【文章內(nèi)容簡介】 83。 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) 35 附錄 1 系統(tǒng)硬件原理圖 36 附錄 2 設(shè)計(jì)程序 37 附錄 3 系統(tǒng) PCB 圖 45 本科生畢業(yè)論文 1 第 1 章 緒 論 課題背景 選題背景 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，顯示屏由幾萬 …… 幾十萬個半導(dǎo)體發(fā)光二極管像素點(diǎn)均勻排列組成。利用不同的材料可以制造不同色彩的 LED 像素點(diǎn)。目前應(yīng)用最廣的是紅色、綠色、黃色。而藍(lán)色和純綠色 LED 的開發(fā)已經(jīng)達(dá)到了實(shí)用階段。 LED 顯示屏可以顯示變化的數(shù) 字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn) [1]。 在短短的十來年中， LED 點(diǎn)陣顯示屏就以 亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn) 迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 LED 的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性、可靠性、全色化方向發(fā)展 。 LED顯示屏的應(yīng)用涉及社會經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，主要包括：（ 1）證券交易、金融信息顯示。（ 2）機(jī)場航班動態(tài)信息顯示。（ 3）港口、車站旅客引導(dǎo)信息顯示。（ 4）體育場館信息顯示。（ 5）道路交通信息顯示。（ 6）調(diào)度指揮中心信息顯示。（ 7）郵政、電信、商場購物中心等服務(wù)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)宣傳及信息顯示。（ 8）廣告媒體新產(chǎn)品等。 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 （ 1）我國 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 我國的 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾年的發(fā)展，基本形成了一批具有一定規(guī)模的骨干企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，至 1998 年底，年度銷售總額在 1000 萬元以上的企業(yè)有 20多家，其銷售總額達(dá) 6 億元左右，占行業(yè)市場總額的 85%以上。全國從事 LED 顯示屏的各類企業(yè)有 100 余家，從業(yè) 人員近 6000 人，行業(yè)年度銷售總額近 8 億元人民幣， 1996 年、 1997 年的增長速度均保持 40%左右， 1998 年略有回落。在國內(nèi)市場上，國產(chǎn) LED 顯示屏的市場占有率近 100%，國外同類產(chǎn)品基本沒有市場，四十三屆世乒賽主會場天津體育中心、京九鐵路、北京西客站、首都機(jī)場、浦東機(jī)場等，均由國內(nèi)代表企業(yè)中標(biāo)。技術(shù)水平相對領(lǐng)先 ,我國 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)在規(guī)模發(fā)展的同時，產(chǎn)品技術(shù)推陳出新，一直保持比較先進(jìn)的水平。 90 年代初即具備了成熟的 16本科生畢業(yè)論文 2 級灰度 256 色視頻控制技術(shù)及無線遙控等國際先進(jìn)水平技術(shù)，近年在全彩色 LED顯示屏、 256 級灰度視頻控制技術(shù)、集群無經(jīng)線控制、多級群控技術(shù)等方面均有國內(nèi)先進(jìn)、達(dá)到國際水平的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)； LED 顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路也已由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)并得到應(yīng)用。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)形成了一批 LED 顯示屏科技隊(duì)伍，在全國 LED 顯示屏行業(yè)的從業(yè)人數(shù) 6000 人中，科技人員有 2800 多人，將近 50%。 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)正成為我國電子信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是平板顯示領(lǐng)域唯一立足國內(nèi)形成的民族高科技產(chǎn)業(yè)。 （ 2） LED 顯示屏的發(fā)展趨勢 現(xiàn)代信息社會中，作為人一機(jī)信息視覺傳播媒體的顯示產(chǎn)品和技術(shù)得到迅速發(fā)展， 進(jìn)入二十一世紀(jì)的顯示技術(shù)將是平板顯示的時代， LED 顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn)品之一無疑會有更大的發(fā)展，并有可能成為二十一世紀(jì)平板顯示的代表性主流產(chǎn)品。高亮度、全彩化藍(lán)色及純綠色 LED 產(chǎn)品自出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，已具備成熟的商業(yè)化條件?