志等在逐步扩大。 道路交通诱导 LED 显示在各个城市都在迅速增长，产品技术发展迅速。 在产品类型方面，交通诱导 LED 显示 屏目前仍为主流 3 产品，但各种简单、经济、实用的可变交通信息标识标志类产品将会发展普及并形成主导。 (5) 北京 20xx 奥运会、上海 20xx 世博会带来发展的契机。 20xx 年北京奥运会和 20xx年上海世博会的举办，为 LED 显示带来巨大商机。 在城市交通领域， LED 显示的市场将会有显著扩大。 同时，半导体照明的发展，也将为ＬＥＤ显示产业的总体提升带来新的发展机遇。 [2] 课题研究内容 本设计是 1 个 16*16 点阵 LED 电子显示屏的设计。 利用单片机对整个系统进行总体控制，进行显示所要显示的汉字和字符。 其中显示字模数据有单片机输入显存，点阵的点亮过程有程序控制，由驱动电路完成。 点阵采用单色显示，该显示器电路的特点是：点阵的动态显示过程占用时间比较短，亮度均匀。 整体电路 以美国 ATMEL 公司生产的 40 脚单片机 AT89C52 为核心，介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。 通过该芯片控制一个行驱动器74HC164 和 2 个列驱动器 74HC595 来驱动显示屏显示。 该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像，全屏显示 1 个汉字，采用 4 块 8 * 8 点阵 LED 显示模块来组成 1 个 16x16 点阵显示模式。 显示采用动态显示，使得图形或文字能够实现静止、移入移出等多种显示方式。 文中详细介绍了 LED 点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。 4 2 系统要求及方案论证 本方案设计一个电子显示屏，具体要求满足以下条件： (1) 设计并制作一个基于单片机的 简易 16 *16 点阵显示的 LED 电子显示屏。 (2) 利用串口通讯可以实现从电脑上发送汉字和字符，并在点阵屏上显示出来。 (3) 在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。 (4) 能显示一组特定汉字组成的句子，通过控制器切换显示内容， 并具有掉电保护功能。 电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。 设计主框图 设计主要框图如图 1 所示。 图 1 硬件设计主框图 本设计是一个用 LED 点阵显示 16*16 点阵汉字，显示屏长 和高均 为一个汉字。 总共显示“ 当前时间、温度、可见度”等 汉字从 左到右 或者从下到上。 设计思路，实现 汉字朝固定方向 滚动显示这一动作而且给人以连续显示不闪烁的感觉，就必须要求每帧的频率大于25HZ。 将点阵显示屏逐行显示，由于人眼惰性，在很短的时间下从上到下将点阵逐行 点亮，就会使人感觉一整屏在显示。 采用的是 8*8 的 LED 点阵， 8 个共阳极 COM 端（ A1～ A8），每一个公共 端都对应一列的 LED 共 8 只。 本设计的屏幕需要 4 块的 LED 点阵。 用单片机 STC89C52 单片机作为本系统的控制模块。 单片机可把由 按键 读来的数据利用软件来进行解码处理，从而把数据传输到驱动模块（列驱动器和行驱动器），实现文字的显示。 点阵电子显示屏为主要的显示模块，把单片机传来的数据显示出来 ,并且可以实现滚动显示。 在显示过程中，可以 根据 要求用 按键 来对显示屏实时的选择与切换。 单 片 机 列驱动器 行 驱 动 器 LED 点阵 5 显示模块方案论证 显示 模块 是本次设计最核心的部分，对于 8*8LED 点阵显示有以下两种方案： 方案一：静态显示， 从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的 LED 器件发光，就可以得到我们想要的显示结果。 将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用 0 和 1 表示 ， 若为 0 ， 则表示 LED 无电流 ， 即暗状态 ； 若为 1 则表示二极管被点亮。 若给每一个发光二极管一个驱动电路 ， 一幅画面输入以后 ， 所有 LED 的状态保持到下一幅画。 16*16 的点阵共有 256 个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按 8 位的锁存器来计算， 16*16的点阵需要 256/8=32 个锁存器。 这个数字很庞大 ，因为我们仅仅是 16*16 的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。 方案二：动态显示，对一幅画面进行分割 ， 对组成画面的各部分分别显示 ,是动态显示方式。 动态显示方式 ， 可以避免静态显示的问题。 但设计上如果处理不当 ， 易造成亮度低 ，闪烁问题。 因此合理的设计既应保证驱动电路易实现 ， 又要保证图像稳定 ， 无闪烁。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如 16 行）的同名列共用一套驱动器。 具体就 16*16 的点阵来说，把所有同 一 行的发光管的阳极连在一起，把所有同 一 列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第 一 行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第 二 行使其点亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第 十六 行之后，又重新燃亮第 一 行，反复轮回。 当这样轮回的速度足够快（每秒 24 次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。 我们通过实验发现 ， 当扫描刷新频率(发光二极管的停闪频率 )为 50Hz， 发光二极管导通时间 ≥1ms 时 ， 显示亮度较好 ， 无闪烁感。 