【优秀毕业设计（论文）】双基色LED显示系统设计28146

论文题目：双基色LED显示系统设计摘 要伴随当今高度发展的信息时代，涉及半导体技术光电器件、电子电路、集成电路、信息图像处理、信息传输、计算机网络以及电子产品制造和电子产品安装工程等相关技术的 LED 显示屏在信息领域显得尤为活跃，在各行业的应用及普及方面也取得了长足的进步。从 LED 材料的不断更新，灰度控制技术的发展，真彩色图像的展现；到驱动电路的灵活、高效，控制系统技术的提高无不体现了 LED 行业技术的飞跃发展。另外，随着计算机网络技术的发展，LED 显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。现存显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为关注并研究开发和应用的关键技术包括：串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制技术等。本文根据 LED 图文显示屏系统的具体要求，通过查阅资料，分析并归纳出具体设计方案。即系统体系结构、系统的设计、串行通讯的设计以及单片机的功能控制。硬件模块设计方面，主控制系统采用单片机控制方式，实现点阵 LED显示屏的驱动及信息的保存与显示。具体包括：第一部分：LED显示点阵：主要由LED、固定板及其电路构成。通过单片机的控制驱动电路，采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器，由行译码器给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对个行进行扫描，实现 LED 的发光功能。第二部分：主控制系统：采用 8051单片机控制整个硬件模块的工作，通过控制串口完成与上位机的通讯，系统采用可以多次复用的 EPROM 作为它的程序和固化显示数据的存储器，通过扩展其存储模块完成预信息的保存。综上所述，基于系统的分析设计方案以及硬件设备的支持，对整个系统做了深入浅出的分析，设计了软件控制系统以及硬件模块的功能点，实现算法以及程序的设计。通过对固化数据显示，可以离开对上位机的实时依赖，根据实际应用情况避免资源的浪费。最终实现并在实际中得到应用。但是，实际应用的要求对系统的分析与算法的设计起着决定性的作用。关键词：LED；点阵 ；字模；串行通讯论文类型：应用研究型43Subject：Research and Design for Led-field-array displaysystemABSTRACTWith the high development of communication in our society, LED large screen include so many kinds of technique such as semiconductor technology, electro circuit, integrate circuit, image manipulation, information transfers, computer network and electronic manufacture technology and engineering has become more and more active in the information field, and also make a great progress with application and popularization in every walk of life. From the development of the material of LED, the technique of ash-degree control, the clearly multicolor images displaying to the active and high efficient drive electro circuit, also the improving skill of control system are all incarnate the great progress of the LED-industry. In addition , with the development of network LED large screen is more and more in used ,intellectualization net control and net-join control technology are also be used in practice under the multimedia and information display system composed with multi-device environment. In the basis of the LED large screen system request and consult datum, this text analysis and sum up the design project. Such as system-configuration, whole system task flow, the programmer for serial communication and the control for single chip. The hardware-model is under the single chips control, achieve saving the information and driving the