plc基于单片机的LED大屏幕系统设计.doc

1、包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院毕 业 论 文论 文 题 目 ： 基于单片机的 LED 大屏幕系统设计学 号 ： _作 者 ： _专 业 名 称 ： _2016 年 06 月 20 日崔傲奇机电一体化14152726130249包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -2单 击 相 应 的 年 月 日 将 其 修 改 为 实 际 的 论 文提 交 日 期 ， 不 用 此 信 息 时 ， 删 除 此 框 。论 文 题 目 ： 作 者 ： _ 指 导 教 师 ： 单 位 ： 单 位 ： 论 文 提 交 日 期 ： 2016 年 06 月 20 日张呼和 不道啊 plc

2、的应用与发展刘明哲单击此处键入作者姓名导师姓名导师所在单位 包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -3目录摘要 - 31 课题研究背景 -4 1.1 LED 原理 -4 1.2 中国 LED 发展现状 -5 1.3 课题研究的目的和意义 -62.课题研究内容 -62.1 研究主要内容 -6 2.2 方 案 设 立 -63方案实现31 主控制芯片 AT89S52 31.1 主控制芯片 AT89552 的性能312 引脚说明3.2 LED 点阵3.3 74HC5953.3.1 概述3.3.3 真值表4主要功能模块的实现及调试方法4.1 字符显示模块4.2 单片机系统及外围电

3、路4.3 列驱动电路包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -44.4 行驱动电路4.5 显示驱动程序总结结束语参考文献附录附包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -5摘要自 20 世纪 80 年代后期开始，随着田 D 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ED 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，明 D 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

4、域将会越来越广；吧 D 显示屏经多年的开发、研制、生产，其技术目前已经成熟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 ED 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ED 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、宣传的场合关键词：单片机、点阵、吧LED 包 头 轻

5、工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -611LED 原理 ,LED 就是 LghtEmtingDWe（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。在比 D 的 p 一 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 一 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

6、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pn 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 h 烟为普朗克常数 V 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）其与发光波长从 nm）的关系为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己拥有完整的产：品、创新能力不断增强，m 场需求 1 分强烈。近年来，LED 产业发展步伐的进一步，加快不仅促进比 D 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

7、幅提：高。据统计产值 200 年 LED 芯片 50 亿元左右 LED 包装业增加值 250亿元左右，LED 应用产业产值 9亿元左右。中国也大力支持LED 产业发 LED 产业产出在 205 年将达到 500 亿元人民币，年复合增长率约为 4 现。然而中国比 D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300 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1LED 显示屏产业具有，较高的区域集中主要是中国东部和南部。包 头

8、轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -7深圳是中国的主要生产基地、LED 显：示屏产业占全国的 4的市场份额。与此同时，中国是全球 LED 显示屏的生产基地。中国比D 显示屏的生产规模是占世界 706 的 28 年增长到 200 年的 83中国 LED 显示屏的生产公司正在迅速地扩大它们的大小，在 200年底，全国共有，40 多个比 D 显示屏制造商年产值超过 1 亿人。根据200203 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 3亿元 200 年增长 306。从发展趋势国内比 D 显示屏的 m 场启动阶段

9、过渡到快速发展阶段。LED 显示屏市场自 202 年复合增长率有望达到60%。13 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 LED。显示屏产品门类和品种体系将更加丰富，

10、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。 包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -82 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，88ED 点阵块的字符显示原理；88LED 点阵块的级联和驱动的实现方法；74

11、日C595 实现数据传输和扩展 10 口的原理和方法。2.2 方案设计设计采用 AMEL 公司的 AT89852 作为主控芯片 74HC595 作为扩展 I0 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。包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -93.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

12、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。1616 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，16X6 的点阵需要 256/832 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现，多行（比如 6 行）的同名列共用一套驱动器。具体就16X16 的点阵来说，把所有

13、同行的发光管的阳极连在一起，把所有同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 6 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

14、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，在硬件方面无疑是分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序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（传包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -10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

15、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，以致影响至 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。3.1 主控制芯片 AT89S523.1.1 主控制芯片 AT89S52 的性能AT

