1、LED 电子显示屏的设计1四川理工学院成人教育学院毕 业 设 计 (论 文 )题 目 数字 LED 显示屏设计 教学点 重庆科创职业学院 专 业 电子信息工程 年 级 姓 名 郭优惠 指导教师 郑雪娇 定稿日期： 2013 年 X 月 X 日LED 电子显示屏的设计2四川理工学院成人教育学院毕业设计（论文）任务书学生姓名 郭优惠 专业班级 电信 BK31901设计（论文）题目 数字 LED 显示屏设计接受任务日期 2012 年 12 月 21日 完成任务日期 2013 年 月 日指导教师（签名） 指导教师单位 重庆科创职业学院设计(论文)内容目标设计(论文)要求参考资料LED 电子显示屏的设计
2、3注：此表由指导教师填写后发给学生，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。LED 电子显示屏的设计4数字 LED 显示屏设计摘要LED 就是 light emitting diode （发光二极管）的英文缩写,它是一种能发光的二极管。LED 显示屏（LED display），又叫电子显示屏或者飘字屏幕，是由 LED点阵组成，通过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频等各种信息的显示屏幕，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构，通常由显示模块、控制系统及电源组成。显示模块由 LED 灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内
3、容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压或电流转为显示屏需要的电压电流。LED 显示屏可以显示变化的数字、汉字、图形图像，不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有液晶显示屏无法比拟的优点。LED 之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是因为它本身所具有的亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED 的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。LED显示屏性能超群: 在可视距离内阳光直射屏幕表面时,显示内容清晰可见；具有1024-4096 级灰度控制,显示颜色 16.7M 以上,色彩清晰逼真,
4、立体感强；采用静态锁存扫描方式,大功率驱动,充分保证发光亮度；具有自动亮度调节功能,可在不同亮度环境下获得最佳播放效果；全面采用进口大规模集成电路，可靠性大大提高,便于调试维护； 完全适应户外各种恶劣性环境,防腐、防水、防潮、防雷，抗震整体性能强、性价比高。 LED 可用于商品宣传以吸引顾客、店面装饰以提高企业档次、照明可标新立异 、播放企业产品及行业信息、促销、发布招聘信息、各种重大节日的庆祝词及欢迎词以烘托气氛。目前大多数的 LED 点阵显示系统自带字库，其显示和动态效果的实现主要依靠硬件扫描驱动，该方法虽然方便，但只能按照预先的设计进行显示。碰到一些特殊要求的动态显示，比如电梯运行中指示
5、箭头的上下移动、某些智能仪表幅值的条形显示、广告中厂家的商标显示等，就不能满足要求。另外，由于受到存储器本身的局限，特殊字符或图案往往难以显示，且显示内容也不能随意更改。本设计提出一LED 电子显示屏的设计5种利用 PC 机和单片机控制的 LED 显示系统通讯方式，该方法可以对显示内容进行实时控制，可实现诸如闪动、滚动、打字等多种动态显示效果，还可以调节动态显示的速度，用户也可以在 PC 机上进行显示效果的预览，显示内容亦可以即时修改。另外，通过标准的 RS232485 转换模块还可以实现对显示系统的远程控制 。技术可行性分析：本设计提到的电子器件在市面上均有销售且技术也比较成熟，方便购买及技
6、术更新。本设计所用的控制器件也是非常可见的 PC 和单片机，为操作带来方便。由于上述器件的普遍性，使得购买成本降低了。从技术、操作、经济、调度及合法方面，本设计均有较高的可行性。LED 显示屏控制系统性能良好，工作稳定可靠，易于维护升级，具有很高的性价比。 关键词：LED；数据传输；信息发布系统；单片机DESIGN OF THE LED ELECTRON PANELABSTRACTLED panel systems gains rapid development in the design, machine and application from nine-tites ages. It we
