16乘32 LED点阵式电子广告屏设计论文.doc

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1、湖南理工职业技术学院毕业设计（论文）题 目：LED点阵式电子广告屏设计与实现 年级专业： 电 信 1081 学生姓名： 李 媛 媛 指导教师： 文 其 知 老 师 2010 年 12 月 28 日 摘 要LED点阵是由发光二极管排列组成的显示器件，具有耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品、可靠耐用、应用灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。本文详细介绍了16X32 LED点阵电子显示屏的设计。使用AT89S52单片机作为主控制器，采用串行EEPROM 24C02储存点阵字型

2、码数据。字型码依次通过串入并出移位寄存器74HC595输出，采用4-16译码器74HC154产生行扫描选通信号，分16行进行动态扫描。行采用三极管驱动，其中行驱动电路采用三个三极管并联，以增大行驱动电流。通过改变行扫描的顺序，可实现显示内容上下滚屏；通过依次将字型码移位后再输出的方式可实现显示内容左右滚屏。关键词： LED点阵；显示屏；动态扫描；滚屏目 录第一章 概述41.1 LED点阵电子显示屏的现状41.2 LED点阵电子显示屏的解决方案4第二章 LED点阵电子显示屏总体设计62.1 总体结构设计62.2工作原理6第三章 LED点阵电子显示屏详细设计73.1 显示单元73.2主要元器件选择

3、73.2.1 74LS154简介73.2.2 74HC595简介：83.2.3 AT89S52简介：93.3 点阵数据的存储103.4详细硬件电路设计113.4.1列驱动电路设计113.4.2行扫描驱动电路设计123.4.3驱动电路参数计算133.5 软件设计143.5.1 往74HC595写一字节子程序程序153.5.2 主程序15第四章 制作与调试184.1硬件调试184.2软件调试18总结19致谢20参考文献21附件A 材料清单22附件B 电路原理图22附图C 程序清单23附图D 样机实物图27第一章 概述LED点阵显示屏（Light Emitting DiodePanel）是集微电子技

4、术、计算机技术、信息处理于一体的新型显示方式，由于其具有色彩鲜艳，动态范围广亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点。1.1 LED点阵电子显示屏的现状目前LED显示屏的种类越来越多，从使用场合及亮度可分为室内与室外屏，从扫描方式可分为动态扫描显示屏和静态扫描显示屏。室外通常采用计算机同步控制的静态扫描显示，每个像素由几个高亮LED发光二极管组成，可做成多色和全色。其优点在于播放的内容信息量大实时性强，而且由于采用静态亮度高；其缺点是硬件电路复杂，成本高。室内使用的由8X8LED点阵拼成的显示屏也有同步和异步之分，同步控制显示屏由计算机作为主控器，异步控制显示屏的主控器可采用单片机。单片机控制的单色

5、显示屏由于结构简单，成本低廉，适合作为电子广告屏。1.2 LED点阵电子显示屏的解决方案 LED点阵显示屏通常采用动态扫描的方式实现。动态扫描的方法有以下两种：（1）水平方向（X方向）扫描，即逐列扫描的方式（简称列扫描方式）：此时用一个端口输出列码决定哪一列能亮（相当于位码），用另一个端口输出行码（列数据），决定该行上哪个LED亮（相当于段码）。点亮的列从左到右扫描完16列（相当于位码循环移动16次）即显示出一个完整的图像。（2）竖直方向（Y方向）扫描，即逐行扫描方式（简称行扫描方式）：此时用一个端口输出决定哪一行能亮（相当于位码），另一个端口输出列码（行数据，行数据为将列数据的点阵旋转90度

6、的数据）决定该行上哪些LED灯亮（相当于段码）。点亮的行从上向下扫描完16行（相当于位码循环移位16次）即显示一帧完整的图像。 本设计采用第二种扫描方法，即逐行扫描。图1.1为8X8单基色点阵的结构图，从内部结构可以看出8X8点阵共需64个发光二极管，并且每个发光二极管是放置在各行和各列的交叉点上，当对应的某一行置1电平，另一列置0电平时，则相应的二极管点亮。若要是一行亮，则对应的行置1，而列则采用扫描依次输出0来实现。若要使某一列亮，则对应的列置1，而列则采用扫描依次输出0来实现。LED显示屏就是由若干个点阵模块组成的。它通过一定的控制方式，就可以显示文字、文本、图形等各种信息，以及电视、录

