本科毕业论文（设计）LED点阵广告牌的设计与制作(3)

贵阳学院本科毕业论文（设计）

第四章 系统总体设计方案

第一节 广告牌总体设计方案

驱 动 器 LED显示点阵 单片机

图4-1-1 总体设计方案图

第二节 LED显示驱动电路

（一）LED显示原理

本次设计中16行*16列LED点阵广告牌的制作以及其显示驱动电路的设计制作都是非常关键的部分。下面主要介绍一下显示驱动电路的设计。

本LED点阵广告牌采用动态扫描的方式显示，即逐行扫描，工作时先将一行点阵字模通过列驱动输出，然后运用译码器选中对应行，使该行得以显示，接着再送下一行数据，再选中下一行有效，直到16行全被扫描一遍。至此，一幅完整的文字信息就显现出来。然后在反复扫描这16行直至显示新的信息。采用这种方式的优点是耗电少，成本低，寿命长，但是也存在显示亮度及内容显示稳定的问题。根据视觉滞留原理，根据视觉滞留原理，每屏的完整的显示时间应控制在20ms之内，即50Hz，人眼看上去才不会觉得闪烁。由于要扫描16 行的点阵，所以每行的时间绝不能超过20ms÷16=1.25ms，同时也不是每行的扫描时间越短越好，因为LED的亮度同电流的大小和维持时间的长短有关。LED点阵块的单点静态电流一般在10mA左右，由于占空比是1/16，所以单点的动态电流最大可以达到160mA。在维持时间恒定的情况下，电流越大（不超过额定电流），点阵亮度也越亮，而在电流恒定的情况下，需要一段维持时间来保持亮度。试验表明当输入LED的电流为15mA时，维持时间至少需要1ms，否则LED呈微亮状态。由于设计时设置89C52单片机的时钟频率为12MHz，而每次传送移行的字模数据有64位，经计算传输所需的时间小于1ms，这样就能充分利用列驱动74HC595的锁存功能，即在它接收下一行待显示的数据，还没有锁存新数据的这段时间来显示本行的内容，这样就不需要额外加延时来增加显示屏的亮度。采用这个方法就不要再增加LED的列驱动器件，从而使整个硬件结构更简化，成本降低。

（二）驱动所用芯片

由于显示屏行的组成是多个模块并联而成的，因而行驱动的功率要求比较

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大，而且我们进行行扫描时需要所选行为低，故加反相驱动器ULN2803来满足要求。

列信号的处理列信号的处理主要由2片8位带锁存的串入并出移位寄存器74HC595来完成。从单片机IO口串行输出的64位点阵数据随着移位时钟的作用逐位移动到对应位置，在接收到锁存信号后，将数据并行输出至LED的列线，最后在行驱动信号作用下点亮一行LED象素。

（三）所选方案论述

采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以至影响到LED的亮度。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。经过上述分析，可以归纳出驱动器电路应具备的主要功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。故而我选用74HC595作为驱动芯片。

驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。

（四）74HC595的引脚接线

74HC595的外形内部结构如图4-2-1所示，电路连线如图4-2-2所示。它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。引脚SI是串行数据的输入端。引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入输出锁存器。引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高组态。SCLR信号是移位寄存器清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。但因为QH受输出锁存器的打入控制，所以还从输出锁存器前引出QH，

作为与移位寄存器完全同步的级联输出。

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图4-2-1 74HC595的引脚

图4-2-2 74HC595在电路中的连线

第三节 单片机系统及外围电路

单片机采用AT89C52，采用频率晶振12MHZ。单片机的端口与驱动器相连，用来显示数据。P0口和P2口与行驱动器相连，送出行选信号；P3.0口则用来发送控制信号。P3.1口接时钟，P1.6接存储器锁存时钟，P1.7口为输出使能(74HC595在使用时移位寄存器清零端始终接高电平)。

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第五章 软件设计

第一节 显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/8扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：

刷频率（帧频）=1/8×T0溢出率=1/8×f/12（65536-t）

其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在8位定时器模式）。

然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过端口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。图5-1-1为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。

定时器赋初值

读取行号并增加1

送新行显示数据 消 隐

切换显示数据 进入中断

发送新行号，打开显示

退出中断

图5-1-1 驱动程序流程图

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第二节 系统主程序

本文设计的系统软件能使系统在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口；然后以“卷帘出”效果显示图形，停留约3s；接着向左滚动显示“祝您旅途愉快！”这7个汉字及一个标点，然后以“卷帘入”效果隐去图形。由于单片机没有停机指令，所以可以设置系统程序不断的循环执行上述显示效果。

单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。图3-2是系统主程序流程图。

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