单片机开发LED显示系统

摘要

　　LED 显示屏(Light Emitting Diode panel)是高亮度的发光二极管的点阵排列在一定的控制方式下来显示文字、数字、图形等各种信息。LED 显示屏具有造价低但亮度高，功耗小等特点。近些年，很多的公共场所已取代原始的霓虹灯类广告牌匾,开始使用 LED 显示屏作为新的宣传牌匾，并且很多大屏幕也由视觉角度单一的液晶显示屏转变为发射球面波全角度的 LED 显示屏。

　　随着单片机的飞速发展，单片机已进入生活的各个领域，从家用电器到航空航天，无一不见单片机的身影，可见单片机的应用之广泛。于此同时，LED 的出世成为了显示届一颗瞩目的新星，与传统的广告显示屏相比，LED 的高亮度，低功耗有着不可比拟的优势。当然，LED 的自身特点决定了它的优势。它的兴起自然地带动了 LED 的显示控制研发行业。当前市面上有各种各样的显示屏控制系统核心。一般全彩的 LED 显示多是基于 FPGA 的控制系统，其它双色或单色 LED 显示多采用以 ARM 为核心的器件。以至于以单片机为控制核心的使用率越来越低，但是单片机具有的某些优势却是其它器件所无法替代的。例如STC15 系列单片机在我国普及程度非常高，而且价格低廉，性能稳定，若以它为系统的核心控制，可以大幅度降低研发成本和时间。

　　本文设计了一套 LED 显示屏及上位机界面系统。本文为满足用户设计了一款 LED 显示系统,该系统不仅能显示文字，还可以显示时间，日期，温度等信息。

　　本文详述了 LED 显示屏的硬件设计和上位机系统。

　　本文详细介绍了单片机与上位机传输数据的 2 种方式和 LabVIEW 上位机的界面以及基于 LabVIEW 的字模提取部分 、串口通信部分。LED 显示屏是基于以 STC15F2K60S2 单片机为核心开发的控制器,使用一片 74HC154 芯片扩展接口控制行扫描，使用多片 74HC595 串行转并行移位寄存器芯片驱动各列。本系统中 LED 显示屏是半户外单基色显示屏,基础模块尺寸为 16*32 的点阵，显示屏由两个基础模块拼接而成,尺寸为 16*64。

　　本系统时钟电路使用DS12887芯片,实时显示时间及日期 ,本文同时介绍了读取时钟的程序设计。本系统可一静态显示 4 个图文数字，但动态显示中可以显示多个文字，在单片机与计算机通信过程中,可以实时更改显示屏内容,也可更换字体变化。

　　关键词：LED 显示屏；单片机；Lab VIEW

Abstract

　　LED display (Light Emitting Diode panel) is highly bright lights which are arranged in a certain controlled way to display text, numbers, graphics, etc. LED display with high brightness, visual distance, low cost, etc. In recent years, many public places have replaced the original neon billboards to use the LED display screen as a new propaganda plaque, and many large screens also launched from visual angle of the single LCD display screen into spherical wave angle of LED display.

　　With the rapid development of SCM, SCM has entered all areas of life, from appliances to aerospace. Single chip microcomputer is every where. The SCM is widely used. At the same time, LED display has become a super star, and compared with the traditional advertising display screen. LED has incomparable advantages such as low power consumption and more brightness. Of course, LED is good to the development of industry. Currently the market has a variety of display control system is the core. Generally full of colored LED display base on the FPGA control system, double colors or other single color LED display is usually controlled by core device such as ARM. The price of single chip microcomputer as the control center utilization is lower and lower, but the single-chip microcomputer has some advantages that can not be replaceable by other devices, such as the single-chip microcomputer STC15.It is very popular in China, and its price is low and performance is stable. If it is the core of the controlled system, it can greatly reduce the cost and time. This paper designed a set of LED display screen and PC interface system for users. The system not only can display text, but also can display time, date, temperature, etc. This paper details the hardware of LED display system.

　　Two kinds of communication between single-chip microcomputer and PC is introduced in details. LED display is based on single-chip microcomputer STC15F2K60S2 that is the core controller, using a piece of 74HC154 and many pieces of 74HC595 . The system of LED display is half outdoor single colored screen, and the size of it is 16 * 64.

　　This system use DS12887 clock chip, and it can display the time and date. This paper also introduces program. The static display system display four words, and the dynamic display can show more words or numbers. In the communication of single-chip microcomputer and computer, we can change the text content and the styles of words.

