点阵显示屏系统的设计.doc
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1、基于51单片机LED点阵显示屏系统设计学 生 姓 名: 学 号: 专 业 班 级: 指 导 教 师: 摘 要本文简介了一款以单片机AT89S51为控制器LED点阵显示屏系统设计。该系统可实现中英文字符显示和动态特效显示。并且可以通过级连方式来扩大显示屏幕尺寸以达到增长显示内容目。系统采用PC机作为上位机,上位机向单片机发送控制命令和上位机所存储显示代码,AT89S51单片机接受并解决PC机控制命令以及显示代码,由显示驱动模块驱动一种1616辨别率LED点阵显示屏扫描显示。PC机与单片机之间通信采用RS232C通信原则来实现。所选用AT89S51单片机具备价格低廉程序写入以便特点使得整个系统以便
2、维护和检修。除此之外,该系统只占用了单片机少量I /O口和内存,为系统留下了功能扩展空间。LED显示屏是一种由半导体发光二极管构成显示点阵,人们通过控制每个LED亮灭实现图形或字符显示。由于LED显示屏亮度高、视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、性能稳定,因而被广泛应用于机场、商场、医院、宾馆、证券市场等公共场合。本文以单片机为控制核心设计和制作了一种中文显示系统,其成本低廉,内容更新简便。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场合需要用LED点阵显示图形和中文。LED行业已成为一种迅速发展新兴产业,市场空间巨大,前景辽阔。随着信息产业高速发展,LED显示作为信息传播
3、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公众场合,例如户内外公共场合广告宣传、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显示已成为都市亮化、当代化和信息化社会一种重要标志。核心字:AT89S51;LED点阵显示;串行通信目 录摘 要I引 言11 LED概述21.1 LED特点21.2 研究LED现状及发展趋势21.2.1 国内LED产业发呈现状21.2.2 LED显示屏发展趋势32 方案论证与选取42.1 系统硬件方案42.1.1 显示屏主控制器42.1
4、.2 通信系统62.1.3 LED点阵显示屏62.1.4 硬件设计方案72.2 系统软件方案82.2.1 单片机编程语言82.2.2 系统软件编译器简介92.2.3 上位机控制传播软件93 系统硬件设计113.1 硬件整体设计概述及功能分析113.2 控制单元设计123.2.1 AT89S51简介123.2.2 控制系统设计133.3 译码电路设计153.3.1 串并转换器74LS164153.3.2 锁存器74L373163.4 驱动电路设计173.4.1 行驱动电路设计173.4.2 列驱动电路设计183.5 通信系统硬件设计183.6 电源设计193.7 级连大屏幕LED显示屏204 系
5、统软件设计234.1 程序设计234.2 显示程序设计244.2.1 LED显示屏显示方式244.2.2 点阵数据表达方式254.3 通信程序设计285 系统调试315.1 系统硬件某些调试办法315.1.1 短路与虚焊检测325.1.2 上电测试325.1.3 串口调试325.2 系统软件调试办法335.3 系统联合调试及成果345.4 调试成果分析34结 论36致 谢37参照文献38附 录39引 言该设计课题使咱们可以掌握LED显示屏基本显示原理和设计办法,对LED显示屏这个行业有了较为深刻理解和结识。并且对大学期间所学习某些理论进行了实践,使咱们对所学过理论知识有了新结识。并且通过该设计
6、课题掌握了51单片机软硬件开发工具用法,为后来从事有关行业工作积累了实际工作经验。当前国内信息行业发展迅速,作为重要平面显示媒介LED显示屏作用也越练越广泛,有关从业人员也会越来越紧缺。但同步应当清晰结识到国内LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平尚有一定差距。因而此课题无论是对自己就业还是对国内LED显示技术发展均有非常现实与积极意义。论文重要内容针对设计题目特点,作者对论文内容和构造将做如下安排:(1)初步方案论证和选取收集题目关于资料,并参照当前通用设计思想和设计办法拟定几套设计方案进行分析比较。最后选定了以PC机为上位机,单片机为核心控制器件,外加译码电路和驱动电路设计方案。(2)方案