7、nt thorugh from single color and two colors to image LED panel. As a high technology production, LED panel can realize real time and sequential displaying textue, graghic and images. LED panel has many special feature such as high reliability、long life、high performance、low cost、and more important hi
8、gh acclimatization. Moreover, with the technique of color p anel perfect increasingly,LED panel is widely used in many fields.The core technique for a LED panel is mainly centralized on its contorller. The majority of asynchronous display panel use the 8 or the 16 micro-controllers,because the proce
9、ssing speed, the system construction, the addressing scope, the periphery connection resources and on so many limits, in request demonstration many picture elements, the demonstration content frame frequency has been with dificulty high, in the dynamic demonstration effect complex situation, obtains
10、 the good dynamic visual effect.the method was favorable for the stability and efficiency of the whole system.The system was easy in maintenance and updating,and enjoys high performance/price ratio.LED 电子显示屏的设计6Key word：LED,Transnssion System,information releasing system,singlechip目录第一章 绪 论 .61.1 LE
11、D 显示屏的研究背景及意义 61.2 LED 大屏幕的发展状况与趋势 71.2.1 LED 大屏幕的发展状况 .71.3 LED 显示屏的信息发布技术 8第二章 LED 电子显示屏的介绍 92.1 LED 显示屏简介 92.3 LED 显示屏的分类 10第三章 LED 显示屏的组成 .113.1 LED 显示模块结构 113.2 LED 显示系统的构成 123.2.1 驱动电路 .123.2.2 控制系统 .133.2.3 显示类型 .143.3 LED 显示屏的硬件原理 14第四章 LED 显示屏的设计 164.1 LED 点阵显示屏驱动设计 164.1.1 常规驱动电路的设计 .164.1
12、.2 点阵显示屏显示 .174.2 LED 显示屏的控制模式 174.3 LED 显示屏的主控电路 184.3.1 系统主控电路 184.3.2 驱动芯片 184.4 LED 显示屏的实现技术 19第五章 LED 显示屏的应用 20LED 电子显示屏的设计75.1 LED 显示屏的应用 205.2 总结 .205.3 LED 显示屏的解释术语 21参考文献 .23致 谢 .23第一章 绪 论1.1 LED 显示屏的研究背景及意义发光二极管(LED)，是一种把电能变成光能的特种器件，主要由 PN 结芯片、电极和光学系统构成。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态，当系统由不稳
13、定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式辐射出来，就会产生发光现象。当在 PN 结上加以正向电压之后，P 区的空穴注入至 N 区，N 区的电子注入至 P 区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些多数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。LED 大约是在 80 年代中期开始在电子显示屏中使用的。进入 90 年代以后，由于半导体工业的迅猛发展，带动了 LED 制造材料和工艺的改进，在颜色与亮度方面都有了质的飞跃。早期的 LED 显示屏，由于受材料和工艺的限制，视角仅有 200 一300
