LED显示屏控制器的设计与实现毕业论文(设计)1.doc
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1、 学科分类号学科分类号 0712 本科生毕业论文本科生毕业论文(设计设计) 题目(中文):题目(中文): LED 显示屏控制器的设计与实现 (英文):(英文): The Design and Implementation of LED Display Controller 2013 年年 05 月月 15 日日 本科毕业论文(设计)诚信声明本科毕业论文(设计)诚信声明 作者郑重声明:所呈交的本科生论文(设计),是在指导老 师的指导下,独立进行研究所取得的成果,成果不存在知识 产权争议。除文中已近注明引用的内容外,论文不含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文的研究做出 重要贡献的个
2、人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声 明的法律结果由作者承担。 本科生论文(设计)作者签名: 年 月 日 目 录 摘 要.I 关键词I AbstractI Key wordsII 1 前言.1 1.1 LED 电子显示屏概述1 1.2 LED 电子显示屏的分类2 1.3 LED 显示屏市场前景2 2 LED 显示原理的分析 .3 2.1 LED 点阵模块结构3 2.2 LED 动态显示原理4 3 系统设计的任务与方案论证.7 3.1 设计任务 .7 3.2 设计方案论证 .7 3.2.1 显示单元模块的选择7 3.2.2 主控制器的选择8 3.2.3 点阵数据存储方式的选择9 3.2.4
3、系统总体结构及原理分析.11 3.2.5 工作原理分析.12 4 硬件电路设计13 4.1 LED 控制卡电路设计.13 4.1.1 列驱动电路设计.14 4.1.2 行驱动电路设计.15 4.2 时钟模块电路设计 16 4.3 温度驱动电路设计 16 4.4 MAX232 串行通信电路设计17 4.5 系统电源及通信电缆的选择 18 4.5.1 对于 LED 显示屏的电源要求.18 4.5.2 开关电源在 LED 屏应用中的优势.19 5 系统软件设计19 5.1 上位机软件设计 19 5.2 汉字字模的提取方法 21 5.3 上位机与单片机通信协议 22 5.4 下位机软件设计 23 5.
4、5 中断数据处理 25 6 测试结果与分析25 6.1 上位机软件测试 25 6.2 汉字移动测试 26 6.3结果分析26 7 总结26 参考文献.28 致 谢29 附录 A LED 显示屏控制卡原理图30 附录 B LED 显示屏控制卡 PCB 电路图31 附录 C VB 上位机界面.32 附录 D 本设计显示效果图片 .32 附录 E 程序清单 .33 I LED 显示屏控制器的设计与实现 摘 要 本设计是以 STC12C5A60S2 单片机作为核心控制器件,外围存储芯片实现 汉字编码的存储,可以实现中英文字符和动态显示,并且可以通过级连的方式来 扩展显示屏的尺寸,增加显示内容。本设计采
5、用 Visual Basic 6.0 编写上位机,上 位机与下位机采用 RS-232 通信标准来实现。上位机向下位机发送控制命令和需 要存储的汉字编码,下位机接收数据并处理上位机发送过来的控制命令以及显 示编码。由 LED 控制卡驱动 32*64 点阵屏显示,利用人眼的滞留现象,达到能够 实时修改显示内容的目的。 关键词 上位机;LED 显示屏控制卡;32*64 单色点阵屏;时钟芯片 The Design and Implementation of LED Display Controller Abstract This design is based on STC12C5A60S2 micr
6、ocomputer as the core control device ,to achieve the storage of the Chinese character coding through external memory chips. The function of the system can be achieved in English characters and dynamic display or can be connected in cascade manner to expand the size and the content of display,. prepa
7、ration of PC programmed by Visual Basic 6.0, the communication standard between the PC and the microcomputer is RS-232. The preparation of PC send commands and Chinese character coding that needs to be II stored to MCU, the next crew processes commands and the data that was sent from preparation of
8、PC and display coding, 32 * 64 dot matrix display driven by the LED display control card. Achieving the purpose of display contents can be modified in time through human eye phenomenon。 Key words Host computer;LED display control card;32*64 monochrome dot matrix screen;Clock chip 1 1 前言 1.1 LED 电子显示
