1、长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 1 页装订线摘要本文针对某项目中工厂的实际需求，研究基于 51 单片机的 LED 显示屏控制技术，提出了一种基于 RS-485 总线的双向主从分布式远程多机 LED 显示屏控制系统。上位机通过串行端口为下位 51 单片机发送控制命令和要显示的字符信息，实现对多块显示屏的远程监控及显示内容的动态刷新;下位 AVR 单片机通过字模芯片把字符信息转化为字模信息，然后通过行驱动器、列驱动器可将字符通过 LED 显示屏显示出来;时无线智能手持智能终端通过终端上的 LCD 进行信息显示，并可通过终端上的键盘向上位机进行信息反馈。本文研制的 LED 显示屏
2、系统使只有上位机向下位机发送与显示内容相关信息的传统 LED 显示系统发展成为上位机和下位机可以进行双向通信的通信系统，弥补了国内市场的空白，拓展了 LED 的发展空间。关键字:LED 点阵显示单片机 RS-485 通信长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 2 页装订线ABSTRACTThis paper discusses the technology of the LED lattice display system based on51microcontroller for the actual needs of a factory in a item, and devel
3、oper a bidirectionalmaster/slave distributed multimachine long-range communication LED lattice displaycontrol system based on the RS-485 bus. The PC transmits the instructions and displayscode to AVR microcontroller, and all these instructions and display code must be pass the serial port.It can sim
4、ultaneously monitor and control many LED lattice display system distributed in different distant places and dramatically refresh their display contents. The AVR microcontroller conveys the contents into matrix using matrix chip,and drives the row driver and column driver to display these matrix by f
5、orm of LED lattice; At the same time,the wireless handheld intelligent terminal display the contents by LCD in the terminal,and feedback the information by keyboard in the terminal.This LED lattice display system develop the traditional LED display system in witch only does the PC transmit the code
6、to AVR microcontroller into PC and microcontrollers can communicate each other.It fills the blank of the domestic market,and expand the space of the LED system.Keywords: LED lattice display MCU RS-485 communication in two-ways长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 3 页装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 4 页装订线第一章绪论LED 显
7、示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示系统，广泛应用于广告、证券、交通、新闻发布等方面，迅速发展成一种电子广告媒体川，是当前国际上较为先进的显示媒体。目前，某些企业的生产工厂也希望引进 LED 大屏幕显示系统，以此实现指挥调度中心的各种信息发布，从而方便指挥调度中心和各车间的通讯。本课题即是针对某项目中工厂的实际需求，在考虑开发成本的基础上，提出了一种基于 RS-485 总线的双向主从分布式远程多机 LED 显示屏控制系统，解决了该工厂指挥调度中心和多个各车间双向通讯的难题，从而提高了企业的生产效率。1. 1
8、 LED 显示屏的发展现状及趋势在现代信息社会，众多行业开始把面向大众的服务信息发布作为自身一项重要的服务内容。各类公司、金融企业、大型商场、体育场馆、医院、政府部门等各类有大量服务信息发布需求的场合，普遍要求以大屏幕信息显示设备作为与大众沟通的主要手段。在这样的背景下，LED(LightEmittingDide，发光二极管)显示屏作为大屏幕显示设备家族中的重要一员也开始倍受关注。1. 1. 1 LED 显示屏简介发光二极管(LED)是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件。LED 显示屏是利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元【幻组成的显示屏幕。自 20 世纪80 年代以来，LED 显示屏凭
9、借其自身优势己经成长为平板显示类设备的主流产品。与传统的显示设备相比，正是这种未来的巨大需求让大屏幕显示技术成为众人目光的焦点:(1)LED 显示屏色彩丰富，显示方式变化多样(图形、文字、三维、二维动画、电视画面等)、亮度高、寿命长，是信息传播设施划时代的产品。(2)LED 显示屏是集光电子技术、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。它以其超大画面、超强视觉、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。(3)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，有巨大的社会效益和丰厚的经济效益。在其
10、历史的演变过程中，出现了多种信息传播媒体，但就其性能看:如阴级管(ct)或石英管(dv)大型电视，成本非常昂贵，在不需要超大画面且在室内使用时效果尚可;彩色液晶显示同样成本昂贵、电路复杂，面积有限，受视频角的影响非常大，可视角度很小;影象投影设备亮度小、清晰度差(画面受光不均匀);电视墙表面有分割线，视觉上有异物感，室外应用时亮度效果差。而 LED 显示屏以其受空间限制较小，并可以根据用户要求设计显示屏的大小，具有全彩色效果，视角大，可以用于显示文字、图案、图象、动画、视频、录象信号等长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 5 页装订线各种信息的特点得到了突飞猛进的发展。1. 1.
