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LED漢字開(kāi)題報告介紹
LED點(diǎn)陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個(gè)獨立的LED發(fā)光二極管封裝而成. LED點(diǎn)陣顯示屏可以顯示數字或符號, 通常用來(lái)顯示時(shí)間、速度、系統狀態(tài)等。文章給出了一種基于MCS-51單片機的16×16 點(diǎn)陣LED顯示屏的設計方案。包括系統具體的硬件設計方案,軟件流程圖和部分匯編語(yǔ)言程序等方面。在負載范圍內, 只需通過(guò)簡(jiǎn)單的級聯(lián)就可以對顯示屏進(jìn)行擴展,是一種成本低廉的圖文顯示方案。
一、背景介紹
1．LED及LED顯示屏
LED 就是Light Emitting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱(chēng)LED。發(fā)光二極管是由p 型和n 型半導體組成的二極管。在LED 的p - n 結附近,n 型材料中多數載流子是電子,p 型材料中多數載流子是空穴。p -n 結上未加電壓時(shí)構成一定的勢壘,當加正向偏壓時(shí),在外電場(chǎng)作用下,p 區的空穴和n 區的電子就向對方擴散運動(dòng),構成少數載流子的注入,從而在p - n結附近產(chǎn)生導帶電子和價(jià)帶空穴的復合,同時(shí)釋放出相對應的能量hν(h 為普朗克常數,ν為光子頻率)而發(fā)光。該能量相當于半導體材料的帶隙能量Eg(Ev) ,其與發(fā)光波長(cháng)λ(nm) 的關(guān)系為λ= 1239. 6PEg。
LED顯示屏是一種通過(guò)控制半導體發(fā)光二極管的顯示方式，用來(lái)顯示文字、圖形、圖像、動(dòng)畫(huà)、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。
LED顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏，均由LED矩陣塊組成。圖文顯示屏可與計算機同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機進(jìn)行控制，圖文、圖像并茂，以實(shí)時(shí)、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動(dòng)畫(huà)、錄像、電視、VCD節目以及現場(chǎng)實(shí)況。LED顯示屏顯示畫(huà)面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫(huà)，動(dòng)如電影，廣泛應用于車(chē)站、碼頭、機場(chǎng)、商場(chǎng)、醫院、賓館、銀行、證券市場(chǎng)、建筑市場(chǎng)、拍賣(mài)行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場(chǎng)所。
它的優(yōu)點(diǎn)：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(cháng)、耐沖擊、性能穩定。
2. MCS-51系列單片機簡(jiǎn)介
2.1 MCS-51系列單片機及其特點(diǎn)
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因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。系統軟件(如：程序指令，常數，表格)固化在ROM中，不易受病毒破壞。許多信號的通道均在一個(gè)芯片內，故運作時(shí)系統穩定可靠。
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片內具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線(xiàn)，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規模的計算機應用系統。
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具有豐富的控制指令：如：條件分支轉移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。 ④實(shí)用性好：
體積小，功耗低，價(jià)格便宜，易于產(chǎn)品化。
2.2 單片機的發(fā)展歷史簡(jiǎn)介
�、俚�1階段(1971年—1978年)，以MCS-48系列為代表，稱(chēng)4位單片機。在片內：CPU有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口，無(wú)串行接口；只有1個(gè)8位的定時(shí)/計時(shí)器；中斷源只有2個(gè)。在片外：尋址范圍只有4KB；芯片引腳有40個(gè)。
�、诘�2階段(1978年—1983年)，以MCS-51系列為代表，稱(chēng)8位單片機。在片內：CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2個(gè)或3個(gè)16位的定時(shí)/計時(shí)器；中斷源有5至7個(gè)。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有40個(gè)。 ③第3階段(1983年以后)，以MCS-96系列為代表，稱(chēng)16位單片機。在片內：CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4個(gè)16位的定時(shí)/計時(shí)器；中斷源有8個(gè)；增加了D/A和A/D轉換電路。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有48個(gè)或68個(gè)。
