1、本 科 毕 业 设 计LED 点阵全彩屏的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要在现在日新月异的年代里，街上放眼望去，都是满世界的单色的屏幕。随着现在技术的进步，这些单色的 LED 屏已经很难满足现在的要求了，用户对现在的 LED 又提出了不同的要求，有的看重效果，有的看重运行的环境，有的看重显示的效果，显示的方式，有的看重系统的安全性，稳定性，性价比等。本文采用的是 89C51 单片机作为核心控制器件来控制整个电路的运行，以电路设计和程序设计为重点，先介绍原理图的制作，使用单片机是为了发挥它实用，高效，稳定，经济的多个优点。通过于各
2、个驱动芯片的连接来完成需要点亮全彩 LED 的灯管，行驱动芯片使用的是两块 74HC138 组成的 1 个 4/16 译码器，对行进行扫描，列驱动芯片使用的是 3 块TLC5946 芯片，负责对各个彩色管脚的管理，和灰度控制。由单片机进行串行数据传输，和两块驱动芯片通信，达到预期的要求。由单片机和上位机 PC 进行通信。然后对程序进行设计，由各种中断来控制这种的 LED 点亮时间，扫描时间，等各种需求。然后对列驱动进行操作，那些静止，移动，闪烁等功能全由主程序完成。行驱动来扫描达到持续点亮的要求，一般需要每秒 60 次的扫描，这样肉眼就无法看出闪烁的画面了。达到情况。关键词：全彩 LED；89
3、C51；tlc5946 IIAbstractIn the present era of ever-changing, and the streets are all kinds of debauchery, looking ahead, are all over the world the color of the screen. With current technology, the color of the LED screen has been difficult to meet the current requirements of the users of the current
4、LED and put forward different demands, some value the effect of the environment to run some value, some value display results, show the way, some value the systems security, stability, cost and so on.In this paper, the 89C51 microcontroller as the core control device to control the operation of the
5、entire circuit to circuit design and programming focus, first introduced the production of schematic, the use of SCM is to play it practical, efficient, stable and economical advantages over .Through the connection to each driver chip to complete the required full-color LED lamp lights up, the line
6、driver chip using two 74HC138 composed of a 4 / 16 decoder, scanning the rows, columns, using a driver chip 3 TLC5946 chip, is responsible for the management of each color pins, and the gray scale control. Serial data transmission by the microcontroller, and two drive-chip communication to achieve t
7、he desired requirements. PC by the microcontroller and the host computer to communicate.And then design the program, interrupted by a variety of LED lights to control this time, scan time, and other needs. And then operate on the column driver, who still, moving, flashing and other functions to comp