11、 2 LED 显示屏的发展概述LED 显示屏技术包括半导体光电技术、电子电路技术、图像信息处理技术信、息传输技术、计算机网络技术以及电子产品制造和电子产品安装工程相关的技术。我国 LED 显示屏产业自 90 年代以来，在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。早在 90 年代初，国产的 LED 显示屏就具备了成熟的 16 级灰度、256 色视频控制技术和无线遥控等代表了当时的国际先进水平的技术。近几年，在全彩色 LED 显示屏、256 级灰度控制技术、级群控制技术等方面，国内企业均拥有了居行业先进技术水平的产品。国内的 LED 显示屏技术的发展主要经历了以下
12、三个阶段:(1)LED 显示屏的成长形成期在 1990 年以前国外应用较广，但由于受到 LED 材料器件的限制，国内并没有广泛的使用。(2)LED 显示屏的迅速发展期进入 90 年代后，在 LED 显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。LED 显示屏也经历了从单色、双色到全彩显示屏的发展过程。在这个时期，不论是在器件的性能还是控制器的设计上都取得了长足的进步。(3)LED 大屏幕的发展成熟期进入 21 世纪后，由于 LED 器件成本的大幅下降。LED 显示屏得到了空前广泛的应用。LED 控制器的设计也日趋成熟。LED 控制器设计和屏体设计开始渐渐分离，这时出现了一批专业设计提供
13、LED 大屏幕控制器的公司，它们在技术上也大大推动了 LED 产业的发展。LED 控制器的设计趋于通用性。目前 LED 大屏幕的显示向高亮度、更高的发光均匀性、更高的可靠性等方向发展。控制系统的运行，操作和维护也越来越向集成化、网络化、智能化等方向发展。(1)高亮度、全彩化蓝色及绿色超高亮 LED 的出现，以及其成本的降低，使得 LED 全彩显示屏成本大大下降，使得其普及速度也大大加快。(2)标准化、规范化材料、技术的成熟及市场价格基本均衡后，LED 显示屏的标准化和规范化将为 LED 显示屏发展的一个趋势。行业规范和标准体系的形成，使得 LED 显示屏行业的发展趋于有序。(3)产品结构多样化
14、随着社会的发展，LED 显示屏的应用前景越来越广阔。LED 屏幕从大型系统开始向大批量、小型化系统发展。总之，在 LED 元件研制方面，单色、多色 LED 点阵模块产品已经发展得很熟。而在产品方面，LED 大屏幕朝着标准化、大型化和小型化等方面发展。1. 1. 3 LED 显示屏的分类根据划分标准的不同，LED 显示屏可以有很多种类。例如，按显示颜色分为:单色 LED 显示屏，双色 LED 显示屏和全彩色(三基色)LED 显示屏;按显示内容分为 LED长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 6 页装订线图文显示屏、LED 图像显示屏等。对于不同种类的 LED 显示屏，其控制系统的设
15、计也必然有所差异。例如，LED图文显示屏的控制相对简单，只要控制 LED 屏幕上各点的亮、灭即可。而 LED 图像显示屏的控制则相对复杂，它不但需要控制 LED 屏幕上各点是否发光还要控制它们的发光强度。此外，LED 图像显示屏的控制还要考虑所显示的图像是静止的还是运动的。对于动态图像，其图像的显示还要考虑动作连续、无闪烁等要求。这就对其控制系统的设计提出了更高要求。1. 1. 4 LED 显示屏的控制技术概述LED 信息显示屏系统的主要功能是实现对显示信息的接收、处理、存储和显示。为达到功能设计要求目标，有很多技术路线和设计方案可供选择。例如，作为LED 信息显示屏系统主体的主控模板可以是嵌