LED. Including:1, Led-field-array display: it is consist of LED, fixation and driving electro circuit. At last through the control of single chip accomplish the word and picture display.2. Center control system: under transfer data to the hardware system SMC, save the data and drive the led-field-array, the image displaying is come true. Through the EPROM save-model achieve saving data. According to the analysis and design of the system, arithmetic, program and support of hardware device, the system is lucubrated and the function of the software control system module and the hardware microcontroller is design, and then finally is in used in reality.KEY WORDS: Led ,field-array, word-model, serial communicationThesis type: Application Research目 录1 绪 论11.1 LED 点阵显示屏的性能特征11.2 LED显示屏的研究背景及意义41.3 点阵显示屏的技术现状及发展趋势51.3.1我国LED显示屏的发展现状51.3.2 LED显示屏的发展趋势71.4 LED显示系统控制原理及相关技术81.4.1 LED电子显示屏控制原理81.4.2 LED视频显示系统：系统介绍及特点91.4.3 相关技术101.5论文主要研究内容及组织132 系统分析与设计152.1 汉字显示原理152.2 LED点阵驱动原理172.3系统硬件的总体结构及布局202.3.1 RS232串口通信的设计202.3.2控制电路设计222.3.3 显示驱动电路232.4 本章小结263 硬件设计与实现273.1 单片机系统的设计273.2 串口通信的设计283.3 显示方案的确定303.3.1 行显示驱动的设计313.3.2 列驱动电路的设计323.4 动态扫描时间的分析353.5 本章小结364 硬件调试375 结论39参考文献41致 谢42附录43系统实物图431 绪 论LED信息显示屏是由发光二极管排列组成的一种显示器件，它是传统发光器件和现代控制技术结合的产物。它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信息显示屏主要用于显示各种宣传信息，它信息含量大，可显示文字、图表、动画、图像等。近年来LED信息显示屏在银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及医院、海关、体育场等需要进行公告、宣传的场合得到了广泛的应用。LED信息显示屏采用低电压扫描驱动，具有耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远等特点。随着社会经济的迅猛发展,工业生产逐渐实现了自动化,其中设备的工作状态和生产过程状态的显示与监控起到了非常重要的作用。对于那些需要显示的信息量不是很大,分辨率要求不高,又需要制造成本相对比较低的场合,使用大屏幕LED点阵显示器是比较经济适用的,它可以显示字符、数字、汉字和简单图形, 可以根据需要使用不同字号,显示亮度较高, 并且对环境条件的要求比较低。在生产和生活中对大屏幕LED的大量需求，展示了大屏幕LED点阵显示器的光明应用前景。目前LED信息显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化的标志。这里我们设计一种2字的汉字信息条屏设计。实际上，会设计2个字，那么也就会触类旁通地设计120个字的条屏了。该汉字信息条屏与电脑串口连接输入文字，脱机运行可以显示1000个汉字或2000个ASCII码，数据存储在EEROM中可保存10年以上，不用备用电池，免维护。可以在显示新闻、广告、信息发布的各种场所使用。1.1 LED 点阵显示屏的性能特征LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有如下优点：1、耗电省、2、使用寿命长、3、成本低、4、亮度高、5、视角大、6、可视距离远、7、规格品种多。LED显示产品系列A、单色、彩色条形显示屏、B、计算机控制数码显示屏、C、单色图文显示屏、D、三色（红、绿、黄）图文显示屏、E、点阵和数码混合显示屏（证券屏）、F、双基色（红、绿）多媒体视频同步显示屏、G、三基色（红、绿、蓝）多媒体视频同步显示屏LED显示屏分类方式按显示颜色分为：单红色、单绿色、红绿双基色、红绿蓝三色按使用功能分为：图文显示屏、多媒体视频显示屏、行情显示屏、条形显示屏按使用环境分为：室内显示屏、室外显示屏、半户外显示屏按发光点直径分 为：3.0、3.7、4.8、5.0、8.0、ph8、ph10、ph16、ph20等。 LED显示屏技术特点 A、效果卓越：采用动态扫描技术，画面稳定，无杂点，图像效果清晰，动画效果生动，多样；视频效果流畅；B、内容丰富：可显示文字、图表、图像、动画、视 频信息；C、方式灵活：可由用户任意编排显示模式；D、质量保证：采用进口发光材料、高品质IC芯片、无噪声大功率电源；E、信息量大：显示的信息不受限 制；F、维修方便：模块化设计，安装，维护方便；使用环境：LED显示屏按使用环境分为室内LED显示屏和室外LED显示屏。