电子广告牌设计毕业设计

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目录

1 绪论 (1)

1.1 LED点阵显示屏概述 (1)

1.2研究内容 (2)

2 总体结构和硬件电路设计 (4)

2.1 总体框图及工作原理 (3)

2.2 硬件电路设计 (5)

2.2.1单片机选型 (5)

2.2.2 单片机最小系统 (8)

2.2.3LED点阵屏驱动设计 (10)

2.2.4 串口通信电路设计 (13)

3 单片机软件设计 (17)

3.1 软件设计环境 (17)

3.2 点阵屏显示程序 (17)

3.2.1 驱动芯片的控制程序 (17)

3.2.2 点阵屏显示的移动算法 (18)

3.2.3 点阵屏动态扫描显示 (20)

3.3 串口通信程序设计 (21)

4 上位机软件设计 (25)

4.1 上位机开发环境介绍 (25)

4.2 汉字点阵的编码原理及提取方法 (25)

4.2.1 汉字点阵的编码原理 (25)

4.2.2 汉字点阵的提取方法 (26)

4.3 上位机界面的设计 (27)

4.4 VB程序编写 (28)

4.4.1 字模转换程序 (28)

4.4.2 串口传输程序 (28)

5 设计仿真 (31)

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II 5.1 仿真软件的简介 ........................................................................................................... 31 5.2 仿真软件的使用 ........................................................................................................... 32 5.3 仿真结果 ....................................................................................................................... 33 6 总结 ...................................................................................................................................... 35 参考文献 .................................................................................................................................. 36 致谢 .......................................................................................................................................... 37 附录 (38)

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绪论

1.1LED点阵显示屏概述

LED电子显示屏（Light Emitting Diode Panel）是由几百--几十万个半导体发光二

极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，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显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。因而被广泛应用于车站、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。LED 显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

LED显示屏按颜色分为：

单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。

双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。

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。

LED显示屏按显示器件分为：

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显示屏按使用场合分为：

室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般零点几至十几平方米。

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2 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。

LED 显示屏按发光点直径分类 室内屏：Φ3mm 、Φ3.75mm 、Φ5mm 、

室外屏：Φ10mm 、Φ12mm 、Φ16mm 、Φ19mm 、Φ21mm 、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光增强亮度。

我国的LED 显示屏市场从上世纪90年代后期开始一直保持着增长的势头，1998年-2000年间，年增长率基本在30%以上。2000年-2006年，每年的增长幅度在15%左右，2007年是近年增长最快的一年，增幅在40%以上。2007年，全国LED 显示屏的市场规模达到了72亿元。近几年来都一直保持着一个迅猛的发展势头。随着LED 器件材料性能的不断提高，LED 显示屏的应用领域和应用深度都必将猛扩大和加深，其中全彩色显示屏、半导体照明交通信号、汽车等特种领域有巨大的市场，蕴含巨大的商机。

图1.1 LED 电子显示屏应用示例

1.2 研究内容

主要研究单片机控制系统的设计、LED 显示屏驱动电路、单片机控制程序、VB 上位机程序、串口通信部分程序、LED 点阵屏的动态扫描技术。

LED 显示屏与PC 的数据传输方式有串行和并行两种，而使用串行传输可有效减少硬件设计的复杂程度，同时传输率也能得到保证。数码管动态扫描技术早已得到广泛应用，以外的数码管显示还是停留在静态显示，即每一位数字显示都需要对应9

个引脚控

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制，这无疑对硬件设计造成压力。如一个8*8的点阵屏也是用静态显示技术，那么最少需要65根控制引脚。采用动态显示技术后，能将引脚数减少到16根。远程控制即可以通过数据传输，控制端使用通信技术或者遥控技术，对目标器件进行控制。

实现的功能：当在VB界面输入想要显示的汉字是，VB程序通过处理后讲信息发送给单片机，最后单片机将汉字显示在点阵屏幕上。并且当显示汉字多于两个时，进行左移的动态显示。

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2 总体设计与分析

2.1 设计的总体框图

图2.1 系统组成框图

上位机VB 软件将要显示的汉字进行转化、提取，通过串口通信传递给单片机，单片机通过驱动电路将汉字显示出来。

汉字点阵数据采用现成的字库芯片，需要通过汉字的机内码作地址来取出相应汉字的点阵字模数据。因此上位机软件的任务就是：将待显示的字符转换成对应的标准机内码，并把操作者对下位机显示方式、速度等进行设置的常数，通过RS232总线按一定的通信协议一起发送到下位机。

