LED点阵广告牌设计

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1页共17页第1章绪论1.1LED的发展及意义随着社会文化的不断发展，人们的消费标准不断改变，户外灯箱广告更是扮演着越来越重要的宣传角色，不论是汽车站，火车站，股市交易市场，还是学校都离不开它，然而传统的霓虹灯广告牌不论是在显示效果、耗电量还是可修改性上都无法满足当前社会的需求，传统的霓虹灯广告亟待改进。由于单片机技术的不断发展和高亮度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。另外，SMT技术的飞速发展，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，为其在特殊领域的应用奠定了基础。这种新兴的大屏幕显示技术成为众人目光的焦点。与传统的显示设备相比，首先，LED显示屏色彩丰富，3基色的发光管的可以显示全彩色，显示显示方式变化多样（文字、图形、动画、视频、电视画面等）、亮度高，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。其次，LED显示屏的象素采用LED发光二极管，将多个发光二极管以序列的形式构成LED显示阵列，这种显示屏具有耗电省、成本低、亮度清晰度高、寿命长等优点，而且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，是信息传播设施划时代的产品。再次，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，显示效果清晰稳定，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。它以其超大画面、超宽视觉、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。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2页共17页1.2LED显示屏的发展趋势自从1907年H·j·Round发现了金刚砂通电之后可以出现发光的现象并继此由后人发明了发光二极管，已经过去了一个多世纪。一个多世纪以来，LED技术得到了很大的发展。早先的LED是单个的发光管，结构比较简单。通过单向导电的方式点亮发光，到了二十一世纪，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，有可能成为这个世纪的显著代表性主流产品。亮度高，多彩化蓝色及纯绿色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。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性的效果。它的发展前景极为广阔，但是由于LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动，覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快，这姓效率高，所以控制起来很麻烦，因此很多生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计，这样做虽然能在一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，由于LED技术的快速发展，有很多已经超出在校生所接触到的知识范围，所以本设计旨在利用最简单主要的单色屏显示演示LED屏的工作过程和原理。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第3页共17页第2章总方案设计2.1系统硬件设计控制部分是整个系统的核心部分利用单片机进行控制，显示部分显示内容利用LED点阵显示内容，还有驱动器驱动电路利用74LS245驱动电路。1.单片机单片机是集成了CPU，ROM,RAM,I/O的微型计算机。它有很强的接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器（MCU）,单片机品种齐全，型号多样CPU,从8，16，32到64位，多采用RISC技术，片上I/O口非常丰富，有的单片机集成有A/D“看门狗”，PWM,显示驱动，函数发生器，键盘控制等，他们的价格也高低不等。这样极大地满足了开发者的选择自由。除此之外单片机还具有低电压和低功耗的特点。2.LED点阵显示屏LED显示屏是由一个一个的发光二极管点阵构成的。要构成大屏幕的LED显示屏就需要多个发光二极管，构成LED屏幕的方法有两种，一种是由单个的发过二极管逐点连接起来，一种是选用一些由单个发光二极管构成的LED点阵子模块构成大的LED点阵模块。在这次设计中使用的是8×8模块。2.2系统软件设计利用软件编写程序，软件的编写需要借助软件编辑器和编译软件，编译完成后还需要下载到单片机中执行。编写程序前首先选择一种合适的语言以及配套的编辑器和编辑软件。现在选择单片机编程语言进行编译。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第4页共17页第3章系统硬件设计3.1整体模块设计本设计驱动电路，显示器电路，运用单片机的控制电路。总体结构设计如图3-1所示。图3-1总体结构设计3.2单片机控制电路3.2.1单片机简介1.STC89C52单片机的主要特性如下：STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，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，STC的STC89C52是一种高效微控制器，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，STC89C52芯片引脚图如图3-2所示。图3-2STC89C52芯片引脚图单片机驱动电路8×8点阵LED显示器电路吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第5页共17页2.STC89C52具体介绍如下：(1)主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源。GND(Pin20)：接地线。(2)外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端。XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端。(3)控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号。PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号。EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。(4)可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7。P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7。P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7。P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。P0口到P3口各个功能P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复制用口，作为输入口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写入“1可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序内存时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期启动内部上拉电阻。在Flash编程时，PO口接收指令节，而在程序校检时，输出指令位元组，校检时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对埠写“1”，通过内部的上拉电阻把埠拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。Flash编程和程序校检期间，P1接收低8位地址。P2口:P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对埠写“1”，通过内部的上拉电阻把埠拉到高电平，此时可作输入口，作输入口时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。在访问外部数据存储器或16位地址的外部数据存储（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口在线的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程和校检时，P2亦接收高位位址和其它吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第6页共17页控制信号。P3口：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作输入埠，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻，输出电流I。P3口还接收一些用于Flash闪速内存编程和程序校检的控制信号。RST:复位输入，当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序内存或数据存储器时,ALE(地址锁存允许）输出脉冲用于所存地址的低8位字节。即使不访问外部内存，ALE乃以时钟振动频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。下表为单片机的主要功能特性表3-1表3-1主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写FlashROM32个双向I/O口256×8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2.2单片机最小系统设计STC89C52单片机最小系统电路由复位电路、晶振电路两部分组成。1．晶体振荡器(1）时钟晶振电路单片机XTAL1脚和XTAL脚是外部接晶振的两个引脚，通常在接一个晶振的同时要在晶振的两个脚接两个电容，这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮法。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，使晶振频率更加稳定。本设计中，单片机晶振采用12MHz的频率，以获得较高的刷新率，使显示更加稳定。如图3-3所示为单片机的时钟晶振电路原理图。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第7页共17页图3-3单片机的时钟晶振电路原理图(2）复位电路本设计采用上电复位的方式实现复位。上电复位电路由电容串联电阻构成，由图3-4所示，并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道：当系统一上电，RST脚将会出现高电平，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。所以我们只要适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般文献推荐C取10uF，R取10K。本设计中我们采用C取22uF，R取10K欧姆。图3-4单片机的复位电路原理图吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第8页共17页3.3驱动电路设计3.3.174LS245简介图3-574LS245芯片引脚图74LS245是我们常用的芯片，如图3-574LS245芯片引脚图所示。用来驱动LED或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据，74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。1.当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。2.当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）3.DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,/E端接地，保证数据现畅通。STC89C52的/RD和/PSEN相与