基于单片机的点阵电子显示屏设计设计.docx
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基于单片机的点阵电子显示屏设计设计
编号:
毕业设计说明书
题目:
基于单片机的点阵电子
显示屏设计
学院:
信息与通信学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
黄祥就
学号:
0801130509
指导教师:
邓艳容
职称:
讲师
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发
2012年5月20日
摘要
LED点阵主要应用于显示屏,它是由发光二极管点阵模块或像素单元组组成的平面式显示屏幕。
显示屏通过一定的控制方式,用于显示文字、图像等各种信息及电视、录像信号。
LED行业已成为一个快速发展的新兴产业,市场空间巨大,前景广阔。
随着信息产业的高速发展,LED显示作为信息传播的一种重要手段,已广泛应用于室内室外需要进行服务内容和服务宗旨宣传的公众场所。
显然,LED已成为城市亮化、现代化和信息化社会的一个重要标志。
本次设计的LED显示屏主要由主控制模块、LED点阵屏模块、键盘模块、DS1302时钟模块、DS18B20温度模块、红外遥控模块组成。
行扫描采用74HC154译码器、列扫描采用74HC595移位寄存器及采用大电流三极管SS8550作为驱动元件。
本文采用STC12C系列高速单片机作为主控制器模块,结合简单的外围元件来驱动LED点阵屏,能够显示文字、时间、温度等内容。
另外,本设计还添加了红外遥控功能,能够实现遥控切换显示内容、修改时间等。
通过软件编程可以实现显示内容的多样化。
它广泛应用于医院、机场、银行、车站等公共场所,具有很强的实用性。
本文详细介绍了LED显示屏的显示原理和工作过程,以及硬件电路的设计、软件调试及其参数的计算方法。
它能够实现汉字左右、上下移动等六种显示方式,还可以实现显示温度、万年历以及红外控制等功能。
关键词:
单片机;LED显示屏;DS1302;DS18B20;红外遥控。
Abstract
LEDdotmatrixismainlyusedinthedisplay,Itisbythelightemittingdiodematrixmodulesorpixelunitgroupcomposedofaflatdisplayscreen.Itisthroughcertaincontrolmethod,isusedtodisplaytext,imagesandotherinformationandtelevision,videosignal.TheLEDindustryhasbecomeafast-developingemergingindustries,ahugemarketspaceandforegroundcapacious.Withtherapiddevelopmentofinformationindustry,theLEDdisplayasanimportantmeansofinformationtransmission,hasbeenwidelyusedinindoorandoutdoorneedstheservicecontentandpurposeofpublicityofpublicplaces.Obviously,theLEDhasbecomeanimportantsymbolofthecitylighting,modernandinformationsociety.
ThedesignoftheLEDdisplayismainlycomposedbythemaincontrolmodule,LEDdotmatrixscreenmodule,keyboardmodule,DS1302clockmodule,DS18B20temperaturemodules,infraredremotecontrolmodule.Thelinescanusingthe74HC154decoder,thecolumnscanusingthe74HC595shiftregisterandthehigh-currenttransistorSS8550asadrivingelement.ThisarticleusetheSTC12Cseriesofhigh-speedmicrocontrollerasthemaincontrollermodule,combinedwithsimpleexternalcomponentstodrivetheLEDdotmatrixscreen,todisplaythecontentsofthetext,time,temperature,etc.Throughthesoftwareprogrammingcanrealizeshowingthecontentsofthediversification.Itiswidelyusedinhospitals,airports,banks,railwaystationsandotherpublicplaces,andhighlypractical.
ThisarticledetailsdisplayprincipleofLEDdisplayscreenandworkingprocedures,circuitdesign,softwareandhardwaredebugandparametercalculationmethod.ItcanrealizetheChinesecharactersmoveupanddowntheleftandrightsides,sixkindsofdisplaymodecanalsoachievedisplaytemperature,calendarandinfraredcontroletc.Function.
Keywords:
SCM;LEDdisplay;DS1302;DS18B20;Infraredremotecontrol.
