LED汉字开题报告介绍
LED点阵显示屏作为一种新兴的显示器件,是由多个独立的LED发光二极管封装而成. LED点阵显示屏可以显示数字或符号, 通常用来显示时间、速度、系统状态等。文章给出了一种基于MCS-51单片机的16×16 点阵LED显示屏的设计方案。包括系统具体的硬件设计方案,软件流程图和部分汇编语言程序等方面。在负载范围内, 只需通过简单的级联就可以对显示屏进行扩展,是一种成本低廉的图文显示方案。
一、背景介绍
1．LED及LED显示屏
LED 就是Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管。在LED 的p - n 结附近,n 型材料中多数载流子是电子,p 型材料中多数载流子是空穴。p -n 结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p 区的空穴和n 区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p - n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量hν(h 为普朗克常数,ν为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(Ev) ,其与发光波长λ(nm) 的关系为λ= 1239. 6PEg。
LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。
它的优点：亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。
2. MCS-51系列单片机简介
2.1 MCS-51系列单片机及其特点
①可靠性高：
因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。
②便于扩展：
片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。
③控制功能强：
具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。 ④实用性好：
体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。
2.2 单片机的发展历史简介
①第1阶段(1971年—1978年)，以MCS-48系列为代表，称4位单片机。在片内：CPU有4位或8位；ROM有1KB或2KB；RAM有64B或128B；只有并行接口，无串行接口；只有1个8位的定时/计时器；中断源只有2个。在片外：寻址范围只有4KB；芯片引脚有40个。
②第2阶段(1978年—1983年)，以MCS-51系列为代表，称8位单片机。在片内：CPU有8位；ROM有4KB或8KB；RAM有128B或256B；有串/并行接口；有2个或3个16位的定时/计时器；中断源有5至7个。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有40个。 ③第3阶段(1983年以后)，以MCS-96系列为代表，称16位单片机。在片内：CPU有16位；ROM有8KB；RAM有232B；有串/并行接口；有4个16位的定时/计时器；中断源有8个；增加了D/A和A/D转换电路。在片外：寻址范围有64KB；芯片引脚有48个或68个。
以上MCS-51系列以其优良的性价比，在我国得到了广泛的应用。
二、功能要求
本设计利用单片机对整个系统进行控制，将要显示的字符和汉字按照需求进行显示。其中显示的内容由单片机输入，其中亮度以及稳定性主要由硬件电路完成。点阵采用的是单色显示，显示器电路特点是：单片机控制硬件电路动态扫描发光二极管，频率高，因此亮度也高，并且亮度可通过限流电阻来控制。通过单片机和时钟芯片或者温度传感器通信来显示时间和温度。由于系统的设计要求其独立稳定地显示要求的内容，并且能控制LED汉字的动态显示，因此控制部分设计成为以单片机为核心，驱动电路以及需要的传感器等为外围挂件，形成了点阵显示屏的控制部分。控制部分采用了价格低廉、扩展性强、功能强大的AT89C52单片机。该单片机内部集成了8KB的FLASH程序存储器和256B的随机存储器，采用CMOS工艺，具有低功耗、高可靠、超低价、安全性能高、工作频率高等优点，其存储器大小满足设计所需。
此系统是以单片机 AT89C52为核心控制芯片，由DS1302和DS18B20完成时间和温度的测量，单片机分别读取它们的时间和温度，并将信息显示到LED屏幕上，行驱动采用的是74HC154和非门提供足够大的电流，列驱动采用用74HC595级联传送数据，利用串行传输数据。点阵屏幕采用的是8块8×8的单色LED点阵组成的16×32点阵显示屏。
此系统的主要功能是：能显示当前的时间并且可定制闹钟和整点报时，显示所处环境的温度，显示可调节速度地滚动显示字幕，显示静态显示字幕，显示动画等功能。
三、方案实现
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在的位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。16ｘ16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16ｘ16的点阵需要256/8=32个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是16ｘ16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另外一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套驱动器。具体就16ｘ16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同1列的发光管的阴极连在一起（共阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的'数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第2行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串行方式。显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。当列数很多时，并列传输的方案是不可取的。
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列驱动器，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列驱动器，只有当一行的各列数据都以传输到位之后，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，以致影响到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所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；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。为显示屏电路实现的结构框图。
四、 LED点阵驱动原理
发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统构成。我们知道，发光是一种能量转化现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态越迁到不稳定的高能态;当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，能量差以光的形式释放数来，就会产生发光现象。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，开启一个LED在常态下，二者不能发生自然复合。而当给PN结加以正向电压时，导带中的电子则可越过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇后便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。LED 发光二极管分为正负二个脚当正负之间加入一定的电压时LED 会点亮。
+5V(a)
LED符号
LED显示原理 LED发光电路
LED发光时一般电流为3 至30mA 左右，LED 有一定的稳压作用点亮时LED 的正负之间的电压为1.8V至2.1V 左右，LED 加入电压时必须限流，否则会损坏LED。 根据发光亮度的需要，LED 的限流电阻可为1K至3K之间这时流过几毫安的电流，当需要较高亮度的显示时，可加入较大的电流。例如使用+5V 供电串接100R 的限流电阻则在100R 的电阻上有3V 的压降，因为LED 压降约为2V 则电流约为30 至50mA，LED 点阵由数个LED 按一定规律排列而成。LED显示屏以发光二极管为像素，由LED点阵显示单元拼接而成。最常见的LED点阵显示单元有5×7,7×9,8×8结构，前两种主要用于显示各种西文字符，后一种常用于显示各种汉字字符。
该点阵为共阳极红色的点阵模块：
68×8 LED点阵外观
其中8个LED 的正极接在一起，一共有8×8共64个LED组成。LED 的正极1至8条线循环加入正电压，这8 个正电压在一定的时间内只有一条有效的，其余都无效。8 条线是逐个加入正电压，8 个为一个周期一般每个周期为10ms 至20ms 左右，称之为扫描周期。利用人眼的视觉暂留，人们会看到8路LED 都会点亮，但其实只有一路是点亮的，当每条扫描线即LED 正极加入电压时，如果在负极也加入负电压则相应的LED 会被点亮，扫描电路就是利用这个原理，通个8条正极及8条负极控制64个LED的点亮及熄灭。现在我们较常用到32×32的LED矩阵控制1024个LED， 因为每个LED 是亮的时间只有1/32 ，故在LED点亮时可以加入较大的电流，100R 的电阻可以得到30至50mA的电流。LED 有了1/32 的时间是不点亮的，故可以得到较长的使用寿命。屏体的主要部分是显示点阵，还有行列驱动电路。系统显示点阵采用 8×8显示单元，按照每行 2个字，共计16 行的方式来组织的2×256 LED 象素的显示屏，因此能够显示2个16×16 点阵汉字。控制电路采用动态扫描驱动方式驱动 LED 器件，每两行一个控制器，控制完成整个显示电路的行列驱动。
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