基于单片机的LED广告牌的设计Word文档下载推荐.docx
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并广泛的应用于公交汽车,码头,商店,学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。
1.1LED简介[4]
LED俗称发光二极管,它包含了可见光和不可见光,属于光电半导体的一类,在结构上包括P极和N极,是一种依靠半导体PN结发光的光电元件。
LED就是由电子材料,封装材料,辅助材料联结而成的的一个发光的闭路电子元件。
它可以直接把电转换成光,LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连电源的正极,使整个芯片被环氧树脂封起来。
LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用途。
体积小,LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小非常的轻;
耗电量低,LED耗电量非常低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V,工作电流是0.02-0.03A,这就是说它消耗的电量不超过0.1W;
使用寿命长,在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时;
高亮度、低热量;
环保,LED是由无毒的材料做成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用;
坚固耐用,LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管还要坚固,等体内也没有松动的部分,这些特点使得LED可以说是不易损坏的。
LED显示屏:
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,其大概的样子就是由很多个通常是红色的小灯组成,靠灯的亮灭来显示字符。
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。
点阵模块方案:
最早的设计方案,由室内伪彩点阵屏发展而来优势:
原材料成本最有优势,且生产加工工艺简单,质量稳定。
缺点:
色彩一致性差,马赛克现象较严重,显示效果较差。
LED显示屏市场前景现状:
目前由于LED显示屏造价昂贵,主要用于比较高档的场所,主要集中在城市的繁华场所,作为多媒体广告的一部分。
单双色LED显示屏主要应用于交通,高速公路,银行、证券交易等金融场所。
以后:
随着人们生活水平的提高,户外LED显示屏将逐渐应用于各个行业。
1.2单片机的应用
单片机是生活必不可缺的,顾名思义单片机的应用是很广泛的,导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通讯和数据传输、工业自动化过程和实时控制数据处理、广泛使用的智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、录像机和摄像机、全自动洗衣机的控制、以及程控玩具、电子宠物等等。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
1.3电子显示屏
LED电子显示屏(LightEmittingDiodePanel)是由几百--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。
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。
【5】
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。
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。
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。
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。
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。
按使用场合分类:
室内显示屏:
发光点较小,一般Φ3mm--Φ8mm,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。
按发光点直径分类:
室内屏:
Φ3mm,Φ3.75mm,Φ5mm
室外屏:
Φ10mm,Φ12mm,Φ16mm,Φ19mm,Φ21mm,Φ26mm
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。
图1.1LED电子显示屏应用示例
图1.1左:
图文屏右:
条幅屏。
其中的LED点阵单色图文动态条幅屏(下文中简称条屏),因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良,所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品。
2系统总体方案
图2-1系统电路框图
如图2-1所示,本设计通过单片机来控制行列驱动器使LED显示屏显示出汉字,单片机选用AT89C52芯片,行驱动器采用AT89C52的P0口,列驱动器选用74HC138芯片。
该系统主要由AT89C52芯片、电源、行驱动器、列驱动器、16×
16LED点阵5部分组成。
2.1需要实现的功能
用移动显示屏来显示汉字,通过单片机AT89C52的行扫描和74LC138芯片的列扫描使点阵显示屏移动显示“你好!