引言
LED显示屏(LEDpanel):
LED英文名称为lightemittingdiode,是发光二极管的英文缩写,简称LED。
它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点阵电子显示屏制作简单,安装方便,被广泛应用于各种公共场合,如汽车报站器、广告屏及公告牌等。
其中的LED点阵单色图文动态条幅屏,因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良,所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品。
LED之所以受到广泛重视而得到发展,与它本身所具有的优点是分不开的。
在照明领域中,传统的白炽灯无法克服其耗电量大、寿命短的缺陷。
LED与荧光灯相比,白光LED的制造与使用过程不会引入汞的污染;与荧光灯光谱相比,白光LED的连续光谱更接近自然光。
从功耗上,白光LED仅为白炽灯的八分之一、荧光灯的二分之一,白光LED的寿命可达10万小时,是传统荧光灯的50-100倍。
这些LED的自身优点对环境保护和节约能源都具有极为重要的意义。
而LED作为一种冷光源其辐射主要集中在可见光区,几乎不产生热,避免了非可见光区电磁波对人体的损害。
其优点可概括如下:
高亮度、色彩丰富、寿命长、耐冲击、功耗小、性能稳定、驱动简单、工作电压低、微型化易与集成电路匹配等。
LED电子显示屏可按颜色、显示器件、使用场合分成三大类。
按颜色分类可分为:
单基色显示屏、双基色显示屏、全彩色显示屏。
按显示器件分类可分为:
LED数码显示屏、LED点阵图文显示屏。
按使用场合分类可分为:
室内显示屏、室外显示屏。
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。
随着微电子技术、自动化技术、计算机技术的迅速发展,半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善,制造不同的半导体材料越来越容易,使得LED芯片的亮度、寿命得到了突飞猛进的发展,从而使其拥有更为宽广的应用领域。
在照明、传媒等领域,基于LED发光管的各种显示渐渐崭露头角,特别是在LED显示屏市场也得到长足的发展。
自20世纪80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善,在国外得到了广泛的应用。
在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济迅速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场趋势,因而在LED显示屏的制造技术和应用水平上都得到了迅速的提供与发展。
从未来发展趋势看,目前具有视频效果的几种媒体,其性能优势各有千秋。
1设计任务与方案论证
1.1设计任务
本文设计一个16x64点阵单色显示屏,由STC12C系列高速单片机作为主控制器,能实现如下功能:
(1)能够显示字母、汉字;
(2)通过按键切换显示;
(3)能实现多种显示效果;
(4)能显示温度且带上限报警功能;
(5)能显示时间、日期、星期并可以调整时间及设置闹铃;
(6)通过遥控实现显示效果及内容的切换、万年历的设计。
1.2方案论证
为了节约成本,减少资源过渡浪费,实现高性价比的设计,需要进行方案论证及选择,如下:
1.2.1显示屏驱动方式方案论证
方案一:
串行控制驱动方式。
所谓串行控制驱动方式就是将显示的数据通过串行方式送入点(列)驱动电路,其特点是相邻两个显示模块之间的线路连接简单。
这给印制电路板的设计带来了方便,同时也减少了印制电路板的布线密度,从而为生产和调试带来了有利的一面,当然,单元模块的可靠性也相应的提高了。
串行控制驱动方式主要用到的芯片有:
MC4094、74LS595、74HC595等。
但是由于其驱动能力有限只能驱动一个发光二极管,在实际使用过程中只用于列驱动电路,而使用功率芯片作为行驱动。
关于行的控制和驱动比较容易,因为行的工作方式是分时顺序工作的。
由于行的组成是几个模块并联而成的,因此驱动的功率要求比较大。
行线驱动一般是采用PNP功率三极管或CMOS管,逻辑控制可选用4-16译码方式和直接行线控制方式。