显示颜色：LED显示屏按显示颜色分为单基色LED显示屏（含伪彩色LED显示屏），双基色LED显示屏和全彩色（三基色）LED显示屏。按灰度级又可分为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。显示性能：LED显示屏按显示性能分为文本LED显示屏、图文LED显示屏，计算机视频LED显示屏，电视视频LED显示屏和行情LED显示屏等。行情LED显示屏一般包括证券、利率、期货等用途的LED显示屏。基本发光点非行情类LED显示屏中，室内LED显示屏按采用的LED单点直径可分为3mm、3.75mm、5mm、8mm、和10mm等显示 屏；室外LED显示屏按采用的象素直径可分为16mm、19mm、22mm和26mm等LED显示屏。行情类LED显示屏中按采用的数码管尺寸可分2.0cm(0.8inch)、2.5cm(1.0inch)、3.0cm(1.2inch)、4.6cmm(1.8inch)、5.8cm(2.3inch)、7.6cm(3inch)等LED显示屏。大屏幕显示屏业绩上海市八万人体育场、上海大众汽车公司、上海国际信托投资公司、上海房产交易所、宝山钢铁公司等大屏幕拼接显示屏系统 一般用户在需要同时观看的信源较少时，适合选择单机大屏幕。点阵显示屏的主要外观及优缺点：(1) 单元图（图1.1）图1.1 点阵单元图(2) 政府部门用整屏图（图1.1）图1.2 政府部门用整屏图优点：显示面积巨大，造价较低。单元屏幕尺寸，控制较灵活，可方便控制显示面积。 缺点：单元屏幕尺寸越大，所需背投空间越大。由于多块屏幕拼接在一起就会有亮度，颜色的差异，需要挑选投影机及对投影机镜头与光学透镜屏的光焦匹配，尽可能做到单屏中心亮度与4角亮度均匀，多块屏幕亮度与颜色一致。灯泡寿命短，约1000-6000小时，与所选投影机有关。不能连续24小时工作(若必须7/24连续工作，需选择专业控制室投影机，造价高)。在较为复杂的监控中，如大型邮电通信系统、道路交通管理、能源分配输送、工业控制、110报警等领域，需全景浏览，统一指挥，就必须选择大屏幕拼接系统。大屏幕拼接系统不再受单机分辨率和亮度的影响，例如一个22四个单机的拼接系统，单机分辨率为1024768，亮度为500lm，则拼接后的系统 分辨率为20481536，亮度为2000lm。拼接系统主要由三部分组成：大屏幕投影墙、投影机阵列、控制系统。其中控制系统是核心，目前世界上流行的拼接控制系统主要有三种类型：硬件拼接系统、软件拼接系统、软件与硬件相结合的拼接系统。硬件拼接系统是较早使用的一种拼接方法，可实现的功能有分割、分屏显示、开窗口：即在四屏组成的底图上，用任意一屏显示一个独立的画面。由于采用硬件拼接，图像处理完全是实时动态显示，安装操作简单；缺点是拼接规模小，只能四屏拼接，扩展很不方便，不适应多屏拼接的需要；所开窗口固定为一个屏幕大小，不可放大、缩小或移动。软件拼接系统是用软件来分割图像，采用软件方法拼接图像，可十分灵活的对图像进行特技控制，如在任意位置开窗口；任意放大、缩小；利用鼠标即可对所开的窗口任意拖动，在控制台上控制屏幕墙，如同控制自己的显示器一样方便。1.2 LED显示屏的研究背景及意义在现代信息化社会的高速发展过程中，最具意义的莫过于大屏幕显示已经从公共信息展示等商业应用开始向消费类多媒体应用渗透。随着宽带网络的发展，数字化的多媒体内容将在信息世界中占据主流，新型的大屏幕显示设备将代替传统电视机成为人们享受信息和多媒体内容的中心。与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点：(1) LED显示屏色彩丰富，显示方式变化多样（图形、文字、三维、二维动画、电视画面等）、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。(2) LED显示屏是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的高技术产品，可用来显示文字、计算机屏幕同步的图形。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显示方式等独居一格的优势，是目前国际上使用广泛的显示系统。(3) LED显示屏应用广泛，金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。在其历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体：但就其性能看：如阴级管(crt)或石英管(dv)大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可；彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小；影象投影设备亮度小、清晰度差（画面受光不均匀）；电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。而LED显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。LED显示屏的发展主要经历了三个阶段：(1) 1990 年以前LED显示屏的成长时期。一方面，受LED材料器件的限制，LED 显示屏的应用领域没有广泛开展；另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的LED显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点 4 级调灰，成本较高。