8、lete all the column drivers. Line drive to achieve sustained light to scan the requirements of the general need to scan 60 times per second, so that the naked eye can not see the screen flashing a. To the situation.Key words: full-color LED; 89C51; tlc5946III目 录第 1 章 绪论 .11.1 LED 的用途及其使用场所 .11.2 LED
9、 的历史及发展 .11.2.1 LED 的产生 .11.2.2 LED 的发展过程 .11.3 LED 发光强度及其效率 .11.3.1 发光强度 .11.3.2 发光效率 .11.4 LED 的亮度调节 .11.5 LED 的优缺点 .21.6 LED 的分类 .21.6.1 按发光管发光颜色分 .21.6.2、按发光管出光面特征分 .21.6.3、按发光二极管的结构分 .31.6.4、按发光强度和工作电流分 .31.7 单片机的介绍 .31.7.1 单片机简介 .31.7.2 单片机应用 .3第 2 章 方案选择 .42.1 静态扫描方案 .42.2 动态扫描方案 .42.2.1 主电路想
10、法 .42.2.2 动态扫描对 LED 灯的实现方法 .42.2.3 全彩 LED256 色达成想法 .42.3 电 路 框 图 方 案 .42.3.1 核心控制模块 .42.3.2 显示模块 .52.3.3 驱动电路模块 .5IV2.3.4 通信电路 .52.4 整合系统框图 .5第 3 章 全彩 LED 的电路设计 .63.1 电源设计 .63.2 单片机系统及基本电路 .63.2.1 时钟电路设计 .63.2.2 复位电路设计 .63.3 全彩 LED 模块 .73.4 通信电路设计 .83.5 行驱动电路设计： .93.5.1 74HC138 芯片介绍 .93.5.2 行驱动电路设计
11、.93.6 列驱动电路设计 .93.6.1 TLC5946 芯片介绍 .93.6.2 列驱动电路设计 .123.7 原理图的绘制 .12第 4 章 程序设计 .134.1 系统主程序 .134.2 定时器和计数器的选择 .144.3 显示驱动程序 .144.4 程序设计语言 .154.5 仿真 .15总结 .17致谢 .18参考文献 .19附录 1 系统原理图 .20附录 2 仿真原理图 .21附录 3 主要程序 .221第 1 章 绪论1.1 LED 的用途及其使用场所LED 灯也就是发光二极管已经成为我们生活的必须品了，现如今我们晚上出门就会被那些多彩的 LED 灯照的眼花缭乱，无论走到哪
12、里那些五彩的小灯都会进入我们的眼眶，从一出家门锁门的指示灯，到开车时中控台上的 LED 屏幕，然后去餐厅，公司，车站，医院，学校等各钟 LED 屏，还有很多，现在我们的生活已经渐渐的离不开那些一点点的发着微弱的光的LED 灯了。1.2 LED 的历史及发展1.2.1 LED 的产生早在 1907 年人们就发现在一些用半导体制成的二极管在正向导通的情况下会有发光的现象，这可能就是人们所发现的第一个发光二极管。在这接下来的 100 年，没人能想到 LED会发展的如此迅速，LED 依靠着自身体积小，耗电量低，使用寿命长，环保，坚固耐用的优点成功的占领了在照明市场上一个不可动摇的地位。1.2.2 LE
13、D 的 发 展 过 程早期的 LED 灯主要的作用是指示灯，而后期的数码管和字符管的产生就引发了一种对LED 的亮度的要求，而又因 LED 灯的大量使用使对它的发光效率又有一个新的要求。19691987 年的 LED 发光强度很低，它的主要材料是 GaAsP 或 GaP，发光强度大概在0.5mcd1mcd，这属于很微弱的光。从 19942005 年 LED 的发光强度进入高速发展期，材料变成了 AlInGaP 发光强度提升到 60008000mcd，将近提升了 8000 倍有余。1.3 LED 发光强度及其效率1.3.1 发 光 强 度 发光强度的衡量单位主要有照度单位勒克司 Lux，光通量单
14、位流明 Lumen，发光强度单位烛光 Candlepower。烛光 1CD 指对物体完全辐射，在白金凝固点的温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。1.3.2 发 光 效 率LED 的发光强度和它的正向电流基本成线性关系。而 LED 的最大功耗又是正向电流和正向压降的乘积，若过大的提高功率会使 LED 过热而损坏。所以在为了提高发光强度的前提下提高 LED 的发光效率，使用的工作电流在 350mA700mA.1.4 LED 的 亮 度 调 节传统上，LED 的调光是利用一个 DC 信号或滤液 PWM 对 LED 中的正向电流进行调节来完成的。减小 LED 电流将起到调节 LED 光输出强度
15、的作用，然而，正向电流的变化也会改变 LED的彩色，因为 LED 的色度会随着电流的变化而变化。许多应用（例如汽车和 LCD TV 背光照明）都不能允许 LED 发生任何的色彩漂移。在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。通过施加一个PWM 信号来控制 LED 亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成 LED 的调光。全彩 LED 调节，人们常说的真正彩色（True Color）PWM 调光是利用一个 PWM 信号来调节 LED 的亮度。 调节 LED 亮度有三种常用方法： （1）使用 SET 电阻，在 LED 驱动控制 IC R