欢迎你乘坐三汽公司公共汽车,大学城2线开往大学城,请你坐好扶稳”的字幕。
当中还要实现的功能:
5V的电压输入,时钟电路的设置,复位电路的设置,单片机给74LC138芯片的E1高电平同时给E2和E3低电平,74LC138才能正常的工作。
点阵模块:
此点阵模块由四个8*8点阵组成。
图2.2示出最常见的8×
8单色LED点阵显示器的内部电路结构图和外型规格,其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。
其单点工作电压Uf为1.8V,正向电流IF为8~10mA【6】。
当某一行线为高电平而某一列线为低时,其行列交叉的点就被点亮;
而当其某一列线为高时,其行列交叉的点为暗;
当某一行线为低电平时,无论列线如何,对应这一行的点全部为暗。
图2.28×
8单色LED模块内部电路
8X8点阵LED工作原理说明:
8X8点阵共需要64个发光二极管组成,且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一列置1电平,某一行置0电平,则相应的二极管就亮;
因此要实现一根柱形的亮法,对应的一列为一根竖柱,或者对应的一行为一根横柱,因此实现柱的亮的方法如下所述:
一根竖柱:
对应的列置1,而行则采用扫描的方法来实现。
一根横柱:
对应的行置0,而列则采用扫描的方法来实现[7]。
需要实现的功能如下图流程图图2.3所示:
图2.3功能流程图
本设计使用AT89C52实现行驱动,对显示模块从上至下的扫描,用74LC138实现列驱动,对显示模块从左至右的扫描,然后显示字符。
在中规模集成电路中译码器有几种型号,使用最广的通常是74LC138译码器,74LC138译码器的输出是低电平有效,故实现逻辑功能时,输出端不可接或门及或非门(因为每次仅一个为低电平,其余皆为高电平);
74LC138译码器有使能端,故使能端必须加以处理,否则无法实现需要的逻辑功能。
在片选使用状态下输入中8线始终只有1线为0,此74LC138芯片在单片机系统中极大限度的起到了扩展IO资源的作用,只要用单片机的2个IO引脚资源就能控制8个输出,而且程序的编制也容易实现。
2.2滚屏的实现
字符的位置在屏幕上实现移动,即术语“滚屏”。
可以用硬件实现,但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。
因此本设计采用软件算法实现左滚屏、左暂停、定格显示等常见滚屏方式。
用软件来完成滚屏算法,其最大的优点在于成本低廉,而且可维护性、可升级性大大增强。
3系统硬件设计
3.1单片机系统及外围电路
3.1.1AT89C52芯片介绍
本设计选用AT89C52单片机作控制,AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz晶振。
RST(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能[8]。
AT89C52的引脚图如下图3.1所示:
图3.1AT89C52引脚图
3.1.2单片机系统外围电路
单片机外围电路一般有两块:
时钟电路(如图3.2)和复位电路(如图3.3)。
时钟电路由一个晶振和两个小电容组成,用来产生时钟频率。
复位电路由一个电阻、按键和一个电容组成,用来产生复位信号,使单片机上电的时候复位。
图3.2时钟电路图
AT89C52单片机芯片内部有一个反向放大器构成的振荡器,XTAL1和XTAL2分别为振荡器电路的输入端和输出端,时钟可由内部和外部生成,在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就会产生自激振荡。
系统采用的定时元件为石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶振频率选择12MHz,C1、成的电容值取22PF,电容的大小频率起微调的作用【9】。
图3.3复位电路图
单片机有多种复位电路,本系统采用电平式开关复位与上电复位方式,当上电时,C1相当于短路,使单片机复位,在正常工作时,按下复位时单片机复位。
在有时碰到干扰时会造成错误复位,但是大多数条件下,不会出现单片机错误复位,而可能会引起内部某些寄存器错误复位,在复位端加一个去耦电容,则会得到很好的效果。
3.2
电源模块
图3.4USB端口连接图
电源部分采用的是USB供电,因为USB端口是标准的5V电压且电压相随稳定。
而且USB口连接方便只需要USB数据线与USB供电口相连即可。
图3.4即为USB端口电路图,其端口输出的是标准的5V电压,而且连接使用非常方便,只需将5V端与系统正极相连,地端与系统地端相连,南桥端接空,就可以给系统提供标准的5V电压。
3.3扫描驱动
LED点阵显示屏的驱动电路包括两组信号为两部分,一是扫描信号,二是显示信号。
在本设计中显示信号由单片机的IO口P0口直接进行显示信号的输出,扫描信号则是使用3—8线译码器对点阵进行逐列扫描。
每次显示一列,根据人眼的视觉暂留效应显示为完整的图像或文字。
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。
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,因此在LED显示技术中被广泛使用。
【10】
以8×
8点阵模块为例,说明一下其使用方法及控制过程。
图3.5中,红色水平线Y0、Y1……Y7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,蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线,接内部每列8个LED的阴极,相邻两列线间绝缘。