MAX232的作用就是实现电平的转换，使得单片机和上位机之间能够正常通信。下位机为单片机，单片机将接收到的机内码通过驱动点亮点阵屏。由于采用的是8×8的点阵屏，所以要采用驱动的方式使得点阵屏能够正常的工作，显示汉字。两个汉字的点阵屏为16×32的分辨率，行驱动是将16行转化成4行与单片机连接。列驱动将32列通过所选的芯片级联起来，与单片机连接起来。

2.2硬件电路的设计

2.2.1 单片机的选型

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51单片机的CPU实现了冯·诺依曼所设想的计算机中的运算器和控制器的功能，是单片机最核心的部件。CPU包含：算术逻辑单元(ALU)、定时控制器、专用寄存器组。

单片机的存储器特点之一就是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址方式和寻址单元，这种结构叫做哈佛结构。与通用微机的存储结构不同，一般微机只有一个地址空间，可以随意安排ROM和RAM，访问数据段和代码段时采用同样的指令，这种传统的是存储器结构称之为普林顿斯结构。存储器主要包括：程序存储器ROM,单片机之所有强大的处理功能，就是需要软件程序的支持，而程序员将设计好程序经过编译后写入ROM，当单片机开始运行时，CPU就对ROM里面的指令进行调用，从而实现预期中的功能。片内RAM，虽然51单片机内设的RAM字节并不是很多，但却起着十分重要的作用。RAM又可以分为3个区域：工作寄存器区、位寻址区和便笺区（用户区）。

51系列单片机拥有4个并行I\O端口，分别为P0、P1、P2和P3，每个端口都是双向功能，即能够从端口输入数据和输出数据。51单片机还有定时器/计数器结构，中断系统。这两个功能在本系统中极为重要，定时器/计数器通过程序控制辅助数码管的倒计时显示；中断系统的外部中断接收红外对管的信号，响应中断处理程序。51单片机还具有一个全双工的可编程串行口，可以实现8位数据的发送和接受。它有两个在物理结构上独立的发送接受寄存器，同时具备发送接收功能，但是在本设计中不是主要说明对象，所以不作详细介绍。

设计中使用51系列单片机为核心控制器，51型单片机是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多种类，如8031、8051、8751、8951、8032、8052和8952等，其中8051是最早，最典型的产品。目前所采用的8051并不限于Inter公司所生产的芯片，各大芯片生产厂商所推出的兼容芯片为主，如Amtel公司的89C51，STC公司的89S51等。

2.2.1.1 STC89S52单片机结构

设计使用的是STC89S52RC单片机，原因是此款单片机具有众多优点。

●加密性强，难解密

●超强抗干扰

●超低功耗掉电模式：<0.1μA

●空闲模式：2mA

●正常工作模式：4mA～7mA

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6 ● 提供STC-ISP 在线编辑系统，无需编辑器，无需仿真器，可省去购买编辑器、仿真

器的昂贵资金，适合大众使用 ● 内置看门狗

STC89S52RC 的基本结构与8051相同，但是比传统的8051单片机拥有更多的内部Flash ，最高可达64KB 。片内SRAM 容量同样是非常吸引的数字，最高可拥有1280Byte 的SRAM 。而且还内置EEPROM 存储器、AD 转换等功能。另外它还可以用串口直接仿真程序，不需要另外加用仿真器或者下载线。

2.2.1.2 STC89S52单片机管脚功能

图2.2 89S52芯片管脚

● VCC ：接电源正极，一般输入电压为5V 。 ● GND ：接电源地端。

● P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每个脚可吸收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。

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●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。

●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。

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（计数器0外部输入）

P3.5 T1（计数器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

●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。

●ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

●/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

●/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA

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8 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源（VPP ）。

● 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。

2.2.2 单片机最小系统

2.2.2.1单片机电源电路

电源电路不单单是为单片机运行提供工作电压，还需要对单片机的外围电路提供工作电源。这里使用USB 接口供电，这也是大多数单片机的供电方式。

具有USB 接口的设备一般工作电压都为5V 。计算机上的USB 接口（图3-2）可以输出稳定的+5V 电压，最大额定电流为500mA ，足以满足本设计的要求。在设计的时候，需要注意电路不能出现短路，以免损坏电脑的USB 接口。