(2) 1990-1995 年，这一段是LED显示屏迅速发展的时期。进入九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED显示屏在LED材料和控制技术方面也不断出现新的成果。蓝色LED晶片研制成功，全彩色LED显示屏进入市场；电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级实现16级灰度和64级灰度调灰，显示屏的动态显示效果大大提高，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域，特别是1993年证券股票业的发展更引发了LED显示屏市场的大幅增长。LED显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。(3) 1995年以来，LED显示屏的发展进入一个总体稳步提高产业格局调整完善的时期。进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京申奥成功等，成为LED显示屏产业发展的契机，LED显示屏必将得到飞跃发展1。1.3 点阵显示屏的技术现状及发展趋势1.3.1我国LED显示屏的发展现状(1) 产业发展初具规模我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模骨干企业。据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。全国从事LED显示屏 的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回 落。在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都 机场、浦东机场等，均由国内代表企业中标。技术水平相对领先。我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。 90年代初即具备了成熟的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经 线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。LED 显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。LED显示屏产业 正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。(2) LED显示屏的应用涉及社 会经济的许多领域，主要包括：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，目前仍为LED显 示屏的主要需求行业。上海证券交易所、深圳证券交易所及全国上万家证券、金融营业机构广泛使用了LED显示屏。机场航班动态信息显示。民航 机场建设对信息显示的要求非常明确，LED显示屏是航班信息显示系统FIDS(Flight information Display system)的首选产品，首都机场、上海浦东国际机场、海口美兰机场、珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全国数十家新建和改扩建机 场都选用了国产的LED显示屏产品。港口、车站旅客引导信息显示。以LED显示屏为主体的信息系统和广播系统、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，北京站、北京西站、南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品和系统。体育场馆信息显示。LED显示屏已取代了传统的灯泡及CRT显示屏，四十三届世乒赛主场地天津体育中心首次采用了国产彩色视频LED显示屏，受到普遍好评，上海体育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了LED显示屏作为信息显示的主要手段。道路交通信息显示。智能交通系统（ITS）的兴起，在城市交通、高速公路等领域，LED显示屏作为可变情报板、限速标志等，替代国外同类产品，得到普遍采用。调度指挥中心信息显示。电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等，也在逐步采用高密度的LED显示屏。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。遍布全国的服务领域均有国产LED显示屏在信息显示方面发挥作用。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，国内一些城市出现了集群LED显示屏广告系统；列车LED显示屏广告发布系统也已在全国数十列旅客列车上得到采用并正在推广。(3) 行业发展正在逐步规范1995年以前，LED显示屏的生产无行业规范。1996年原电子部委托蓝通公司制定LED显示屏通用规范，1998年1月正式作为电子行业标准发布实施，使 LED显示屏产业标准化工作开始走向规范。1998年初，中国光协光电器件分会加强了LED显示屏行业的管理和业务，在引导规范行业发展、开展光电器件与 LED显示屏产品技术及检测标准交流协调等方面积极开展工作，目前正在就标准体系和具体标准的建立组织力量进行有关工作。随着产品标准体系的形成和系列标 准的实施，LED显示屏产业在向健康有序的方向发展。1.3.2 LED显示屏的发展趋势现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料的产业化。