；A(chǔ)材料的產(chǎn)業(yè)化。使 LED 全彩色顯示產(chǎn)品成本下降，應(yīng)用加快。 LED 產(chǎn)品性能的提高，使全彩色顯示屏的亮度、色彩、白平衡均達(dá)到比較理想的效果，完全可以滿足戶外全天候的環(huán)境條件要求，同時，由于全彩色顯示屏價格性能比的優(yōu)勢，預(yù)計(jì)在未來幾年的發(fā)展中，全彩色 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、霓紅燈、磁翻板等產(chǎn)品，體育場館的顯示方面全彩色 LED 屏更會成為主流產(chǎn)品。全彩色 LED 顯示屏的廣泛應(yīng)用會是 LED 顯示屏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個新的增長點(diǎn)。 未來 LED 顯示屏?xí)蛑鴺?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化的方向發(fā)展 [2]。 （ 3）選題意義 該設(shè)計(jì)課題使我們能夠掌握 LED 顯示屏的基本顯示原理和設(shè)計(jì)方法，對 LED顯示屏這個行業(yè)有了較為深刻的了解和認(rèn)識。并且對大學(xué)期間所學(xué)習(xí)的一些理論進(jìn)行了實(shí)踐，使我們對所學(xué)過的理論知識有了新的認(rèn)識。并且通過該設(shè)計(jì)課題掌握了51 單片機(jī)的的軟硬件開發(fā)工具的 使用方法，為以后從事相關(guān)行業(yè)的工作積累了實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。目前我國的信息行業(yè)發(fā)展迅速，作為主要平面顯示媒介的 LED 顯示屏的作用也越練越廣泛，相關(guān)的從業(yè)人員也會越來越緊缺。但同時應(yīng)該清楚的認(rèn)識到我國的 LED 技術(shù)雖然發(fā)展迅速但和世界先進(jìn)水平還有一定的差距。因此此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國 LED 顯示技術(shù)的發(fā)展都有非常現(xiàn)實(shí)與積極的意義。 本科生畢業(yè)論文 3 論文主要內(nèi)容 針對設(shè)計(jì)題目的特點(diǎn)，作者對論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)將做如下安排： （ 1）初步方案的論證和選擇 搜集題目的有關(guān)資料，并參照目前通用的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法擬定幾 套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較。最終選定了以 PC 機(jī)為上位機(jī)，單片機(jī)為核心控制器件，外加譯碼電路和驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案。 （ 2）方案實(shí)現(xiàn) 以設(shè)計(jì)方案為指導(dǎo)思想選擇合適的器件來實(shí)現(xiàn)這一思想，選擇器件時要從功能和電氣特性兩方面來選擇和論證。經(jīng)過對比選擇選定 AT89S51 單片機(jī)為核心控制器件，由串并轉(zhuǎn)換器 74LS164 和鎖存器 74LS373 為譯碼電路器件，三極管 8550 和ULN2803 為驅(qū)動電路器件。論文列出了詳細(xì)的器件參數(shù)和在系統(tǒng)中的連接使用方法。 （ 3）軟件編寫 根據(jù)硬件特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，軟件選用 C 語言編寫。程序按功能分為靜態(tài)顯示、動態(tài)顯示、通信等幾個功能上相對獨(dú)立的模塊。然后按照所劃分的模塊逐個編寫和調(diào)試，最后將獨(dú)立的模塊整合起來。 （ 4）驗(yàn)證與測試 調(diào)試分為硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試幾步來進(jìn)行。在硬件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足、驅(qū)動電路工作不穩(wěn)定等問題。在軟件調(diào)試中出現(xiàn)程序整合工作不協(xié)調(diào)等問題。通過分析，查找找出了問題原因并設(shè)法將其解決。 （ 5）結(jié)論 設(shè)計(jì)完成后對設(shè)計(jì)中所遇到的問題、經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、以及自己的想法進(jìn)行總 結(jié)。 本科生畢業(yè)論文 4 第 2 章 方案論證與選擇 系統(tǒng)硬件方案 大多數(shù)的 LED 顯示屏都在戶外，所以對硬件的質(zhì)量要求非常的高。為方便檢修和維護(hù)硬件電路設(shè)計(jì)時常常采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。硬件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，既要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。如圖 21 所示 ,根據(jù)顯示系統(tǒng)的功能特點(diǎn)確定系統(tǒng)硬件由顯示屏部分，控制部分，通信系統(tǒng)及上位機(jī)四部分組成。上位機(jī)通過通信部分向控制部分發(fā)送控制指令和顯示內(nèi)容代碼，控制部分執(zhí)行顯示指令并將顯示代碼處理后控制顯示部分的顯示內(nèi)容和顯示方式 [3]。 