【正文】 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 1 頁 共 41 頁 1 緒論 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 LED 顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點陣模塊或像素單元組成平板顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強、性能價格比高、使用成本低等特點，在短短的十來年中，迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用。 LED 顯示屏 [1]的發(fā)展可分為以下幾個階段：第一階段為 1990 年到 1995 年，主要是單色和 16 級雙色圖文屏。用于顯示文字和簡單圖片，主要用在車站、金融 證券 、 銀行 、郵局等公共場所，作為公共信息顯示工具。 第二階段是 1995 年到 1999 年，出現(xiàn)了 64 級、 256 級灰度的雙基色視頻屏。視頻控制技術、圖像處理技術、 光纖通 信技術 等的應用將 LED 顯示屏提升到了一個新的臺階。LED 顯示屏控制專用 大規(guī)模集成電路 芯片也在此時由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)出來并得以應用。 第三階段從 1999 年開始，紅、純綠、純藍 LED 管大量涌入 中國 ，同時國內(nèi)企業(yè)進行了深入的研發(fā)工作，使用紅、綠、藍三原 色 LED 生產(chǎn)的全彩色顯示屏被廣泛應用，大量進入 體育場館 、會展中心、廣場等公共場所，從而將國內(nèi)的大屏幕帶入全彩時代。 隨著 LED 原材料市場的迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從 2020 年面世，主要用在室內(nèi)全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調(diào)整的點間距，被不同價位需求者所接受，在短短兩年多時間內(nèi)，產(chǎn)品銷售額已超過 3億元，表面貼裝全彩色 LED顯示屏應用市場進入新世紀。為 了適應 2020 年 奧運會 的 “ 瘦身 ” 計劃，利亞德開發(fā)了表面貼裝雙基色顯示屏，大量用于訓練館和比賽計時計分系統(tǒng)。在 奧運場館 全彩屏方面，為緊縮投資，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奧運期間可作為實況轉(zhuǎn)播工具，賽事結(jié)束后可用于租賃，作為演出、國家政策發(fā)布等公共 場合應用工具，通過這種方式可盡快收回成本。 就市場而言，中國加入 WTO、北京申奧成功等，成為 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新契機。國內(nèi) LED 顯示屏市場保持持續(xù)增長，目前在國內(nèi)市場上，國產(chǎn) LED 顯示屏的市場占有率近 95%。國際上 LED 顯示屏的市場容量預計以每年 30%的速度在增長。 LED 顯示屏的主要制造廠商集中在日本、 北美 等地，我國 LED 制造廠商出口的份額在其中微不足道。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上目前至少有 150 家廠商生產(chǎn)全彩屏，其中產(chǎn)品中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 2 頁 共 41 頁 齊全，規(guī)模較大的公司約有 30 家左右。 目前，經(jīng)過中國政府對 LED 產(chǎn)業(yè)化的積極推動， 國內(nèi) LED 顯示屏的生產(chǎn)技術基本與世界同步，國內(nèi)知名品牌有：奧力興（ Apex Kolor)、遠亮國際照明、恒宇光電、大眼界光電（ TopVision)、 元亨光電 （ yaham）、山木顯示（ skymaxdisplay）、麗晶光電（ Lightking）、洲明（ Unilumin）、銳拓（ Retop）、愛立德（ aled）、聯(lián)建光電（ liantronics）、長方照明 （ cfled）、明爾杰（ MejLed）、德彩光電（ dicolor）、聯(lián)森（ lenson）、良輝光電 (lhgd)、通普（ TOP)、 仕蘭、雅其光（ Art）、 金立翔 、艾比森（ absen）、艾斯威（ aswei）、雷森 （ ledsun）、利亞德（ leyard）、科美芯 (SBC)、三思、奧科光電等。 從 LED 顯示屏的發(fā)展過程來看，首先出現(xiàn)的是以顯示短小文字信息為主的條形圖文顯示屏 ，繼而開發(fā)出灰度 LED 圖像顯示屏。全彩色視頻顯示屏把 LED 顯示屏的地位提升到一個全新的高度，達到了其它類型顯示屏難以匹敵的水平。 LED 點陣顯示根據(jù)應用領域和要求不同可以分為很多種。常用的 是 采用單片機為控制核心的 LED 點陣顯示，顯示的數(shù)據(jù)預先存貯在 ROM 中，當程序運行時，單片機負責依序?qū)?ROM 中存儲的數(shù)據(jù)進行讀取、傳輸和顯示。 為了對顯示數(shù)據(jù)的更新，可以通過 RS232串口，由上位機將要顯示的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，由單片機獨立完成顯示。 課題研究目標和意義 本課題研究目標就是 實現(xiàn)單片機對 16x64 點陣 LED 顯示屏 [2]的顯示進行控制， 實現(xiàn)漢字、數(shù)字、字母的多樣化顯示 ， 最終實現(xiàn)點陣顯示屏的滾動顯示。 LED 屏顯示系統(tǒng)的應用領域十分廣泛，從證券交易、金融信息顯示到機場、港口、車站旅客引導信息顯示，從道路交通信息顯示到郵政、電信、商場購物中心等服務領域的業(yè)務宣傳及信息顯示，這些地方都需要 LED 顯示屏向人們傳達信息。隨著制造工藝不斷提高，同時制造成本逐年快速降低， LED 顯示屏在戶外廣告媒體中會越來越多地代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燈箱、霓虹燈、磁翻板等產(chǎn)品。在現(xiàn)代信息社會中， LED 顯示屏作為甲板顯示的主導產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展 。 本設計主要完成以下幾方面的工作： （ 1） 學習 LED 顯示屏 內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu) ； （ 2） 設計單片機最小系統(tǒng)； （ 3） 設計 16x64 點陣 LED 顯示屏 的行驅(qū)動和列掃描電路； （ 4） 編寫軟件部分，通過 proteus 軟件實現(xiàn)單片機對 16x64 點陣 LED 顯示屏 的控中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 3 頁 共 41 頁 制。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 41 頁 2 LED點陣顯示原理 LED原理 半導體發(fā)光器件 [3]包括半導體發(fā)光二極管 (簡稱 LED)、數(shù)碼管、符號管、米字管及點陣式顯示屏 (簡稱矩陣管 )等。事實上，數(shù)碼管、符號管、米字管及矩陣 管中的每個發(fā)光單元都是一個發(fā)光二極管。 發(fā)光二極管是Ⅲ Ⅳ族化合物，如 GaAs(砷化鎵 )、 GaP(磷化鎵 )、 GaAsP(磷砷化鎵 )等半導體制成的，其核心是 PN 結(jié)。因此它具有一般 PN 結(jié)的 IN 特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由 N 區(qū)注入 P區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子 (少子 )一部分與多數(shù)載流子 (多子 )復合而發(fā)光。 