图2.3 USB 接口

2.2.2.2 单片机振荡电路设计

单片机的运行需要一个时钟频率，类似我们的计算机的CPU 主频的高低，现在计算机的CPU 一般用GHz 来左单位。而我们的51单片机常用到的时钟频率有12MHz ，11.0592MHz ，这些时钟频率都是依靠外部晶振产生的。

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晶振连接到单片机的XTAL1、XTAL2引脚处。电路上的晶振旁有两个无极性电容，容量为33P。这两个电容称晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C （3.1）式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

设计需要考虑到串行通信的使用，为了减少误码率提高通信质量，因此选用11.059MHz晶振。

图2.4 单片机振荡电路

2.2.2.3单片机复位电路设计

复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的状态，并从这个状态开始，因而，复位是一个很重要的操作方式，但是单片机本身不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

本设计采用的是上电加按键手动复位，如图所示。当复位按键按下后，复位端通过51欧姆的小店组与+5V电源接通，电容迅速放电，使得RST引脚为高电平；当复位键弹起后，+5V电源通过2KΩ电阻对22μF电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路的时间常数。

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图2.5 单片机复位电路

2.2.3 LED 点阵屏驱动设计

2.2.

3.1 16×32LED 点阵的设计

显示一个简体汉字，至少需要16×16点阵来描述。本设计采用4个8×8点阵的LED 模块拼接成16×16点阵的LED 阵列。为了能更好的显示功能，模块多点是比较好的，但考虑到成本的问问题，所以本设计用8个8×8的LED 模块拼接成32×16的矩阵。即

可以同时显示两个汉字。。

图2.6 16X16点阵设计图

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2.2.

3.2LED点阵屏行驱动设计

设计的要求屏幕需要有32×16的分辨率，若使用8*8的点阵模块，则需要使用4块。每一块点阵屏有16根引脚，4个点阵模块共有64根引脚。采用动态扫描显示技术，也需要使用48个控制端。单片机仅有的32个IO是不能满足设计的要求，而且单片机的IO负载只有20mA，这个负载能力只可以点亮一个LED发光二极管。因此，需要借助一些驱动芯片完成设计。

16×32LED的点阵屏需要2行16个引脚，为了节省引脚可以采用一个4-16显译码器

74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。

图2.7 74HC154引脚图

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12 将74HC154的A0-A3接到单片机的P1.0-P1.3口，Y0-Y15分别接点阵的每一行，这样就能控制点阵屏的每一行了。

图2.8 点阵屏行驱动

2.2.

3.3 LED 点阵屏列驱动设计

驱动芯片作用是扩展单片机的IO 口，同时为点阵屏提供工作电流。设计选用74HC595

74系列的芯片作介绍：

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上图为74HC595 是一款8 位的串入并出、串/ 并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。寄存器和锁存器分别有各自的时钟输入(SCLR 和SCK) ，都是上升沿有效。当SCLK 从低到高电平跳变时，串行输入数据(SDA) 移入寄存器；当SLCK 从低到高电平跳变时，寄存器的数据置入锁存器。清除端(CLR) 的低电平只对寄存器复位(QH 为低电平) ，而对锁存器无影响。当输出允许控制(EN) 为高电平时，并行输出(Q0～Q7) 为高阻态，而串行输出(QH) 不受影响。

74HC595 最多需要5 根控制线, 即SER 、RCK 、SCK 、SCLR 和G 。其中第13引脚（G ）连接到电源地，第10引脚（SCLR ）连接电源正极。把其余三根线和单片机的I/ O 相接，第12引脚（RCK ）连接到单片机的P35，第11引脚（SCK ）连接到单片机的P36第12引脚（RCK ）连接到单片机的P35，第14引脚（SER ）连接到单片机的P37，即可实现控制。74HC595与点阵屏的列引脚连接前还需串联20欧姆的限流电阻，其中用是保护点阵屏中的LED 发光二极管，延长点阵屏的显示寿命。

图2.10 单片机列驱动

上图为单片机列驱动部分的原理图。四个74LS595级联，四个部分的Q0-Q7总共32条引线分别为点阵屏的列，这样就可以通过单片机控制点阵屏的每一列了。

2.2.4串口通信电路设计

设计要求计算机与单片机能实现互相通信，而串口通信是单片机设计开发中最常用的通信接口。单片机内置Uart 串口通信控制器，因此可以通过串口方便地与计算机进行数据的交换。