7、实现以设计方案为指引思想选取适当器件来实现这一思想,选取器件时要从功能和电气特性两方面来选取和论证。通过对比选取选定AT89S51单片机为核心控制器件,由串并转换器74LS164和锁存器74LS373为译码电路器件,三极管8550和ULN2803为驱动电路器件。论文列出了详细器件参数和在系统中连接用法。(3)软件编写依照硬件特点和设计规定,软件选用C语言编写。程序按功能分为静态显示、动态显示、通信等几种功能上相对独立模块。然后按照所划分模块逐个编写和调试,最后将独立模块整合起来。(4)验证与测试调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。在硬件调试中发既有单片机端口驱动能力局限性、驱动
8、电路工作不稳定等问题。在软件调试中浮现程序整合工作不协调等问题。通过度析,查找找出了问题因素并设法将其解决。(5)结论设计完毕后对设计中所遇到问题、经验教训、以及自己想法进行总结。1 LED概述1.1 LED特点LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来新型信息显示媒体,显示屏由几万几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列构成。运用不同材料可以制造不同色彩LED像素点。当前应用最广是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED开发已经达到了实用阶段。LED显示屏可以显示变化数字、文字、图形图像;不但可以用于室内环境还可以用于室外环境,具备投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟长处1。在短短十来年中,LE
9、D点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定长处迅速成长为平板显示主流产品,在信息显示领域得到了广泛应用。LED发展前景极为辽阔,当前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高发光密度、更高发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。LED显示屏应用涉及社会经济许多领域,重要涉及:(1)证券交易、金融信息显示。(2)机场航班动态信息显示。(3)港口、车站旅客引导信息显示。(4)体育场馆信息显示。(5)道路交通信息显示。(6)调度指挥中心信息显示。(7)邮政、电信、商场购物中心等服务领域业务宣传及信息显示。(8)广告媒体新产品等。1.2 研究LED现状及发展趋势1.2.1 国内L
10、ED产业发呈现状国内LED显示屏产业通过几年发展,基本形成了一批具备一定规模骨干公司。据不完全记录,至1998年终,年度销售总额在1000万元以上公司有20多家,其销售总额达6亿元左右,占行业市场总额85%以上。全国从事LED显示屏各类公司有100余家,从业人员近6000人,行业年度销售总额近8亿元人民币,1996年、1997年增长速度均保持40%左右,1998年略有回落。在国内市场上,国产LED显示屏市场占有率近100%,国外同类产品基本没有市场,四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等,均由国内代表公司中标。技术水平相对领先,国内LED显示屏产业在规模发
11、展同步,产品技术推陈出新,始终保持比较先进水平。90年代初即具备了成熟16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术,近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平技术和产品浮现;LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内公司开发生产并得到应用。LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍,在全国LED显示屏行业从业人数6000人中,科技人员有2800多人,将近50%。LED显示屏产业正成为国内电子信息产业重要构成某些,也是平板显示领域唯一立足国内形成民族高科技产业。1.2.2 LED显示屏发展趋势当代信息社