以上MCS-51系列以其優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，在我國得到了廣泛的應用。
二、功能要求
本設計利用單片機對整個(gè)系統進(jìn)行控制，將要顯示的字符和漢字按照需求進(jìn)行顯示。其中顯示的內容由單片機輸入，其中亮度以及穩定性主要由硬件電路完成。點(diǎn)陣采用的是單色顯示，顯示器電路特點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C控制硬件電路動(dòng)態(tài)掃描發(fā)光二極管，頻率高，因此亮度也高，并且亮度可通過(guò)限流電阻來(lái)控制。通過(guò)單片機和時(shí)鐘芯片或者溫度傳感器通信來(lái)顯示時(shí)間和溫度。由于系統的設計要求其獨立穩定地顯示要求的內容，并且能控制LED漢字的動(dòng)態(tài)顯示，因此控制部分設計成為以單片機為核心，驅動(dòng)電路以及需要的傳感器等為外圍掛件，形成了點(diǎn)陣顯示屏的控制部分�？刂撇糠植捎昧藘r(jià)格低廉、擴展性強、功能強大的AT89C52單片機。該單片機內部集成了8KB的FLASH程序存儲器和256B的隨機存儲器，采用CMOS工藝，具有低功耗、高可靠、超低價(jià)、安全性能高、工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)，其存儲器大小滿(mǎn)足設計所需。
此系統是以單片機 AT89C52為核心控制芯片，由DS1302和DS18B20完成時(shí)間和溫度的測量，單片機分別讀取它們的時(shí)間和溫度，并將信息顯示到LED屏幕上，行驅動(dòng)采用的是74HC154和非門(mén)提供足夠大的電流，列驅動(dòng)采用用74HC595級聯(lián)傳送數據，利用串行傳輸數據。點(diǎn)陣屏幕采用的是8塊8×8的單色LED點(diǎn)陣組成的16×32點(diǎn)陣顯示屏。
此系統的主要功能是：能顯示當前的時(shí)間并且可定制鬧鐘和整點(diǎn)報時(shí)，顯示所處環(huán)境的溫度，顯示可調節速度地滾動(dòng)顯示字幕，顯示靜態(tài)顯示字幕，顯示動(dòng)畫(huà)等功能。
三、方案實(shí)現
從理論上說(shuō)，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在的位置相對應的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱(chēng)為靜態(tài)驅動(dòng)顯示方式。16ｘ16的點(diǎn)陣共有256個(gè)發(fā)光二極管，顯然單片機沒(méi)有這么多的端口，如果我采用鎖存器來(lái)擴展端口，按8位的鎖存器來(lái)計算，16ｘ16的點(diǎn)陣需要256/8=32個(gè)鎖存器。這個(gè)數字很龐大，因為我們僅僅是16ｘ16的點(diǎn)陣，在實(shí)際應用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個(gè)很龐大的數字。因此在實(shí)際應用中的顯示屏幾乎都不采用這種設計，而采用另外一種稱(chēng)為動(dòng)態(tài)掃描的顯示方法。
動(dòng)態(tài)掃描的意思簡(jiǎn)單地說(shuō)就是逐行輪流點(diǎn)亮，這樣掃描驅動(dòng)電路就可以實(shí)現多行（比如16行）的同名列共用一套驅動(dòng)器。具體就16ｘ16的點(diǎn)陣來(lái)說(shuō)，把所有同1行的發(fā)光管的陽(yáng)極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽(yáng)極的接法），先送出對應第一行發(fā)光管亮滅的數據并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時(shí)間，然后熄滅；再送出第二行的數據并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時(shí)間，然后熄滅；以此類(lèi)推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反復輪回。當這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺(jué)暫留現象，就能夠看到顯示屏上穩定的圖形了。
采用掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每一行有一個(gè)行驅動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)驅動(dòng)器。顯示數據通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個(gè)字節的形式順序排放。顯示時(shí)要把一行中各列的數據都傳送到相應的列驅動(dòng)器上去，這就存在一個(gè)顯示數據傳輸的問(wèn)題。從控制電路到列驅動(dòng)器的數據傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時(shí)，從控制電路到列驅動(dòng)器的線(xiàn)路數量大，相應的硬件數目多。當列數很多時(shí)，并列傳輸的方案是不可取的。
采用串行傳輸的方法，控制電路可以只用一根信號線(xiàn)，將列數據一位一位傳往列驅動(dòng)器，在硬件方面無(wú)疑是十分經(jīng)濟的。但是，串行傳輸過(guò)程較長(cháng)，數據按順序一位一位地輸出給列驅動(dòng)器，只有當一行的各列數據都以傳輸到位之后，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過(guò)程就可以分解成列數據準備（傳輸）和列數據顯示兩部分。對于串行傳輸方式來(lái)說(shuō)，列數據準備時(shí)間可能相當長(cháng)，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時(shí)間就太少了，以致影響到LED的亮度。
