专业论文
论文题目：16*16 LED 显示屏
学院：信息工程学院
专业名称：电子信息工程学院
班级 _____________ 学号：___________ 姓名：
指导老师：
完成时间： 2012年8月24日
LED点阵显示器
摘要：本设计使用简单单片机AT98S52作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16*16的点阵LED显示屏。利用烧录器可以很方便的实现单片机与PC机等外围存储设备的数据传输，并能利用软件方便的进行显示内容的多样变化，另一方面点阵显示屏广泛的应用于医院、机场、银行等公共场所，使信息的发布全面进入动屏时代,所以本设计具有很强的现实应用性。
关键词：点阵 LED 单片机
目录
1 绪论 (3)
1.1 LED简介 (3)
1.2 LED简介和构成 (3)
1.3 LED屏的分类 (4)
1.3.1 颜色可以分为 (4)
1.3.2按显示器件分类 (5)
1.3.3按显示方式分类 (5)
1.3.4按发光点直径分类 (6)
1.3.5.按显示方式分类 (6)
2 LED点阵显示屏 (7)
2.1 LED显示屏的提出 (7)
2.2 LED显示屏的需求 (7)
2.3 LED显示屏的开发环境 (8)
2.3.1 显示屏驱动电路的选择 (8)
2.3.2 亮度连续可调 (8)
2.3.3 串行口的选择 (9)
3 系统的具体设计与实现 (10)
3.1 系统总框图 (10)
3.2 硬件条件 (10)
3.3 驱动部分 (11)
3.3.1 LED显示屏行驱动电路 (11)
3.3.2 LED显示屏列驱动电路 (12)
3.4 亮度连续可调 (13)
3.5 刷新频率的计算 (13)
3.6 键盘 (13)
3.7 软件方面 (14)
3.7.1 主程序的流程图 (14)
3.7.2 按键程序 (15)
3.7.3 行列的扫描 (15)
4 AT89S52部分程序码 (16)
5 测试、结果及分析 (17)
5.1 基本功能 (17)
5.2 发挥部分功能 (17)
5.3 其他发挥部分功能 (17)
6 总结 (18)
致谢 (19)
参考文献 (20)
1 绪论
1.1 概述
LED电子显示屏是随着计算机及相关的微电子﹑光电子技术的迅猛发展而形成的一种新型信息显示媒体。[9]它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成可变面积的显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、性能价格比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，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。[5]
1.2 LED简介和构成
LED（Light Emitting Diode）即发光二极管是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。[9] LED具有亮度高、功耗小、寿命长、工作电压低、易小型化等优点。[4]近几年来，它得到迅猛的发展和广泛的应用。从七十年代起，已有人开始用LED做为发光像素研制LED显示器。随着微机技术的发展和LED器件的成熟，LED 显示屏也得到迅猛的发展。目前已研制出多种规格的LED 屏，从色彩上讲有单色、多色、全色显示屏，从显示尺寸上讲，LED屏现已做到了数百平方米。[4]现已形成了一个新兴的高科技产业。最近，蓝色、纯绿色超高亮发光二极管相继研制成功并已商品化，用LED制成室外"大彩电"已成为现实，它标志着 LED显示技术达到了一个新的高度。
LED显示屏是用发光二极管作显示像素而构成的显示屏，受空间限制小，适合于几平方米到几百平方米的屏幕，在此范围内和其它几种屏幕相比有较强优势，可表现文字、图形、图像、动画和视频，能较好地适应各种使用环境。[5] LED显示屏系统一般由微机、发送控制板、接收控制板、显示屏屏体、稳压电源及金属框架等部分构成。[5]
（1）微机
微机主要用于大屏幕系统的操作和控制，体现在上层软件部分。用来制作、编辑欲显示的内容，包括文字、图像、表格，并设置各种节目的播放顺序及画面停留时间等。编辑完成后，微机用来运行播放制作好的内容。微机播放时，内容在微机的显示器上显示出来。
（2）发送控制板
该部分的作用主要是将微机上显示的内容采集下来，进行数据处理和变换，转换成为大屏幕显示所需要的数据格式，并将信号进行功率放大，以发送给远处的大屏幕。
（3）接收控制板
该部分的作用主要是将发送控制板发送来的数据接收下来并送到大屏上的相应位置。
（4）显示屏屏体
显示屏屏体主要是由LED发光管矩阵和驱动电路构成。它收到接收控制板送来的数据信号，驱动显示屏正面LED发光管矩阵的亮灭，使大屏幕显示出一幅幅画面。