使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。以全彩色户外26显示屏为例，1996年的产品市场价格每平方米在12万元左右，1999年已降至78万人民币/m2，LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色 显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。 标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，LED显示屏的标准化和规范化将成为LED显示屏发展的一个新趋势。近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件 下是以价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将成为主要的竞争因素，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了 较高要求，业内一些骨干企业已开始在企业实施ISO9000系列标准。行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据，生产条件 差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场的淘汰，预计今后几年内一批小规模LED显示屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋于有序。 产品结构多样化信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专 业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公 共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。1.4 LED显示系统控制原理及相关技术1.4.1 LED电子显示屏控制原理（一）系统组成本系统由计算机专用设备、显示屏幕、视频输入端口和系统软件等组成。 计算机及专用设备：计算机及专用设备直接决定了系统的功能，可根据用户对系统的不同要求选择不同的类型。显示屏幕：显示屏的控制电路接收来自计算机的显示信号，驱动LED发光产生画面，并通过增加功放、音箱输出声音。 视频输入端口：提供视频输入端口，信号源可以是录像机、影碟机、摄像机等，支持NTSC、PAL、S_Video等多种制式。 系统软件：提供LED播放专用软件，powerpoint或ES98视频播放软件。系统原理图如图1.3所示：图1.3LED电子显示屏控制系统结构框图(二)系统功能该系统具备如下功能：(1)以计算机为处理控制中心，电子屏幕与电脑显示器(VGA)窗口某一区域逐点对应，显示内容实时同步，屏幕映射位置可调，可方便随意地选择显示画面的大小。(2)显示点阵采用超高亮度 LED发光管(红、绿双基色)，256级灰度，颜色变化组合65536种，色彩丰富逼真，并支持VGA 24位真彩色显示模式。(3)配备图文信息及三维动画播放软件，可播放高质量的图文信息及三维动画。播放软件显示信息的方式有覆盖、合拢、开帘、色彩交替、放大缩小等十多种形式。 (4)使用专用节目编辑播放软件,可通过键盘,鼠标、扫描仪等不同的输入手段编辑、增加、删除和修改文字、图形、图像等信息。编排存于控制主机或服务器硬盘,节 目播放顺序与时间,实现一体化交替播放,并可相互叠加。(5)可以接收显示录像机、影碟机等视频信号。1.4.2 LED视频显示系统：系统介绍及特点(1) 模块化设计：电路设计按功能分成不同的模块，每个模块之间只需要极少的联系，极大地提高了系统的稳定性、可靠性。调试难度、维护难度大大降低，可靠性高。 所有硬件电路全部选用进口元器件，品质高，可靠性好。 (2) 先进的分布式扫描技术：显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。每个单元之间的信号传递采用信号锁存技术进行同步控制。显示的稳定性大大增加。 (3) 精心设计的通信接口技术：通信距离可达1000米。可以抗击15KV的静电放电冲击。RS-422专用设计接口。极大地提高了系统通信的可靠性。(4) 软件设计新颖：WINDOWS风格界面，设计专用软件经验丰富。软件功能强、操作简便。通用显示屏软件具有良好的用户界面，清晰的菜单窗口，用户可以根据需要，任意编排节目，既能播放录像，也能播放动画文字、插播消息等。(5) 可视性好：产品采用进口LED晶片，构成的显示屏具有高亮度、色彩鲜艳、视角大、寿命长（100,000小时）稳定性高、响应速度快等特点。(6) 易于安装：采用显示单元板或显示单元箱体，根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸，并且便于维护。 LED电子显示屏系统简介及分类 近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等多种需要进 行公告、宣传的场合。目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志。随着社会经济的不断进步，以及LED显示技术的不断完善，人们对LED 显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广。1.4.3 相关技术LED显示屏的技术范围包括半导体光电器件技术、电子电路技术、集成电路技术、信息图像处理技术、信息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关技术。