[11]
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“B”的过程。
其过程如图3.5
图3.5用动态扫描显示字符“B”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第一帧;
(2).Y=0x02,X=0x87,如图2.2第二帧;
(3).Y=0x04,X=0xBB,如图2.2第三帧;
(4).Y=0x08,X=0xBB,如图2.2第四帧;
(5).Y=0x10,X=0x87,如图2.2第五帧;
(6).Y=0x20,X=0xBB,如图2.2第六帧;
(7).Y=0x40,X=0xBB,如图2.2第七帧;
(8).Y=0x80,X=0x87,如图2.2第八帧;
(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“B”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0601条屏(每行6个汉字,共1行),行线有16根,列线有96根。
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【12】。
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,送下一行的列数据后再选通扫描线,避免出现尾影。
3.3.174HC138芯片介绍
译码器也称解码器,译码过程实际上是一种翻译过程,即编码的逆过程[13]。
译码器的输入是n位二值代码,输出是m个表征代码原意的状态信号。
一般情况下有m小于2的n次方,即译码器的输入线比输出线要少译码器按其功能可分为三大类:
(1)变量译码器:
将输入的二进制代码还原为原始输入信号。
例如有两位二进制代码(0,1),可经译码器还原为四个信号状态(0,0)(0,1)(1,0)(1,1)。
(2)代码变换译码器:
用于将一个数据的不同代码之间的相互转换。
例如二-十进制译码器可将8421码转换为十个状态。
(3)显示译码器:
将数字、文字或符号的代码还原成相应的数字、文字、符号并显示出来的电路。
表3.174HC138功能表
图3.574HC138引脚图
由上表可见74HC138译码器输出低电平有效。
为增加译码器功能,除三个输入端C、B、A外,还设置了G1、/G2A,/G2B,使译码器具有较强的抗干扰能力且便于扩展。
当G1=0时,不管其他输入如何,电路输出均为“1”,即无译码输出;
只有当G1=1,且/G2A=/G2B=0时,译码器才处于允许工作状态,输出与输入二进制码相对应,如CBA=110时,Y6输出低电平。
本设计中即利用其使能端扩展,将两片74HC138组成4—16线译码器。
若将选通端中的一个作为数据输入端时,74LC138还可作数据分配器。
3.3.2驱动电路的构成
本设计的驱动电路由电阻和PNP的三极管构成,由三极管将电流放大,再通过三极管的集电极输出给点阵显示屏,使其足够亮。
其驱动电路的电阻值是采用4.7K欧姆的电阻,其驱动电压为5V。
行驱动电路如图3.6所示,列驱动电路如图3.7所示:
图3.6行驱动电路图
图3.7列驱动电路图
3.416×
16LED显示屏电路和原理
16*16LED显示屏电路由四个8*8LED点阵组成的,其中二极管的正极控制器也就是AT89C52,负极接译码器也就是74LS138。
显示屏可以显示字符、汉字、动画等任何图形。
该电路充分利用了单片机的I/O口资源.使整机硬件达到最简。
8*8点阵的原理:
点阵LED一般采用扫描式显示,实际运用分为三种方式:
(1)点扫描;
(2)行扫描;
(3)列扫描。
若使用第一种方式,其扫描频率必须大于16×
64=1024Hz,周期小于1ms即可。
若使用第二和第三种方式,则频率必须大于16×
8=128Hz,周期小于7.8ms即可符合视觉暂留要求。
此外一次驱动一列或一行(8颗LED)时需外加驱动电路提高电流,否则LED亮度会不足。
8X8点阵LED工作原理说明:
对应的行置0,而列则采用扫描的方法来实现。
电路如图3.8所示:
图3.8LED显示屏电路图
4系统程序的设计
4.1显示驱动电路
显示屏软件的主要功能是向显示屏提供显示数据,并产生控制信号,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大层:
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点阵屏幕传送特定组合的显示数据,并负责产生扫描信号和其他控制信号,从而配合LED点阵屏的扫描显示工作。
开始工作后,单片机中的程序开始运行,程序开始读取所存储的取模数据并将数据输出到LED点阵显示屏上,通过信号扫描显示出来。
软件是该LED显示屏控制系统的重要组成部分,是整个控制系统的核心部分。
显示部分采用动态扫描的方式,实现对显示屏要显示的汉字、图像、字符等数据信息进行传输控制以及显示等功能。
图4.1是显示一屏字符的程序流程图。
与PC机的实时通信部分主要是利用单片机串口中断接收数据信息,实现与计算机的数据信息传输。
其程序流程图如图4.1和4.2所示。
图4.1显示一屏字的程序流程图
图4.2通信程序流程图
16×
16点阵显示程序见附录2
5调试及性能分析
5.1软件调试
将上述程序在软件KEIL进行编译,如果有错误,则在最后的输出窗口中会出现所有错误所在的位置和错误的原因,并有“Target
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