通 信 部 分 控 制 部 分 顯 示 部 分上 位 機(jī) 圖 21 系統(tǒng)硬件組成框圖 顯示屏主控制器 控制部分是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能為與上位機(jī)通信接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制指令處理過后控制顯示部分顯示內(nèi)容。其常用的電子設(shè)計(jì)方法有單片機(jī)、DSP、及 EDA 技術(shù)。幾種設(shè)計(jì)方法比較各有其特點(diǎn) ： （ 1）單片機(jī) 單片機(jī)是集成了 CPU， ROM， RAM 和 I/ O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能，非常適合于工業(yè)控制 ,因此又叫微控制器 (MCU)。單片機(jī)品種齊全 ,型號多樣 CPU 從 8， 16， 32 到 64 位，多采用 RISC 技術(shù)，片上 I/O 非常豐 富，有的單片機(jī)集成有 A/ D， “ 看門狗 ”， PWM，顯示驅(qū)動，函數(shù)發(fā)生器，鍵盤控制等。它們的價格也高低不等，這樣極大地滿足了開發(fā)者的選擇自由。除此之外單片機(jī)還具有低電壓和低功耗的特點(diǎn)。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展， NMOS 工藝單片機(jī)被 CMOS代替，并開始向 HMOS 過渡。供電電壓由 5V 降到 3V， 2V 甚至到 1V，工作電流由 mA 降至 μA ，這在便攜式產(chǎn)品中大有用武之地 [4]。 （ 2） DSP 芯片 DSP 又叫數(shù)字信號處理器。顧名思義， DSP 主要用于數(shù)字信號處理領(lǐng)域，非常適合高密度，重復(fù)運(yùn)算及大數(shù)據(jù)容量的信號處理 ?，F(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、便本科生畢業(yè)論文 5 攜式計(jì)算機(jī)和便攜式儀表、雷達(dá)、圖像、航空、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域， DSP具有修正的哈佛結(jié)構(gòu)，多總線技術(shù)以及流水線結(jié)構(gòu)。將程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，使用多總線，取指令和取數(shù)據(jù)同時進(jìn)行，以及流水線技術(shù)，這使得速度有了較大的提高。 DSP 區(qū)別于一般微處理器的另一重要標(biāo)志是硬件乘法器以及特殊指令，一般微處理器用軟件實(shí)現(xiàn)乘法 ,逐條執(zhí)行指令，速度慢。而 DSP 依靠硬件乘法器單周期完成乘法運(yùn)算，而且還具有專門的信號處理指令，如 TM320 系列的 FIRS ， LMS，MACD 指令等 [5]。 （ 3） EDA EDA(即 Electronic Design Automation) 即電子設(shè)計(jì)自動化，它是以計(jì)算機(jī)為工具，在 EDA 軟件平臺上，對用硬件描述語言 HDL 完成的設(shè)計(jì)文件自動地邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯分割、邏輯綜合及優(yōu)化、邏輯布局布線、邏輯仿真 ， 直至對于特定目標(biāo)芯片進(jìn)行適配編譯、邏輯影射和編程下載等。設(shè)計(jì)者只需用 HDL 語言完成系統(tǒng)功能的描述，借助 EDA 工具就可得到設(shè)計(jì)結(jié)果 ,將編譯后的代碼下載到目標(biāo)芯片就可在硬件上實(shí)現(xiàn)。由于 FPGA/CPLD 可以通過軟件編程對該硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，修改軟件程序就 相當(dāng)于改變了硬件，軟件編寫可以采用自頂向下的設(shè)計(jì)方案，而且可以多個人分工并行工作這樣便縮短了開發(fā)周期和上市時間，有利于在激烈的市場競爭中搶占先機(jī)。而且 MCU 和 DSP 都是通過串行執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)特定功能，不可避免低速，而 FPGA/CPLD 則可實(shí)現(xiàn)硬件上的并行工作，在實(shí)時測控和高速應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊；另一方面， FPGA/CPLP 器件在功能開發(fā)上是軟件實(shí)現(xiàn)的，但物理機(jī)制卻和純硬件電路一樣，十分可靠。 三種設(shè)計(jì)方式相比較各有優(yōu)點(diǎn)且都能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，但單片機(jī)的技術(shù)門檻較低開發(fā)成本也較低非常適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)和鍛煉使用。 現(xiàn)在市場上常用的單片機(jī)主要有 MCS5 AVR、 ARM、 PIC 等。其中 應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)首推 Intel 的 51系列，由于產(chǎn)品硬件結(jié)構(gòu)合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產(chǎn)歷史 “悠久 ”，有先入為主的優(yōu)勢常作為單片機(jī)學(xué)習(xí)的教材。 