1.3 LED屏的分类[5]
1.3.1 按显示颜色可以分为
单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。
图1.1 单基色显示屏
双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。
图1.2 双基色显示屏
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。
1.3.2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。
LED视频显示屏：显示器件是由许多发光二极管组成，可以显示视频、动画等各种视频文件。
1.3.3按使用环境分类
室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般几至十几平方米。
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
1.3.4按发光点直径分类
室内屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm即P7.62mm、￠8mm
室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ20mm、Φ21mm、Φ22mm、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
1.3.5.按显示方式分类
有静态、横向滚动、垂直滚动和翻页显示等。单块模块控制驱动12块（最多可控制24块）8X8点阵，共16X48点阵（或32X48点阵），是单块MAX7219（或PS7219、HD7279、ZLG7289及8279等类似LED显示驱动模块）3 LED显示屏的技术
2 LED点阵显示屏
2.1 LED显示屏的提出
LED显示屏是八十年代后期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在面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，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。2.2 LED显示屏的需求分析
信息化社会的到来，促进了现代信息显示技术的发展，形成了CRT、LCD、PDP、LED、EL、DLP等系列的信息显示产品，纵观各类显示产品，各有其所长和适宜的市场应用需求。随着LED材料技术和工艺的提升，LED显示屏以突出的优势成为平板显示的主流产品之一，并在社会经济的许多领域得到广泛应用，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。
这一领域的LED显示屏占到了前几年国内LED显示屏需求量的50%以上，目前仍有较大的需求。
（2）机场航班动态信息显示。
民航机场建设对住处显示的要求非常明确，LED显示屏是航班住处显示系统FIDS（Flight information Display system）的首选产品。
（3）港口、车站旅客引导信息显示。
以LED显示民间为主体的信息系统和广播系统、列车到发揭示系统、列车到发揭示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统，成为国内火车站和港口技术发展和改造的重要内容。
（4）体育场馆信息显示。
LED显示屏作为比赛信息显示和比赛实况播放的的主要手段已取代了传统的灯光及CRT显示屏，在现代化体育场馆成为必备的比赛设施。
（5）道路交通信息显示。
智能效通系统（ITS）的兴起，在城市效通、高速公路等领域，LED显示民间作为可变情报板、限速标志等，得到普遍采用。
（6）调度指挥中心信息显示。
电力调度、车辆动态跟踪、车辆调高度管理等，也在逐步采用高密度的LED 显示屏。
（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。
（8）广告媒体新产品。
除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外，集群LED显示屏广告系统、列车LED显示屏广告发布系统等也已得到采用并正在推广。
（9）演出和集会。
大型显示屏越来越普遍的用于公共和政治目的的视频直播，如在我国建国50周年大庆、世界各地的新千年庆典等重大节日中，大型显示屏在播放实况和广告信息发布方面发挥了卓越的作用。
（10）展览会。
LED显示大屏幕作为展览组织者提供的重要服务内容之一，向参展商提供有偿服务，国外还有一些较大的LED大屏幕的专业性租赁公司，也有一些规模较大的制造商提供租赁服务。