在LED显示屏技术中，以下方面的技术在实践中不断提高并普遍受到关注和重视。 显示颜色、亮度和视角 基础半导体工业的迅猛发展，带动了发光二极管制造材料以及制作工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃，高亮度、蓝色及纯绿色发光二极管已产业化并得到应用。目前LED显示屏从颜色上能满足室内外不同环境下的单色、双基色、全彩色显示要求，四元素的红色LED器件及高亮度蓝色、纯绿色在室外显示屏中 得到普遍应用。在显示屏制作上采用SMD表贴技术的LED器件，可以获得更好的视角和亮度，目前已在高密度、全彩色室内显示屏中得到应用，但相对成本比较高，随着器件成本的降低，未来会有比较大的市场潜力。 灰度控制技术 LED显示屏在进行图文显示时，对同一基色采用级差间隔亮度，实现颜色的组合，一般可做到16级、64级、256级灰度。为使显示效果更符合人眼的视觉 特性，出现了非线性级差调灰技术，即在低亮度区级差小，增加级数，逐步到高亮度区时增大级差，形成视觉效果上的“级差一致性”。目前LED显示屏灰度控制一般都在256级，通过采用非线性调灰技术，显示屏的显示效果比较理想。实际上，受数据、图像的信号源的制约，单纯追求大数量级的灰度控制，在使用中的实际价值是值得商榷的。 驱动电路 LED正向导通电压的典型值3.0V4.0V，驱动电流为 20mA。如果只是用一个固定的正向电压驱动LED，可能会产生变化范围较大的正向电流，例如用3.4V驱动6只 LED，相应的正向电流差别较大：10mA44mA，取决于具体的LED 特性曲线。为保证可靠性，驱动LED 的电流必须低于LED额定值的要求，典型最大值一般为30mA，但是，当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达到50时电流需限制在20mA以内。在实际运用中，负载常采用通过串并连形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或 LED 个数变化，限流电阻也应该相应变化。LED显示屏广泛使用的驱动电路是基于通用型集成电路来设计的，原理比较简单，价格便宜，产品的技术开放性比较强。通用IC设计的驱动电路在室内外单色、双基色显示屏方面应用成熟，目前仍然是主流的驱动电路。近年恒流驱动IC的发展较快并受到重视和广泛应用。恒流驱动技术根据LED器件的发光与驱动电流高度相关的特点，大大提高了LED显示的均匀性，同时，减少了显示驱动电路的阻容元件，降低了故障点，使LED显示屏更可靠、亮丽。LED显示屏专用的IC在国内外一直受到关注。近年，国外的IC制造商相继推出一些用于LED显示的专用IC驱动芯片，如TI公司推出的LED Driver等，这类芯片对原来通用驱动IC的集成度进行了提高，使显示屏的驱动电路设计简捷方便，功能上也有所提高，但同时成本也相应增加。 国内外LED显示屏制造商纷纷投入力量，研制开发设计适合自己产品发展需要的大规模或超大规模专用LED驱动电路。这类专用IC相对复杂，功能较强。LED专用驱动IC简化了显示屏系统设计的复杂程度，在一定程度上增强了显示屏的功能，提高了整体的稳定性，具有积极的意义。但是，也应该看到，我国各个 LED制造商设计开发的LED专用驱动IC基本上是自用，批量规模不够，导致产品的开放性差，另外，过分追求一些实际意义不大的功能的设计，从价值成本方 面分析也不尽合理。 系统控制技术 显示屏的控制系统包括了输入接口电路、信号的控制、转换和数字化处理电路、输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其中为业内关注并研究开发和应用的关键技术包括：串行传输与并行传输、动态扫描与静态锁存、输入接口技术、自动检测、远程控制技术等。 通信传输和网络控制 对于信息的发送方式：一种是用RS232通讯，利用计算机串行口COM1COM4通讯，此方式通讯速度较慢，且距离不能太远，只有 30米左右；另一种是采用在计算机上加插一块通讯卡的 RS422 通讯方式，此方式通讯速度快，且距离远，可达 1000 米左右。发送功能涉及到上端与下端方面的通讯。在电脑终端的信息数据通过“通讯协议”与单片机实现数据传递，达到电脑智能终端控制电子产品的“电子自动化”的目的。根据对信息传输显示的实时性，LED显示屏的通信传输控制有通信传输和视频传输。视频传输方式则是把LED显示屏与多媒体技术结合起来，实现了在LED 显示屏上实时显示计算机监视器上的内容，也可播放录像及电视节目，一般用于播放实时信息的显示屏都采用视频控制方式。具体传输是采用成对的专用长线传输接口电路。另外，随着计算机网络技术的发展，LED显示屏在网络环境下的使用情况越来越多，在多媒体、多种显示设备组成的信息显示系统中，采用智能化网络控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。1.5论文主要研究内容及组织(1) 问题的提出：用于图文显示的LED显示屏，如果只显示一些图形、文字，而对图象、动画以及信息的实时显示要求不高，而且信息的内容和屏与屏切换相对比较稳定，不需要固定计算机实时服务，只需要在控制显示屏的单片机中加入存储块，实现信息的保存功能。(2) 论文的主要研究内容：在控制系统中实现字模的提取与保存，无需在单片机中加入汉字库。通过串口采用串行通讯方式，完成信息的传输。并且在控制系统中实现多屏信息合并单屏信息保存后传输的功能。通过对点阵模块和控制电路的分析，确定 LED 显示屏的部件构成；通过对单片机及智能控制模块的分析，确定LED显示屏的组成结构和驱动方式，实现LED显示屏的驱动。