14、 左右，从而制约了 LED 显示屏的发展。在分辨率方而，由于受当时数字技术、集成电路技术和控制技术等技术的限制，很难作出高密度的 LED 显示屏。今后随着半导体工业的不断发展，无论是材料，还是加工工艺，都会不断地提高，LED 显示屏在颜色、视角、亮度、密度、寿命等方面也会逐步完善，价格也会进一步降低。近年来，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。LED 显示屏的关键控制技术随着新型超大规模集成电路(VLS
15、I)的发展也必将有新的提高。通用 VLSI 在产品性能提高的同时成本也在呈下降趋势，新一代 LED 显示LED 电子显示屏的设计8控制集成电路也已开始得到推广和应用。随着我国经济发展迅猛，对信息传播有越来越高的要求。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。1.2 LED 大屏幕的发展状况与趋势1.2.1 LED 大 屏幕的发 展状况我国在 LED 领域的研究开发工作成绩斐然。目前普绿和高亮度纯红 LED 已经实现商品化，国内的 LED 显示屏发展经历了三个阶段：1.1990
16、 年以前是 LED 显示屏的成长形成期，受 LED 材料的限制，LED 显示屏的应用领域没有广泛展开。而且，显示屏控制技术基本上是通信控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的 LED 显示屏在国内外应用广泛，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通信控制，灰度等级为单点 4 级调灰，产品的成本比较高。2.1990-1995 年，这一阶段是 LED 显示屏迅速发展的时期。全球信息产业高速增长，信息技术在各个领域不断突破，LED 显示屏在材料和控制技术方面不断出现新的成果。蓝色 LED 晶片研制成功，全彩色 LED 显示屏进入市场， LED 显示屏在国内的发展速度非常迅速，LED 显示屏在
17、平板显示领域的主流产品局面基本形成，LED显示屏产业成为新兴的高科技产业。3.1995 年至今，LED 显示屏应用领域更为广阔。全彩色 LED 显示屏、256 级灰度视频控制技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现。LED 显示屏控制专用大规模集成电路已由国内企业开发生产并得到利用。我国 LED 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。LED 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分。1.2.2 LED 大屏幕的发展趋势二十一世纪的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将有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的
18、代表性主流产品。白光 LED 是 LED 产业中最被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光 LED 在照明市场的前景备受瞩目。欧、美及日本等先进技术国家也投注许多人力，成立专门的机构推动白光 LED 研发工作。可见国外 LED 显示屏技术LED 电子显示屏的设计9主要集中在新材料的开发上，以新发光材料来提高显示屏的视觉效果、能耗等各种性能。随着能源紧缺问题越来越突出，LED 的重要性和市场空间更加显著。鉴于我国LED 产业的现状，不论技术还是产能短期内达到世界先进水平都有相当大的难度。要在国内发展高亮 LED 产业，可以充分利用国内现有的研发和生产力量，走合作发展的道路。半
19、导体产业的全球化发展，是每个企业都要面对和无法回避的。国内企业通过规范股权架构、加大研发，采取并购和合作的方式将海外先进技术引入国内，可争取与国际大厂基本在同一技术水平进行产业竞争。继上海、厦门、大连、南昌和深圳成为首批五个国家半导体产业化基地，国内封装和应用企业形成快速的市场适应能力和价格优势，我国大陆已经成为世界上重要的 LED 封装生产基地。封装及应用，尤其是国际应用产品加工有向我国转移的趋势。在封装和应用领域中国已经完全有可能、有能力在高端市场占据一席之地，但必须加大产品的创新、加强品牌的培育。目前全世界都在寻求解决经济发展和能源短缺的矛盾，给整个绿色照明生产行业带来广阔的市场前景与新