2.3 LED显示屏的开发环境
2.3.1 显示屏驱动电路的选择
方案一在禁止使用专用的LED控制芯片的情况下采用通用芯片74LS595，其具有8位锁存、串—并移位寄存器和三态输出，可以用它的锁存功能实现硬件电路对数据的刷新。其特点是控制信号简单，级联方便，芯片数量少。
方案二我们可以用移位寄存器74HC164和译码器74HC138配合三级管来实现LED点阵显示的行列控制.但由于三极管需要量太大使电源超负荷，将导致屏幕暗亮。
综合考虑，我们采用方案一。
2.3.2 亮度连续可调
方案一通过在软件中调节刷新频率。刷新频率高的时候,连续点亮的时间短,显示屏亮度低,当刷新频率调低时,连续点亮的时间延长,显示屏变亮。因此通过调
节占空比来实现显示屏亮度的调整。但是由于软件调节亮度变化不连续.不能实现连续的亮度调节。并且会出现闪烁。调节的效果不明显。
方案二通过调节电位器来改变电压,实现亮度的调节。调节电位器实现线形电压调整,从而控制三极管使显示屏压降发生改变。从而达到连续调节亮度的目的。电位器的调节范围较大，因此用此方法来调节。
考综合虑，我们采用方案二。
图2.1 简单单片机处理框图
2.3.3 串行口的选择
方案一采用RS485来进行长距离（1200M）的传输，RS-485总线通信模式由于具有结构简单、价格低廉、通信距离和数据传输速率适当等特点而被广泛应用.[2]但RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障而且总线本身存在许多的局限性，效率低，实时性差，通信的可靠性低，应用不灵活。
方案二采用MAX232来进行串行的传输, 用串行通讯的好处是简单，抗干扰性强.由于本系统有寄存器,因此不需要远距离传输,因此MAX232已经足够满足要求。并且可直接和PC机接口，[2]不用外加协议转换电路。
综上所述，方案二比较合理。
3 系统的具体设计与实现
3.1 系统总框图
图3.1系统原理图
3.2 硬件条件
用常用的AT89S52控制。技术比较熟练，应用广泛，[9]现在的51系列技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机，因此使用单片机可以实现要求的基本功能。
都是8051的内核，只不过52的内部资源比51稍多，[8]比如增加了一个16位的计数器T2，当然相应的特殊寄存器(SFR)也有了一点变化，另外52的内存也
从51的128字节提高到了256字节，ROM也从2K提高到4K，可以装下更大的程序，但是若单从运算速度来讲，由于二者都是8051的直系后代，基本上可以认为二者运算性能相同。[1]
考虑到内存的增加对较复杂的程序带来的好处，52的总体性能是要比51好不少的。[1]
另外S52比C51还增加了ISP功能，[1]就是在线可编程功能，这可是很有用的功能哦，首先是省去购买编程器的钱，另外，对于买不起仿真器或希望能板上调试（就是插在成品电路板上调试）的人来说十分有价值，你可以随时更新插在电路板上的单片机的程序，十分方便。当然S51也具备这一功能，C51和C52都不具备，不过他们也已经停产了，[7]现在电子市场能买到的大都是S系列的。
图3.2 8*8点阵外观及引脚图
采用4个8*8LED显示模块，构成16行*16列点阵显示点阵显示屏。4片8*8点阵LED显示模块利用总线形组成一个16*16的LED点阵，用于同时显示1个16×16点阵汉字或4个16×8点阵的字母﹑字符或数字。[4]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。
3.3 软件部分
3.3.1 LED显示屏驱动电路[4]
采用74HC154译码器。将从AT89S52里出来的列信号通过74HC154级联而成的16位的信号输出端连接到16*16的点阵LED的输入端，作为点阵的行驱动信号。从89S52输出四个信号分别输入到级联的74HC154译码器，[2]然后输出16位行信号，经过16个200欧姆的电阻，再输入到16个PNP（8550）三极管的B极来进行对行信号的放大，其中所有的三极管的E极相连接+5V的电源，所有的C极接16个LED点阵的行型号引脚，得到的信号作为点阵LED 的行输入信号。通过对154的四个输入信号进行控制，改变行信号来控制二极管的亮、灭来显示出所要求的字符、汉字。
行驱动电路：每个LED管亮需要7mA的电流，那么64个同时亮就需要448mA 的电流，所以我们要对列进行驱动，我们采用晶体管8550对列信号进行放大，使LED点阵能够正常显示。其驱动电路如下：
图3.3 74HC154行驱动线路图
3.3.2 LED显示器列驱动电路[4]
此电路是由集成电路两个级联74HC595构成的，它具有一个8位串入并出的移位寄存器，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。
图3.4 74HC595列驱动线路图