鉴 于上述原因 , 我采用方案二。 数据传输模块 显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件 数目多。 当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。 采用串行传输的方法，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。 但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。 这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。 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，以致影响到 LED 的亮度。 6 解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。 即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。 为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。 经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。 对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。 这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并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。 芯片的选择 方案一 ：采用时分复用的方法，把横引脚直接接到单片机的 I/O 口上，但如果做到点阵做得比较长时，用得比较多的 I/O 口 ，而且随着点阵的长度增加而增加。 方案二：采用串口输入并口输出的方法，主要用到芯片是 74HC595 和 74HC164，此方案是由 74HC595 输出字码 74HC164 作选通。 由于 74HC595 是串口输入并口输出而且可以多块芯片级联，所要的 I/O 线比较少并不随便显示长度的增长而增多。 基于以上分析，选用方案二。 7 3 系统硬件电路的设计 硬件设计以 40 引脚单片机 STC89C52 为核心，介绍了以它为控制系统的 LED 点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。 驱动部份由两个移位存储器的 74HC595 和两个移位寄存器 74HC164 组成， 74HC595 负责列扫描数据， 74HC164 负责行扫描数据。 系统硬件整体电路 整体电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。 整体电路 如下图 2 所示。 图 2 系统整体电路 通入 5V 的直流电，送到单片机、 74HC595 的电源端，单片机开始工作。 单片机的P P3 口输出低电平，输到点阵的列信号就是高电平，这样于 74HC595 相连的的输入点必须有低电平输出否则就不会有灯亮，单片机工作对点阵的扫描顺序是先从 开始， 、 控制 74HC595 的 输入端 ，先给左面的 74HC595 导通再控制 74HC595 导通，这样从上到下从左到右依次扫描，根据程序中输入的字型码来显示出所设定的字。 因为市场上买不到 16*16 的点阵显示屏 ,所以在现实中，硬件部分采用了 4 块 8*8 的点阵显示屏来构成 一 块 16*6 LED 显示屏。 单片机系统及外围电路 单片机采用 MSC51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。 单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。 P3 口低 3位与 列 驱动器相连，送出 列 选信号； ～ 口则用来发送控制信号。 P0 口和 P1 口空 8 着，在有必要的时候可以扩展系统的 ROM 和 RAM。 最小系统电路如下图 3. 图 3 单片机最小系统 最小系统包括晶振电路和复位电路。 晶振电路是 单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。 他是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，晶振和瓷片电容是没有正负的，注意两个瓷片电容相连的那端一定要接地。 瓷片电容作用是滤波 ，防止杂波干扰晶振的正常工作。 复位电路， 给单片机一个复位信号一个一定时间的低电平）使程序从头开始执行；一般有两中复位方式：上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的低电平；手动复位，同过按钮接通低 电平给系统复位，这时如果手按着一直不放，系统将一直复位，不能正常工作，在这里我们需要注意用的电容是电解电容，是有正负的，如果接反了，他就会爆炸。 [3] 列 驱动模块 列驱动电路 由 集成电路 74HC595 构成。 它 具有 8 位移位寄存器和一个存储寄存器，三态输出的功能。 而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本 列数据的同时，传送下一 列数据，既达到重叠处理的目的。 数据在 SHcp 的上升沿输入，在 STcp 的上升沿进入存储寄存器。 移位寄存器有一个串行移位输入（ Ds）和一个串行输出（ Q739。 ）。 存储寄存器有一个并行 8 位的具备三态的总线输出，当使能 OE 时（低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 74HC595 引脚功能如表 1 所示。 9 表 1 74HC595 引脚说明 符号 引脚 描述 Q0~Q7 GND Q7′ MR SHCP STCP OE DS VCC 1~7（其中 Q0为 15 脚） 8 9 10 11 12 13 14 16 8 位并行数据输。