LED电子显示屏的设计报告书要点.pdf
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1、清远职业技术学院课程设计报告 课程性质:专业必修课 课程名称:单片机原理与应用(二) 课程代码: 0213413 任课教师:李祖明 LED 电子显示屏的设计 姓名黄婉姬 学号02020702019 班级07 电子( 2)班 院系机电工程学院 专业 电子信息工程技术 课程设计报告提交时间:2009 年 6 月 20 日 1616 点阵 LED电子显示屏的设计 引言LED显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,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。 在实际应用中的显示屏由于成本和可靠性的因素常采用一种称 为动态
2、扫描的显示方法。本文设计的是一个室内用1616的点阵 LED图文显示屏,图 形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。 1.背景介绍 1.1 LED 及 LED显示屏 LED 就是 Light Emitting Diode(发光二极管)的缩写。在某些半导体材料的PN 结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从 而把电能直接转换为光能。 PN结加反向电压, 少数载流子难以注入,故不发光。这种利 用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED 。发光二极管是由 p 型和 n 型半导体组成的二极管。 在 LED 的 p - n 结附近 ,n 型材料中多数载流
3、子是电子,p 型 材料中多数载流子是空穴。p -n 结上未加电压时构成一定的势垒, 当加正向偏压时 , 在 外电场作用下 ,p 区的空穴和 n 区的电子就向对方扩散运动, 构成少数载流子的注入 , 从 而在 p - n结附近产生导带电子和价带空穴的复合, 同时释放出相对应的能量h(h 为 普朗克常数 , 为光子频率 ) 而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev) , 其 与发光波长 (nm) 的关系为 = 1239. 6PEg 。 LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,用来显示文字、图形、 图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。 LED显示屏分为图文显
4、示屏和视频显示屏,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;视频显示屏采用微型计算机进行控制,图文、 图像并茂,以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息,还可显示二维、三维动 画、录像、电视、 VCD节目以及现场实况。 LED显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强, 静如油画,动如电影,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。 它的优点:亮度高、 工作电压低、功耗小、 微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、 寿命长、耐冲击、性能稳定。 3.功能要求 设计一个室内用1616 的点阵 LED图文显示屏
5、,要求在目测条件下LED显示屏各 点亮度均匀、充足,可显示图形和文字,显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或 文字显示有静止、移入移出等显示方式。 4.方案实现 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,这种同时控制各个 发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。1616 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 1616 的点阵, 在实际应用
6、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。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计,而采用另外一种称为动态扫描 的显示方法。 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1616 的点阵来说,把所有同1 行的 发光管的阳极连在一起,把所有同1 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1 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2 行使其燃亮相同的时间,然后熄灭;以 此类推,第 16 行之后,又重新燃亮第1
7、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。 采用扫描方式进行显示时, 每一行有一个行驱动器, 各行的同名列共用一个驱动器。 显示数据通常存储在单片机的存储器中,按8 位一个字节的形式顺序排放。显示时要把 一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去,这就存在一个显示数据传输的问题。 从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。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
8、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了,以致影响到LED的亮度。 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
9、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。图1 为显示屏电路实现 的结构框图 单 片 机 列驱动器 LED 显示点阵 电源 行 驱 动 器 图 1,显示屏电路框图 4.1 系统硬件电路的设计 硬件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。 4.1.1 单片机系统及外围电路 单片机采用 MSC-51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。
10、单片机的串口与列驱动器相连,用来显示数据。P1口低 4 位与行驱动器相连,送出行选信号;P1.5P1.7 口则用来发送控制信号。 P0 口和 P2 口空着,在有必要的时候可以扩展系统的ROM 和 RAM 。1616 的点阵显示屏的硬件原理 图如图 2 所示(在附录 A) 。 4.1.2 列驱动电路 列驱动电路有集成电路74HC595 构成。它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一 个 8 位输出锁存器的结构,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 现在显示本行列数据的同时,传送下一行的列数据,既达到重叠处理的目的。 74HC595的外形及内部结构如图3 所示。它的输入侧有8 个
