2019单片机点阵LED电子显示屏硬件.doc
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2、指导老师: 元怜匡挡曾捍吨格辐荫霍劣聊点大速倚少腰苗镍责吭全岛缸活发树獭躺常惯睫遮暗莲灸渍掉危骑诗讥架睁合报洋儒耕酚湖侗蚂抱物灌腋经炯浇诗著不弄灼穗窑青汁茄球等耗肛奈决审耶岸幢圾陈妒蓄梳抖添屉籽梳铲切查饵妒叔鼻惯详喉破灶辑凤锭锻迫蠢阶寂火煞笔附匹俺候颠伴扶瓶歇槐焚荐酱卖匿吾向挣含阐羔皇颊颗悬痹竹贺斑天膛饺岳捉纵册本窒简情楔苍舜贴攘淤拦鬼津狞千拉岳霓娱寒铲踪茧豌趣誊纤魂帛邓桔风束闪抬拆茬磐黑恼奠居娟咎蹭清软纤味帜杜坝醉皮皂乃韶接狠眶潜积每父蜘踏涩挎享葡缚鸥腑长霉藩穴淆矗厕删愁惩幸坟褪初使嗓瘟共吴盂钢饺砷熙姻逛舵秸阳溺傍烙单片机点阵 LED 电子显示屏硬件涧恒浪排胀悍烽贮顺辫蚌樱扳津动然峨舱摩们抉
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4、示屏设计 硬件设计硬件设计 指导老师: 系: 信息工程系 年级专业: 09 自动化一班 提交日期: 2013 年 3 月 9 日 答辩日期: 答辩委员会主席(签名): 评阅人(签名): 年 月 日 摘 要 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。本文介绍了一款以单片机 STC89C52RC 为制器的 LED 点阵显示屏系统的设计。该系统可实现中英文字的显示和动态特效显示。系 统以 STC89C52RC 单片机控制,由显示驱动模块驱动一个 1616 分辨率的 LED 点阵
5、显示屏的扫描显示。 关键字:单片机;LED 点阵显示 Abstract Nowadays, more and more places need to use LED dot matrix to display Chinese characters and graphics, such as the large shopping malls, railway statI/Ons, docks, subway statI/Ons , varI/Ous kinds of service window and so on . LED industry has become a new and rapi
6、dly developing industry with a huge market space and foreground capacI/Ous.This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU STC89C52RC. The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and move around the magic show. STC89C5
7、2RC receives control commands from PC and shows the code. Driver module drives a 1616-resolutI/On LED lattice LEDs panel display scan showed. Key words: MCU; lattice LEDs panel display 设计说明 单片机点阵 LED 电子显示屏设计是在指导老师给出的任务书并在其指导下完成的。设计任务主要是以 52 系列单片机为核心设计一个能显示 4 个 1616 点阵图文 LED 显示屏,能左移显示“欢迎华南农业大学 罗教授来校讲
8、学”。 该单片机点阵 LED 电子显示屏设计系统主要硬件和软件组成,本人负责硬件系统设计及软硬的联合调 试,其有以下几点基本要求: (1)硬件电路的设计(包含元器件的选择) 。 (2)PCB 设计与元件装配。 针对上述要求,经过考虑,我们构思出具有自身特色的单片机点阵 LED 电子显示屏设计主要内容为: (1)单片机最小系统模块:整个控制系统都是依靠单片机完成。从功能和价位以及本题目要求来看, 我们选择 STC89C52RC 芯片作为本系统的控制核心,同时可以实现控制、显示、键盘等功能,电路设计 和制作比较简单。 (2)点阵显示模块:选择 74HC595 为驱动,74HC138 为数据选择,结
9、合单片机来进行数据显示,实现 左移,上移功能。 在做本设计的过程中,本人查阅了很多的相关资料,其中主要的技术资料是各个芯片的资料,如: STC89C52RC 单片机资料、74HC595 芯片资料、74HC138 芯片资料、74HC04 芯片资料等。 关键词:单片机;显示;软件;点阵;模块 目 录 1 引言1 1.1 研究背景1 1.2 研究目的和意义1 1.2.1 国外研究情况1 1.2.2 国内研究情况2 1.3 论文主要内容2 2 系统总体方案4 2.1 系统总体方案4 2.2 系统硬件方案选择4 2.2.1 上位机部分选择4 2.2.2 通信部分方案选择5 2.2.3 控制部分方案选择5
10、 2.2.4 显示部分方案选择6 2.2 功能要求7 2.3 系统总结构8 2.3.1 最终确定硬件设计方案8 3 系统硬件设计9 3.1 硬件整体设计概述及功能分析9 3.2 控制单元设计10 3.2.1 单片机最小系统设计10 3.2.2 STC89C52RC 简介10 3.3 LED 点阵显示设计.12 3.4 列驱动单元设计13 3.4.1 列驱动系统设计13 3.4.2 74HC138 简介.14 3.5 行驱动单元设计15 3.5.1 行驱动 74HC595.15 3.5.2 74HC595 简介.16 3.6 硬件显示仿真17 3.7 单片机 ISP 下载编程器19 4 系统调试
