LED漢字開題報告介紹

　　LED點陣顯示屏作為一種新興的顯示器件,是由多個獨立的LED發(fā)光二極管封裝而成. LED點陣顯示屏可以顯示數(shù)字或符號, 通常用來顯示時間、速度、系統(tǒng)狀態(tài)等。文章給出了一種基于MCS-51單片機的16×16 點陣LED顯示屏的設(shè)計方案。包括系統(tǒng)具體的硬件設(shè)計方案,軟件流程圖和部分匯編語言程序等方面。在負(fù)載范圍內(nèi), 只需通過簡單的級聯(lián)就可以對顯示屏進(jìn)行擴(kuò)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。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)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LED。發(fā)光二極管是由p 型和n 型半導(dǎo)體組成的二極管。在LED 的p - n 結(jié)附近,n 型材料中多數(shù)載流子是電子,p 型材料中多數(shù)載流子是空穴。p -n 結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘,當(dāng)加正向偏壓時,在外電場作用下,p 區(qū)的空穴和n 區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運動,構(gòu)成少數(shù)載流子的注入,從而在p - n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合,同時釋放出相對應(yīng)的能量hν(h 為普朗克常數(shù),ν為光子頻率)而發(fā)光。該能量相當(dāng)于半導(dǎo)體材料的帶隙能量Eg(Ev) ,其與發(fā)光波長λ(nm) 的關(guān)系為λ= 1239. 6PEg。

　　LED顯示屏是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、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，以實時、同步、清晰的信息傳播方式播放各種信息，還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實況。LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷，立體感強，靜如油畫，動如電影，廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)管理和其它公共場所。

　　它的優(yōu)點：亮度高、工作電壓低、功耗小、微型化、易與集成電路匹配、驅(qū)動簡單、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定。

　　2. MCS-51系列單片機簡介

　　2.1 MCS-51系列單片機及其特點

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　　因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于PC機。系統(tǒng)軟件(如：程序指令，常數(shù)，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芯片內(nèi)，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

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　　片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并行和串行的輸入/輸出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。

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　　具有豐富的控制指令：如：條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令，位處理指令。 ④實用性好：

　　體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。

　　2.2 單片機的發(fā)展歷史簡介

　�、俚�1階段(1971年—1978年)，以MCS-48系列為代表，稱4位單片機。在片內(nèi)：CPU有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口，無串行接口；只有1個8位的定時/計時器；中斷源只有2個。在片外：尋址范圍只有4KB；芯片引腳有40個。

　�、诘�2階段(1978年—1983年)，以MCS-51系列為代表，稱8位單片機。在片內(nèi)：CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2個或3個16位的定時/計時器；中斷源有5至7個。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有40個。 ③第3階段(1983年以后)，以MCS-96系列為代表，稱16位單片機。在片內(nèi)：CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4個16位的定時/計時器；中斷源有8個；增加了D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路。在片外：尋址范圍有64KB；芯片引腳有48個或68個。

　　以上MCS-51系列以其優(yōu)良的性價比，在我國得到了廣泛的應(yīng)用。

　　二、功能要求

　　本設(shè)計利用單片機對整個系統(tǒng)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(nèi)容由單片機輸入，其中亮度以及穩(wěn)定性主要由硬件電路完成。點陣采用的是單色顯示，顯示器電路特點是：單片機控制硬件電路動態(tài)掃描發(fā)光二極管，頻率高，因此亮度也高，并且亮度可通過限流電阻來控制。通過單片機和時鐘芯片或者溫度傳感器通信來顯示時間和溫度。由于系統(tǒng)的設(shè)計要求其獨立穩(wěn)定地顯示要求的內(nèi)容，并且能控制LED漢字的動態(tài)顯示，因此控制部分設(shè)計成為以單片機為核心，驅(qū)動電路以及需要的傳感器等為外圍掛件，形成了點陣顯示屏的控制部分�？刂撇糠植捎昧藘r格低廉、擴(kuò)展性強、功能強大的AT89C52單片機。該單片機內(nèi)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、安全性能高、工作頻率高等優(yōu)點，其存儲器大小滿足設(shè)計所需。

　　此系統(tǒng)是以單片機 AT89C52為核心控制芯片，由DS1302和DS18B20完成時間和溫度的測量，單片機分別讀取它們的時間和溫度，并將信息顯示到LED屏幕上，行驅(qū)動采用的是74HC154和非門提供足夠大的電流，列驅(qū)動采用用74HC595級聯(lián)傳送數(shù)據(jù)，利用串行傳輸數(shù)據(jù)。點陣屏幕采用的是8塊8×8的單色LED點陣組成的16×32點陣顯示屏。