16、89S52 是一种低功耗、高性能 COMSS 位微控制器，具有 SK在系统可编程 Fhh 存储器。使用 AmCI 公司高密度非易失性存储器技术制造与工业 80CS 产品指令和引脚完全兼容。片上 Fash 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 Fash，使得 AT89552 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 MCSS 单片机产品兼容；2、8K 字节在系统可编程 FIash 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 0 口线；包 头 轻 工

17、 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -117、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。31.2 引脚说明PO 口：PO 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 PO 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，PO 口也被作为低 8 位地址数据复用在这种模式下，PO 不具有内部上拉电阻。在 fash 编程时，四口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

18、程序校验时，需要外部上拉电阻。Pl 日： PI 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向四口，pl 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。此外，P10 和 Pll 分别作定时器计数器 2 的外部计数输入（PIMZ 和定时器计数器 2 的触发输入（PIITZEX）在 fash 编程和校验时，PI 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能：P1.0T2 定时器计数器们的外部计数输入），时钟输出P1.1TZEX（定时器计数器 TZ 的捕捉重载触发信号和方向控制）P1.5MOS（在系统编程用）P1.6MSO（在系统编程用）包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -12P1.7

19、SCK（在系统编程用）P2 口： PZ 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向四口，PZ 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 PZ 端口写 “1”时内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IID。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外音数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，PZ 日送出高八位地址。在这种应用中，PZ日使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVXRD访问外部数据存储器时，PZ 口输出 PZ 锁存器的内容。在 fash 编程和校验时，PZ 口也接收高 8 位地址字节和一些

20、控制信号。P3 口：P3 日是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向四口，p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。P3 口亦作为 AT89852 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 f 小 h 编程和校验时，P3 日也接收一些控制信号。端口引脚第二功能：P3.0RXD(串行输入口)P3.lTXD(串行输出口)P3.2NTO(外中断 0)P3.3INTI(外中断 1,P3.4TO(定时计数器 0)P3.511 定时计数器 DP3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）此外，P3 日还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号.RST：复位输入。

21、当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -13ALE/PROG;当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允：许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节，一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 6 输出固定的脉冲信号，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。对 FIASH 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PR（0）。如有必要，可通过对特殊功能存储器（SFR）区中】的 SEH 单元的 1 刀位置位，可禁止：ALE 操作。该位置位后

22、，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时，应设置 AE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（ PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89552 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效， 即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PS 的信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH）EA 端必须保持低电平（接地）需注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如EA 端为高电平（接 VCC 端

23、）CPu 则执行内部程序存储器的指令。FLASH 存储编程器时，该引脚加上ZV 的编程允许电源 V 叩，当然这必须是该器件是使用 ZV 编程电压师 Vpp.ALI ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTALZ：振荡器反相放大器的输出端.3.2 LED 点阵LED 是发光二极管 LghtEmttingD0de 的英文缩写，是一种能够将电能转化为可见光的半导体。其内部主要为一个 PN 结，当 PN结内的电子与空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级电子将多余的能量以光子的形式释放出来产生电致发光现象，发光颜色与其基底的材质元素有关。常用材料有 C 咖（砷化镓）红光材料，C 疋（磷化镓）绿光

24、材料，CN（氮化镓）蓝光材料。LED 的类型包括直插型、表贴三合一、表贴三拼一、亚表贴、点阵模块。包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -14LED 点阵模块是一个或多个ED 发光二极管作为一个像素单元按一定的规律排列而成的集合体，通常有 88 点阵块，166 点阵块等。图 45 是一个单色 8*8 从图上看，88 点阵共需要供个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一行置高电平，某一列置地电平时，则相对应的二极管就亮。本设计采用此类点阵模块.3.3 74HC5953.3.1 概述74HC595 是硅结构的 CMOS 器件，兼容低电压

25、ITL 电路，遵守 JEDEC：标准。74 日 C595 具有 8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分开的时钟控制。数据在 SHcp 的上升沿输入到移位寄存器中，在 STcp 的上升沿输入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入端（D）和个串行输出端（Q7）和一个异步的低电平复位。存储寄存器是一个并行 8 位的具备三态总线输出功能的存储器，当使能 OE 时（为低电平）存储寄存器的数据输出总线。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.4.主要功能模块的实现及调试方法4.1 字符显示