16、入到 LED 显示屏驱动电路中的单片机系统，也可以是独立的微机系统或者是微机+单片机主从控制系统。在诸多设计方案中，目前比较流行思路是由微机和单片机共同构成主从控制系统。在此基础之上，LED显示屏的控制技术0 主要分同步控制和异步控制两种类型。同步控制技术在上位机(微机)与 LED 屏幕之间建立一个映射通道，将微机显示器上的内容，直接映射到 LED 屏幕上。这样，LED 屏幕就可以显示上位机显示器上的内容(主要是动画、视频)。这种控制方式的突出优点就是显示内容可以更为丰富，缺点是显示屏控制系统的设计比较复杂，且难以实现对多个显示屏的集群控制。异步控制则通过通讯接口(一般是串口)将显示信息发送到
17、显示屏系统，并且存储到其存储器上。然后，显示屏系统再根据控制命令管理这些信息，使之显示在LED 屏幕上。显然，由于受本身信息处理能力和存储空间的限制，采用异步控制方式的控制系统一般不具备显示复杂信息的能力。因此，异步控制方式主要用于文字和静态图形信息的显示。异步控制方式的优点是系统设计相对简单，且容易实现多个屏幕的集群控制。在实际应用当中，以文字信息以及静态图形为主的 LED 信息显示屏系统多采用异步控制方式，以视频显示以及动态图形为主的 LED 信息显示屏系统则多采用同步控制技术。1. 2 本课题研究的背景和意义1.2.1 项目需求随着信息化进程的不断深入，市场对 LED 信息显示设备的需求
18、量越来越大，对LED 信息显示设备的功能要求也呈现出多样化的趋势。某工厂某生产线上有 12 个生产车间，各生产车间和指挥中心距离长达近千双向米，这给指挥中心和生产车间的通讯带来了极大的不便，严重的影响了车间的生产效率。并且这些车间的工作环境都属于强噪音环境，想用对讲机、电话等通讯方式进行通讯难度非常大，因此工厂决定采用 12 个 LED 大屏幕构成远程通讯系统来实现指挥中心和各个车间的通讯。该系统既能实现指挥中心对各个生产车间的 LED 屏进行产量信息发布和通知信息发布，又能实现各个生产车间通过 LED 屏对指挥中心反馈信息，反馈信息由车间主任通过一部无线手持智能终端输入和控制。该系统要求具有
19、如下的功能:(1)LED 屏的信息显示功能长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 7 页装订线每块 LED 屏长约 1.8 米宽约 1.0 米，悬挂于生产车间前方墙上。大屏幕的显示效果如下图:图 1.1 LED 显示屏的显示效果如图 1.1 所示，LED 屏的信息显示功能有:实时显示时间和产量信息:车间所有人员(车间主任和工人)都可以从大屏幕上看到时间、产量信息，指挥中心可以随时对显示屏的时间进行校正，对产量信息进行刷新;LED 屏还可以自动对时间信息进行实时刷新。实时显示指挥中心发送的通知信息:车间所有人员都可以从 LED 屏上看到滚动显示的从指挥中心发布的通知信息。工人可以从通
20、知信息栏里看到车间主任向指挥中心反馈的信息。工人可以从通知信息栏里看到车间主任在车间内部发布的信息，车间主任向车间里工人发布的信息会在信息前注明:“内部信息” 。(2)LED 屏的通讯功能指挥中心和 LED 屏构成双向多机通讯系统。12 块大屏幕 LED 显示屏通过一台上位机和 RS-485 总线构成双向主从分布式多机控制系统，不仅指挥中心可以控制12 块 LED 屏显示各种不同的通知信息，并且各下位机控制系统可以向指挥中心反馈信息。车间主任可以通过无线手持智能终端控制 LED 屏的显示。手持智能终端可以通过 LCD 显示指挥中心向 LED 屏发送的通知信息，可以输入向指挥中心进行反馈的信息和
