LED显示字幕的设计

吉林工程技术师范学院

信息工程学院

《单片机应用设计》

课程设计报告

题目： LED显示字幕的设计

专业：电子信息工程

班级： D1043班

姓名： *** 学号： **** 指导教师：许艳惠范珩

时间： 2013年6月13——25号

从随着计算机的网路技术的发展，LED显示屏在网路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，采用智能化网路控制，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、转换和数字化处理线路、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。文本以4个16*64点阵显示器为例，单片机AT89C52作为控制器，探讨简单的汉字、数字显示技术。

介绍了基于单片机的16x64 LED点阵显示屏的设计过程。给出了其硬件原理图和软件流程图。该系统利用PC机将汉字字符转换为点阵显示数据，并通过串行口送给单片机，再由单片机独立完成显示和控制。该系统具有设计简单、字符清晰、可靠性高等特点。

关键词：单片机；点阵；LED显示屏

第一章课程设计的目的及意义 (1)

第二章设计方案的论证 (2)

2.1 设计原理 (2)

2.2 点阵屏显示模块原理 (2)

2.3 数据传输方案 (3)

2.4 总体方案 (3)

第三章硬件设计 (5)

3.1 单片机系统及外围电路 (5)

3.2 16x64点阵显示器的设计 (6)

3.3 LED点阵显示器的扫描驱动 (7)

3.3.1 行驱动电路 (8)

3.3.2 列驱动电路 (9)

第四章软件设计 (11)

4.1 显示驱动程序 (11)

4.2 系统主程序 (12)

第五章系统测试 (14)

5.1 开发环境介绍 (14)

5.2 理论性能分析 (14)

5.3 系统调试 (14)

5.4 软件仿真 (15)

5.5 硬件实现 (15)

第六章课设总结与体会 (16)

致谢 (17)

参考文献 (18)

附录Ⅰ:源程序 (19)

附录Ⅱ:实物图 (26)

第一章课程设计的目的及意义

由于单片机技术的不断发展以及高亮度LED发光管的出现，使得大屏幕高亮度led电子广告屏成为可能。与传统的霓虹灯广告相比，LED电子广告屏在显示效果以及可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。SMT技术飞速发展，开关电源的大规模使用，使其无论在体积上还是在可靠性上都比传统的霓虹灯广告有明显的优势。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，随着计算机的网路技术的发展，LED显示屏在网路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，采用智能化网路控制，联网控制多屏技术也在实际中得到应用。本文讨论了利用单片机为控制信号完成一个16*64LED点阵显示屏系统的设计。

LED 就是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管。在LED 的p - n 结附近,n 型材料中多数载流子是电子,p 型材料中多数载流子是空穴。p -n 结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p 区的空穴和n 区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p - n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν(h 为普朗克常数,ν为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev) ,其与发光波长λ(nm) 的关系为λ= 1239. 6PEg。

LED显示屏是一种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显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，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；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，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。

第二章设计方案的论证

2.1 设计原理

对于点阵型LED显示可以采用共阴极或共阳极，本系统采用共阳极，其硬件电路如图2-1所示。当行上有一正选通信号时，列选端四位数据为0的发光二极管便导通点亮。这样只需要将图形或文字的显示编码作为列信号跟对应的行信号进行逐次扫描，就可以逐行点亮点阵。只要扫描速度大于24 Hz，由于扫描时间很快，人眼的视觉有暂留效应，就可以看到显示的是完整的文字。

图2-1 硬件电路

本次设计要完成基于单片机的LED点阵显示控制的设计，总体方案是以单片机为控制核心，通过行列驱动电路，在LED点阵屏上以静止、左移、右移等方式显示文字。在设计过程中驱动电路运用动态扫描显示，动态扫描简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套列驱动器。由于动态扫描显示（并行传输）的局限性，故采用动态扫描显示（串行传输），显示模式用LED点阵屏模块作显示屏。

2.2 点阵屏显示模块原理

四个8*8的点阵构成一个16*16的点阵，共由256个LED构成。如果LED的阴极与行相连，而阳极与列相连，那么只要给该LED对应的行以低电平，列以高电平，那么对应的LED就发光。一个汉字的16*16的点阵屏模块。这种模块由256个发光 LED 以16*16的形式构成一个正方形模块，然后引出2列16针的引脚将内部

电路接口引出，供驱动电路使用。

2.3 数据传输方案

显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。图2-2为显示屏电路实现的结构框图。

图2-2显示屏电路结构框图

2.4 总体方案

本次设计单片机采用AT89C51，行电路使用逐行扫描的方式，列电路使用串入并出的数据传输方式，显示屏使用由16x16的阵LED组成的点阵模块。使用到的芯片有传入并出移位寄存器74LS595、4线-16线译码器74LS154和三极管8550。总体设计框图如图2-3所示。