16、SET 两端并联不同的转换电阻，使用一个直流2电压设置 LED 驱动控制 IC 引脚 RSET 的电流，从而改变 LED 的正向工作电流，达到调节 ALED发光亮度的目的。 （2）采用 PWM 技术，利用 PWM 控制信号，通过控制 LED 的正向工作电流的占空比来调节ALED 的发光亮度。 （3）线性调节，最简便的方法是在 LED 驱动控制 C 中使用外部 SET 电阻来实现 LED 的调光控制。虽然，这种调光控制方法有效，但却缺乏灵活性，无法让用户改变光强度。线性调节则会降低效率，并引起白光 LED 朝向黄色光谱的色彩偏移。可能是轻微的偏移，但可在敏感应用中检测出。 采用数字或叫 PWM
17、的 LED 调光控制法以大于 100HZ 的开关工作频率，以脉宽调制的方法改变 LED 驱动电流的脉冲占空比来实理 LED 的调光控制，选用大于 100HZ 开关调光控制频率主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，在 LED 的 PWM 调光控制下，LED 的发光亮度正比于 PWM 的脉冲占空比，在这种调光控制方法下，可以在高度调光比范围内保持 LED 的发光颜色不变，采用 PWM 的 LED 调光控制的调光比范围可达 3000：1。 线性 LED 调光控制方法就是采用模拟调光控制方法，在模拟调光控制下，通过调节 LED的正向工作电流来实现 LED 的调光控制，调光控制范围可达 10：1。 如果
18、要进一步降低 LED 的正向工作电流则会产生 LED 发光颜色发生变化和不能准确调节控制 LED 的正向工作电流的问题。1.5 LED 的 优 缺 点第一，LED 作为点光源，如果设计合理，很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题； 第二，对光照射面的均匀度可控，理论上可以做到在目标区域内完全均匀，这也能避免传统光源“灯下亮”现象中的光浪费； 第三，色温可选，这样在不同场合的应用中，也是提高效率、降低成本的一个重要途径；第四，技术进步空间依然很大。LED 通常用在一些大规模集成线路板上，由多个组成一个比较强的光源，会有大量的热量存积起来，所有 LED 灯的散
19、热通常是一大问题。所以必须克服散热这个大问题才能更好的运用这个电子原件。LED 现在价格还比较高，按当前同等亮度照明的 LED 的价格是传统光源的 4 倍，所以使用 LED 代替现在的传统光源还维持尚早。1.6 LED 的分类1.6.1 按 发 光 管 发 光 颜 色 分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 1.6.2、 按 发 光 管 出
20、 光 面 特 征 分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为 2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm 及 20mm 等。国外通常把3mm 的发光二极管记作 T-1；把 5mm 的记作 T-1（3/4）；把 4.4mm 的记作 T-1（1/4）。3由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为 520或更小，具有很高的指向性，可作光源用，或与光检出器联用以组成检测系统。（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为 2045。 （3
21、）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 4590或更大，散射剂的量较大。 1.6.3、按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 1.6.4、按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度 100mcd）；把发光强度在10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流LED 的工作电流在 2mA 以下（亮度与普通发光管相同）。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。1.7 单片机的介绍1.7.1 单片机简介单片机主要是一种集成在
22、电路内部的控制芯片，它采用的是常见的超大规模集成电路技术，把拥有能处理数据的中央处理器 CPU，随机存储器 RAM，储器 ROM，多种 I/O 口和中断系统，定时器/计时器等功能，他集成到一块硅片做成的芯片下，从而构成的一个小巧简单完善的计算机基本系统。1.7.2 单片机应用现在单片机已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到几个地方没有单片机的踪迹。导弹导航装置，飞机的各种仪表控制，计算机的数据传输与网络通讯，工业的各种自动化过程比如对实时控制和数据处理，还有生活中广泛使用的各种智能 IC 卡系统，各种豪华轿车的各种安全保障系统，中控系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电