12、会中,作为人一机信息视觉传播媒体显示产品和技术得到迅速发展,进入21世纪显示技术将是平板显示时代,LED显示屏作为平板显示主导产品之一无疑会有更大发展,并有也许成为21世纪平板显示代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自浮现以来,成本逐年迅速减少,已具备成熟商业化条件。基本材料产业化。使LED全彩色显示产品成本下降,应用加快。LED产品性能提高,使全彩色显示屏亮度、色彩、白平衡均达到比较抱负效果,完全可以满足户外全天候环境条件规定,同步,由于全彩色显示屏价格性能比优势,预测在将来几年发展中,全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替老式灯箱、霓红灯、磁翻板等产品,体育场馆
13、显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏广泛应用会是LED显示屏产业发展一种新增长点。将来LED显示屏会向着原则化、规范化,产品构造多样化方向发展2。2 方案论证与选取2.1 系统硬件方案大多数LED显示屏都在户外,因此对硬件质量规定非常高。为以便检修和维护硬件电路设计时经常采用模块化设计办法。硬件设计采用模块化设计,既要满足模块自身功能又要可以和整个系统兼容。如图2-1所示,依照显示系统功能特点拟定系统硬件由显示屏某些,控制某些,通信系统及上位机四某些构成。上位机通过通信某些向控制某些发送控制指令和显示内容代码,控制某些执行显示指令并将显示代码解决后控制显示某些显示内容和显
14、示方式3。图2-1 系统硬件构成框图2.1.1 显示屏主控制器控制某些是整个系统核心某些,其功能为与上位机通信接受上位机发送数据和控制指令解决过后控制显示某些显示内容。其惯用电子设计办法有单片机、DSP、及EDA技术。几种设计办法比较各有其特点:(1)单片机单片机是集成了CPU,ROM,RAM和I/ O口微型计算机。它有很强接口性能,非常适合于工业控制,因而又叫微控制器(MCU)。单片机品种齐全,型号多样 CPU 从8,16,32到64位,多采用RISC 技术,片上I/O非常丰富,有单片机集成有A/ D,“ 看门狗”,PWM,显示驱动,函数发生器,键盘控制等。它们价格也高低不等,这样极大地满足
15、了开发者选取自由。除此之外单片机还具备低电压和低功耗特点。随着超大规模集成电路发展,NMOS工艺单片机被CMOS代替,并开始向HMOS 过渡。供电电压由5V 降到3V,2V甚至到1V,工作电流由mA降至A ,这在便携式产品中大有用武之地4。(2)DSP 芯片DSP 又叫数字信号解决器。顾名思义,DSP重要用于数字信号解决领域,非常适合高密度,重复运算及大数据容量信号解决。当前已经广泛应用于通信、便携式计算机和便携式仪表、雷达、图像、航空、家用电器、医疗设备等领域,DSP具备修正哈佛构造,多总线技术以及流水线构造。将程序与数据存储器分开,使用多总线,取指令和取数据同步进行,以及流水线技术,这使得
16、速度有了较大提高。DSP区别于普通微解决器另一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令,普通微解决器用软件实现乘法,逐条执行指令,速度慢。而DSP 依托硬件乘法器单周期完毕乘法运算,并且还具备专门信号解决指令,如TM320 系列FIRS ,LMS,MACD指令等5。(3)EDAEDA(即Electronic Design Automation) 即电子设计自动化,它是以计算机为工具,在EDA 软件平台上,对用硬件描述语言HDL 完毕设计文献自动地逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目的芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。设计者只需用HDL 语言完毕系统
17、功能描述,借助EDA工具就可得到设计成果,将编译后裔码下载到目的芯片就可在硬件上实现。由于FPGA/CPLD可以通过软件编程对该硬件构造和工作方式进行重构,修改软件程序就相称于变化了硬件,软件编写可以采用自顶向下设计方案,并且可以各种人分工并行工作这样便缩短了开发周期和上市时间,有助于在激烈市场竞争中抢占先机。并且MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能,不可避免低速,而FPGA/CPLD则可实现硬件上并行工作,在实时测控和高速应用领域前景辽阔;另一方面,FPGA/CPLP器件在功能开发上是软件实现,但物理机制却和纯硬件电路同样,十分可靠。三种设计方式相比较各有长处且都可以实现控制功能