图2-3总体设计框图

第三章硬件设计

3.1 单片机系统及外围电路

单片机采用MSC-51或其兼容系列芯片，采用24MHZ或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来显示数据。P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5～P1.7口则用来发送控制信号。 MSC51单片机部分管脚说明如下：

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当

P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。

图3-1 AT89C52单片机最小系统原理图

3.2 16x64点阵显示器的设计

图3-2-1是一种8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图，其单点工作电压Uf为1.8 V，正向电流IF为8~10 mA。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。用四个8x8点阵显示可构成16x16点阵显示器，其连接方法如图3-2-2所示。图中，将(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分别对应相连，同时将(A)和(C)的8行、 (B)和(D)的8行分别对应相连。即可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的16x16点阵显示器，可将这256个点称为一页，这样，显示字符时。只要对一页中对应的亮灭进行控制即可。把4个16x16点阵显示器相连

从而构成16x64的点阵显示器如图3-2-3。

图3-2-1 8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图

图3-2-2 16*16点阵连接图

图3-2-3 16*64点阵连接图

3.3 LED点阵显示器的扫描驱动

LED 显示屏驱动电路的设计应与所用控制系统相配合。驱动通常分为动态扫描型及静态锁存型驱动二大类。本文以动态扫描型驱动电路的设计为例来进行分析。动态扫描型驱动方式是指显示屏上的 16 行发光二极管共用一组列驱动寄存器，然后通过行驱动管的分时工作．来使每行 LED 的点亮时间占总时间的 1／

16。只要每行的刷新速率大于50 Hz，利用人眼的视觉暂留效应。人们就可以看到一幅完整的文字或画面。

AT89S52单片机有四个I／O口(P0、P1、P2、P3)。每个I／O口有8位，如果都采用并行输出，显然不能满足要求。因此，本设计中的行扫描驱动采用并口输出。而场扫描驱动采用串口输出。

3.3.1 行驱动电路

由于16x64点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口。本电路中加入了一个4—16线译码器74LSl54，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号．它们的管脚示意图如图3-3-1所示。把 74LSl54的E1 和E2引脚接地。然后以A、B、C、D四脚为输入端。就会形成16种不同的输入状态，分别为0000～1111，然后使每种状态只控制一路输出。即会有16路输出。如果一行64点全部点亮。则通过74LSl54的电流将达640 mA，而实际上，74LSl54译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LSl54每一路输出端与16x64点阵显示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大。本文选用的是NPN型三极管2N3392。这样，74LSl54某一输出脚为低电平时．对应的三极管发射极可以提高电流幅值。从而使点阵显示器的对应行能较清晰的显示。

图 3-3-1 74HC154 引脚图

3.3.2 列驱动电路

本系统列扫描驱动电路的设计可用串人并出的通用集成电路 74HC595来作为数据锁存。74HC595 是一个八位串行输入三态并行输出的移位寄存器，其管脚见图3-3-2(a)所示，其中 DS 是串行数据的输入端，STCP 是存储寄存器的输入时钟， SHCP是移位 Q7’是串行数据的输出,MR是对输入数据的输出使能控制，Q0～Q7为串入数据的并行输出。从DS口输入的数据可在移位寄存器的 SHCP 脚上升沿的作用下输入到 74HC595, 中。并在STCP脚的上升沿作用下将输入的数据锁存在74HC595中，这样，当MR为低电平时，数据便可并行输出。为了避免与 PC 机串口输入的数据相互干扰，也可使用模拟串口P1.4～P1.7 来分别输出串行数据、移位时钟SHCP、存储信号STCP和并行输出的使能信号MR。

图 3-3-2(a) 74HC595 引脚图

将 8 片 74HC595 进行级连，可共用一个移位时钟 SHCP 及数据锁存信号STCP。这样，当第一行需要显示的数据经过 8×8=64 个 SHCP 时钟后便可将其全部移入74HC595中，此时还将产生一个数据锁存信号 STCP 将数据锁存在74HC595 中，并在使能信号OE的作用下，使串入数据并行输出，从而使与各输出位对应的场驱动管处于放大或截止状态；同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行 LED的正端都接高，显然，第一行 LED 管的亮灭就取决于 74HC595 中的锁存信号；此外，在第一行 LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行 LED管点亮，以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的

文字或图像。行列驱动电路如图3-3-2(b)所示。

图3-3-2(b) 行列驱动总电路

第四章 软件设计

显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，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屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其他控制信号，配合完成LED 显示屏的扫描显示工作。显示驱动器程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C 语言编写

4.1 显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下： 刷频率（帧频）=

161×0T 溢出率=161

×)