在应用串行控制驱动系统时,尽管串行移位芯片具有级联功能,但设计时要考虑时钟信号、行控制信号的级联驱动问题。
另外为提高单元的多级级联的数量,设计时要考虑到每个信号的传输延迟,以保证控制时序的正确运行。
方案二:
并行控制驱动方式显示。
并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行(8位)方式送入点(列)驱动电路,每送入一个字节就完成了一个模块的单行数据输入,其优点是数据的刷新速度快,这就减轻了上一级联控制系统的压力。
在同样数据处理量的前提下,对处理速度要求的降低,就意味着对系统投入的降低。
同时,处理速度的降低也相应提高了系统的稳定性。
在并行控制驱动方式下,可以选用74HC373这样一类锁存芯片,采用级联的方式将列数据输入。
这一设计方案的特点是设计线路简洁,控制方便快速。
关于在并行控制驱动方式下的行控制驱动的设计可参照串行控制驱动方式设计。
并行控制驱动方式的缺点是:
由于数据是并行输入的,这就使得单元内芯片数量大而且线路连接复杂。
由此增加了单元的成本和印制电路板的设计难度。
同时提高了印制电路板的密度,对生产加工和调试提出了较高的要求。
这种方式也将增加控制逻辑的投入,也就是说每个锁存器都要有一个独立的锁存控制时钟,因此,这一方式将增加很高的成本。
方案三:
高度集成专用芯片的应用。
随着微电子技术的不断发展以及大型电子显示屏应用日益广泛,一种高度集成的LED显示屏控制驱动专用芯片出现了,如ZQL9701芯片。
ZQL9701芯片是集行控制、列控制和一些外围驱动电路于一身的高度集成控制驱动芯片。
采用ZQL9701芯片将会使单元的控制、驱动更简单,高度的集成化也使系统的稳定性更为可靠。
另外,ZQL9701芯片在单元的级联方面也提供了充分的支持。
采用ZQL9701芯片将使系统的显示灰度达到256级。
采用ZQL9701芯片设计显示单元时,由于ZQL9701芯片是表贴片封装器件,这就需要专用的生产设备进行生产。
虽然使用该芯片,显示单元得到了极大的提高,但系统的成本也提高了。
综上所述,根据本设计所要实现的功能及成本的考虑,最终选择了方案一。
1.2.2显示屏控制方案论证
方案一:
单机工作模式。
就是采用一个单片机实现控制所有功能,其中包括LED点阵显示屏的刷新显示、模式设定、时间读取、温度检测、红外遥控控制,以及与上位机的通信等。
只用一个单片机控制点阵显示屏可以使电路大大减化,设计成本也相应降低,软件设计方面也容易实现。
方案二:
主从工作模式。
采用主从单片机工作方式来控制整个系统。
其中一个单片机用于控制LED点阵显示,另外一个单片机用于扩展键盘、串口与上位机通信、温度测量、时间读取、红外遥控控制等工作。
相对单机工作方式来说,主从工作模式的处理能力大大提高,并且分工明确,执行速度得到很大的提高。
但硬件电路以及软件设计方面要求相对复杂一些,更涉及到主从单片机通信问题。
综上所述,考虑到本设计只须要一个单片机即可完成设计,故选择方案一。
2系统硬件设计与调试
考虑到使用传统51系列单片机指令运行速度不够快,有可能会使LED点阵显示屏出现闪烁的情况发生,故本系统采用STC12C5A60S2高速单片机作为主控制单元,系统硬件电路主要由主控制模块、LED点阵屏模块、键盘模块、DS1302时钟模块、DS18B20温度模块、红外遥控模块、报警模块共七部分组成。
系统总体设计框图如图2-1所示:
图2-1系统总体设计框图
2.1系统主控模块设计
单片机的最小系统就是本设计的系统主控电路部分,外加一些外围电路,通过键盘扫描来确定工作模式以及完成相关操作。
还包括了时钟检测电路、温度检测电路、红外遥控电路,以及与上位机通信的RS-232接口电路。
最小系统如图2-2所示:
图2-2单片机最小系统
该单片机最小系统主要由键盘电路、串口通信电路、电源电路、复位电路、扩展电路等五部分组成。
为了解决LED显示屏的闪烁问题,本系统采用了宏晶科技生产的STC12C高速单片机系列的STC12C5A60S2单片机,其管脚与传统51系列单片机完全兼容,所以使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。
其速度是传统51单片机的8~12倍。
其引脚图如图2-3所示:
图2-3STC12C5A60S2系列单片机引脚图
它包含了中央处理器(CPU)、60K程序存储器、1280字节数据存储器、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门口及片内R/C振荡器和外部晶体振荡器电路等模块,还增加了P4口。
STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可以称得上一个片上系统。
对于LED点阵屏的应用需要来说,采用STC12C5A60S2高速单片机比传统51单片机有以下突出的优点:
(1)较高的处理速度和时钟频率,能解决LED点阵显示屏的闪烁问题。
(2)60K大容量的程序存储器,避免了外接外部存储器,从而减少设计成本,也简化了外部电路的设计。
(3)电压范围宽,即使负载端电压的波动也不会影响点阵屏的正常运行。
(4)丰富的I/O接口,不用外接I/O口拓展芯片也可以增加更多辅助功能,同时也降低了设计成本。
2.2显示电路模块设计
在显示电路中,主要由行扫描元件、列驱动元件、驱动元件及LED点阵模块组成。
整体显示框图如图2-4所示:
图2-4系统显示模块框图
2.2.1LED点阵模块
LED显示屏是将发光二级管按行和按列整齐布局的,扫描驱动方式可以按行扫描按列控制,也可以按列扫描按行控制。
本文设计的16x64点阵显示屏可以先由四个8x8点阵模块构成16x16点阵显示屏,其连接方法如图2-5所示:
图2-516x16点阵显示器连接图
在图2-5中,将A和B的8列与C和D的8列分别对应相连,同时将A和C的8行与B和D的8行分别对应相连。
这样即可构成一个16x16点阵显示器,可将这256个LED称为一个最小显示单元,当要显示某个字或字符时,只需要对这个单元中对应的LED进行亮灭控制即可。
要制作16x64点阵显示器,可以由4个16x16点阵显示器用同样的方法连接而成。
2.2.2行扫描驱动电路设计
在16x64点阵显示屏中,为降低设计成本、减少单片机接口的浪费,充分利用I/O口,本电路设计用到了一块4-16线译码器74HC154。
其行扫描电路与行驱动三极管连接如图2-6所示:
图2-674HC154行扫描驱动电路连接图
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,必须置为低以使使能输出端有效。
74HC154这种单片4-16线译码器非常适用于高性能存储器的译码器。
将两个选通输入G1和G2为低,然后以A、B、C、D四脚为输入端,这就会形成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,即有16路输出。
本设计行扫描采用的工作方式是:
单片机的P2口不断向单片机发送数据,74HC154不断的接收数据并且存储起来,待到74HC154寄存器转满16位数据的时候,再通过并行输出把数据传给点阵显示屏,发送给点阵屏的16位信号与74HC595芯片发送的16位列信号‘结合’从而产生一个汉字或其他别的图形通过点阵显示出来。
如果一行64个LED全部被点亮,每只LED工作电流取15mA。
则通过74HC154的电流将达960mA,而实际上,74HC154译码器提供不了足够的电流来同时点亮64个LED。
因此,应在74HC154每一路输出端与16x64点阵显示屏对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大,从而达到点亮全部LED的要求。
本设计选用的是大电流三极管SS8550。
这样,74HC154某一输出脚为低电平时,对应的三极管发射极为高电平,从而使点阵显示屏的对应行也为高电平,只要此时某一列置为低电平,对应的LED就会被点亮,从而实现显示所想显示的文字。
在行驱动电路设计中,要确定各元件的参数,就需要进行电路元件参数的计算,以LED工作电流为例,假设整个LED点阵显示屏在极端情况下使用,即每一行的LED全部被点亮,每一行LED的个数为64个,普通LED的安全工作电流在5~20mA之间,为获得较高亮度,又要使其工作寿命可以很长。
所以,本设计中定每只LED工作电流为15mA。
当一行的LED全部点亮时,有:
总电流:
I=IC=0.015×64A=0.96A;
三极管的功耗:
Pc=IC×VCE=0.96A×0.3V=0.29W;
从STC单片机官方提供的数据可知STC12C系列单片机的每个I/O口能独立承受20mA的灌电流,即能够给基极提供20mA的偏置电流。
根据上述集电极电流和基极电流的比值,可计算出行扫描驱动三极管的直流电流放大系数β。
直流电流放大系数:
β≥IC/Ib=0.96A/0.02A=48;
从SS8550的官方数据手册上可知:
最大集电极电流:
Ic=1.5A;最大集电极耗散功率:
Pc=1W;
直流电流放大系数:
β=40~140;
故本设计中选取三极管SS8550符合设计要求,本设计β取50。
因此,根据β可以确定基极电流Ib和基极的限流电阻R分别为:
基极电流:
Ib=0.96A/50≈19mA;
则基极限流电阻:
R=(VC﹣Vbe)/Ib=(5V﹣0.7V)/19mA=226Ω。
本次设计中取基极限流电阻值为200Ω。
2.2.3列驱动电路设计
列扫描电路采用集成电路74HC595移位寄存器,其管脚如图2-7所示。
图2-774HC595管脚图
74HC595是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,具备三态的总线输出功能。
其中DS为列移位寄存器的数据输入,SHcp是移位时钟,STcp为锁存时钟,Q7’是串行输入数据的输出口,OE是对输入数据的输出使能控制,Q1~Q7是串行输入数据的并行输出口。
移位寄存器有一个串行移位输入(DS)和一个串行输出(Q7’)及一个异步的低电平复位。
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,当OE为低电平时,存储寄存器的数据输出到总线。
为了避免与PC机串口输入的数据相互干扰,设计中使用模拟串口P3.5~P3.7来连接输出串行数据、移位时钟SHcp、锁存信号STcp。
设计电路中,每个16x16点阵的列驱动电路由两个串联的8位移位寄存器74HC595组成,则16x64点阵需要八片74HC595芯片。
其扫描显示工作过程是:
将8片74HC595进行级连,可共用一个移位时钟SCHcp及数据锁存信号STcp。
这样,当第一行需要显示的数据经过64个SCHcp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;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,只要扫描频率足够高,就可形成一幅完整的文字或图像。
2.3温度电路模块设计
为了增加LED显示屏的实用性,本设计增加了温度检测模块,温度传感器采用数字式的DS18B20数字温度传感器。
DS18B20是DALLAS公司生产的一款“单总线”温度传感器,它采用独特的单总线接口方式,仅需要一个端口发送和接收数据。
用DS18B20采样温度,将温度显示在LED屏上,是一种很好的显示方式,同时也节省了单片机资源。
DS18B20独特的单线接口方式,它在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20可以采用寄生电源方式工作,从单总线吸取能力,在信号处于高电平期间把电量存储在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
DS18B20也可以用外部3V~5.5V电源供电,采用寄生电源供电方式时,VDD必须接地。
另外为了得到足够的工作电流,应给I/O口提供一个强上拉,一般可以使用一个场效应管将I/O口直接拉到电源上。
采用外部供电方式时可以不用强上拉,但只要外部电源处于工作状态,GND引脚不得悬空。
温度高于100℃时,不得使用寄生电源,应采用外部电源供电。
DS18B20的工作时序:
DS18B20简单的硬件接口是以相对复杂的编程软件为代价的。
DS18B20与STC12C5A60S2单片机的接口协议是通过严格的时序来实现的,每次进行传送数据或命令都是由一系列的时序信号组成的。
单总线上一共有3种时序信号:
1、初始化信号;2、写0、1信号;3、读0、1信号,与之对应的时序图如图2-8所示:
图2-8DS18B20
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