20、的机遇。1.3 LED 显示屏的信息发布技术现代社会已经迈入信息化时代，信息传播速度越来越快，人们对信息的依赖程度也越来越高。信息技术自然成为优先发展的关键技术之一。随着计算机技术，尤其是网络技术的发展，信息以各种文件格式保存，并以数据包的形式在网上传输。实际应用过程中若信息是以计算机文件的形式传送到 LED 大屏幕或网络终端上显示，其间的控制是由控制软件通过微机或网络来实现的。信息若寄托于 GSM 网络被传送到 LED 显示屏上时，其间的控制是由 GSM 网络控制的。第二章 LED 电子显示屏的介绍2.1 LED 显示屏简介LED 电子显示屏是由几万-几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组
21、成。利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素点。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屏幕同步的产品。它以其超大画面、超强视觉、灵活多变的显式方式等独具一格的优势，成为目前国际上使用广泛的显示系统，被应用于金融证券、银行利率、商业广告、文化娱乐等方面。用于制造显示屏的发光二极管产品有单管、矩阵块、象素管三种规格，以满足LED 电子显示屏的设计10不同使用场合的要求。LED 显示屏按其使用环境分为室内显示屏和室外显示屏。一般把显示图形或文字的 LED 显示屏称为图文屏。图文显示屏的主要特征是只控制LED 点阵中各发光器件的通断，而不控制 LED 的
22、发光强弱。LED 图文显示屏的外观可以做成条形，叫做条屏，也可以按一定高度比例做成矩形的平面图文显示屏。条与平面显示屏在显示与控制的原理上并无区别。用点阵方式构成图形或文字，是非常灵活的，可以根据需要任意组合和变化，只要设计好合适的数据文件，就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息，是非常有效的。为了吸引观众增强显示效果，可以有多种显示模式。最简单的显示模式是静态显示，与静态显示模式相对应的就有各种动态显示模式，它所显示的图文都是能够动的。产生不同显示模式的方法，并不意味着一定要重新编写显示数据，可以通过一定的算法从原来的显示数据直接生成。例如，按顺序调整行号，
23、可以使显示图文产生上下平移；顺序调整列显示数据的位置，就可以达到左右平移的目的;同时调整行列顺序，就能得到对角线平移的效果。不过当算法太复杂，太浪费时间的话，可以考虑预先生成刷新数据，存储备用。刷新的时间控制，要考虑运动图形文字的显示效果。刷新太慢，动感不显著，刷新太快，中间过程看不清。一般刷新周期可控制在几十毫秒范围之内。2.2 LED 显示屏的特点随着科学技术的发展以及制造工艺的进步，LED 显示屏也在不断的进步和完善，高新技术使 LED 显示系统与以前相比有了更为优异的性能。当前的 LED 显示系统主要有以下特点：I.在局部设计上采用模块化电路设计按功能分成不同的模块，每个模块之间只需要
24、极少的联系，极大的提高了系统的稳定性、可靠性。调试、维护难度大大降低。2.先进的分布式扫描技术显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。每个单元间的信号采用信号锁存技术进行同步控制，显示的稳定性大大增强。3.可视性好采用高性能 LED 驱动芯片构成的显示屏具有高亮度、色彩鲜艳、视角大，寿命长(不少于 50,000 小时)，稳定性高，响应速度快等特点。4.易于安装LED 电子显示屏的设计11采用显示单元板或显示单元箱体，可根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸，如果要扩大或缩小系统规模，只须按需要在系统中增加新单元，或拆去某个单元，系统完整性不会受到
25、多少影响，便于安装和维护。综上所述 ，LED 显示技术作为一种电子信息显示技术，相信随着各种科学技术的发展，LED 显示系统以其优异的性能将会有更为广阔的发展前景。2.3 LED 显示屏的分类 1、按颜色基色可以分为:单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色） 。双基色显示屏：红和绿双基色、256 级灰度、可以显示 65536 种颜色。 全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256 级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。 2、按显示器件分类 :LED 数码显示屏：显示器件为 7 段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。 LED 点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二