(3) 本设计预期达到的目的本设计采用双基色的LED点阵模块，利用驱动电路，通过单片机对其进行控制，可以显示动画效果，通过改变刷新频率，改变显示屏的灰度，还可以实现与上位机的通信。(4) 论文的组织通过对软件系统的简要分析，在论文中将对其进行详细的研究与设计。具体组织安排如下：第2章：系统分析与设计第3章：硬件设计与实现第4章：系统调试第5章：在完成系统分析、系统设计的工作后，对整体工作进行总结。2 系统分析与设计2.1 汉字显示原理在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用两个字节长度，为了和ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H 开始（小于80H的为ASCII码）；将机内码每个字节的最高位屏蔽掉，再以十六进制的形式显示出来，则为国标码；将机内码的每个字节各减去0A0H再以十进制显示出来，即为该汉字的区位码。例如“国”字的机内码国标码和区位码如表2.1 所示：表2.1：“国”字的机内码、国标码和区位码类别数值高位字节低位字节机内码B9FAH1011100111111010国标码397AH0011100111111010区位码195AH0001100101011010即区位码=机内码0A0AOH, 就“国”字而言,其区位码和机内码的关系为：195AH（区位码）0B9FAH （机内码）0A0A0H根据对汉字使用频率程度的研究，可把汉字分成高频字（约100个）常用字（约3000 个），次常用字（约4000字），罕见字（约8000 个）和死字（约45000 个），即正常使用的汉字达15000 个。我国1981年公布了通讯用汉字字符集(基本集)及其交换码标准GB2312-80 方案，把高频字、常用字和次常用字集合成汉字基本字符集（共6763 个），在该字符集中按汉字使用的频度，又将其分为一级汉字3755个（按拼音排序）、二级汉字3008 个（按部首排序），再加上西文字母、数字、图形符号等700个，国家标准的汉字字符集（GB2312-80）在汉字操作系统中是以汉字库的形式提供的。汉字库结构作了统一规定如图所示：图2.1 国标（GB2312-80） 汉字字符集即将字库分成94个区，每个区有94个汉字（以位作区别），每一个汉字在汉字库中有确定的区和位编号（用两个字节），这就是所谓的区位码（区位码的第一个字节表示区号，第二个字节表示位号，因而只要知道了区位码，就可知道该汉字在字库中的地址，每个汉字在字库中是以点阵字模形式存储的，如一般采用1616 点阵形式，每个点用一个二进制位表示，存1的点，当显示时，可以在屏上显示一个亮点。存0 的点，则在屏上不显示，这样就把存某字的1616点阵信息直接用来在显示器上，按上述原则显示则将出现对应的汉字。如一个“豪”字的1616点阵字模如图所示，当用存储单元存储该字模信息时，将需32个字节地址，在的右边写出了该字模对应的字节值。图2.2 1616点阵字模图每一个小方格代表一个点，黑色的为1，白色为0；每一个点看作为一位（bit）。据此可以描绘出“豪”字的位（bit）信息。采用行扫描的方式，每八位（bit）为一个字节，这里采用十六进制表示，这样就得到了字模数据。汉字的显示和输出，普遍采用点阵方法。由于汉字数量多且字形变化大，对不同字形汉字的输出，就有不同的点阵字形。所谓汉字的点阵码，就是汉字点阵字形的代码。存储在介质中的全部汉字的点阵码又称为字库。16x16点阵的汉字其点阵有16行，每一行上有16个点。如果每一个点用一个二进制位来表示，则每一行有16个二进制位，需用两个字节来存放每一行上的16个点，并且规定其点阵中二进制位0为白点，1为黑点，这样一个1616点阵的汉字需要用216即32个字节来存放。依次类推，2424点阵和3232点阵的汉字则依次要用72个字节和128个字节存放一个汉字，构成它在字库中的字模信息。要显示或打印输出一个汉字时，计算机汉字系统根据该汉字的机内码找出其字模信息在字库中的位置，再取出其字模信息作为字形在屏幕上显示或在打印机上打印输出。2.2 LED点阵驱动原理发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。我们知道，发光是一种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态越迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式释放数来，就会产生发光现象。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，图2.3 开启一个LED在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，导带中的电子则可越过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇后便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。LED 发光二极管分为正负二个脚当正负之间加入一定的电压时LED 会点亮。图2.4LED显示原理LED发光时一般电流为3 至30mA 左右LED 有一定的稳压作用点亮时LED 的正负之间的电压为1.8V至2.1V 左右LED 加入电压时必须限流否则会损坏LED 根据发光亮度的需要LED 的限流电阻可为1K 至3K3 之间这时流过几毫安的电流当需要较高亮度的显示时可加入较大的电流例如使用+5V 供电串接100R 的限流电阻则在100R 的电阻上有3V 的压降因为LED 压降约为2V 则电流约为30 至50mALED 点阵由数个LED 按一定规律排列而成。LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成。