基于51单片机的led显示屏设计

毕业设计（论文）

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、

电子与信息工程学院

二零一四年六月

天津工业大学

毕业设计（论文）基于单片机的LED显示屏系统设计

学生姓名 qq1366715589 院部名称电子与信息工程学院

专业电子信息工程

指导教师

职称

天津工业大学毕业设计（论文）任务书

院长教研室主任指导教师

毕业设计（论文）开题报告表

天津工业大学毕业论文进度检查记录

本文主要阐述了用51单片机控制单色16*64的LED点阵屏显示的方法，对LED点阵屏如何进行行列信号控制及信号传输中的驱动问题进行了研究，并讨论了单片机控制系统中关键的数据处理以及发送问题。结果表明采用并行数据输入、串行数据及同步时钟传输的专用电路可大大减少CPU的辅助时间，提高了数据的发送速度。并给出了通过软件控制点阵屏显示的几种方式，如静态显示，分屏显示以及左移显示，对其软件的算法给出了具体分析。基于各种算法我们就可以灵活的运用软件实现各种显示，并将其用于商业用途。

关键词:LED点阵屏；单片机；驱动；扫描

This article mainly elaborates the method of using MCU-51 to control single color 16*64 LED lattice screen display, and researching how to carry on the ranks signal control and the question of signal actuation with the LED lattice screen, and discusses the essential data processing and the transmission question in the monolithic integrated circuit control system. The result indicates that CPU non-cutting time can be reduced greatly by using the allocated-use circuit with parallel data input, serial data and synchronism clock transmission, which has raised the data transmitting speed. This system has given several ways to control lattice screen display via software such as the static state display, divided screen display and left shift display, which has given the concrete analysis of software's algorithm. We can realize all kinds of display nimbly by using software based on each algorithm, and use it in the commercial

trade .

Key words:LED lattice screen；One-chip computer；Drive；Scan

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题的背景和意义 (1)

1.2 相关技术发展现状 (2)

1.2.1 LED显示屏发展的简要回顾 (2)

1.2.2 我国LED显示屏的发展现状 (3)

1.2.3 LED显示屏的发展趋势 (4)

第二章系统总体设计 (6)

2.1需求分析 (6)

2.2系统组成及功能描述 (6)

2.3系统的功能描述 (7)

2.4系统的工作过程 (7)

第三章基于51单片机的LED显示屏系统设计 (8)

3.1硬件系统总体设计 (8)

3.1.1 STC90C51的硬件结构 (8)

3.1.2 STC90C51主要性能参数 (9)

3.1.4 STC90C51单片机适用领域 (10)

3.2 单片机STC90C51电路及外围电路 (10)

3.4 LED显示屏扫描电路设计 (13)

3.4.1 LED点阵屏内部结构及显示原理 (13)

3.4.2 列扫描电路设计 (15)

3.4.3 行驱动扫描电路设计 (16)

第四章软件设计 (17)

4.1系统软件设计思路 (17)

4.2显示驱动程序 (17)

4.3上移程序设计 (18)

第五章系统调试与实验 (21)

5.1实验平台 (21)

5.2软件平台 (23)

5.2.1 字模提取 (24)

5.3实验方案 (25)

5.3.1主控部分测试 (25)

5.3.2 led显示部分测试 (25)

结论 (27)

参考文献 (28)

附录 (29)

谢辞 (55)

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

随着我国社会经济文化等的不断发展，民众的消费标准也在发生着不断的变化,户外灯箱广告更是扮演着越来越重要的宣传角色，在车站、商场、学校单位等场合都会见到霓虹灯之类的广告。但是传统的霓虹灯广告牌不管是在显示色彩效果、用电量还是在可修改性上都已经无法满足当今日新月异的社会需求，传统的霓虹灯广告在社会快速发展中需要更多的改进。

