单片机控制的LED显示屏系统设计

摘要

　　LED显示屏由LED点阵和LED PC面板组成，通过各色LED灯的亮灭实时显示或循环播放文字、图像、视频等信息。国内外LED显示屏技术飞速发展，在国防、公交、矿产、工厂等领域应用越来越广泛。本文研究了单片机控制的单基色及全彩LED显示屏的设计与应用。单基色LED显示屏采用STC12C系列单片机作为核心控制器，分析了显示屏驱动电路的设计，应用74HC 154芯片作行驱动、74HC595芯片作列驱动，配合PC机、LED显示屏，结合Proteus及Keil软件联合仿真验证，编译调试，实现了16X64单元板的仿真与调试。借助两块单元板级联，能实现8个16 X 16点阵屏显示图形或文字，且具有显示内容左移、右移、静态显示及循环显示等功能。STCI2CSA60S2驱动LED显示屏接线少、编程方便、使用简单，系统运行稳定。

　　全彩LED显示屏控制系统包括LED显示屏驱动、灰度控制理论、显示屏的高速显示刷新原理等，采用STM32微处理器和FPGA作为控制核心，利用Quartos II. ModelSim,上位机软件Visual C++、微处理器程序工具IAR等工具，采用占空比法调制灰度法，完成16 X 16像素全彩LED显示屏单元板的系统硬件电路设计及仿真，利用DM9000A实现以太网通信，可将数据高速的传输到LED显示屏。两块单元板级联可实现分辨率为32 X32，灰度等级为256的全彩LED显示屏异步控制系统。分析探讨了LED显示屏系统组装应用及电磁干扰问题。

　　本次设计是课题“基于LED显示屏控制系统的研究与实践”的提升，通过分析研究，巩固了单片机相关知识，提高了分析问题、解决问题能力和实践能力。今后要深化LED显示屏系统上位机中实现图像解码的研究;另外，考虑采用SOPC技术，加强LED显示屏同步控制系统的分析。

　　关键词:单片机;LED显示屏;驱动;重叠处理;灰度

Abstract

　　LED display, which consists of LED lattice and LED PC tablet, can realize the real-time display and looping of text, image and video by the switch of all kinds of LED light. With the rapid development of LED display technology both at home and abroad, LED display information have already been widely applied in the areas of national defense, bus system, mineral and factory.The design and application of the single color and full color LED controlled by the single chip microcomputer are focused in the paper. The single color LED, with STC12C series of single chip microcomputer as the core controller, analyzes the design of LED's driving circuit, combined with the chip 74HC154 as row driver and 74HC595 as column driver, and with PC, LED display, Proteus and Keil software simulation, debugging, the matrix of eight 16 X16 dot screen, which can display graphics or text, with the function of static display, left and right move. LED display driven by STCI2CSA60S2 with fewer wires can make programming easy and the function of the system stable.

　　The controlling system of full color LED display consists of LED display drive, gray control theory, and the high-speed refreshing theory, with STM32 micro-processor and FPGA as the core controller, Quartos II and ModelSim and Visual C++ and IAR tools by using of the duty ratio method modulation gray-scale, which can realize the design and simulation of 16X16 full color LED display unit board and transmit the data to LED display at a high speed and Ethernet communication with DM9000A. The two boards together can realize full color LED display asynchronous controlling system with the resolution of 32X32，full color LED with gray-scale of 256, in which the assembly of LED display system and electromagnetic interference problems are analyzed.

　　The design of "Study and application of LED display controlling system" aims to stress the knowledge of single chip microcomputer, improve the students' ability of analyzing, problem-solving and racticing. In order to further the study of LED display system of PC and realize image decoding. In addition, the SOPC technology can be applied to the analysis of LED display synchronous control system.

　　Keywords：single-chip; LED display; drive; overlap processing;gray scale

　　LED 显示屏由 LED 点阵和 LED PC 面板组成，通过各色 LED 灯的亮灭实时显示或循环播放文字、图像、视频等信息。通常，LED 显示屏控制系统由控制模块、显示模块及电源系统组成。控制模块是核心部分，通过控制器及相应电路完成 LED 灯的亮灭，显示文字、图片、视频等内容；显示模块由各色 LED 灯组成的点阵构成；电源系统将输入电压、电流转为各部分所需要的电压、电流。因为观赏性强、易于修改、亮度高、显示稳定等突出优点，LED 显示屏已经深入各种应用场合，在国防、公交、矿产、工厂等众多行业的远程控制、实时监控等领域被广泛应用和推广。

　　LED 显示屏先后历经三个发展阶段：（1）1990 年以前的形成期。国外以通讯控制，单点 4 级调灰的红、绿双基色 LED 显示屏为主，产品成本昂贵。（2）1990-1995 年的迅速发展时期。LED 控制技术和材料方面不断提升，蓝色 LED 晶片研制成功引导全彩 LED显示屏成功而问世；视频控制技术使显示屏动态显示效果得到迅速发展。（3）1995 年后的完善期。正在逐步深化标准化等方面新问题。