7、像信号。 图1.1 8 X 8单基色LED模块内部电路 图1.2 用动态扫描显示“B”的过程第二章 LED点阵电子显示屏总体设计2.1 总体结构设计LED点阵电子显示屏电路大体可分为：单片机本身的硬件电路、显示驱动电路、控制信号电路三部分。此显示电路采用扫描方式进行显示时，每行都有一个行驱动器，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，按顺序依次对各行进行扫描。 硬件电路框图如图2.1所示。图 2.1 硬件电路框图2.2 工作原理先由AT89S52的P2.1（hc595_ds）将第n行的数据发送到74HC595中锁存，再通过P2.4-P2.7口控制74LS154选

8、中点阵第n行，然后通过P2.2（hc595_stcp）发送时钟信号（上升沿）控制74HC595将锁存的数据输送到电子点阵中显示，如此循环显示16行数据，完成同时显示两个字符。第三章 LED点阵电子显示屏详细设计用AT89S52单片机作为主控制器，采用串行EEPROM 24C02储存点阵字型码数据。字型码依次通过串入并出移位寄存器74HC595输出，采用4-16译码器74HC154产生行扫描选通信号，分16行进行动态扫描。行采用三极管驱动，其中行驱动电路采用三个三极管并联，以增大行驱动电流。通过改变行扫描的顺序，可实现显示内容上下滚屏；通过依次将字型码移位后再输出的方式可实现显示内容左右滚屏。3

9、.1 显示单元 电路包括单片机、电源电路、时钟电路、复位电路、驱动电路和LED点阵显示屏电路等。要完整的显示一个汉字，则至少需要16 X 16点阵，所以显示一个汉字则需采用4块8 X 8点阵来组成，显示汉字的原理与8 X 8点阵显示字符是一样的。本设计采用8块8 X 8点阵组成16 X 32点阵显示屏，这样才能同时显示两个汉字。3.2 主要元器件选择整个电路由单片机AT89S52，4个74HC595，1个24C02存储器，1个4-16线译码器74LS154,8个88的LED点阵等组成。3.2.1 74LS154简介74LS154 为 4 线16 线译码器（如图3.1所示），74LS154的输出

10、是低电平有效，故实现逻辑功能时。当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。 如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。 图3.1 74LS154管脚图引脚功能介绍：A、B、C、D 译码地址输入端(低电平有效)G1、G2 选通端(低电平有效) 015 输出端(低电平有效)3.2.2 74HC595简介：74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器的芯片，且有三态输出功能。数据在SHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入到寄存器中去。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds）

11、，和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。 8位串行输入 /8位串行或并行输出存储状态寄存器，输出寄存器可以直接清除 100MHz的移位频率。（并行输出，总线驱动，串行输出）74HC595参考数据：Cpd决定动态的能耗， PdCpdVCCf1+(CLVCC2f0) F1输入频率，CL输出电容 f0输出频率（MHz） Vcc=电源电压表1 74HC595参数表图3.2 74HC595管脚图图3.3 74HC595功能表3.

12、2.3 AT89S52简介： AT89S52是一种带4KB可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，本设计将AT89S52作为单片机选择对象。 AT89S52的特点：1、价格便宜，即性价比高；2、集成度高，体积小，可靠性好；3、低功耗、低电压；4、易扩展。 图3.4 单片机系统电路3.3 点

13、阵数据的存储考虑到点阵数据存储量通常不大，本设计采用串行EEPROM 24C02储存点阵字型码。串行EEPROM 24C02能储存2K字节。一个16*16点阵的汉字字模数据需要32字节的EEPROM空间来存储，也就是说本设计采用的串行EEPROM 24C02最多能显示63个字。24C02是一个2K位串行CMOS EEPROM, 内部含有256个8 位字节.24C02有一个16 字节页写缓冲器.该器件通过I2C 总线接口进行数据存取。图3.5 24C02管脚图图3.6 24C02的功能表3.4 详细硬件电路设计3.4.1 列驱动电路设计本设计中每列88点阵的列驱动电路由一片8位移位锁存器74HC