26、极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。 3、按使用场合分类 :室内显示屏：发光点较小，一般 3mm-8mm，显示面积一般几至十几平方米。 室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 4、按发光点直径分类 室内屏：3mm、3.75mm、5mm、 室外屏：10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、25mm、31.25mm、36mm室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发光增强亮度。LED 电子显示屏的设计12第三章 LED 显示屏的组成3.1 LED 显示模块结构 L
27、ED显示屏通常由若干LED点阵显示模块组成，用于显示的8x8单色LED显示点阵模块，每块有64个LED。为了减少引脚且便于封装，LED显示点阵模块采用阵列形式排布，即在行列线的交点处接有显示LED 。 8X8 LED点阵的外观及引脚如图3-1，等效电路图如图3-2所示。LED点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行LED。微处理器通过和驱动器的协同工作来完成对每一个LED点阵显示模块内每个LED显示点的亮、熄灭控制操作。图3-1 8*8点阵外观及引脚图LED 电子显示屏的设计13图 3-2 8*8 点阵等效电路3.2 LED 显示系统的构成LED 显示屏主要包括发光二极
28、管构成的点阵或像素阵列、驱动电路、控制系统和传输接口以及相应的应用软件构成，如图 3-3 所示。输出接口电路输入接口电路信号控制、转换LED 显示屏行列驱动控制系统图 3-3 LED 显示系统构成3.2.1 驱动电路LED 显示屏驱动电路的主要作用是接受来自控制系统的数字信号，使 LED 阵列按要求点亮。(1)从采用的器件来分有常规型、专用型及功能型:常规型驱动电路是采用通用的集成电路，如 74HC154,74HC595, 74LS374 等作为数据装载的主要器件。这种设计，原理简单，价格便宜，且几乎不受器件来源的限制，是目前较为广泛的应用形式。专用型驱动电路，是国内一些有实力的 LED 显示
29、屏制造厂家，通过先进的技术手段，研究开发出的适合自己产品的专用 LED 显示屏驱动 IC。国外的许多 IC 制造商也在跟踪这个市场，纷纷推出一些新的驱动 IC。这些专用型的驱动 IC，有的比较简单，仅仅是提高了原来通用型驱动 IC 的集成度或驱动能力;有的则比较复杂，是根据自己的产品特点开发出来的。功能型驱动集成电路是在专用型驱动 IC 的基础上发展起来的。它不仅可以使显示屏的功能增强，而且还大大简化了系统设计的复杂程度，提高了 LED 显示屏的整PC 机LED 电子显示屏的设计14体稳定性，是 LED 显示屏驱动电路的发展趋势。(2)从实现信息刷新的原理上分，LED 显示屏驱动电路又分为扫描
30、型及锁存型两种 :扫描型是指显示屏 4 行、8 行、16 行等 n 行发光二极管共用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行 LED 的点亮时间占总时间的 1/n，只要整屏的刷新速率大于 50HZ，利用人眼的视觉暂留效应，就可形成一幅完整的文字或画面。这种设计电路结构比较简单，使用元器件较少，成本较低，但由于是分时工作，使得每一行 LED 的点亮时间减少，使 LED 的亮度有所降低。这种驱动方式一般用于室内 LED 显示屏。锁存型驱动是指显示屏上的每一个 LED 都对应于一个驱动电路，与扫描型不同，驱动寄存器无需时分工作，每个 LED 的亮度占空比接近 100%。锁存型驱动如采用常规
31、型的设计方法，则所用元器件较多，成本较高，如采用专用型或功能型 IC 设计，则成本将大幅度降低。一般室外 LED 显示屏大多用锁存型驱动。3.2.2 控制系统控制系统负责接收、转换和处理各种外部信号，并以一定的规律和方式将信号传送到 LED 显示屏上显示。控制系统是 LED 显示屏中的一个至关重要的组成部分，它的性能以及所能实现的功能，也直接代表了显示屏产品的性能水平。(1)从实现控制的方式来看，系统控制电路可分为集中式和分散式两种 :集中式控制系统是指 LED 显示屏仅受一个控制系统指挥，各个显示单元具有共同的数据信号，外同步信号和特别控制时基信号。采用这种方式，需要处理的整屏信息量大，工作
32、时时钟频率较高，控制系统的设计较复杂，但易于管理，系统可靠性高，成本低。分散式控制系统是指显示屏的每一个单元都有自己的控制系统，各显示单元仅有共同的数据信号和外同步信号，而没有共同的特别控制时基信号，采用这种方式，仅需处理一个单元的信息量，其信息量和工作时钟频率都比较低，控制系统的设计也很简单，控制电缆数据量少，控制距离可较大，同时在单元的生产过程中基本上完成了整屏的调试。其结构形式大多为半移动式结构，但采用这种方式时，元器件的成本较高。(2)从显示的实时性可分为同步显示及异步显示两种:同步显示方式是指 LED 显示屏能同步显示计算机 CRT 上的信息，可将 LED 显示屏当作一个计算机的外接