3.4 亮度连续可调
用一个200欧姆的电阻和8550的三极管组成，可以对LED的压降进行调节，以到达连续改变亮度。[5]此是作为对亮度的调节的方法。
3.5 刷新频率的计算
根据人眼的视觉的暂留特性，50HZ是适宜的刷新频率，所以CPU的刷新频率一般不低于60HZ，但是刷新频率太高的话，会使显示屏的亮度降低，所以刷新频率有最高值要求，本设计最高刷新频率为600HZ。[1]
3.6 键盘
键盘是使用比较简单的独立式键盘，而且具有指示功能模块电路图如图
图3.5 按键开关线路图
键盘各项功能如下：
显示模式键：键可以模式选择五种模式，预存汉字、预存符号、SD 卡信息、
时钟和PC 数据显示。
滚动模式键：可以控制二种滚动模式，在正常显示模式下实现左、右滚动。
循环模式键：可以控制定时循环模式。
时间调整键：即时间设定键，在时钟显示模式下，可配合加减键循环设置时、
分、秒。
定时键：按下时，显示当前的循环间隔的时间，可利用加减键进行间隔控制
调整。
刷新频率键：按下后，显示刷新频率，可利用加减键调整。
滚动速度键：按下后可以显示当前的速度，利用加减键调节滚动速度。
加、减键：配合其他键，在各种模式下，实现调整。
复位键：复位系统。
3.7 软件方面
本系统的显示处理采用动态扫描法，而键盘处理采用查询法并注意按键的消
抖处理。整个程序可以分为键盘扫描、点阵行列的扫描、串口传输。
3.7.1 主程序的流程图
否
是
否
是
开始
初始化寄存器、变量、I/O 是否按键按下？ 按键处理子程序
模块 是否收到串口命令？ 处理命令子程序 模块
3.7.2 按键程序
本系统中的按键程序分为按键扫描子程序和按键功能执行子程序。而且在按
键中使用了定时器Time0来实现按键消抖的功能。
是 否
是
否
3.7.3 行列的扫描
本系统中利用89S52来实现点阵显示屏的行列的扫描，其软件的流程图如下
图
清中断 送扫描行数据
扫描当前行 行数加1 清中断
按键扫描 是否有键按下？
计数器清0 计数器加1 计数器是否
大于10？
中断结束 置按键有效标志
4 AT89S52部分主要程序代码[3][2][6]
//以下程序为主函数//
void main(void)
{SCON=0x00; //串口工作模式0：移位寄存器方式
TMOD=0x01; //定时器T0工作方式1：16位方式
TR0=1; //启动定时器T0
P1=0x3f;//P1端口初值：允许接收，锁存，显示
IE=0x82;//允许定时器T0中断
P2=0x00;//P2.0接无线电接收模块中的第11脚(B键),P2.1接12脚(C键),P2.2接13脚(D键),初始化为没有
//按键按下
while(1)
{if(P2&0x04) diyizhan();//即如果P2.2脚出现高电平,说明D键被按下,点阵显示渝工三校院到了
else if(P2&0x02) dierzhan();//即如果P2.1脚出现高电平,说明C键被按下,点阵显示渝工学院到了
else if(P2&0x01) disanzhan();//即如果P2.0脚出现高电平,说明B键被按下,点阵显示优惠区到了
}//end while(1)
}
delay(3000);
for(i=0;i<7;i++) //显示效果：左跑马
{for(j=0;j<2;j++)
for(k=1;k<9;k++)
{for(l=0;l<16;l++)
{dispram[l*BLKN]=dispram[l*BLKN]<<1|dispram[l*BLKN+1]>>7;
dispram[l*BLKN+1]=dispram[l*BLKN+1]<<1|yi[i][l*BLKN+j]>>(8-k);
}
5 测试、结果及分析
5.1基本功能
表5.1
要实现的功能测试的结果
LED显示实现了16*16的点阵显示
显示屏无闪烁，亮度适中达到要求
按键控制切换数字和字母实现了此功能
能显示特定汉字和字符能实现
5.2 发挥部分功能
表5.2
功能是否实现？描述
亮度连续可调实现
滚屏显示能实现左右滚屏
预存信息能扩展到4组（每组汉字4个或8
个字符）
掉电保护实现
5.3 其他发挥部分
表5.3
功能是否实现？描述
多字体显示实现，非预置信息可选两种不同的字体
滚屏显示实现了上下滚屏
阴阳字实现
混合显示实现了字符汉字混合显示
循环实现了多条信息首尾相连，连续水平左滚动显
示
6 总结
本系统完成了LED点阵电子显示屏和控制器的制作。经调试，显示屏的显示亮度适中，并能实现持续可调，滚屏显示和实时时间显示。通过和PC机的通讯，使显示的信息能实时的更新。整个系统简洁，可靠性高，性能稳定。本系统达到了设计的基本要求和发挥部分的要求，并且在其他发挥项目中扩充了很多设计。经过本次设计，对AT89S52，74HC595，74HC154等芯片功能有了更深层次的理
设计中还有欠缺的方面
今后的学习工作中会加以注意。