9、屏概述 LED 电子显示屏(Light Emitting Diode Panel)是由几百至几十 万个半导体发光二极管构成的像素点,按矩阵均匀排列组成。利用不 同的半导体材料可以制造不同色彩的 LED 像素点1。目前应用最广 的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色 LED 的开发已经达到了实用 阶段。LED 显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式, 来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的 显示屏幕2。 LED 显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏,均由 LED 矩阵块组 成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;而条幅 显示屏则适用于小容量的字符信息显示
10、。LED 显示屏因为其像素单 元是主动发光的,具有亮度高,视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、 耐冲击和性能稳定等优点3。因而被广泛应用于车站、码头、机场、商 场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和 其它公共场所。LED 显示屏的发展前景极为广阔,目前正朝着更高亮 度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性,可靠性、 全色化方向发展4。 本文主要研究一种基于 STC12C5A60S2 单片机的 LED 点阵屏 的控制系统,显示面板为单色 32*64 点阵屏,控制卡上集成了温度传 感器和时钟模块,可以独立显示时间和温度。并且有按键可以直接在 下位机上调整时间与
11、显示速度,与上位机采用 RS-232 通信的方式,控 2 制更加简便。 1.2 LED 电子显示屏的分类 (1)、按颜色分类:单基色显示屏:单一颜色(红色或绿色)。双基色 显示屏:红和绿双基色,256 级灰度、可以显示 65536 种颜色。全彩色 显示屏:红、绿、蓝三基色,256 级灰度的全彩色显示屏可以显示一千 六百多万种颜色。 (2)、按显示器件分类:LED 数码显示屏:显示器件为 7 段码数码 管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。LED 点阵 图文显示屏:显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显 示模块,适于播放文字、图像信息。 (3)、按使用场合分类:室内显示屏
12、:发光点较小,一般 3mm- 8mm,显示面积一般零点几至十几平方米。室外显示屏:面积一般几 十平方米至几百平方米,亮度高,可在阳光下工作,具有防风、防雨、 防水功能。 (4)、按发光点直径分类:室内屏:3mm、3.75mm、5mm。室外 屏:10mm、12mm、16mm、19mm、21mm、26mm 。室外屏 发光的基本单元为发光筒,发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二 极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度5。 1.3 LED 显示屏市场前景 LED 全彩显示屏,是 20 世纪 90 年代在全球迅速发展起来的新 型信息显示媒体。它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成 大面积显示屏幕,结
13、合了微电子技术、光学技术、计算机技术、信息处 3 理等现代高新技术,以其可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性 价比合理、使用成本低等特点迅速成为大型平板显示的主流产品,以 其明显优越于背投、等离子、液晶显示及电视屏幕的性能而在信息显 示领域得到了广泛的应用,如体育场馆、大型展览馆、市政广场、演唱 会、车站、机场等场所6。尤其是以其高亮度,大面积显示而让更多人 在户外也感受到信息时代的来临。显示信息无处不在。据业内专家预 测,今后几年全球各类 LED 显示屏需求每年均达到几十亿美元,且 还在逐年递增。国际大都市如纽约、巴黎、伦敦都普遍使用大型 LED 全彩显示屏作为信息传播、广告宣传的新型载
14、体。在中国,随着经济 的飞速发展,各类场馆的兴建和市政工程改造项目的兴起,国内市场 LED 显示屏需求增长率更是高达 30以上。按每年 30%的增长速度, LED 显示屏的市场规模将会不断的壮大,由于 LED 产品具有性能稳 定、寿命较长、功耗较小以及价格低廉等优势,因此在各种实际应用 中具有较强的市场竞争力,市场前景十分广阔。 2 LED 显示原理的分析 2.1 LED 点阵模块结构 八十年代以来出现了组合型 LED 点阵显示器模块,以发光二极 管为像素,它用高亮度发光二极管芯阵列组合后,环氧树脂和塑模封 装而成7。这种一体化封装的点阵 LED 模块,具有高亮度、引脚少、 视角大、寿命长、耐
15、湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED 点阵规模常见的 有 44、48、57、58、88、1616 等等。 根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色 4 不同,所显示的文字、图像等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示 固定色彩如红、绿、黄等单色,双基色和三基色点阵显示内容的颜色 由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定,如红绿都亮时可显 示黄色,如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间,则可实现 256 或 更高级灰度显示,即可实现真彩色显示8。 本系统所使用的 88 单色 LED 点阵显示器的内部电路结构和外 形规格如图 2.1 所示,其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。 图 2.1
16、88 单色 LED 模块内部电路 LED 点阵显示器单块使用时,既可代替数码管显示数字,也可 显示各种中西文字及符号。如 5x7 点阵显示器用于显示西文字母, 58 点阵显示器用于显示中西文,8x8 点阵可以用于显示简单的中文 文字,也可用于简单图形显示。用多块点阵显示器组合则可构成大屏 幕显示器,但这类大屏幕显示方法常通过 PC 机或单片机控制驱动。 2.2 LED 动态显示原理 LED 点阵显示系统中各模块的显示方式:有静态和动态显示两 种。静态显示原理简单、控制方便,但硬件接线复杂,在实际应用中一 般采用动态显示方式,动态显示采用扫描的方式工作,由峰值较大的 窄脉冲电压驱动,从上到下逐次