14、595构成。由于74HC595的输入电平兼容LSTTL,NMOS,CMOS电平，且具有较强的输出负载能力，而被广泛地运用于MCU（微控制器）、MPU（微处理器）的I/O口的扩展。 74HC595在5V电源供电时能达到30MHz的时钟速度，每个并行输出端口均能承受20mA的灌电流。这个特点保证了不用增加额外的扩流电路即可轻松的驱动LED。它的输入端允许500ns的上升（下降）时间，这样就可以容纳较大的传输线对地兼容，从而增强了抗干扰能力。 74HC595并行输出端与LED模块列线之间通过20的电阻连接，这里的电阻起到限流的作用。 由于LED显示屏的工作电流时刻在变化，造成了系统电压波动，这种电压

15、波动有高频成分，也有低频成分。轻则对周围无线电环境造成电磁污染，重则使系统时钟错乱，逻辑错误。为避免此，在4个74HC595的VCC和GND并联两组电容，用于滤波、去抖和退耦，稳定系统电压，消除自激，减少对外杂散地磁辐射，提高电磁兼容性。 列驱动电路如图3.5所示。图 3.7 列驱动电路3.4.2 行扫描驱动电路设计 因为本设计要求的行驱动电流较大，因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，本设计采用的是共射驱动，因为共射驱动方式压降一般为0.3V.因此在5V的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管耗只有0.3W。共射电路的基极驱动是用低电平的，这就不会造成浪涌电流。同时，大

16、部分单片机的I/O是弱上拉输出，就是说单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱的拉电流。图 3.8 共射驱动电路行驱动电路：图 3.9 行驱动电路3.4.3 驱动电路参数计算 本设计做的是1632的点阵显示屏，假设每一行所有的LED都需要点亮。每行就有32个点阵，普通的LED安全电流为5mA。如此可知，当一行全点亮时 总电流： I=0.005A32=0.16A; 管 耗： P=0.16A0.3V=0.048W因为89S52单片机的每个I/O口能独立承受20mA的灌电流。也就是说能够给共射驱动电路基极提供20mA的偏置电流。基极限流电阻=（5V-0.7V）/0.02A=215所以本设计采用的基极

17、限流电阻为200。三极管采用的是PNP C8550。表3.2 C8550参数表 由上表可知：最大集电极电流： Ic=-1.5A；本设计采用的是三个三极管并联的方式进行驱动。三管并联，其Ic可以扩展到4.5A。这样就增大了驱动电流。列驱动电路计算：分压电阻的计算：二极管压降为3V，电源电压为5V。每一列由16个二极管组成，而二极管的安全电流为5mA，所以 分压电路R=（5V-3V）/5mA/16=25本设计采用的是20的分压 3.5 软件设计由于单片机总线为8位，一个字需要拆分为两个部分。汉字可拆分为上部和下部，上下部都由816点阵组成，也可分为左部分和右部分，左右部分都由168点阵组成，因此一

18、个汉字要用162=32个字节来表示。汉字点阵显示一般有点扫描、行扫描和列扫描3种，本设计的软件采用的是行扫描。但是一次驱动一行或一列（8个LED）时需加驱动电路提高电流，否则LED亮度会不足。3.5.1 往74HC595写一字节子程序1、 程序流程图如图3.8所示图3.10 显示程序流程图2、源程序代码void hc595_write_data(uchar data_ds)/往74HC595写一字节数据，待写数据为data_ds uchar n_bit; for(n_bit=0;n_bit8;n_bit+)/循环8次发送8位数据 hc595_shcp=0; hc595_ds=data_ds&(