33、大显示器。异步显示方式常用于由单片机控制的显示系统中。在信息显示的实时性要求不高的情况下，单片机通过串口按一定的通讯协议接收来自计算机串口的信号，通过处理后，以一定的规律将数据送至显示屏显示。这类显示屏的功能比较单一，只适用于简单的文字及图形显示。(3)从显示的效果可分为无灰度级显示及多灰度级显示两类：无灰度级显示是指 LED 显示屏的每像素点都只有亮与不亮两种状态，且全屏点亮的刷新时间一样长。多灰度级显示是指 LED 显示屏中每像素点的亮度是可控的如 16 级灰度就是指每点的亮度从暗到亮可分为 16 级。显然无灰度级显示屏只适用于显示文字或简单的图形，而多灰度级的显示屏就能显示丰富多彩的画面
34、。3.2.3 显示类型LED 大屏幕显示可分为静态显示和动态扫描显示两种。LED 电子显示屏的设计15静态显示每一个像素需要一套驱动电路，如果显示屏为 N*M 个像素，则需要N*M 套驱动电路;动态扫描显示则采用多路复用技术，如果是 P 路复用，则每 P 个像素需一套驱动电路，N*M 个像素仅需 N*M/P 套驱动电路。对动态扫描显示而言，P 越大，所需驱动电路就越少，成本也就越低，引线也大大减少，更有利于高密度显示屏的制造。在实际使用的 LED 大屏幕显示器中，很少采用静态驱动。LED点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方式，每次最多只能点亮一行LED。处理器通过和驱动器的协同工作来完成对
35、每一个LED 点阵显示模块内每个LED显示点的亮、熄灭控制操作。数据采集器从显示卡上获取显示数据并转化为帧控制器所需的数据格式。帧控制器从数据采集器上获得数字化的显示信号后，经过筛选、拾取后，将需要在 LED 显示屏上显示的内容转换为扫描板所需要的数据格式。也就是说，帧控制器将计算机的标准接口获取控制信号，使用户能通过计算机的应用软件（LED 管理工具）完成对 LED 屏的控制和调节，使帧控制器不但能适应各种不同规格的 LED 屏，还能调节整屏的亮度和各色的全屏亮度功能，使 LED 屏具有出色的节能效果。当主控计算机与 LED 屏相距较远时，可利用帧控制器上的长线发送电路和长线接收卡完成帧控制
36、器与扫描板之间的数据传输。行控器以串行级联的方式连接，从而完成数据在显示屏上某一方向的分配。各行控制器能从其级联总线上获取其所需的显示数据。由于在级联中加入了定位信息，所以行控制器无须外部设置即可自动定位。因此在全系列的 LED 控制系统中，行控制器就成为一种通用的标准部件。显示单元模块是由 LED 显示控制芯片及其外围电路组成。显示单元模块也是以串行级联方式来完成显示数据在 LED 屏上的另一个方向上的数据分配。在扫描板控制下，显示单元模块重复显示的频率不低于 120Hz，且控制输出引脚上输出的是一个带有非线性视觉纠正的具有 256 级灰度的以占空比形式表示的灰度值。3.3 LED 显示屏的
37、硬件原理LED显示屏由控制系统、驱动系统和显示器件组成，其中微处理器控制系统是整个显示屏的核心。屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用8X8单色显示单元。控制电路采用动态扫描驱动方式驱动LED器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。LED显示屏的系统硬件结构框图如图3-4 所示:LED 电子显示屏的设计16图3-4 系统硬件结构框图LED大屏幕是由众多点阵模块排列而成。本系统由于横向点阵的列数较多，若采用列扫描方式来刷新点阵，有两点不足:一是点阵亮度受影响，二是整个屏幕的刷新频率随着列数的增加而降低。为了避免列扫描的不足，可以采用行扫描方式。这种扫描方式从
38、每行模块的第一行LED顺次到该行模块的最后一行LED 依次点亮模块的每一行。对于由8xS 的模块构成的点阵来说，只要8次即可将每个模块刷新一次，也就是将屏幕刷新一次。LED显示屏作为一个单独的显示硬件，它能够将外来数据转换成图像显示出来。这个过程由硬件驱动程序来控制和实现。显示过程是这样的:首先控制显示的单片机接收LED屏主控微机传来的数据(按照通信协议组织的数据);接着，主控程序将数据转换成屏幕显示的图形，存储到显存；再按照扫描顺序与屏幕对应关系，将显存内容转换成扫描内容;再将数据输出到控制单个LED模块的数据锁存器;最后扫描锁存器中的数据，刷新屏幕。LED 电子显示屏的设计17第四章 LE