如圖 所示 : 圖 LED 顯示原理 假設發(fā)光是在 P 區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者 先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心 (這個中心介于導帶、介帶中間附近 )捕獲，而后再與空穴復合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在 +近 PN 結(jié)面數(shù) u m 以內(nèi)產(chǎn)生。理論和實踐證明，光的峰值波長入與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度 E g 有關，即 λ≈ 1240／ Eg(mm) 式中 Eg的單位為電子伏特 (eV)。若能產(chǎn)生可見光 (波長在 380nm紫光～ 780nm紅光 )，中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 41 頁 半導體材料的 Eg應在 3． 26 一 1． 63eV 之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管。 LED顯示器結(jié)構(gòu)及分類 通過發(fā)光二極管芯片的適當連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當?shù)墓鈱W結(jié)構(gòu)。可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點。由這些發(fā)光段或發(fā)光點可以組成數(shù)碼管、符號管、米字管、矩陣 管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號管、米字管共稱筆畫顯示器，而把筆畫顯示器和矩 陣管統(tǒng)稱為字符顯示器。 （一） LED 顯示器結(jié)構(gòu) 基本的半導體數(shù)碼管是由七個條狀發(fā)光二極管芯片按圖 12排列而成的?？蓪崿F(xiàn) 0～9 的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有 “ 反射罩式 ” 、 “ 條形七段式 ” 及 “ 單片集成式多位數(shù)字式 ”等 。 （ 1）反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個 LED 貼在與反射罩的七個反射腔互相對位的印刷電路板上，每個反射腔底部的中心位置就是LED 芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應金屬條之間連好 φ30μm的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射 罩對位粘合，然后固化。 反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實封兩種。實封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件。空封方式是在上方蓋上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號顯示）。 （ 2）條形七段式數(shù)碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內(nèi)含一只或數(shù)只 LED 發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形 “ 可伐 ” 框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來。 （ 3）單片集成式多位數(shù) 字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片），利用 集成電路工藝 制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，通過劃片把合格芯片選出，對位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上 “ 魚眼透鏡 ” 外殼。它們適用于小型數(shù)字儀表中。 （ 4）符號管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。 （ 5）矩陣管（發(fā)光二極管 點陣 ）也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 41 頁 （二） LED 顯示器分類 （ 1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有 1mm（單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在 2～3mm）。其他類型筆畫顯示器最高可達 （ 英寸）甚至達數(shù)百 mm。 （ 2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。 （ 3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。 （ 4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。 （三） LED 顯示器的參數(shù) 由于 LED 顯示器是以 LED 為基礎的，所以它的光、電 特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于 LED 顯示器內(nèi)含多個發(fā)光二極管，所以需有如下特殊參數(shù)： 1．發(fā)光強度比 由于數(shù)碼管各段在同樣的驅(qū)動電壓時，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強度不同。所有段的發(fā)光強度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強度比。比值可以在 ～ 間，最大不能超過 。 2．脈沖正向電流 若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為 IF，則在脈沖下，正向電流可以遠大于IF。脈沖占空比越小，脈沖正向電流可以越大。 LED優(yōu)點 LED[18]的內(nèi)在特征決定了它具有很多優(yōu) 點，諸如： (一 )體積小 LED 基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常小，非常輕。 (二 )耗電量低 LED 耗電相當?shù)停绷黩?qū)動，超低功耗（單管 瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。一般來說 LED 的工作電壓是 ，工作電流是 ；這就是說，它消耗的電能不超過 ，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能 80%以上。 (三 )使用壽命長 有人稱 LED 光源 為長壽燈。它為固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、 光衰 等缺點，在恰當?shù)碾娏骱?電壓 下，使用壽命可達 6萬到 10萬小時，比傳統(tǒng)光源壽命長 10 倍以上。 (四 )高亮度、低熱量 中北大學信息商務學院 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 41 頁 LED 使用冷 發(fā)光技術，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多。 (五 )環(huán)保 LED 是由無毒的材料作成，不像 熒光燈 含水銀會造成污染，同時 LED 也可以回收再利用。光譜中沒有 紫外線 和 紅外線 ，既沒有熱量，也沒有 輻射 ，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的 綠色照明 光源 （ 六 )堅固耐用 LED 被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固。燈體內(nèi)也沒有松動的部分，使得 LED 不易損壞。 （ 七 ） 多變