且 51 系列的 I/O 腳的設(shè)置和使用非常簡單，當(dāng)該腳作輸入腳使用時，只須將該腳設(shè)置為高電平（復(fù)位時，各 I/O 口均置高電平）。當(dāng)該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。所以在控制部分方案的選擇中選定 51 系列單片機(jī)作為控制部分的核心器件。 通信系統(tǒng) 通信部分要滿足的設(shè)計(jì)要求就是穩(wěn)定、快 速、簡單易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下本科生畢業(yè)論文 6 顯示屏和上位機(jī)的距離不會很遠(yuǎn)，所以通信距離的要求不是很高。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信主要采用并行通信和串行通信兩種方式。 （ 1）并行通信 并行通信時數(shù)據(jù)的各個位同時傳送，可以字或字節(jié)為單位并行進(jìn)行。并行通信速度快，但用的通信線多、成本高，故不宜進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。 （ 2）串行通信 串行通信數(shù)據(jù)是一位一位順序傳送，只用很少幾根通信線，串行傳送的速度低，但傳送的距離長，因此串行適用于長距離而速度要求不高的場合。在串行發(fā)送時，數(shù)據(jù)是一位一位按順序進(jìn)行的，而計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)是并行的。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)向外 發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)再發(fā)送。反之，又必須將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)中。這種轉(zhuǎn)換即可以用硬件實(shí)現(xiàn)也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。單由軟件實(shí)現(xiàn)會增加 CPU 負(fù)擔(dān)，降低其利用率，故目前常采用硬件實(shí)現(xiàn)。通用的 通用異步接收 /發(fā)送器，簡稱 UART（ Universal Asynchromous Receeiver/Trabsnitter）是完成這一功能的硬件電路。在單片機(jī)芯片中， UART 已經(jīng)集成在其中，作為其組成部分，構(gòu)成一個串行口 [6]。 綜上所述，題目設(shè)計(jì)已經(jīng)選定了單片機(jī)為開發(fā)方式而單片機(jī)的 UART 已經(jīng)集成在單片機(jī)內(nèi)，所以通信系統(tǒng)選擇串行通信為通信方式。 LED 點(diǎn)陣顯示屏 顯示部分包括了一塊至少可以顯示一個漢字的顯示屏，以及驅(qū)動該顯示屏的驅(qū)動電路。由于單片機(jī)的 I/O 口有限要不能直接用 I/O 口來驅(qū)動 LED 顯示屏，所以需要對單片機(jī) IO 口進(jìn)行擴(kuò)展增加單片機(jī)并行輸出的能力。 LED 顯示屏是由一個一個的發(fā)光二極管點(diǎn)陣構(gòu)成的，要構(gòu)成大屏幕的 LED 顯示屏就需要多個發(fā)光二極管。構(gòu)成 LED 屏幕的方法有兩種，一是由單個的發(fā)光二極管逐點(diǎn)連接起來，如圖 22 所示；二是選用一些由單個發(fā)光二極管構(gòu)成的 LED 點(diǎn)陣子 模塊構(gòu)成大的 LED 點(diǎn)陣模塊。目前市場上普遍采用的點(diǎn)陣模塊有 8 1616幾種；這兩種屏幕構(gòu)成方法各有有缺點(diǎn)，單個發(fā)光二極管構(gòu)成顯示屏優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)單個的發(fā)光二極管出現(xiàn)問題時只需更換一個二極管即可，檢修的成本較低，缺點(diǎn)在于連接線路復(fù)雜；而點(diǎn)陣模塊構(gòu)成的方法卻正好與之相反，模塊構(gòu)成省約了大量的連線，不過當(dāng)一個 LED 出現(xiàn)問題時同在一個模塊的所有 LED 都必須被更換。這就加大了維修的成本。 本科生畢業(yè)論文 7 兩種方法相比較，決定采取模塊構(gòu)成的方法來制作一個 LED 點(diǎn)陣顯示屏。為了避免模塊的缺點(diǎn)，選擇點(diǎn)陣數(shù)較小的模塊來減小出現(xiàn)這一問題的風(fēng) 險。所以構(gòu)建一個 1616 的 LED 點(diǎn)陣屏選用四塊 88 點(diǎn)陣模塊。 圖 22 LED 點(diǎn)陣圖 一個 1616 的 LED 顯示屏行和列各有 16 支引腳，不能單靠 51 單片機(jī)的端口驅(qū)動所以必須要對單片機(jī)的端口個數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。經(jīng)常采用的端口擴(kuò)展方法是用串并轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行譯碼。常用的串并轉(zhuǎn)換芯片有 74LS154（ 4 線 16 線譯碼器）、 74LS164（ 8 位串并轉(zhuǎn)換器）、 74HC595 等。 51 系列單片機(jī)端口低電平時，吸入電流可達(dá)２０ｍＡ，具有一定的驅(qū)動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十 μＡ甚至更?。娏鲗?shí)際上是由腳的上拉電流形 成的），基本上沒有驅(qū)動能力，所以單片機(jī)不能直接驅(qū)動 LED 顯示屏顯示。在單片機(jī)和顯示屏之間