21、向车间发布的内部信息，并向 LED 屏发送这些信息和控制 LED 屏显示这些信息。指挥中心和车间构成远程通讯系统，通讯距离长达 100()米。(3)指挥中心控制软件为了方便指挥中心工作人员控制十二个生产车间的 LED 显示屏的信息发布和信息通讯，必须有方便的用户操作界面。用户登录界面，必须包含用户名和密码，只有在输入的用户名和密码正确的长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 8 页装订线情况下，方可进入。通讯控制界面，对十二路 LED 屏进行选择，可以对任意一个、几个或全部LED屏发送信息，并接收 LED 屏的信息反馈。通讯详情查询界面，可以对通讯的历史记录进行查询，通讯记录的详细
22、情况按时间顺序排列。通过灵活方便的使用这些功能，实现 LED 显示系统和双向通讯系统的结合，真正实现基于 LED 屏的双向多机通信。让指挥中心与强噪音环境下的生产车间方便快捷的通讯，以提高工厂的生产效率。1.2.2 课题的主要内容第一，本文根据项目需求，在综合分析目前 LED 大屏幕信息显示系统技术不足的基础上，对本 LED 显示系统进行需求分析、确定系统的基本功能。第二，在需求分析的基础上，确定了符合项目设计要求的通讯方案。本文选取了目前比较成熟的 PC 机+单片机6的 LED 信息显示屏控制技术，在此基础上，引入 RS-485 总线通讯技术，设计了显示和通讯相结合的远程多机双向通讯的 LE
23、D 显示系统。第三，下位机系统硬件部分选择了 Mega128 作为主控制芯片，进行了包括下位机控制系统、LED 显示屏驱动系统、无线手持智能终端的信息反馈系统、上位机和下位机的基于 RS-485 总线的通讯系统、下位机和无线手持智能终端的无线通信系统、存储器扩展系统、字模提取系统、时钟系统、声光报警系统等的硬件电路设计和 PCB 板开发。第四，确定通讯协议。第五，在硬件设计基础上进行硬件部分的软件开发，选用 C 语言进行开发。第六，上位机软件选取了目前比较流行的 VC 进行开发。1.2.3 课题的意义随着 LED 显示屏的显示技术和控制技术的飞速发展，LED 显示屏的应用范围越来越广，更多的场
24、合对 LED 显示屏提出了更多更新更高的要求，例如本文所研制的LED 通讯屏就是国内市场上的一大空白。目前几乎所有的 LED 屏都只作为显示屏而存在，只有上位机向下位机发送与显示内容相关的信息，而上位机并不能得到下位机的信息反馈，即上位机和下位机不能实现双向通讯。本课题不仅解决了该项目中指挥中心和生产工厂通讯难的问题，也为同样需要LED 显示系统作为远程双向多机的通讯系统的场合提供了解决思路，弥补了国内市场的空白，拓展了 LED 屏的发展空间。1.3 小结本章在介绍 LED 显示屏控制系统发展现状的基础上，针对某项目中的某工厂在强噪音环境中需要指挥调度中心与多个生产车间进行产量信息发布和通知信
25、息发布反馈的难题，提出了一种基于 RS-485 总线的双向主从分布式远程多机 LED 显示屏控制系统，从而很好地解决该工厂指挥调度中心和各车间通讯难的问题。第二章系统的组成及总体设计2. 1 系统的组成及功能2.1.1 本系统的硬件系统组成本文所设计的 LED 大屏幕显示系统的硬件系统组成如下图所示，由三大部分组长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 9 页装订线成:一台上位工控机、12 台下位机和通信部分。图 2.1 系统组成框图如图 2.1 所示，下位机硬件部分主要包括包括下位机控制系统，LED 屏点阵驱动系统，无线手持智能终端，另外还有字模信息提取及存储系统，时钟芯片和声光报