电子控制技术的高速发展和led发光二级管制造工艺的进展为高亮度大屏幕的诞生创造了条件。由于LED显示屏相对于传统的霓虹灯之类的广告牌有很多方面的优势，所以发展很快，得到了广大应用厂商的认可。这一种刚刚兴起的led大屏幕技术成为了广大民众目光的聚焦焦点。与之前的显示设备比较，首先，LED 显示屏可以显示几乎所有常用色彩,色彩丰富，三基色的发光管可以显示全彩色，显示方式又是多种多样的,无限变化（文字、图形、动画、视频、电视画面等），这一个产品就集合了电子技术领域多个学科的相关知识，是一中高新技术产品。可以用来显示各种文字图形，并且可以与计算机相连接同步显示计算机屏幕的信息，相当于投影仪。其次，LED 显示屏的像素点是LED发光二极管，将多个发光二极管以大小间距相同的排列形式组合成LED显示阵列，这种显示屏具有成本低、耗电量低、亮度和清晰度高、寿命长等众多优点，而且 LED 显示屏不受空间的限制，可以根据用户要求设计屏的大小，需要多大的尺寸就可以做多大的尺寸.具有全彩色效果，可视角度大，是这个信息时代在传播介质方面划时代的产物。最后，LED 显示屏应用范围很广，金融证券、股票炒股、银行利率等信息显示、商业广告播放、文化娱乐等方面，显示的效果亮度高且清晰稳定，越来越多的地方开始使用LED电子显示屏，有巨大的社会效益和经济效益。 Led 显示屏集众家之长，在国际领域得到了广泛的应用。

1.2 相关技术发展现状

LED显示屏发光效率高，能够很好的适应室内室外等应用区域的环境，自上世纪90年代前期开始，随着LED制造业的技术水平有了新的进展，理论等相关技术框架基本形成，在国外得到大范围多领域的应用。而在我们中国改革开放30年的发展之后，主要是进入上世纪90年代我国的经济得到了飞速的发展，快速的提高，经济发展的背景下各种商业信息的传播在整个市场上有很大需求，LED 显示屏及时的出现很好的满足了当时社会和市场的需要，LED显示屏的研发与加工技术水平也得到了相应的提高，适用范围领域也得以扩展。在LED显示屏快速发展的过程中，从开始出现到大范围多领域的应用也是经历了一个过程，总的来说，LED显示屏经历了单色、双色到红绿蓝三基色全彩多灰度级显示的一个过程。目前关于LED显示屏的理论框架和相关制造加工技术等已经相当成熟，led显示屏的像素点越做越小，红绿蓝三基色全彩屏的分辨率越来越高，并朝着高亮度、低功耗、大视角的方向发展。相关理论也日臻完善。

1.2.1 LED显示屏发展的简要回顾

Led显示屏以很高的稳定性、超强的环境适应能力、高性能低价格、使用时间长、可视范围角度大等特点，在为期不长的十几年时间里，以迅雷不及掩耳之势发展成为平面大面积显示的主流产品之一，在信息显示传播，广告媒体领域得到了广泛认可和应用。

LED显示屏的成长历程：1.在上世纪九十年代以前是LED显示屏的成长形成时期，或者说是LED显示屏的幼年时期，各方面理论技术还不成熟。一个方面，受LED相关的材料制造加工技术还不够先进，LED显示屏的应用领域就收到了很大的限制，另一个方面，显示屏控制技术几乎全是通过通信数据传输而实现的控制方法，从客观上来讲极大地影响了他的显示效果。在这个时期，国外的LED

显示屏应用很是广泛，在我们中国则很少见，出现的为数不多的相关产品也是以单红色、红绿双基色为主，控制技术也几乎全是通过通信数据传输而实现的控制方法，显示的灰度等级就目前的现状来看，当时的灰度级是很小很小的，当时只可以实现单点的4个灰度级，而现在至少也是256灰度级，并且当时产品的成

本也是相当高的。2.1991-1996年这6年之间，LED显示屏以高速度、大范围、多领域的方式就这样进入了九十年代，进入了广发人民群众的视野，在全球信息化产业快速发展的大背景下，信息技术在我们生活工作的多个领域不断发展创新突破。蓝色发光二级管晶片研制成功，从此，LED显示屏进入了全彩色显示的新纪元；电子技术以及单片微型计算机等控制技术的快速发展，在显示屏控制领域有了更进一步的发展，相关工作人员研究开发出来了视频控制卡，显示屏灰度等级也有了很大的提高，实现16级灰度等级和64级灰度等级的调灰，显示屏的在显示动画方面的效果得到了空前的提高。在这一个阶段，LED显示屏在我们中国的发展速可以说是遍地开花，从初期的不多的几家企业、年产值只有几千万元发展到几十家企业、年产值达数亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育届、机场航班信息显示、铁路车次信息显示、车站时间表信息显示、公路交通、商业广告、邮电电信等诸多领域。LED显示屏在平面媒体显示领域逐渐成为主流产品，这样的局面已经逐渐形成，LED显示屏产业也自然而然地成为新兴的高新技术产业。