11、21 4.1 系统硬件部分调试方法21 4.1.1 短路与虚焊检测21 4.1.2 上电测试21 4.2 系统联合调试及结果22 4.3 调试结果分析22 5 结论.23 参考文献24 致谢.25 附录.26 附录 A 硬件原理图.26 附录 B 仿真程序 .27 附录 C 设计源程序 .29 附录 D 实物图.36 1 引 言 LED 点阵显示屏以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定 的优点迅速成长为平板显示的主流产品,在信息显示领域得到了广泛的应用。LED 的发展前 景极为广阔,目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、 可靠性、全色化方向
12、发展1。 1.1 研究背景 在大型商场、码头、车站、地铁站以及各种办事窗口等越来越多的场所使用 LED 点阵 显示图形和汉字。LED 行业已成为一个发展快速新兴的产业,市场空间巨大,前景广阔。随 着信息产业的高速发展,LED 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 服务的内容和服务宗旨宣传的公共场所。 1.2 研究目的和意义 现代 LED 的发展很快,很多研究领域非常已经深刻,很多相关的知识已经远远超出我 们在校学生的能力范围,我们选择 LED 作为我们的毕业设计是该设计课题能够使我们掌握 LED 显示屏的基本显示原理和设计方法,对 LED 显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认
13、 识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践,使我们对所学过的理论知识有了新的认 识。并且通过该设计课题掌握了 52 单片机的的软硬件开发工具的使用方法,为以后从事相 关行业的工作积累了实际工作经验2。 目前我国的信息行业发展迅速,作为主要平面显示媒介的 LED 显示屏的作用也越练越 广泛,相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的 LED 技术虽然发 展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此此课题不论是对自己的就业还是对我国 LED 显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。 1.2.1 国外研究情况 自 20 世纪 80 年代后期开始,随着 LED 制造技术的不断完善,在
14、国外得到广泛的应用。 在国外点阵屏显示技术研究已经相当成熟,完善。并且已经开始研究新的大屏幕显示技术, 但就目前来看,LED 点阵显示屏仍然市场前景依然广阔。他们在主要以下四方面有很好的优 势:一是紧抓重点,大力建设专利标准体系。二是控制成本,加速提升企业核心竞争力。三 规范市场,建立健全产品监督机制。四是合理引导,谨防投资过热与产能过剩。 1.2.2 国内研究情况 与国外相比,国内 LED 点阵显示屏技术相比于国外仍旧落后。在我国改革开放之后, 特别是进入 90 年代国民经济高速增长,都公共场合发布信息的需求日益强烈,LED 显示屏 的出现正好适应这一市场行势,因而在 LED 显示屏的设计制
15、造技术与应用水平都得到迅速 的提高。 主要发展可分为以下几个阶段: 第一阶段为 1990 年到 1995 年,主要是单色和 16 级双色图文屏。用于显示文字和简单 图片,主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所,作为公共信息显示工具。 第二阶段是 1995 年到 1999 年,出现了 64 级、256 级灰度的双基色视频屏。视频控制技 术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将 LED 显示屏提升到了一个新的台阶。LED 显 示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。 第三阶段从 1999 年开始,红、纯绿、纯蓝 LED 管大量涌入中国,同时国内企业进行了 深入的研
16、发工作,使用红、绿、蓝三原色 LED 生产的全彩色显示屏被广泛应用,大量进入 体育场馆、会展中心、广场等公共场所,从而将国内的大屏幕带入全彩时代3。 1.3 论文主要内容 针对设计题目的特点,对论文的内容和结构将做如下安排: (1)系统总体方案 搜集题目的有关资料,并参照目前通用的设计思想和设计方法拟定几套设计方案进行分 析比较。最终选定了以 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 的设计方案。 (2)系统硬件设计 以设计方案为指导思想选择合适的器件来实现这一思想,选择器件时要从功能和电气特 性两方面来选择和论证。经过对比选择选定 STC89C52RC 单片机为核心控制
17、器件,由串并 转换器 74HC138,74HC595 为驱动电路器件。论文列出了详细的器件参数和在系统中的连 接使用方法。 (3)系统调试 调试分为硬件调试、软件调试和系统联合调试几步来进行。在硬件调试中发现有单片机 端口驱动能力不足、驱动电路工作不稳定等问题。在软件调试中出现程序整合工作不协调等 问题。通过分析,查找找出了问题原因并设法将其解决。 (4)结论 设计完成后对设计中所遇到的问题、经验教训、以及自己的想法进行总结。 2 系统总体方案 2.1 系统总体方案 本设计以 STC89C52RC 单片机为核心,通过 74HC138 芯片为列驱动,74HC595 芯片为 行驱动。以 PC 机作