解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時(shí)間矛盾問(wèn)題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時(shí)，傳送下一列數據。為了達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過(guò)上述分析，就可以歸納出列驅動(dòng)器電路應具有的功能。對于列數據準備來(lái)說(shuō)，它應能實(shí)現串入并處的移位功能；對于列數據顯示來(lái)說(shuō)，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時(shí)，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會(huì )影響本行的顯示。為顯示屏電路實(shí)現的結構框圖。
四、 LED點(diǎn)陣驅動(dòng)原理
發(fā)光二極管的結構主要由PN結芯片、電極和光學(xué)系統構成。我們知道，發(fā)光是一種能量轉化現象。當系統受到外界激發(fā)后，會(huì )從穩定的低能態(tài)越遷到不穩定的高能態(tài);當系統由不穩定的高能態(tài)重新回到穩定的低能態(tài)時(shí)，能量差以光的形式釋放數來(lái)，就會(huì )產(chǎn)生發(fā)光現象。制作半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀態(tài)下的N區有很多遷移率很高的電子，P區有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結阻擋層的限制，開(kāi)啟一個(gè)LED在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合。而當給PN結加以正向電壓時(shí)，導帶中的電子則可越過(guò)PN結的勢壘進(jìn)入到P區一側。于是在PN結附近稍偏于P區一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇后便產(chǎn)生發(fā)光復合。這種發(fā)光復合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長(cháng)決定于材料的禁帶寬度Eg。LED 發(fā)光二極管分為正負二個(gè)腳當正負之間加入一定的電壓時(shí)LED 會(huì )點(diǎn)亮。
+5V(a)
LED符號
LED顯示原理 LED發(fā)光電路
LED發(fā)光時(shí)一般電流為3 至30mA 左右，LED 有一定的穩壓作用點(diǎn)亮時(shí)LED 的正負之間的電壓為1.8V至2.1V 左右，LED 加入電壓時(shí)必須限流，否則會(huì )損壞LED。 根據發(fā)光亮度的需要，LED 的限流電阻可為1K至3K之間這時(shí)流過(guò)幾毫安的電流，當需要較高亮度的顯示時(shí)，可加入較大的電流。例如使用+5V 供電串接100R 的限流電阻則在100R 的電阻上有3V 的壓降，因為L(cháng)ED 壓降約為2V 則電流約為30 至50mA，LED 點(diǎn)陣由數個(gè)LED 按一定規律排列而成。LED顯示屏以發(fā)光二極管為像素，由LED點(diǎn)陣顯示單元拼接而成。最常見(jiàn)的LED點(diǎn)陣顯示單元有5×7,7×9,8×8結構，前兩種主要用于顯示各種西文字符，后一種常用于顯示各種漢字字符。
該點(diǎn)陣為共陽(yáng)極紅色的點(diǎn)陣模塊：
68×8 LED點(diǎn)陣外觀(guān)
其中8個(gè)LED 的正極接在一起，一共有8×8共64個(gè)LED組成。LED 的正極1至8條線(xiàn)循環(huán)加入正電壓，這8 個(gè)正電壓在一定的時(shí)間內只有一條有效的，其余都無(wú)效。8 條線(xiàn)是逐個(gè)加入正電壓，8 個(gè)為一個(gè)周期一般每個(gè)周期為10ms 至20ms 左右，稱(chēng)之為掃描周期。利用人眼的視覺(jué)暫留，人們會(huì )看到8路LED 都會(huì )點(diǎn)亮，但其實(shí)只有一路是點(diǎn)亮的，當每條掃描線(xiàn)即LED 正極加入電壓時(shí)，如果在負極也加入負電壓則相應的LED 會(huì )被點(diǎn)亮，掃描電路就是利用這個(gè)原理，通個(gè)8條正極及8條負極控制64個(gè)LED的點(diǎn)亮及熄滅�，F在我們較常用到32×32的LED矩陣控制1024個(gè)LED， 因為每個(gè)LED 是亮的時(shí)間只有1/32 ，故在LED點(diǎn)亮時(shí)可以加入較大的電流，100R 的電阻可以得到30至50mA的電流。LED 有了1/32 的時(shí)間是不點(diǎn)亮的，故可以得到較長(cháng)的使用壽命。屏體的主要部分是顯示點(diǎn)陣，還有行列驅動(dòng)電路。系統顯示點(diǎn)陣采用 8×8顯示單元，按照每行 2個(gè)字，共計16 行的方式來(lái)組織的2×256 LED 象素的顯示屏，因此能夠顯示2個(gè)16×16 點(diǎn)陣漢字�？刂齐娐凡捎脛�(dòng)態(tài)掃描驅動(dòng)方式驅動(dòng) LED 器件，每?jì)尚幸粋�(gè)控制器，控制完成整個(gè)顯示電路的行列驅動(dòng)。
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