18、,但单片机技术门槛较低开发成本也较低非常适合初学者进行学习和锻炼使用。当前市场上惯用单片机重要有MCS-51、AVR、ARM、PIC等。其中应用最广泛单片机首推Intel51系列,由于产品硬件构造合理,指令系统规范,加之生产历史“悠久”,有先入为主优势常作为单片机学习教材。且51系列I/O脚设立和使用非常简朴,当该脚作输入脚使用时,只须将该脚设立为高电平(复位时,各I/O口均置高电平)。当该脚作输出脚使用时,则为高电平或低电平均可。因此在控制某些方案选取中选定51系列单片机作为控制某些核心器件。2.1.2 通信系统通信某些要满足设计规定就是稳定、迅速、简朴易实现。由于普通状况下显示屏和上位机距
19、离不会很远,因此通信距离规定不是很高。计算机数据通信重要采用并行通信和串行通信两种方式。(1)并行通信并行通信时数据各个位同步传送,可以字或字节为单位并行进行。并行通信速度快,但用通信线多、成本高,故不适当进行远距离通信。(2)串行通信串行通信数据是一位一位顺序传送,只用很少几根通信线,串行传送速度低,但传送距离长,因而串行合用于长距离而速度规定不高场合。在串行发送时,数据是一位一位按顺序进行,而计算机内部数据是并行。因而,当计算机向外发送数据时,必要将并行数据转换为串行数据再发送。反之,又必要将串行数据转换为并行数据输入计算机中。这种转换即可以用硬件实现也可以用软件实现。单由软件实现会增长C
20、PU承担,减少其运用率,故当前常采用硬件实现。通用通用异步接受/发送器,简称UART(Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter)是完毕这一功能硬件电路。在单片机芯片中,UART已经集成在其中,作为其构成某些,构成一种串行口6。综上所述,题目设计已经选定了单片机为开发方式而单片机UART已经集成在单片机内,因此通信系统选取串行通信为通信方式。2.1.3 LED点阵显示屏显示某些涉及了一块至少可以显示一种中文显示屏,以及驱动该显示屏驱动电路。由于单片机I/O口有限要不能直接用I/O口来驱动LED显示屏,因此需要对单片机IO口进行扩展增长单片机并行输出
21、能力。LED显示屏是由一种一种发光二极管点阵构成,要构成大屏幕LED显示屏就需要各种发光二极管。构成LED屏幕办法有两种,一是由单个发光二极管逐点连接起来,如图2-2所示;二是选用某些由单个发光二极管构成LED点阵子模块构成大LED点阵模块。当前市场上普遍采用点阵模块有88、1616几种;这两种屏幕构成办法各有有缺陷,单个发光二极管构成显示屏长处在于当单个发光二极管浮现问题时只需更换一种二极管即可,检修成本较低,缺陷在于连接线路复杂;而点阵模块构成办法却正好与之相反,模块构成省约了大量连线,但是当一种LED浮现问题时同在一种模块所有LED都必要被更换。这就加大了维修成本。两种办法相比较,决定采
22、用模块构成办法来制作一种LED点阵显示屏。为了避免模块缺陷,选取点阵数较小模块来减小浮现这一问题风险。因此构建一种1616LED点阵屏选用四块88点阵模块。图 2-2 LED点阵图一种1616LED显示屏行和列各有16支引脚,不能单靠51单片机端口驱动因此必要要对单片机端口个数进行扩展。经常采用端口扩展办法是用串并转换芯片进行译码。惯用串并转换芯片有74LS154(4线-16线译码器)、74LS164(8位串并转换器)、74HC595等。51系列单片机端口低电平时,吸入电流可达,具备一定驱动能力;而为高电平时,输出电流仅数十甚至更小(电流事实上是由脚上拉电流形成),基本上没有驱动能力,因此单片
23、机不能直接驱动LED显示屏显示。在单片机和显示屏之间还需要增长以功能放大位目驱动电路7。2.1.4 硬件设计方案最后方案如图2-3所示,以PC机作为上位机存储和解决显示内容用串行通信方式将显示内容和控制指令传播到单片机系统,单片机依照上位机传播来内容和指令通过端口译码扩展后驱动4块88LED点阵模块构成1616LED点阵显示屏。题目将以此方案为指引思想展开详细硬件电路设计。图2-3 硬件设计方案2.2 系统软件方案软件设计除了满足设计功能外还必要要满足易读写,以便下载和编译。设计目的和硬件总体构造拟定状况下,软件可以分为主程序,显示子程序,各种特效显示子程序,通信程序三个重要某些构成。详细构造
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