3.1994年末-至今，是led显示屏产业格局调整相继完善的时期上世纪九十年代中期年以来，LED显示屏产业迅速发展进而产生的内部竞争加剧，许多中小企业也如同雨后春笋般不断涌现，这样就使得相关产品价格有了大幅度的回落，应用的范围也不断的扩大，这也导致了LED相关产品在质量、标准化等方面的问题，不利于相关产品的统一及标准化。我们国家的相关部门通过及时调整，对LED

显示屏的发展过程中出现的问题进行了适当的规范和引导。国家多个部门联合出台了相关的文件规范使得LED显示屏走向标准化、规范化。相关的标准规定等也在不断完善。

1.2.2 我国LED显示屏的发展现状

1.产业规模不断扩大

我国led产业经历了十余年的成长历程，LED显示屏产业中，一些支柱型企业相继诞生。据行业协会给出的统计信息来看，自十九世纪九十年代末，我国LED显示屏行业持续快速发展，产业规模不断扩大，产业链不断扩大完善。就整个LED显示屏系统而言，我国的led显示屏技术已经达到了国际先进水平并处于领先地位，这也得力于国内产品在性价比方面所具有的得天独厚的优势，市场占

有率在90%以上，国外的相关产品几乎不能够进入中国市场。

2.市场保持持续增长

2003年LED显示屏行业整体的发展速度相比之前要快很多，很多企业都已经具有相当的规模并还在逐渐增多，产业布局发展也在走向成熟。04年至07年之间，随着北京奥运会的临近，各地城区城市化的步伐也逐渐加快，全国LED

显示屏市场依然活力不减保持着快速增长的趋势，年平均增长率仍然能够保持在百分之三十五左右。

1.2.3 LED显示屏的发展趋势

据CCID微电子研究所预计，在未来的5年时间内，我国LED显示屏将在电信、邮政、金融系统、商业系统、交通系统、体育场馆等领域不断开拓市场，寻求新的发展空间以及应用领域，与此同时LED显示屏在市场上的需求正以大约平均每年30%的速度递增，发展趋势如下：

1高亮度、全彩化

在蓝色及纯绿色的led显示屏出现以后，LED显示屏的成本在随着时间的推移越来越低，已具备成熟的商业化条件。基础材料也逐渐向成熟的产业化发展。这种情况使得LED三基色全彩色显示屏幕成本有大幅下滑，应用速度加快。LED 显示屏等产品的性能也不断提高，三基色全彩色显示屏的色彩、白平衡等已经能够实现很理想的效果了，能够全天候在室外环境下工作，很好的满足了用户的相关需求，因为三基色led全彩色显示屏幕性价比很高，预测在未来发展的相当长的一段时间内，三基色全彩LED显示屏在在室内外显示媒体领域逐渐代替了传统的灯箱、霓红灯等产品。

2.标准化、规范化

这个产业最近几年的发展，该市场内存在的竞争主要是在价格方面的竞争，在几次价格战之后相关产品价格几乎达到了均衡，因而市场竞争的焦点转移到了产品的质量以及整个系统的可靠性，这就对LED显示屏的标准化和规范化有了较高要求，一些大的企业相继实施ISO9000系列标准。行业规范和标准体系的形成，对led产品以后的发展有着很好的基础，在这样热大潮中，那些相对落后的企业相继被淘汰，整个业界的质量水平会得到一个整体的提升，也有利于LED产品的

标准化、规范化。预测在不长的几年时间内，小规模企业将被淘汰，该行业的发展也会井然有序。

3.产品结构多元化发展

在这个信息化的时代，信息传递在生活工作中占据着愈来愈重要的作用，信息也广泛存在于生活工作的各个方面，LED显示屏幕自然而然的有了很多用武之地。因此，相关的led产品也会因为市场的需要而相继推出，小型的led显示产品在led显示屏市场将会占越来越多的份额。LED显示屏应用领域的突破体现了该类产品向着多样化发展的趋势。

1.3 LED显示屏显示原理

LED点阵屏的内部结构可以分为共阴极和共阳极两种，本设计采用的是共阳型的LED点阵屏。当显示屏的行选信号被选通时，列选端四位数据给低电平的发光二极管就会被点亮。利用这个原理，要显示文字或图形信息时，只需要将要显示的信息进行相关的编码，再将编码数据根据相关算法按照一定的顺序发送到显示屏，逐行点亮就可以显示出想要显示的信息。根据人眼的视觉暂留原理，将每一次数据更新扫描的时间控制在20ms左右就可以看到稳定的文字图像。