最常见的LED点阵显示单元有57,79,88结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符。下图为常用的双基色88LED点阵原理图。该点阵为共阳极红绿双基色的点阵模块（白的为绿色，黑的表示红色）。图2.5 双基色88 LED点阵外观图2.6 双基色88 LED点阵原理图其中8个LED 的正极接在一起一共有88共64个LED组成LED 的正极1 至8 条线循环加入正电压这8 个正电压在一定的时间内只有一条有效的其余都无效8 条线是逐个加入正电压8 个为一个周期一般每个周期为10ms 至20ms 左右称之为扫描周期利用人眼的视觉暂留人们会看到8路LED 都会点亮但其实只有一路是点亮的当每条扫描线即LED 正极加入电压时如果在负极也加入负电压则相应的LED 会被点亮扫描电路就是利用这个原理通个8条正极及8条负极控制64个LED的点亮及熄灭现在我们较常用到3232的LED矩阵控制1024个LED 因为每个LED 是亮的时间只有1/32 故在LED 点亮时可以加入较大的电流100R 的电阻可以得到30至50mA的电流LED 有了1/32 的时间是不点亮的故可以得到较长的使用寿命。当为双色显示时先排列红色再排列绿色当红色及绿色同时点亮时可以得到黄色信号一般的三色LED其是由红色及绿色LED 成也称为双基色显示屏6。屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用 88 双基色显示单元，按照每行 2个字，共计16 行的方式来组织的2256 LED 象素的显示屏，因此能够显示2个1616 点阵汉字。控制电路采用动态扫描驱动方式驱动 LED 器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。 从 LED 器件的发光机理可以知道，当向LED器件施加正向电压时，通过器件的正向电流使其发光。流过LED的电流i与其两断电压V的关系式为： (2.1)其发光亮度基本上正比于通过的电流强度。当对于n个LED器件进行扫描驱动时，假定切换电路在切换过程中没有时间延迟，且每个LED的导通时间是相等的，则占空比为1/n。此时的驱动电流幅值应该等于相当直流驱动电流的n倍，才能达到与相当直流驱动一样的效果，且驱动电流幅值不能超过该器件允许的最大脉冲幅值，所以对于本系统应用于室内的LED显示屏，n值取为16，能够满足亮度要求。2.3系统硬件的总体结构及布局LED点阵显示系统由计算机、RS-232通讯电路、控制电路和LED点阵显示电路构成，结构框图如图所示。图2.7 系统组成上位计算机可选择工业控制计算机或者普通个人计算机。单块条屏由控制电路和驱动显示电路组成。控制电路负责与上位机通信，可根据通信距离的远近选用RS-232或RS-485标准总线接口。本电路采用RS-232接口的3脚（TXD）和5脚（GND），计算机向控制电路发送汉字或字符内码；控制电路存储该内码并在字库中对应汉字或字符点阵，向驱动电路发送行列选通信号，采用动态扫描的方式；显示驱动电路负责根据行列选通信号，向指定LED发光器件提供驱动电流。控制部分以单片机89S52为核心，辅以外围电路，完成串行通信、外部存储器读取、行列选通信号输出等任务。2.3.1 RS232串口通信的设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同 的设备可以方便地连接起来进行通讯。 RS-232-C接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间 串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信 号的电平加以规定。(1)接口的信号内容 实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。(2) 接口的电气特性 在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” +5 +15V。噪声容限为2V。即 要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1” 。(3) 接口的物理结构 RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座,通常插头在DCE端,插座在DTE端. 一些设备与PC机连接的RS-232-C接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。(4) 传输电缆长度 由RS-232C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10-20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过50英尺，美国DEC公司曾规定允许码元畸变为10%而得出附表2 的实验结果。其中1号电缆为屏蔽电缆，型号为DECP.NO.9107723 内有三对双绞线，每对由22# AWG 组成，其外覆以屏蔽网。2号电缆为不带屏蔽的电缆。型号为DECP.NO.9105856-04是22#AWG的四芯电缆。1.RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。2.3.2控制电路设计由于设计要求系统能独立运行，并能控制中文LED汉字的移位显示，主控板应以单片机为核心的单片机系统。MCS-51 单片机具有扩展性强，功能强大，价格较低等优点，因此，采用Atmel公司的AT89S52 单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数