39、D 显示屏的设计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、广告屏以及公告牌等。4.1 LED 点阵显示屏驱动设计4.1.1 常规驱动电路的设计LED显示屏的扫描驱动电路原理见图4-1所示。显然，在脉冲周期的T1期间，LED处于发光状态，而在脉冲周期T2期间，LED处于熄灭状态。 图 4-1 扫描驱动电路原理由于LED发光管没有余辉效应，则当扫描周期T(T1+ T2)较大时，也即亮暗重复得不够快时，人眼就有一亮一暗的感觉，称之为闪烁;而当重复频率较高，即T较短时，由于人眼的视觉暂留效应，闪烁感消失，人眼观察到的LED就为连续稳定的发光。理论 与实践证明，当
40、T50Hz，时，在常规的背景亮度下，LED的显示就不会有闪烁感。根据这一原理，将LED发光管排成阵列行式结构，称横线为行，纵线为列。如N行LED共用一列数据，称其为I/N 扫描方式，或称1:N扫描。N常规取值有4, 8,16,32等。当N根行线中的某一行有效时(处于高电平)，则该行中的发光管亮暗全由对应的列线确定，列线为低电平，发光管就亮，列线为高电平，发光管灭。当N根行线分时工作且刷新速率足够高时，就能显示出一幅稳定完整的文字或图形。用74HC595作为列数据锁存器，用74HC 161作为行计数器，以74HC 164作为列译码驱动器，TIP127作为行驱动管。其工作原理为:利用串行时钟CLK
41、信号，将第一行要显示的数据逐位移入74HC595中，当全行数据全部移到位后，产生的数据锁存信号STR将数据由74HC595的后台移入前台锁存，同时利用STR信号进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行PNP管饱和导通，即第一行的LED 正端全部接为高电平，由于在74HC595中锁存的数据将使对应的列驱动三极管8050导通或截止，所以第一行LED的亮暗将由所移入的数据确定，在第一行有效的时期内，移位时钟移入第二行要显示的数据，全部移入后，进行数据锁存并由计数译码电路产生第二行有效信号，显示第二行数据-一如此重复，当移位时钟足够高使整屏刷新速率50Hz时，就可显示一幅稳定完整的画面。4.1.2 点
42、阵显示屏显示 串行方式可同时显示 4 个 16l6 点阵汉字或 8 个 168 点阵的汉字、字符或数字。点阵显示屏每个单元由 16 个 88 点阵 LED 显示模块、行信号选择译码器74HC138、驱动器 74HC245、数据移位寄存器 74HC595 和行驱动器组成。单元显示屏LED 电子显示屏的设计18可以接收控制器(主控制电路板)或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。此方案为点阵显示屏系统中比较常用的，所用器件也比较常用，容易买到。但是它存在一个致命的
43、缺点，就是刷新速度不够快。如果要驱动 64 列点阵显示，通用51 单片机会比较吃力，出现比较严重的闪烁停滞现象。此外，要实现文字的左右移动和调整移动速度等功能，都会给软件设计带来较多困难。并行方式显示可以通过锁存器芯片来扩展 I/O 口，达到控制 LED 点阵的 64 个列线的目的。运用 16 片锁存器 74HC573 来组成 8 组双缓冲寄存器，驱动 LED 点阵的 8组列线，用 4/16 译码器 74HC595 对 LED 点阵的 16 行进行扫描。在送每一行的数据到 LED 点阵前，先把数据分别送到第一级的 8 个 74HC573，然后再给第二级的 8 个74HC573 送锁脉冲，数据一
44、起输出到 LED 点阵列中，这样就避免了各行数据显示不同步问题。由于并行数据传输速度比串行快，所以字符闪烁的问题得到较好地解决，文字左右移动也比较容易控制。 4.2 LED 显示屏的控制模式单机工作模式采用一个单片机控制实现所有功能，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，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，软件设计方面也容易实现。但是，将所有功能集成在一起，一片 AT89C51 单片机处理能力是不够的。此时，单片机的 CPU内部资源已显不足，会导致系统功能欠佳，达不到较好的性能。主从工作模式采用主从单片机工作方式来控制整个系统。
45、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、时间读取等工作。相对单机工作方式，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。虽然硬件电路以及软件设计方面要求相对高了一些，更涉及到主从单片机通信问题。根据LED显示屏驱动电路的工作原理，要使LED显示屏同步显示PC机CRT上的实时信息，所设计的控制系统应包括与PC机的接口电路设计、信号控制及信号转换电路及输出至LED显示屏驱动电路的接口电路。输入接口电路的功能是如何获取CRT的数据信号及与此相关的信号，如像素点时钟、行、场同步信号等。4.3 LED 显示屏的主控电路4.