19、10;x-) for(k=0;k16;k+)/字符从左到右输入 if(s10)hc595_write_data(table02*k); /初始化显示2个字符-第1个字前半截 if(s20)hc595_write_data(table02*k+1); /初始化显示2个字符-第1个字后半截 if(s30)hc595_write_data(table12*k); /初始化显示2个字符-第2个字前半截 if(s=10&s=20&s=30&s=40&s=50&s=60&s=70&s=80&s=90&s=100&s=110&s=120&s=130&s=140&s=150&s=160&s=170&s=180

20、&s=190&s=200&s=210&s=220&s260)hc595_write_data(table122*k+1); /for(k=0;k16;k+)/字符从左到右输入 / / if(s10)hc595_write_data(table02*k); /初始化显示2个字符-第1个字前半截 /if(s20)hc595_write_data(table02*k+1); /初始化显示2个字符-第1个字后半截 /if(s30)hc595_write_data(table12*k); /初始化显示2个字符-第2个字前半截 /if(s=10&s=20&s=30&s=40&s=50&s=60&s=70&

21、s=80&s=90&s=100&s=110&s=120&s=130&s=140&s=150&s=160&s=170&s=180&s=190&s=200&s=210&s=220&s=230&s=240&s=250&s=260&s=270&s=280&s=290)s=0; /P2=k*16; /hc595_display(); /delay(150); if(s=230&s=240&s=250&s=260&s=270&s=280&s=290)s=0; P2=k*16; hc595_display(); delay(150); s=s+1; /*第四章 制作与调试Proteus7是一款比较常用的单片

22、机方阵软件，许多仿真实例与实际电路非常相似。为了尽可能确保实际电路能达到预期的效果，对许多电路模块的方案进行了仿真。对点阵显示的处理与相应程序设计，配合使用Proteus7与keil uvision2行进仿真，旨在改善提高整机系统的硬件与软件方案，提高系统运行效率和稳定性。4.1硬件调试排除逻辑故障，包括：错线、开路、短路等。在调试的过程中利用万用表来检测电路，大大缩短了排错时间。排除元件失效，失效的原因：1.买来的时候就坏了；2.安装错误造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。排除电源故障：在用电前检查电源电压的幅值和极性，

23、以避免造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC和GND之间的电位，若在4.8V5V之间属正常。4.2软件调试 软件调试是设计过程中最艰巨的，硬件调试不通过，软件设计将不从做起。总结 经过近一个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。本设计的是一个用16x16的点阵LED图文显示屏，能够在目测条件下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。同时充分利用单片机的EEPROM片上资源，节约成本的同时是外围电路简洁美观。在本设计中我用简短的C语言程序在LED显示屏实现了汉字的左移滚动显示。在设计中采用的

24、芯片有AT89C51、74LS154、74HC595、24C02和8个88LED点阵显示器。其特点：1.内容能从右向左滚动显示。2.硬件结构简单，应用广泛。3.LED点阵动态扫描显示，工作效率高，价格低廉等。通过本次(1632位点阵LED)的设计，理论知识学习和实际设计的结合锻炼了我综合运用所学的专业基础知识解决实际工程问题的能力，同时也提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。为后继的学习和工作奠定的基础。 致谢 近一个月的毕业设计已接近尾声了，在短短的近一个月里，不仅

25、仅考察了大学里自己所学的东西，更重要的是把自己从课本里所了解的东西应用到实践应用中，检验了自己的能力。虽然有过坎坷和困难，但是克服这些，获得了实际的知识也是很有收益的，但是过程其实才是最重要的。通过本次毕业设计，我在指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，并在设计过程中，查阅了大量的科技文献，针对设计内容的要求，对所学过的专业知识又认真仔细的进行巩固和练习，在构思框架上认真听取了文老师的意见，在很大程度上使这个设计顺利通过老师的审核和评定，在另一方面极大的提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，对我今后进一步学习电子信息技术方面的知识有极大的帮助。另外