65536(120t f osc 其中f 位晶振频率，t 为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。

然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。图4-1程序（显示屏扫描函数）流程图。

图4-1显示驱动程序流程图

4.2 系统主程序

本文设计的系统软件能使系统在目测条件下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。

系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向上滚动显示“我爱单片机”这5个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。

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。图4-2(a)是系统主程序流程图。图4-2(b)为程序流程图。

图4-2(a) 系统主程序流程图

图4-2(b) 程序流程图

函数声明、宏定义、

全局变量

开始

初始化程序

显示列表函数

显示程序

主程序

延时程序

结束

第五章系统测试

5.1 开发环境介绍

程序编写采用Keil 51环境下调试,Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

5.2 理论性能分析

LED显示屏硬件电路只要硬件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表4-1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。

表5-2 显示平刷新率与T0初值关系表（24MHz晶振）刷新率25 50 62.5 75 85 100 120

T0初值0xec78 0xf63c 0xf830 0xf97e 0xfa42 0xfb1e 0xfbee

从理论上来说，24Hz以上的刷新频率就能看到稳定的连续的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新频率越高，显示驱动程序占用的CPU时间越多。试验证明，在目测条件下刷新频率40Hz一下的画面看起来闪烁较严重，刷新频率50Hz以上的已基本察觉不出画面的闪烁，刷新频率达到85Hz以上时再增加画面闪烁没有明显的改善。

这个方案设计的16ｘ16的点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。

5.3 系统调试

调试主要分为硬件调试和软件调试：

硬件调试：在焊接电路板的时候，应该从最基本的最小系统开始，分模块，逐个进行焊接测试。在对各个硬件模块进行测试时，要保证软件正确的情况下去测试硬件，要不然发生错误时，不知道到底是哪一方出错了。当然，在设计的过

程中也存在着失误和不足。

软件调试：软件部分是先参考书上的例子，然后自己根据硬件电路写程序，由于以前所学是C语言，所以这个系统在编写程序过程中都采用C语言编写。刚刚开始，编写不会一次性通过，经过仔细分析修改最后编译成功。但是，在实际写如S51中，LED显示屏出现各种各样的乱码，通过再次认真仔细分析多次修改程序后，程序能够正常运行。

5.4 软件仿真

本设计的核心单元是单片机AT89C51，所以选用单片机仿真软件Proteus 7.O 和Keil对整体设计进行，软件仿真。运行Proteus中的ISIS模块对设计好的原理图进行布图。将完整的源程序Copy到Keil仿真开发环境里，运行调试。把编译好的源程序加载到仿真电路图中，运行程序，在点阵显示屏按设计的显示效果依次以“卷帘入”、“左卷帘”、“右卷帘”、“卷帘出”显示结果正确。

5.5 硬件实现

软件仿真通过后，充分证明了方案的正确性与可行性。按照设计方案进行硬件电路的搭建并进行调试，结果正确如下图所示：

图5-5 点阵屏显示

第六章课设总结与体会

本文设计的一个室内用 16ｘ64 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。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可靠，成本低等特点。

总结本文的设计工作，主要做了下面几点较突出的工作：

一、通过查阅大量的相关资料，详细了解了LED的发光原理和LED显示屏的原理，了解了LED的现状，清楚地了解了LED 显示屏与其它显示屏相比较有那些优点，明确了研究目标。

二，本文设计的LED显示屏能够实现在目测条件下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。

三，文章给出了系统具体的硬件设计方案,硬件结构电路图，软件流程图和具体汇编语言程序设计与调试等方面。

四，在这次毕业设计的过程中学会了 Keil、Proteus 的基本使用，感到

Proteus 对学习单片机有很大帮助，它能进行各种基于单片机的电路仿真，不用再费时间和精力在硬件的焊接调试上了，极大提高了学习效率。

通过这次的课程设计，让我又学了不少，进步了不少。在完成这个毕业设计的过程中，也遇到了不少的问题，但在老师和同学的帮助下，问题很快就得到了解决。在此过程中，我也学到了不少的新的知识，自己的动手能力得到了大大的提高，分析问题和总结问题也积累了不少的经验。

致谢

大学所学的知识在这次的毕业设计及毕业论文里得到了充分体现，在完成这个毕业设计的过程中，也遇到了不少的问题，但在老师和同学的帮助下，问题很快就得到了解决。在此过程中，我也学到了不少的新的知识，自己的动手能力得到了大大的提高，分析问题和总结问题也积累了不少的经验，在此我衷心地感谢我的指导老师—王晨明老师。感谢他对我完成这个课题的支持与帮助，在设计过程中给了我宝贵的建仪和意见，同时也感谢我周边的同学，他们为我提供了很多的资料和帮助。在此也感谢其他同学对我学业的支持与关心。