　　此系統(tǒng)的主要功能是：能顯示當(dāng)前的時間并且可定制鬧鐘和整點報時，顯示所處環(huán)境的溫度，顯示可調(diào)節(jié)速度地滾動顯示字幕，顯示靜態(tài)顯示字幕，顯示動畫等功能。

　　三、方案實現(xiàn)

　　從理論上說，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點所在的位置相對應(yīng)的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時控制各個發(fā)光點亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動顯示方式。16ｘ16的點陣共有256個發(fā)光二極管，顯然單片機沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴(kuò)展端口，按8位的鎖存器來計算，16ｘ16的點陣需要256/8=32個鎖存器。這個數(shù)字很龐大，因為我們僅僅是16ｘ16的點陣，在實際應(yīng)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很龐大的數(shù)字。因此在實際應(yīng)用中的顯示屏幾乎都不采用這種設(shè)計，而采用另外一種稱為動態(tài)掃描的顯示方法。

　　動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行（比如16行）的同名列共用一套驅(qū)動器。具體就16ｘ16的點陣來說，把所有同1行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同1列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽極的接法），先送出對應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第1行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第2行使其燃亮相同的時間，然后熄滅；以此類推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒24次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。

　　采用掃描方式進(jìn)行顯示時，每一行有一個行驅(qū)動器，各行的同名列共用一個驅(qū)動器。顯示數(shù)據(jù)通常存儲在單片機的存儲器中，按8位一個字節(jié)的形式順序排放。顯示時要把一行中各列的數(shù)據(jù)都傳送到相應(yīng)的列驅(qū)動器上去，這就存在一個顯示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。從控制電路到列驅(qū)動器的數(shù)據(jù)傳輸可以采用并列方式或串行方式。顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹?/p>

　　采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ�控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢�后，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間可能相當(dāng)長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少了，以致影響到LED的亮度。

　　解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應(yīng)具有的功能。對于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來說，它應(yīng)能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。為顯示屏電路實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　四、 LED點陣驅(qū)動原理

　　發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。我們知道，發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)受到外界激發(fā)后，會從穩(wěn)定的低能態(tài)越遷到不穩(wěn)定的高能態(tài);當(dāng)系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，能量差以光的形式釋放數(shù)來，就會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，開啟一個LED在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時，導(dǎo)帶中的電子則可越過PN結(jié)的勢壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)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(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長決定于材料的禁帶寬度Eg。LED 發(fā)光二極管分為正負(fù)二個腳當(dāng)正負(fù)之間加入一定的電壓時LED 會點亮。

　　+5V(a)

　　LED符號

　　LED顯示原理 LED發(fā)光電路

　　LED發(fā)光時一般電流為3 至30mA 左右，LED 有一定的穩(wěn)壓作用點亮?xí)rLED 的正負(fù)之間的電壓為1.8V至2.1V 左右，LED 加入電壓時必須限流，否則會損壞LED。 根據(jù)發(fā)光亮度的需要，LED 的限流電阻可為1K至3K之間這時流過幾毫安的電流，當(dāng)需要較高亮度的顯示時，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LED 壓降約為2V 則電流約為30 至50mA，LED 點陣由數(shù)個LED 按一定規(guī)律排列而成。LED顯示屏以發(fā)光二極管為像素，由LED點陣顯示單元拼接而成。最常見的LED點陣顯示單元有5×7,7×9,8×8結(jié)構(gòu)，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。

　　該點陣為共陽極紅色的點陣模塊：

　　68×8 LED點陣外觀

　　其中8個LED 的正極接在一起，一共有8×8共64個LED組成。LED 的正極1至8條線循環(huán)加入正電壓，這8 個正電壓在一定的時間內(nèi)只有一條有效的，其余都無效。8 條線是逐個加入正電壓，8 個為一個周期一般每個周期為10ms 至20ms 左右，稱之為掃描周期。利用人眼的視覺暫留，人們會看到8路LED 都會點亮，但其實只有一路是點亮的，當(dāng)每條掃描線即LED 正極加入電壓時，如果在負(fù)極也加入負(fù)電壓則相應(yīng)的LED 會被點亮，掃描電路就是利用這個原理，通個8條正極及8條負(fù)極控制64個LED的點亮及熄滅�，F(xiàn)在我們較常用到32×32的LED矩陣控制1024個LED， 因為每個LED 是亮的時間只有1/32 ，故在LED點亮?xí)r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 的時間是不點亮的，故可以得到較長的使用壽命。屏體的主要部分是顯示點陣，還有行列驅(qū)動電路。系統(tǒng)顯示點陣采用 8×8顯示單元，按照每行 2個字，共計16 行的方式來組織的2×256 LED 象素的顯示屏，因此能夠顯示2個16×16 點陣漢字。控制電路采用動態(tài)掃描驅(qū)動方式驅(qū)動 LED 器件，每兩行一個控制器，控制完成整個顯示電路的行列驅(qū)動。

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