26、，此次毕业设计还获得了信息工程系其他老师的大力支持。在此，我衷心感谢老师们的指导和支持。在未来的工作中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师，回报老师和母校的辛勤栽培，做一位优秀的大学毕业生，奉献社会。最后，衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的老师及领导。参考文献1张永革,何乃味.单片机C语言应用技术与实践.北京：北京交通大学出版社，20092胡宴如. 模拟电子技术(第二版).北京：高等教育出版社，20083戴永.微型计算机控制技术.湘潭：湘潭大学出版社，20094廖芬.电子产品生产工艺与管理.北京：电子工业出版社，20085杨志忠.数字电子技术(第二版).北京：高等教育出版社，2008附件

27、A 材料清单附件B 电路原理图附图C 程序清单/：*/#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*/sbit hc595_ds=P21;/74HC595数据输入sbit hc595_shcp=P20;/提供SHCP的上升沿信号sbit hc595_stcp=P22;/74HC595时钟信号sbit hc595_oe=P23;/74HC595使能端uchar code table32=0x00,0x00,0x01,0x00,0x53,0x94,0x21,0x08,0x57,0xD4,0x09,0x20,0x15,0x

28、50,0x53,0x94,0xFF,0xFE,0x53,0x94,0x15,0x50,0x09,0x20,0x57,0xD4,0x21,0x08,0x53,0x94,0x01,0x00,0x42,0x00,0x22,0x3C,0x22,0x24,0x02,0x24,0x8F,0xBC,0x52,0x24,0x12,0x24,0x2F,0xBC,0x28,0xA4,0x28,0xA4,0xC8,0xA4,0x48,0xA4,0x4F,0xC4,0x40,0x44,0x40,0x94,0x41,0x08,/*湖,0*/0x01,0x00,0x01,0x04,0xFF,0xFE,0x01,0x00,

29、0x02,0x00,0x3F,0xFC,0x24,0x24,0x22,0x44,0x2F,0xF4,0x21,0x04,0x3F,0xFC,0x21,0x04,0x21,0x04,0x21,0x14,0x21,0x08,0x00,0x00,/*南,1*/0x00,0x00,0x03,0xFC,0xFA,0x44,0x22,0x44,0x23,0xFC,0x22,0x44,0xFA,0x44,0x23,0xFC,0x22,0x44,0x20,0x40,0x23,0xFC,0x38,0x40,0xC0,0x40,0x00,0x40,0x0F,0xFE,0x00,0x00,/*理,2*/0x00,0

30、x00,0x3F,0xFC,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0x01,0x00,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,/*工,3*/0x00,0x00,0xFE,0xFC,0x24,0x84,0x24,0x84,0x3C,0x84,0x24,0x84,0x24,0x84,0x3C,0xFC,0x24,0x84,0x24,0x00,0x27,0x48,0x3C,0x64,0xC4,0x42,0x04,0x82

31、,0x05,0x00,0x04,0x00,/*职,4*/0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x44,0x44,0x46,0x24,0x4C,0x24,0x48,0x14,0x50,0x1C,0x50,0x14,0x60,0x04,0x40,0x04,0x40,0x04,0x44,0xFF,0xFE,0x00,0x00,0x00,0x00,/*业,5*/0x10,0x20,0x10,0x20,0x10,0x20,0xFD,0xFE,0x10,0x20,0x14,0x20,0x19,0xFC,0x31,0x08,0xD0,0x88,0x10,0x90,0x10,

32、0x60,0x10,0x60,0x10,0x90,0x11,0x0E,0x56,0x04,0x20,0x00,/*技,6*/0x01,0x00,0x01,0x20,0x01,0x10,0x01,0x00,0xFF,0xFE,0x01,0x00,0x03,0x80,0x05,0x40,0x05,0x20,0x09,0x10,0x11,0x18,0x21,0x0E,0xC1,0x04,0x01,0x00,0x01,0x00,0x00,0x00,/*术,7*/0x01,0x08,0x10,0x8C,0x0C,0xC8,0x08,0x90,0x7F,0xFE,0x40,0x04,0x8F,0xE8,0x00,0x40,0x00,0x80,0x7F,0xFE,0x00,0x80,0x00,0x80,0x00,0x80,0x00,0x80,0x02,0x80,0x01,0x00,/*学,8*/0x00,0x80