LED大屏幕显示系统的设计分析

毕业设计（论文）题目LED显示屏的设计学生姓名苏锦专业班级电气自动化二班学号 ********** 院（系）电气与电子工程系指导教师（职称）王薇完成时间2016年 5月 12 日目录摘要 --- 3 1.课题研究背景 --- 4 1.1 LED原理 --- 4 1.2 中国LED发展现状 --- 51.3 课题研究的目的和意义 --- 62.课题研究内容 --- 6 2.1研究主要内容 --- 62.2 方案设计 --- 63.方案实现 --- 7 3.1主控制芯片AT89S52 --- 8 3.1.1主控制芯片AT89S52的性能 --- 8 3.1.2引脚说明 --- 9 3.2 LED点阵 --- 11 3.3 74HC595 --- 12 3.3.1 概述 --- 123.3.3 真值表 --- 144. 主要功能模块的实现及调试方法 --- 14 4.1 字符显示模块 --- 14 4.2 单片机系统及外围电路 --- 154.3 列驱动电路 --- 15 4.4 行驱动电路 --- 17 4.5 显示驱动程序 --- 17 总结 --- 19 结束语 --- 20 参考文献 --- 21 附录 1 --- 22 附录2 --- 33摘要自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年代国民经济的高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈。

而LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志,LED显示屏随着社会经济的不断进步，以及LED制造技术的完善，人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广；LED显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟[1]。

现在各种广告牌不再是白底黑字了，也不再是单一的非电产品，而是用上了丰富多彩的LED电子产品，为城市的增添了一道靓丽的风景。

而且它采用低电压扫描驱动，具有耗电少、使用寿命长、成本低、发光效率高、故障少、视角大、可视距离远、可靠耐用、组态灵活、安全、响应时间短、绿色环保、控制灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点。

近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展，已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等需要进行多种公告、宣传的场合[2]。

关键词：单片机、点阵、LED。

1. 课题研究背景1.1 LED原理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。

1.2 中国LED发展现状中国LED产业发展超过三十年,它已经成为一种朝阳产业,已拥有完整的产品、创新能力不断增强,市场需求十分强烈。

近年来,LED产业发展步伐的进一步加快,不仅促进LED业界增加产量,而且提高产品技术含量。

LED包装及应用领域,实现快速增长,同时实现LED外延片及芯片自主生产,国内率每年都有大幅提高。

据统计,产值2010年LED芯片50亿元左右,LED包装工业增加值250亿元左右,LED应用产业产值900亿元左右。

中国也大力支持LED产业发展[3]。

LED 产业产出在2015年将达到5000亿元人民币,年复合增长率约为42%。

然而,中国LED工业还是有一些问题,这一现象的发展基础薄弱、监督开始晚了,低附加值的产品是一个根本性的变革。

加快推进我们的主导产品技术创新,提高产业的发展已经成为迫在眉睫。

目前,我国LED应用产业市场集中度低,有超过3000的大型和小型公司,但是制造商年产值超过1亿年,仅有大约100。

LED显示屏产业具有较高的区域集中,主要是中国东部和南部。

深圳是中国的主要生产基地、LED显示屏产业占全国的41%的市场份额。

与此同时,中国是全球LED显示屏的生产基地。

中国LED显示屏的生产规模是占世界70%的2008年增长到2010年的83%[4]。

中国LED显示屏的生产公司正在迅速地扩大它们的大小,在2010年底,全国共有40多个LED显示屏制造商年产值超过1亿人。

根据《2010 - 2013年中国LED 产品的市场分析和投资收益分析报告”显示,国内LED市场在2009年达到231亿元,为300亿元,2010年增长30%。

从发展趋势,国内LED显示屏的市场启动阶段过渡到快速发展阶段。

LED显示屏市场自2012年复合增长率有望达到60%。

1.3 课题研究的目的和意义随着高亮度发光二极管技术的发展，LED显示屏从室内走到室外，其显示内容也从没有层次的计算文字动画发展到能显示有层次的电视图像。

国家信息产业部委托蓝通电子科技有限责任公司制定的《LED显示屏技术条件》也于1998年正式颁布实施。

信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，LED显示屏的应用前景更为广阔。

预计大型或超大型LED显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型LED显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的LED。

显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统LED显示屏在LED显示屏市场总量中将会占有多数份额。

进入新世纪，光电子产业得到广泛的重视，中国加入WTO、北京奥运成功举办等，成为LED显示屏产业发展的契机，我国LED显示屏及相关的技术必将得到飞跃发展。

2.课题研究内容2.1研究主要内容本设计的研究的主要内容包括LED工作原理，8×8LED点阵块的字符显示原理；8×8LED 点阵块的级联和驱动的实现方法；74HC595实现数据传输和扩展IO 口的原理和方法；2.2 方案设计设计采用ATMEL公司的AT89S52作为主控芯片,74HC595作为扩展IO口芯片和数据分配芯片,大功率三极管8550作为驱动芯片驱动LED点阵屏，选用功耗低、性价比较高的8×8LED点阵块作为最小的组装单元。

确保在单屏无法完全显示全部信息的情况下换屏显示。

同时考虑到后期的维护，点阵屏采用单元块级联设计方案。

3.方案实现从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。

16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。

这个数字很庞大，因为这仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。

因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。

动态扫描的意思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）的同名列共用一套驱动器。

具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。

当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。

采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。

显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。

显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。

从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。

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锁存功能。

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 4 显示屏电路实现的结构框图3.1主控制芯片AT89S523.1.1主控制芯片AT89S52的性能AT89S52是一种低功耗、高性能COMS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。

使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

其性能如下： 1、与MCS-5单片机产品兼容；2、8K 字节在系统可编程Flash 存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：0Hz-33MHz；5、三级加密存储器；6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、六个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符。