　　Keywords:LED display; Single chip microcomputer; LabVIEW

　　随着网络技术的发展，数字化多媒体内容逐渐在信息世界中占据主导地位，新型的显示设备成为人们享受信息和多媒体内容的中心。在历史的发展过程中，曾显示出多种传播媒体，从性能上看，如：阴极管（CRT），其体积大、成本贵，在不需要超大画面而且在室内使用时效果还可以；液晶显示，电路复杂，面积受限，由于发光不是球面波，受角度的影响非常大，可视角度很小；影像投影设备亮度小，清晰度差（画面受光不均匀）；LED 显示屏以优异的性能脱颖而出。

　　发光二极管（LED），是把电能转变成光能的一种器件，主要由电极、PN 结和光学系统构成。LED 是典型导体材料，在纯净的材料中，每个原子与相邻的原子联结完好，没有多余的电子或空穴导电，而材料经过掺杂后打破了原来的平衡，材料内产生空穴或自由电子，增强了材料的导电性。

　　尽管二极管可以发光，但多数发光效果不好，在普通二极管内，大量的光最终会被半导体材料自身吸收。而 LED 因其构造独特。可以向外释放大量光子。同时，它被安置在一个可以将光线汇聚到特定方向的塑料灯泡里。如下图所示，二极管发出大部分光线被灯泡侧壁发射回来，继续传播直至穿过圆形顶端，所以亮度很高。

　　LED 显示屏产生于二十世纪七十年代,早期 LED 亮度不高且当时它只是简单的用来显示数字、文字。随着 LED 颜色的多样化以及发光亮度提高,二十世纪末LED 显示屏户外全色显示成为现实[1 -7]。我国 LED 出现于 1974 年,产业化生产在八十年代,信息化、广告业的发展带动了 LED 显示屏出现。目前,中国半导体照明产业发展向好,外延芯片企业发展尤其迅速,封装企业规模保持较快增长,照明应用取得较大进展。2007 年中国 LED 应用产品产值已超过 300 亿元,成为 LED 全彩显示屏、太阳能 LED、景观照明等应用产品世界最大出产和出口国,新兴半导体照明产业链逐步完善。国内的照明领域已经形成一定特色,其中户外照明发展最快,已有上百家 LED 路灯企业建设了几十条示范道路,但国内在大尺寸 LED 背光和汽车前照灯方面仍显落后。从 2008 年 LED 市场应用领域来看,LED 指示灯、LED 显示屏、手机键盘和照相机闪光灯以及 LCD 背光源位列销售量前四大领域。

　　2008 年北京奥运会对 LED 照明的集中展示让人们对 LED 有了全新的认识,有力地推动了中国半导体照明产业的发展。现在 LED 显示屏主要应用在广告窗、火车站、银行等场所，并且得到越来越广泛的应用,其自身特点使它在显示屏产业占有一定的市场。随着人们环保意识提高,LED显示屏作为节能产品得到了更多关注,而且随着广告业日新月异的发展,LED 作为新一代显示媒体,被称之为继电视、广播、报纸、杂志之后的“第五大媒体”,是广告商选择发布自己产品信息,塑造企业形象不错的选择。从全球来看 LED 主要受到广泛关注的是照明领域，半导体照明产业形成了以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。根据全球 LED 产业发展情况，预计 LED 半导体照明将使全球照明用电减少一半，2007 年起，澳大利亚、加拿大、美国、欧盟、日本及台湾等国家和地区已陆续宣布逐步淘汰白炽灯，发展 LED 照明已成为全球产业的焦点，而 LED 产业激烈的竞争和发展也使人们意识到 LED 将被更广泛的应用。

　　现在 LED 显示屏高端产品主要是全彩色显示大屏幕,在上海世博会开幕式上展示的全球最大户外全彩显示屏,受到了众人瞩目,规格大约是 300m*30m;而处于中端的 LED 显示屏主要是应用在银行、车站等发布信息的地方,屏幕大小大约是3m*3m 且主要是双基色显示屏;而广泛应用于日常生活的显示屏主要是条形显示屏,尺寸不大,单色显示,制作工艺和制作成本也不高,实现显示功能有限。但由于中高端 LED 显示屏投入资金比较大,从应用的长远性、用户群数量倾向性考虑,提高低端显示屏技术特性,丰富显示屏功能,提高显示屏的操作简便性是很多用户希望我们开发者做到的。因此，我们在提高 LED 显示的性价比这方面的研究很有必要。

LabVIEW 界面

LabVIEW 前面板和程序程序框图

初始化串口

串口接收数据

串口的数据流图

人机交互面板

目 录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 研究背景概述
　　　　1.2 LED 显示系统研究现状
　　　　1.3 本文的主要研究内容
　　第 2 章 显示屏控制整体设计
　　　　2.1 系统整体结构
　　　　2.2 主控芯片—单片机
　　　　　　2.2.1 单片机概述
　　　　　　2.2.2 STC15F2K60S2 系列单片机
　　　　　　2.2.3 单片机最小应用系统
　　　　　　2.2.4 STC15F2K60S2 管脚图
　　　　2.3 LED 显示屏行列驱动
　　　　　　2.3.1 行扫描电路
　　　　　　2.3.2 列驱动电路
　　　　2.4 时钟电路
　　　　2.5 温度传感电路
　　第 3 章 单片机与 PC 机的通信方式
　　　　3.1 串口通信
　　　　3.2 WIFI 通信
　　　　　　3.2.1 IEEE 802.11b 协议
　　　　　　3.2.2 WIFI 传输的优点
　　　　　　3.2.3 nRF24LE1 无线模块
　　　　3.3 USB 存储模块
　　第 4 章 上位机整体设计
　　　　4.1 上位机软件
　　　　4.2 汉字字模提取
　　　　4.3 LabVIEW 中的串口
　　第 5 章 总结与展望
　　参考文献
　　附录 LED 主控制卡和显示屏
　　致 谢

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