1.4 课题研究的目的

本设计让我对led产业整个发展现状以及发展趋势有了更加深入的了解，知道了不同型号led显示屏的应用领域和使用范围。对led显示屏的工作原理过程有了更深入的认识。我想通过本次设计所取得成果是巨大的而深远的，对以后的工作会有很大的帮助，其次是通过自己的亲身制作很的提高了我的动手能力。本设计实现的是16×64 像素的LED点阵屏，要求LED显示屏可以有足够的亮度，能够稳定的显示要求的文字图像等信息，并实现文字图像等的移动显示。从而实现简单动画的显示。

1.5课题的主要工作

课题的工作主要可以分为两大部分，一个主要部分是硬件电路设计，另一个主要部分是软件程序设计。硬件电路主要包括电源电路的设计、单片机控制单元的设计等。软件部分主要是静态显示、左移显示、右移显示、上移显示的程序编写等。

第二章系统总体设计

2.1需求分析

本系统名为基于51单片机的LED显示屏，即用STC90c516RD+单片机作为主控芯片实现LED显示屏信息的显示。此系统由开关电源供电，有足够的驱动能力，而且STC90C51单片机有很好的稳定性，能够很好地实现各种信息的显示。本系统依赖稳定的硬件电路可以实现多种文字、简单图案信息的静态显示、上下左右移动等显示。

主要需求如下：

1．静态显示功能，可以做小型广告牌，本设计可以应用在大小店铺显示各种商品信息，要求系统能够显示文字、简单图像信息。足以满足大小店铺的显示需求。并且稳定性高、用电量低、亮度大。

2．多种颜色显示功能。传统广告牌色彩单一，此设计丰富了传统的显示方式，用三基色显示模块，可以显示丰富的色彩，很好的增加了广告牌的吸引力。

增强了效果。

3．各种动态显示，目前常见的显示屏多为静态显示，并无动画，此设计可实现动态显示。

2.2系统组成及功能描述

基于51单片机的LED显示屏设计主要是利用视觉暂留原理通过行扫描和列

扫描的方式点亮点阵屏上的任意一点从而显示设定信息。系统主要分为供电模块、显示模块、控制模块等。系统的核心部分是51单片机控制模块，它负责外围所有器件的控制。

系统的硬件组成主要包括控制模块、电源模块、显示部分。

系统的软件组成包括控制程序、显示程序、上下左右移动程序等。系统的结构框图如图2-1所示：

图2-1 系统原理框图

2.3系统的功能描述

本系统实现了文字、简单图像的静态及动态显示功能，通过单片机控制，从而实现显示的功能。即基于51单片机的led显示系统。

本设计以STC90C516RD+作为核心控制单元，实现了16*64 LED点阵屏的图文显示，在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，图形或文字显示可以静态显示、上下左右移动显示等。Led显示屏由多个共阳极点阵模块组成，通过90c51单片机控制扫描显示。系统的复位部分为系统在开机时自动复位，也可以手动复位。

2.4系统的工作过程

将工作电源即开关电源接通以后，整个系统首先进入上电复位状态。首先是三种基本颜色的行扫描显示以检测显示模块是否能够正常工作以及检测是否有坏点从而保证系统的正常工作。控制单元的单片机将控制信号及显示信息的编码数据通过串行的方式发送到点阵屏，再通过控制行扫描信号显示全部信息。

第三章基于51单片机的LED显示屏系统设计

3.1硬件系统总体设计

系统的硬件组成主要包括控制模块、电源模块、显示部分。其方框图图3-1所示：

图3-1 系统框图

3.1.1 STC90C51的硬件结构

STC90C51单片机内部包括一个8位CPU；一个时钟电路，4KB程序存储空间；128BRAM；两个16位定时/计数器；64KB扩展总线控制电路；四个8-bit并行I/O 端口；一个可编程串口；5个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断等模块。STC90C51单片机芯片内部结构如图3.1所示：

图3-1 STC90C51单片机芯片内部结构

3.1.2 STC90C51主要性能参数

STC90C516RD+单片机相关参数如下：

1.工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机）/3.8V -

2.4V（3V 单片机）

2.工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051单片机的 0～80MHz.

4.用户应用程序空间 4K/6K/7K/8K/10K/12K/13K/16K/32K/40K/48K/56K/ 61K/字节

5.片上集成 1280字节/512/256字节 RAM

8.EEPROM 功能

9.看门狗

10.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

11.工作温度范围：0-75℃/-40-+85℃

12.封装：LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44。