17、不断地对显示屏的各行进行选通,同 5 时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号,反复循环以上操 作,就可以显示各种图形或文字信息。 点阵式 LED 汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式,这 种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。将连续的几帧画面高 速的循环显示,只要帧速率高于 24 帧/秒,人眼看起来就是一个完整 的,相对静止的画面9。最典型的例子就是电影放映机。在电子领域 中,因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量, 便于 PBC 的布局难度促进工厂批量生产,因此在 LED 显示技术中被 广泛使用。 以 88 点阵模块为例,说明一下其使用方法及控制过程。红色水
18、平线 Y0、Y1Y7 叫做行线,接内部发光二极管的阳极,每一行 8 个 LED 的阳极都接在本行的行线上。相邻两行线间绝缘。同样,红色 竖直线 X0、X1X7 叫做列线,接内部每列 8 个 LED 的阴极,相邻 两列线间绝缘。 在这种形式的 LED 点阵模块中,若在某行线上施加高电平(用 “1”表示),在某列线上施加低电平(用“0”表示)。则行线和列线的交叉 点处的 LED 就会有电流流过而发光。比如,Y7 为 1,X0 为 0,则右下 角的 LED 点亮。再如 Y0 为 1,X0 到 X7 均为 0,则最上面一行 8 个 LED 全点亮。 现描述一下用动态扫描显示的方式,显示字符“9”的过程
19、。其过 程如图 2.2 所示。 6 图 2.2 用动态扫描显示字符 9 的过程 假设 X,Y 为两个 8 位宽的字节型数据,X 的每位对应 LED 模块 的 8 根列线 X7-X0,同样 Y 的每位对应 LED 模块的 8 根行线 Y7- Y0。在这个示例中,Y 叫行扫描线,行扫描线在每个时刻只有一根线 为“1”即有效行选通电平,X 叫列数据线,其内容就是点阵化的字模 数据的体现。下面用伪代码描述动态显示的过程。 (1)Y=0x01,X=0xFF,如图 2.2 第一行; (2)Y=0x1C,X=0x02,如图 2.2 第二行; (3)Y=0x22,X=0x04,如图 2.2 第三行; (4)Y
20、=0x22,X=0x08,如图 2.2 第四行; (5)Y=0x1E,X=0x10,如图 2.2 第五行; (6)Y=0x01,X=0x20,如图 2.2 第六行; (7)Y=0x04,X=0x04,如图 2.2 第七行; (8)Y=0x38,X=0x80,如图 2.2 第八行; (9)跳到第(1)步循环。 如果高速地进行(1)到(9)的循环,且两个步骤间的间隔时间小 于 1/24 秒,由于视觉暂留。LED 显示屏上将呈现出一个完整的“9”字 符。这就是动态扫描的原理。只不过实际运用的时候,列线和行线通 7 常不止 8 位,还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做 扫描线。例如 060
21、1 条屏(每行 6 个汉字,共 1 行),行线有 16 根,列线 有 96 根10。如果用列线来做扫描线,则每列 LED 在每 96 次循环扫 描中只可能亮一次,则其发光视觉平均亮度为直流亮度的 1/96。如果 用行线来做扫描线,则每 16 次循环,每行 LED 就能亮一次,其发光 视觉平均亮度为直流情况下的 1/16。可见,用行线做扫描线,因为其 发光周期的占空比较大,其视觉亮度是用列线做扫描线的 6 倍。因而 发光效率比前者高。 在实际运用的时候,还要在每两帧之间加上合适的延时,以使人 眼能清晰的看见发光。在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。比如 先将扫描线全部设置为无效电平,送下一行的列
22、数据后再选通扫描线, 避免出现尾影。 3 系统设计的任务与方案论证 3.1 设计任务 本设计的任务要求完成可以控制兼容 T12 和 T08 显示屏单元板 并可扩展显示单元数目的单色动态调幅屏 (1)、显示区域:单色显示 6432 点; (2)、通过上位机修改显示内容,按键可改变显示内容; (3)、能存储 1616 点阵汉字不少于 64 个。 3.2 设计方案论证 3.2.1 显示单元模块的选择 LED 显示屏显示一个简单的汉字,至少需要一个 16*16 点阵单 8 元来构成,根据发光点直径的大小分为 3.75mm 和 5mm 的 LED 点阵 模块。 方案一:3.75mm 的小型发光二极管组成
23、的 8*8 的点阵模块,发 光亮度不足,电流过大时易烧坏,远距离观看视觉效果模糊一般把 3.75mm 的屏作为室内屏使用。 方案二:5mm 直径组成的 8*8 点阵模块,在同样的距离内 5mm 直径的发光二极管组成的 8*8 的点阵模块所发出的亮度值大约是 3.75mm 单元模块的一倍,清晰程度也高于 3.75mm 的单元模块。 因此为了在较远距离处获得清晰的视觉效果,本设计选择方案 二,采用 32 个 88 点阵单元,像素直径 5mm 的 LED 模块拼接成 32*64 的 LED 显示屏。这样每个 88 汉字能够获得 1616cm 的显示 尺寸,因此在 50 米处仍能清晰阅读。而本设计使用
24、是一块完整的 32*64 的点阵屏,能同时显示 8 个汉字。 3.2.2 主控制器的选择 随着广告屏显示内容的多媒体化,对控制器传输速度,运算能力 的要求越来越高。从单片机,到 FPGA,直到现在的 ARM 处理器。控 制器的种类也在不断发展以适应市场需求,不同功能档次的广告屏对 应着不同的处理器。 方案一:以单片机(STC12C5A60S2 高速单片机)为控制器的 LED 显示屏。STC12C560S2 单片机是传统的 8051 单片机的升级版, 外部时钟频率可达到 80MHZ、60K 的 FLASH 存储器、1280 字节的 ROM 和 10 位 A/D 转换,拥有 P4 口适合需要多个
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