　　当前，LED 显示屏正向全色化、多媒体化的方向发展，系统的制造业向集成化、网络化、智能化方向发展。美国达科电子、欧洲巴可（Barco）公司是国际 LED 行业中重点企业，前者集 LED 显示产品设计、制造、销售和服务于一体，其市场主要集中在商业、体育和运输三大领域；后者积极探索大屏幕 LED 显示、生命医学领域显示、可视化监测系统设计和开发等图像处理领域。

　　我国 LED 显示屏产业起步于 90 年代初。数据统计显示，2012-2015 年，LED 显示屏行业总产值以 10%-20%幅度稳定增长。深圳艾比森、深圳市联建光电股份有限公司、雷曼光电、北京利亚德电子科技有限公司等都是国内 LED 行业中重点企业。LED 显示应用行业从业人员已超过 55000 人，市场潜力日益显现，市场产值也呈现高速增长态势。全球初步形成北美、欧洲、亚洲三大区域为中心的 LED 显示屏产业格局，以日本日亚、丰田合成、美国 Cree、lumileds 和欧洲 Osram 为核心的技术竞争格局。产业布局上，我国华东和华南地区的产品占全国 60%以上，西南、西北、华中之和约 8%左右。

按键接口电路图

LabVIEW 前面板和程序框图

zimo 221 界面

仿真截图

LED 显示屏驱动电路

Proteus 仿真

目录

　　1 绪论
　　　　1.1 显示屏技术发展现状
　　　　1.2 LED 显示屏技术
　　　　　　1.2.1 LED 发光原理、特性参数及驱动电路
　　　　　　1.2.2 LED 显示屏特点及发展趋势
　　　　　　1.2.3 单片机控制的 LED 显示屏成为技术重点
　　　　1.3 LED 显示屏系统构成
　　　　1.4 主要研究内容及论文结构
　　　　1.5 本章小结
　　2 LED 显示屏系统的理论基础及关键技术
　　　　2.1 理论基础
　　　　　　2.1.1 显示屏 LED 发光器件常见形式
　　　　　　2.1.2 LED 显示屏驱动电路
　　　　　　2.1.3 分辨率
　　　　　　2.1.4 灰度
　　　　　　2.1.5 γ校正
　　　　　　2.1.6 刷新率
　　　　2.2 关键技术
　　　　　　2.2.1 串口通信技术
　　　　　　2.2.2 扫描方式与走线方法
　　　　　　2.2.3 嵌入式控制技术
　　　　2.3 LED 显示屏设计中的计算
　　　　　　2.3.1 LED 显示屏扫描计算方法
　　　　　　2.3.2 LED 显示屏分辨率的计算方法
　　　　　　2.3.3 LED 显示屏其它计算方法
　　　　2.4 本章小结
　　3 单基色 LED 显示屏系统需求分析
　　　　3.1 单基色 LED 显示屏系统工作原理
　　　　3.2 单片机的选择及按键电路设计
　　　　　　3.2.1 单片机的选择
　　　　　　3.2.2 按键电路设计
　　　　3.3 扫描电路的设计
　　　　　　3.3.1 行扫描电路
　　　　　　3.3.2 列驱动电路
　　　　3.4 时钟电路设计
　　　　3.5 外扩存储器接口的设计
　　　　3.6 系统仿真
　　　　　　3.6.1 上位机的设计与实现
　　　　　　3.6.2 下位机的设计与仿真
　　　　3.7 本章小结
　　4 全彩 LED 显示屏的设计及仿真
　　　　4.1 硬件部分设计
　　　　　　4.1.1 微处理器的选择及电源电路设计
　　　　　　4.1.2 LED 显示屏驱动电路设计
　　　　　　4.1.3 FLASH 存储器扩展
　　　　　　4.1.4 灰度级实现
　　　　　　4.1.5 JTAG 调试接口电路
　　　　　　4.1.6 FPGA 的设计
　　　　　　4.1.7 以太网通信设计
　　　　4.2 软件部分设计及仿真
　　　　　　4.2.1 上位机软件的设计与实现
　　　　　　4.2.2 微处理器程序设计
　　　　　　4.2.3 FPGA 软件设计
　　　　4.3 本章小结
　　5 LED 显示屏的测试及组装
　　　　5.1 系统测试调整
　　　　　　5.1.1 硬件调试
　　　　　　5.1.2 软硬件调试
　　　　　　5.1.3 系统统调
　　　　5.2 LED 显示屏的组装
　　　　　　5.2.1 印制电路板绘制
　　　　　　5.2.2 LED 显示屏组装
　　　　　　5.2.3 系统干扰与防护
　　　　5.3 本章小结
　　6 总结与展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　致 谢
　　参考文献

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