26、警部分。其中每台下位机的控制系统采用两片单片机。单片机 1 控制系统负责控制 LED 的时间和产量的静态显示，无线手持智能终端和报警部分。其中手持智能终长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 22 页 第 10 页装订线端包括液晶显示屏、键盘、SD 卡三部分。单片机 2 控制系统负责通知信息的字模信息提取及存储，以及通知信息的动态显示。通信部分包括两部分:上位机和下位机间采用基于 RS-485 总线的通讯系统、下位机和无线手持智能终端间采用基于 SPI 总线的无线通信系统。2. 1. 2 本系统的软件系统组成软件部分包括上位机软件和下位机软件。(1)上位机软件上位 PC 机作为整个系统的控制中心
27、，负责向 12 台下位机发送显示信息，轮询命令，和接收下位机反馈信息。通过制定相应通信协议，可以向不同的下位机系统发送不同信息，可以接收各下位机反馈的信息。(2)下位机软件单片机 1 控制软件要完成如下功能:控制时钟芯片对 LED 显示屏的时间进行实时刷新;接收上位机发送的时间校正命令和产量信息;显示时间和产量;通过无线端口把通知信息发送给手持智能终端，智能终端把通知信息显示在 LCD 上，通过键盘输入向上位机进行信息反馈，并在大屏上动态显示;所有上位机和本机的通信信息都存储在 SD 卡中，并可以取出来插入电脑的读卡器进行随时查阅。单片机 2 控制软件要完成如下功能:当通知到来时发出声光报警信
28、号;接收上位机发送的通知信息的机内码，通过机内码在字库中查询通知信息的字模，并存储在扩展存储器中;完成通知信息的动态显示。2. 2 系统的整体设计2. 2. 1 系统的硬件设计系统的硬件电路主要由以下几部分部分组成:下位机控制部分电路、LED 屏点阵显示驱动电路，上位机和下位机的通信电路，字模信息提取及存储系统，手持智能终端电路，时钟电路，声光报警电路。下面分别对每一部分的总体设计进行论述。2.2.1.1 下位机控制部分电路选择采用 AT89C51 单片机7，为控制器，AT89C51 是 Atmel 公司生产的一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位单片机，辅以外围电路，完成串行通讯、外部存储器
29、读取、通过上位机的命令将硬件字库的内容调出并进行显示等功能。但是这种方案需要单片机具有较多的 I/O 口以进行扩展，并且要求单片机的运行速度较高，否则点阵显示屏无法正常刷新，AT89C51 单片机在晶振为 11.0592MHz 的时候，单周期指令执行速度为 lus，传送一个字节至少需要 8 个周期，一个汉字的大小为 32x24 点，屏的大小为 24x256 点，若显示 50 个汉字字模码所需的时间至少为(50 X Bus X 24 X 32 )干8=38.4ms，并且其他指令的执行时间还并没有计算在内。人眼的视觉暂留时间一般为为 O.OSs 至 0.2s，要想使人清晰的看到稳定的 LED 显示
30、，刷新率至少应在 SOHz以上，即 20ms，所以，AT89C51 单片机的刷新速度较难满足要求。从串口通讯方面来说，可以使用两片 AT89C51 单片机，一片负责与上位机的通讯和键盘显示等，另一片只负责驱动屏幕显示，但这种方案使单片机资源分配不合理，且 AT89C51 的I/O 口有限，不能满足需要，并且升级能力极为有限，同时单片机的编程、调试难度增加，开发周期长，不宜采用此方案。下位机的控制部分采用 AVR 系列单片机中的 ATmega128 单片机作为控制器。AVR 系列单片机的是目前广泛应用单片机。ATmega128 具有 128K 字节的系统内可编程 Flash(具有在写的过程中还可以读的能力，即 RWW), 4K 字节的 EEPROM,4K 字节的 SRAM, 53 个通用 I/O 口线、32 个通用工作寄存器等丰富的片上资源。所以本系统采用 ATmega 128 不论是在速度上还是扩展方面均能满足要求。