46、3.1 系统主控电路系统主控器电路如图 4-2 所示，即为一单片机最小系统，外加扩展槽与一些功能电路，通过键盘扫描来确定工作模式以及完成相关操作。还包括了与上位机 RS-232 接口电路。其主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。LED 电子显示屏的设计19图 4-2 电路图电路主要将单片机发送来的输出点阵数据，通过锁存器芯片扩展的 I/0 口，来控制 LED 点阵的 64 个列线端。4/16 译码器 74HC595 对 LED 点阵的 16 行进行扫描。驱动电路由集成电路 74HC595 构成，它具有一个 8 位串入并出的移位寄存器和一个8 位
47、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各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。4.3.2 驱动芯片驱动芯片主要是 74HC595，74HC595 是具有 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别的时钟。数据在 SCHcp 的上升输入，在STcp 的上升沿进入的存储寄存器中去。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（Ds） ，和一个串行输出（Q7 ）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行 8 位的，具备三态的总线输出，当使能 OE 时（为低电平）
48、 ，存储寄存器的数据输出到总线。图 4-3 74HC595LED 电子显示屏的设计2074HC595 各个引脚的功能：Q1-7 是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口Q7 串行输出口，其应该接 SPI 总线的 MISO 接口STCP 存储寄存器的时钟脉冲输入口SHCP 移位寄存器的时钟脉冲输入口OE 的非 输出使能端MR 的非 芯片复位端Ds 串行数据输入端4.4 LED 显示屏的实现技术LED 电子显示屏最基本的显示部件为 LED 管芯，根据人类视觉原理，可见的自然光是由红、绿、蓝三基色组成的。三种基色具有严格的波长，不同配比可组合成自然界各种各样的光。如白光配比的红、绿、蓝约为 3: 6
49、: 1。由红、绿、蓝三基色 LED 管芯按光强进行配比可组成像素点，整个 LED 电子显示屏就是由多个这样的像素点组成。在早期的 LED 电子显示屏显示控制电路中，大量采用的是常规数字电路系统设计，用数字电路组合出复杂控制逻辑。在常规数字电路系统设计中，当电路设计完成后，须先制作电路板，然后安装元件，调试。如果电路板的逻辑功能不符合要求，就必须重新设计制作，再重新调试，直到实现逻辑功能为止。很显然，这种设计方法的设计周期长，成本高，且成品可靠性差，维修麻烦。利用普通可编程的逻辑器件，虽可减少印刷电路板的设计与制做，但在修改该逻辑时仍旧不能避免器件的反复插拔。在系统可编程技术(In 一 SystemP rogrammable，缩写 ISP)在用户自己设计的目标系统中或电路板上为重构逻辑器件编程或反复改写的能力。常规 PLD 在使用中通常是先编程后装配，而采用 ISP 技术的 PLD 则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程。系统可编程技术的出现，从实践上实现了逻辑设计师们多年来梦寐以求的“硬件设计与修改软件化”的愿望。采用 ISP 技术后，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件