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14 2.2.4.1串口通信电路芯片介绍

MAX232芯片是一款由美信（MAXIM ）公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5v 单电源供电。常用于单片机的串口通信的电平转换。内部结构基本可分三个部分：

1) 电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v 和-12v 两

个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

2) 数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13

脚（R1IN ）、12脚（R1OUT ）、11脚（T1IN ）、14脚（T1OUT ）为第一数据通道。8脚（R2IN ）、9脚（R2OUT ）、10脚（T2IN ）、7脚（T2OUT ）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从T1IN 、T2IN 输入转换成RS-232数据从T1OUT 、T2OUT 送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN 、R2IN 输入转换成TTL/CMOS 数据后从R1OUT 、R2OUT 输出。

3) 电源输入。15脚GND 、16脚VCC （+5v ）。

本设计就是利用MAXIM 公司的单电源芯片MAX232来完成单片机TTL 到RS-232C 电平的转换。MAX232是单电源双RS-232C 发送/接收芯片。它符合所有的RS-232C 技术规范，只要单一 +5V 电源供电；片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生 +10V 和 -10V 电压V+、V- ；低功耗，典型供电电流5mA ；内部集成2个RS-232C 驱动器，内部集成2个RS-232C 接收器。采用单一 +5V 电源供电，外接只需4个电容，便可以构成标准的RS-232C 通信接口，硬件接口简单，所以被广泛运用。 MAX232的引脚排列及功能描述见表2.1（摘录自MAX232官方数据手册）

表2.1 MAX232引脚功能

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2.2.4.2 串口硬件电路设计

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16 MAX232的基本电路需要的4个电容为升压作用，将单片机输入的点评信号转换为±12V 的传输电平，以达到RS-232通信标准。将无极性104电容连接到MAX232的第1、3引脚，第4、5引脚，第6引脚经过104后连接电源地，第2引脚经过104后连接电源正极。引脚9与单片机的Rx （第10引脚）相连接，引脚10与单片机的Tx （第11引脚）相连接。经过电平转换后的信号，MAX232上的第7引脚连接到串行通信接口的第2针，第8引脚连接到串行通信接口的第3针。还需要将串行通信接口的第5引脚与MAX232电源共地连接。

图2.12 串口电路设计

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3单片机软件设计

3.1软件设计环境介绍

本系统的处理器是兼容8051指令集的高速单片机STC12C5412AD。为此，首选Keil μVision作为其开发工具。Keil μVision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。其功能强大，生成的代码紧凑，是目前世界上使用最广的51系列兼容单片机开发工具。

本设计中，单片机软件是采用C51语言编写，C51语言是ANSI C的扩展集，其语法结构、关键字等与ANSI C绝大部分是相同的。与汇编相比，C51语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势

3.2点阵屏显示程序

3.2.1 驱动芯片的控制程序

8位数据从SER 口送入74HC595 ，在每个SCK的上升沿，SER 口上的数据移入寄存器。在SCK经过第9个上升沿，数据开始从QH 移出。如果把第一个74HC595 的QH 和第二个74HC595 SER相接，数据即移入第二个74HC595 中，按照如此规律，数据会一个连接一个传下去。当数据全部按照移位送完后，给RCK 一个上升沿，寄存器中的数据即置入锁存器。此时如果G 为低电平，8位数据从Q0～Q7 输出，把Q0～Q7 与LED点阵的列项连接，当某行为低电平时，该行的LED等会按照输出电平点亮。程序流程图（图4.1）如下：

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图4.1 74HC595控制程序流程图

程序设计使用for 循环8次，将1字节数据按照从低位到高位输出。开始将同步移位时钟置为低电平，向数据位输出1位数据，接着同步移位时钟置为高电平，对需要发送的字节作右移位处理。经过8次移位过程，完成1字节的发送。

3.2.2 点阵屏显示的移动算法

本设计的LED 点阵屏幕，可以对信息实现动态显示，字符从右侧往左侧移动。 移动算法分析：

显示的定义为uchar display[][32]，这里表示了要显示一个完整的字符，需要32个字符型数据。为什么呢?因为显示一个完整的字符需要四块点阵，每个点阵有8行，每行八个点。就是说，一行的数据就占一个char ，四块当然就是32个char 型。

这里变量i 代表是第几个汉字，变量j 带便的是该汉字的第几个char 数据。 下面是四块点阵的示意图：