LED显示系统设计 毕业设计论文.doc
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1、目录 I LED 显示系统设计 目 录 摘 要III ABSTRACTIV 1 绪 论1 1.1 LED 显示屏的广泛应用 1 1.2 最新的 LED 显示屏技术1 1.3 本课题的主要内容 1 第 2 章 系统硬件方案论证与选择3 2.1 上位机部分方案选择 3 2.2 通信部分方案选择 3 2.3 控制部分方案选择 4 2.4 显示部分方案选择 4 2.5 最终确定硬件设计方案 6 第 3 章 系统硬件设计7 3.1 硬件整体设计概述及功能分析 7 3.2 控制单元设计 7 3.3 行驱动模块设计 9 3.4 列驱动模块设计 11 3.5 单片机 ISP 下载编程器13 3.6 USB 电
2、源接口 14 3.7 MAX232 串口通信电路14 3.8 系统总电路图 15 第 4 章 系统软件设计17 4.1 系统软件方案选择 17 4.2 系统软件程序设计 17 目录 II 第 5 章 系统调试21 5.1 系统硬件部分调试 21 5.2 系统软件调试 21 5.3 系统联合调试及结果 22 5.4 调试结果分析 23 第 6 章 结 论24 参考文献25 附录 1: 硬件原理图26 附录 2: 设计程序27 附录 3: 系统仿真图33 致 谢34 摘要 III LEDLED 显示系统设计显示系统设计 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
3、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 AT89S51 为控制器的 LED 点阵显示屏系统的设计。该系 统可实现汉字字符的显示和动态特效显示。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的显示代码,AT89S51 单片机接收并处理 PC 机的控制命 令以及显示代码,由显示驱动模块驱动一个 1616 分辨率的 LED 点阵显示屏的扫描显示。 PC 机与单片机之间的通信采用 ISP 下载编程器来实现。除此之外,该系统只占用了单片 机少量的 I /O 口和内存,为系统留下了功能扩展的空间。
4、关键词:AT89S51;LED 点阵显示;ISP Abstract IV Design of LED display system 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 stations, docks, subway stations , various kinds of service window and so on . LE
5、D industry has become a new and rapidly developing industry with a huge market space and foreground capacious. This paper introduces a design of the LED lattice display system base on MCU AT89S51. The system can display in both Chinese and English characters of the show and from top to bottom and mo
6、ve around the magic show. The PC sends control commands and displays code to microcontroller, AT89S51 receives control commands from PC and shows the code. Driver module drives a 1616-resolution LED lattice LEDs panel display scan showed. Communication between PC and the microcontroller using ISP do
7、wnload programmer standards. In addition, the system will take up only a small amount of the MCU I/O and memory,so that the system has functional space for expansion. Key words: AT89S51; lattice LEDs panel display; ISP 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪 论 1.1 LED 显示屏的广泛应用 LED 显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像;不仅可以用于室内环境还可以用 于室外
8、环境,具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。 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、全色化方向发展。LED 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域,主要包 括:(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
9、服务领域的业务宣传及信息显示。 (8)广告 媒体新产品等。 1.2 最新的 LED 显示屏技术 随着液晶(LCD)产品价格的下降,LCD 显示器也呈现出多样化的发展趋势:尺寸越 来越大,宽屏逐渐成为消费热点,个性化产品层出不穷,多媒体应用需求已经显现,黑 插入技术取得进展,计算机应用向多媒体应用靠拢,平板显示器与若干视听设备相连的 技术需求增加,如高分辨多媒体接口 HDMI 等数字传输技术,已开始应用在 LCD 显示器上。 高分辨多媒体接口 HDMI(全称是 High-Definition Multimedia Interface)是 2006 初年日立、松下、飞利浦、索尼、汤姆逊、东芝和 S
10、ilicon Image 等 7 家公司联合发布 的接口规范,包括高清晰支持、高速传输以及与电脑的更简易的连接方法。HDMI 只需一 条线就可以传输数字音频和视频数据,使消费者能够方便地体验到高品质的家庭影院效 果。HDMI 接口技术引起了计算机行业的关注,因为 HDMI 定位于标准数字多媒体接口。在 应用方面,HDMI 与低电压交流电计算机的画面控制终端的连接更加简单和方便,有利于 计算机与消费电子类产品实现真正意义上的融合。目前许多高清数字电视生产商都在产 品中采用了 HDMI 接口,HDMI 也已经被运用到计算机媒体播放器、DVD 播放器、DVD 录音 设备、有线电视机顶盒、卫星电视机顶
11、盒以及 A/V 接收器中,也被应用在游戏机和便携 式摄像机中。 1.3 本课题的主要内容 针对本课题的特点,对论文的内容和结构将做如下安排: (1)初步方案的论证和选择 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 第 1 章 绪论 2 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)方案实现 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 AT89S51 单片机为核心控制器件,由串 并转换器 74HC138 和锁存器 74HC573
12、为译码电路器件,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)软件编写 根据硬件特点和设计要求,软件选用 C 语言编写。程序按功能分为静态显示、动态 显示、通信等几个功能上相对独立的模块。然后按照所划分的模块逐个编写和调试,最 后将独立的模块整合起来。 (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。 (5)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
13、行总结。 第 2 章 方案论证与选择 3 第 2 章 系统硬件方案论证与选择 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3。 上位机 上位机 通信部分 通信部分 控制部分 控制部分 显示部分 显示部分 图 2-
14、1 系统硬件组成框图 2.1 上位机部分方案选择 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。 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9。两种显示 方法相比较:实时显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
15、显示硬件开销大,对通信系统要求高,工艺复 杂,成本高;存储显示虽实时性不高但硬件开销小,成本低廉。课题设计题目对显示的 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 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 Programming)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。目前,比较成熟的 I
16、SP 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。而 USB ISP 完美地解决了这些问题,它具 第 2 章 方案论证与选择 4 有较强的易用性,可靠性和兼容性,数据传输速率也较快。 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。 2.3 控制部分方案选择 控制部分是整个系统的核心部分,其功能为与上位机通信接收上位
17、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。 (1)单片机 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 HMO
18、S 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 又叫数字信号处理器。顾名思义,DSP 主要用于数字信号处理领域,非常适合高 密度,重复运算及大数据容量的信号处理。现在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 具有修正的哈佛结构, 多总线技术以及流水线结构。将程序与数据存储器分开,使用多总线,取指令和取数据 同时进行,以及流水线技术,这使得速度有了较大的提高。DSP 区别于一般微处理器的另 一重要标志是硬件乘法器以及特殊指令,一般微
19、处理器用软件实现乘法,逐条执行指令, 速度慢。而 DSP 依靠硬件乘法器单周期完成乘法运算,而且还具有专门的信号处理指令, 如 TM320 系列的 FIRS ,LMS,MACD 指令等5。 两种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能,但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-51、AVR、ARM、PIC 等。其中应用最广泛的单片机首推 Intel 的 51 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 51 系列的 I/O 脚的设置和使用非常简单,当该脚作
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