23、子宠物等等，这些都是单片机日常的应用。更不用说现在刚出来的自动控制机器人、智能仪表、只能医疗器械等各种智能机械了。所以现在对单片机的学习、开发与应用将会变成很热门的专业。4第 2 章 方案选择2.1 静态扫描方案LED 点阵可以由多 LED 灯组成，用单片机每个管脚控制 1 个灯的亮度，这样的叫静态显示方式，如果控制的是 16*16 的点阵则需要的是 256*4 个管脚，这个是相当庞大的一个数据，需要 32 个单片机组成，无论从经济，通信，实用各个角度来说这是不可能的达到的，如果选择的是使用锁存器，1024 个管脚则是需要 128 个锁存器，这个数字也是在显示生活中不能达到的，所以说使用静态扫
24、描的方案是不可能实现的。2.2 动态扫描方案2.2.1 主电路想法动态扫描方案里，选择以 PC 机作为上位机，控制核心器件为单片机，全彩 LED 点阵作为显示输出设备，然后再配上阳极驱动电路和阴极驱动电路。2.2.2 动态扫描对 LED 灯的实现方法这次设计的目的是做一个 16*16 的 LED 全彩的显示屏。每个 16*16 的 LED 点阵共有 256个 LED 灯，如果仅仅依靠单片机的每个管脚控制一盏灯，正如上面说的一样管脚数量一定是不够的。所有我选择采用的是现在比较常见的一种显示方式，动态扫描的显示方法。动态扫描就是让灯一个一个的亮，只要当轮回的速度够快，在人眼看就是一副完整的图像。相
25、比较全彩 LED 点阵模块和原来的单色 LED 点阵模块，全彩的是由多个阳极管脚组成，这样就比单色的多了很多管脚，需要更加复杂的驱动电路来驱动，2.2.3 全彩 LED256 色达成想法从目前的市场上来看一般的全彩 LED 灯是由 1 个共阴极管脚和 3 个红黄蓝阳极管脚所组成的，要达到目标的 256 色以上就必须通过改变给各个阳极的电流完成对各阳极的灰度控制，然后由 3 个光组合成为所需要光达到的要求。如果是由 8 级灰度控制各个等的亮度，理论上可以达到 512 种色彩可以满足设计需求。所以只要超过 8 位的灰度就可以成功的达到要求了。2.3 电 路 框 图 方 案2.3.1 核心控制模块这
26、次设计的核心控制我选择的是 89C51 单片机，虽然单片机已经有 30 多年的历史，但是他依旧依靠他自身独有的特点使到现在还在使用。而且现在单片机技术成熟，使用方便，入手简单，成为初学者必须学习的一个元器件。用 51 单片机作为 LED 的控制系统的核心，然后由它负责控制行驱动和列驱动的各个部分。电源模块:因为现在我选择的这块 LED 显示屏需要 DC12V 的供电，所以我选择的是由12V 的直流电压源做为电源，然后通过变压整流电路整流成 5V 的直流电压源供给单片机及驱动电路。时钟电路模块:因为单片机的构成可以在芯片外并接石英晶体震荡器和两只电容晶体。然后石英晶体和两只电容构成震荡回路，与芯
27、片内部的放大器提供正反馈和相移条件，然后构成一个稳定的自激震荡器。然后再经过单片机内部的分频电路后，就可以做为单片机内部的时钟信号了。复位电路:单片机内部提供多个复位电路，我这次选择使用电平复位电路，是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通实现。52.3.2 显示模块采用 4 块 8*8 的全彩 LED 模块，拼合成 1 块 16*16 的全彩 LED 点阵模块来做主电路的显示输出模块。2.3.3 驱动电路模块我现在要选择一个可以提供给阳极 8 种灰度以上选择的芯片。所以我在这里选择的是TLC5946 芯片。这块芯片是一个 16 通道的恒流输入的 LED 驱动，每个通道都可用 4096 级不可
28、调脉冲宽度和 64 级恒流输入。可以点校正，可以单独调节，用点校正和亮度调整来调整LED。灰度控制和点校正两者是由串联借口通道进入，可以传递给下一块芯片。又 2 个错误信息电路。所以我选用这块芯片做我的 LED 阳极的驱动电路。这里使用的 3 块这个芯片，因为这块芯片可以进行串行传输，又可以进行芯片之间的通信。所以只需要 1 个单片机端口对第一快芯片输入一个串行信号就可以对所有的芯片进行数据的传输。这里的 3 个芯片分别控制着这个全彩 LED 点阵红黄蓝的 3 个阳极。阴极驱动电路我使用 74HC138 这块芯片。使用两块这样的芯片组成一个 4/16 线的译码器然后对这个 LED 的阴极进行扫描。达到显示图像的效果。2.3.4 通信电路单片机与上位机通过单片机的串口发送符合 RS-232 协议的信号，由单片机的 RXD 口和TXD 口，于使用的通信信号这样。通信电路就简单的完成了。2.4 整合系统框图这个设计是基于 89C51 单片机的点阵显示，由上位机 PC 发送给单片机控制数据，然后通过单片机中断和串行数据传输给驱动电路信号，再由驱动电路给 16*16 全彩 LED 显示模块进行动态扫描，以实现图像的静态输出。系统图如图 2.1图 2.1 系统框图