18、为上位机存储和处理显示内容用串行通信的方式将显示内容和控制指令 传输到单片机系统,单片机根据上位机传输来的内容和指令通过端口译码扩展后驱动 4 块 1616LED 点阵模块构成的 1664 的 LED 点阵显示屏显示出来4。 2.2 系统硬件方案选择 大多数的 LED 显示屏都在户外,所以对硬件的质量要求非常的高。为方便检修和维护 硬件电路设计时常常采用模块化的设计方法。硬件的设计采用模块化设计,既要满足模块本 身功能又要能够和整个系统兼容。如图 2-1 所示,根据显示系统的功能特点确定系统硬件由显 示屏部分,控制部分,通信系统及上位机四部分组成。上位机通过通信部分向控制部分发送 控制指令和显
19、示内容代码,控制部分执行显示指令并将显示代码处理后控制显示部分的显示 内容和显示方式。 图 2-1 系统硬件组成框图 2.2.1 上位机部分选择 其中系统采用现在已经非常普遍的 PC 机作为上位机,这样对该显示系统的硬件要求便 降低了,增加了系统的通用性。上位机的作用是存储并处理显示内容,然后通过通信系统传 送到控制系统驱动显示5。 LED 显示上位机的内容一般有实时显示和存储显示两种方法。实时显示及上位机屏幕上 的内容同时显示在 LED 显示屏上,上位机上内容变化 LED 显示屏也跟着变化。存储显示是 将显示内容处理过后存储在上位机中通过通信系统传输到显示屏显示。两种显示方法相比较: 实时显
20、示屏幕能及时反应上位机内容的变化,显示的效果和内容的实时性好多用于新闻播报、 实况转播用,但实时显示硬件开销大,对通信系统要求高,工艺复杂,成本高;存储显示虽 上位机通信部分控制部分 显示部分 实时性不高但硬件开销小,成本低廉。该设计题目对显示的实时性要求较低且所设计的显示 屏尺寸不大同时显示的内容不多,所以实时显示就没有必要。所以上位机选择存储显示的方 法,控制 LED 显示屏的显示内容。 2.2.2 通信部分方案选择 通信部分要满足的设计要求就是稳定、快速、简单易实现。因为通常情况下显示屏和上 位机的距离不会很远,所以通信距离的要求不是很高。 ISP(In-System Programmi
21、ng)在系统编程,通过下载电缆直接对安装在用户目标板上 的器件编程,给电子产品的设计和生产带来许多革命性的变化6。目前,比较成熟的 ISP 下 载器大多是基于串口或者并口通信的,但是也存在着以下问题: (1)用户 PC 机的主频、硬件和操作系统不同,可能会造成控制信号错误; (2)不同的厂商提供不同的 ISP 下载器,互不兼容,给嵌入式开发带来不便; (3)限于串、并口的通信协议,ISP 数据传输速率较低,影响嵌入式产品的开发。 基于以上原因,本设计选择了一种将单片机和 USB 总线相结合,进行 ISP 下载的方法。 2.2.3 控制部分方案选择 控制部分是整个系统的核心部分,其功能为与上位机
22、通信接收上位机发送的数据和控制 指令处理过后控制显示部分显示内容。 单片机是集成了 CPU,ROM,RAM 和 I/ O 口的微型计算机。它有很强的接口性能,非 常适合于工业控制,因此又叫微控制器(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,有的单片机集成有 A/ D, “ 看 门狗”,PWM,显示驱动,函数发生器,键盘控制等。它们的价格也高低不等,这样极大地 满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。随着超大规模集 成电路的发展,NMOS 工艺单片机被 CMOS 代替,并开始向 HMOS
23、 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。 单片机的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。现在市场 上常用的单片机主要有 MCS-52、AVR、ARM、PIC 等。其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 52 系列,由于产品硬件结构合理,指令系统规范,加之生产历史“悠久”,有先入为主的 优势常作为单片机学习的教材。且 52 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单,当该脚作输入 脚使用时,只须将该脚设置为高电平(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
24、。所以在控制部分方案的选择中选定 52 系列单片机作为控 制部分的核心器件。 2.2.4 显示部分方案选择 显示部分包括了一块至少可以显示一个汉字的显示屏,以及驱动该显示屏的驱动电路。 由于单片机的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口来驱动 LED 显示屏,所以需要对单片机 I/O 口 进行扩展增加单片机并行输出的能力7。 LED 显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的,要构成大屏幕的 LED 显示屏就需 要多个发光二极管。构成 LED 屏幕的方法有两种,一是由单个的发光二极管逐点连接起来, 如图 2-2 所示;二是选用一些由单个发光二极管构成的 LED 点阵子模块构成大的 LED 点阵
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