26、模块显示屏上图形和字符的显示都是由一个个亮或灭的点（像素）组成的，文汉字的最小的显示单元一般采用 166 点阵，以最小显示单元为基础可以增加显示像素，选取的像素点越多，字体或图形显示的越细腻。英文字符的显示可以选用 88 点阵、86 点阵或是以此为最小单元增加像。本设计采用 616 点阵为显示单元，如图51 所示。由于中文字符的显示采用 1616 点阵块模块，所以采用四块88 的点阵拼接！作为显示的基本单元，同时考虑到控制方式和显示方法，四块点阵块的级联采用在同一行上的所有行控制端连接到包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -15一起，在同一列上的所有的列控制端连接到起

27、。显示方式采用逐行扫描逐列送数的方式显示。在显示字符的时候首先确定行选择端，然后把所有在同一行上的列的数据通，过 L0 口送到列的控制端。其实现方法是通过叫HC595 的串行数据端实现数据的传，送，单片机通过提取的字符的显示信息确定所在行的数据，通过接在行输出端的，74HC595实现行的控制，然后列的数据以同样的方法通过 74Hc595 的串行数据输，出功能把数据送到相应的控制端口间。由于人眼有视觉残留，所以在不同的时，刻扫描不同的行列就能实现字符的显示，此原理也就相当于把每一个字符的不同，点拼接到一起，由于时间间隔非常短所以我们会认为是一起显示的。四块 LED 点，阵共有16 个行控制端和

28、6 个列控制端，因此为了节省单片机的 0 口资源用两片，74HC595 作为行控制端的 0 数据输出口，两片 74HC595作为列控制端的数据输出口。4.2 单片机系统及外围电路单片机采用 MSC5 或其兼容系列芯片，采用 242 或更高频率晶振，以获得较高的刷新频率，时期显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连用来显示数据。PI 口低 4 位与行驱动器相连，送出行选信号；P15 P17 日则用来发送控制信号。 PO 日和 PZ 日空着，在有必要的时候可以扩展系统的 RN 和 RAMO1616 的点阵显示屏的硬件原理图如图：列驱动电路有集成电路 74 日 C595 构成。它具有一个 8 位串入并

29、出的移位寄存器和一个 8 位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，既达到重叠处理的目的74HC595 的外形及内部结构如图 3 所示。它的输入侧有 8 个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚 5 是串行数据的输入端。引脚 SCK 是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将 5 的下一个数据打入最低位。包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -16移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK 是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位

30、寄存器的输出打入输出锁存器。引脚 G 是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于 SCK 和 RCK 两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰芯片的输出端为 QA-QH，最高位QH 可作为多片 74HC595 级联应用时，向上一级的级联输出。但因为 QH 受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。4.4 行驱动电路单片机 PI 口低 4 位输出的行号经 46 线译码器 74 时 54 译码后生成 16行选通信号线，再经

31、过驱动器驱动对应的行线。一条行线上要带动6 列的 LED 进行显示，按每一中 D 器件 20MA 电流计算，6 个吧D 同时发光时，需要 32MA 电流，选通三极管 8550 作为驱动管可满足要求。4.5 显示驱动程序显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器 TO 重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，16 扫描显示屏的刷新率帧频）计算公式如下：刷频率（帧频=1 16TO 溢出率=1/16x f/12( 65536 - t)其中 f 位晶振频率，t 为定时器 TO 初值（工作在 16 位定时器模式）然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器

32、。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -17新打开显示。图为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -18总结经过前期的资料准备以及设计规划构思中期长时间的软硬件调试和后期的完善工作。本次中 D 点阵屏的设计圆满完成任务，实现了预期的功能，即能在一定的距离范围内显示信息，而且显示的信息量能满足日常的工作需要，点阵屏能实现时时刷新信息的功能，整体系统运行稳定，没有存在死机和发热严重的现像。包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -19包 头 轻 工 职 业 技 术 学 院 自 动 化 学 院- -20