11、串行移位寄存器,每个 移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI 是串行数据的输入端。引脚SCK是 移位寄存器的移位时钟脉冲,在其上升沿发生移位,并将SI 的下一个数据打入最低位。 移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端,也就是输出锁存器的输入端。RCK是 输出锁存器的打入信号,其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。引脚G是输出 三态门的开放信号, 只有当其为低时锁存器的输出才开放,否则为高组态。 SCLR 信号是 移位寄存器清零输入端,当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于SCK和 RCK两个 信号是互相独立的,所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为 QA
12、QH ,最高位 QH可作为多片 74HC595级联应用时,向上一级的级联输出。但因为QH 受输出锁存器的打入控制, 所以还从输出锁存器前引出QH , 作为与移位寄存器完全同步 的级联输出。 QB 1 16 Vcc QC 2 15 QA QD 3 14 SI QE 4 13 G QF 5 12 RCK QG 6 11 SCK QH 7 10 SCLR GND 8 9 QH 图 3. 74HC595外形及引脚 4.1.3 行驱动器 单片机 P1口低 4 位输出的行号经4/16 线译码器 74LS154译码后生成 16 条行选通 信号线,再经过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动16 列的 LED
13、进行显示,按 74HC595 每一 LED器件 20MA 电流计算,16 个 LED同时发光时,需要 320MA 电流,选通三极管 8550 作为驱动管可满足要求。 4.2. 系统程序的设计 显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据,并产生各种控制信号,使屏幕按设 计的要求显示。根据软件分层次设计的原理,可以把显示屏的软件系统分为两层;第一 层是底层的显示驱动程序,第二层是上层的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送 显示数据,并负责产生行扫描信号和其他控制信号,配合完成LED显示屏的扫描显示工 作。显示驱动器程序由定时器T0 中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置(初 始化) 、显示效果
14、处理等工作,由主程序来实现。 从有利于实现较复杂的算法(显示效果处理)和有利于程序结构化考虑,显示屏程 序适宜采用 C语言编写。 4.2.1 显示驱动程序 显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0 重新赋初值,以保证显示屏刷新率 的稳定, 1/16 扫描显示屏的刷新率(帧频)计算公式如下: 刷频率(帧频) =1/16T0 溢出率 =1/16f/12 (65536-t ) 其中 f 位晶振频率, t 为定时器 T0 初值(工作在 16 位定时器模式)。 然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号,从显示缓存区内读取下一行的显示数据, 并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象
15、,驱动程 序先要关闭显示屏, 即消隐,等显示数据打入输出锁存器并锁存,然后再输出新的行号, 重新打开显示。图4 为显示驱动程序(显示屏扫描函数)流程图。 进入中断 定时器赋初值 读取行号并增加 1 送新行显示数据 消 隐 切换显示数据 发送新行号,打开显示 图 4 显示驱动程序流程图 4.2.2 系统主程序 本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足,可显 示图形和文字,显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移 出等显示方式。 系统主程序开始以后,首先是对系统环境初始化,包括设置串口、定时器、中断和 端口;然后以“卷帘出”效果显示图形,停留约3s
16、;接着向上滚动显示“我爱单片机” 这 5 个汉字及一个图形,然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令, 所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。 单元显示屏可以接收来自控制器(主控制电路板)或上一级显示单元模块传输下来 的数据信息和命令信息, 并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一 级显示模块单元中,因此显示板可扩展至更多的显示单元,用于显示更多的显示内容。 图 5 是系统主程序流程图。 图 5 系统主程序流程图 退出中断 开始 系统初始化 “卷帘出”显示效果 “上滚屏”显示效果 “左跑马”显示效果 “卷帘入”显示效果 5 性能分析与总结 5.1 性能分析
17、LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠,引脚焊接正确, 一般无需调试即可正常工 作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定 时器 T0 的溢出率和单片机的晶振频率决定,表5.1 给出了实验调试时采用的频率及其 对应的定时器 T0初值。 表 5.1 显示平刷新率与 T0 初值关系表( 24MHz 晶振) 刷新率25 50 62.5 75 85 100 120 T0初值0Xec78 0Xf63C 0Xf830 0xF97E 0XFA42 0XFB1E 0xFBEE 从理论上来说, 24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示,刷新率越高, 显 示越稳定,同时刷新频
18、率越高,显示驱动程序占用的CPU 时间越多。试验证明,在目测 条件下刷新频率 40Hz一下的画面看起来闪烁较严重,刷新频率 50Hz以上的已基本察觉 不出画面的闪烁,刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。 5.2收获、体会、建议 通过这个电路设计实验,我们体会到原来我们开始以为十分简单的电路竟然使我们失败了数次 之后才获得成功。购买元件时我们了解了市场的行情,为以后进行实验购买元件打下了基础。而电 路焊接又进一步提高了我们的动手能力,让我们认识到,理论和实践的结合,并不是一件简单的事。 这次实验使我们认识到,做任何事都要有一丝不苟的精神,不能马马虎虎。另外,动手能力不同于 一
19、般的课堂学习,是必须经过一个比较艰苦的训练过程。是提高我们水平的可行方法之一。 。 参考文献 1 楼然苗、李光飞 . 单片机课程设计指导北京航空航天大学出版社,2007 2 魏立峰、王宝兴. 单片机原理与应用技术. 北京大学出版社,2006 附件 . 元件列表 名称型号规格数量 单片机AT89C52 1 LED显示屏8*8 点阵16 集成芯片74LS595 8 集成芯片74LS154 1 电阻47064 电阻1K16 三极管8550 16 电解电容10uF 1 晶体振荡器12MHz 1 附录 A 1616 的点阵 LED图文显示屏的硬件原理图 附录 B 主要汇编程序清单 / 以下程序能实现多个
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