1 绪论1.1 LED显示屏概述LED 显示屏从八十年代后期在全球迅速兴起，在短短的十几年中，技术、产业都取得了长足的进步，已发展成为重要的现代信息发布媒体手段，在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域得到广泛应用，随着社会信息化的进程，LED显示屏在信息显示领域的应用愈加广阔。

本章对LED 显示屏的技术和产业的发展予以介绍。

1.1.1 LED及LED发光材料的特点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。

LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。

把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。

1968年HP公司就生产出红色的LED发光灯（波长660nm），而后陆续出现了可用于显示屏的黄绿(波长570nm)，蓝(波长470nm)及纯绿(波长525nm)，但目前由于高亮度的蓝色及纯绿色半导体晶片制造技术主要掌握在日本，美国等少数公司手中，造成价格比较昂贵。

应用于显示屏的LED发光材料有以下几种形式：1、LED发光灯(或称单灯)一般由单个LED晶片，反光碗，金属阳极，金属阴极构成，外包具有透光聚光能力的环氧树脂外壳。

可用一个或多个（不同颜色的）单灯构成一个基本像素，由于亮度高，多用于户外显示屏。

2、LED点阵模块由若干晶片构成发光矩阵,用环氧树脂封装于塑料壳内。

适合行列扫描驱动，容易构成高密度的显示屏，多用于户内显示屏。

3、贴片式LED发光灯(或称SMD LED)就是LED发光灯以贴焊形式的封装，可用于户内全彩色显示屏，可实现单点维护，有效克服马赛克现象1.1.3 LED显示屏的分类1、使用环境分为户内、户外及半户外户内屏面积一般从不到1平米到十几平米，点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水能力。

户外屏面积一般从几平米到几十甚至上百平米，点密度较稀，可在阳光直射条件下使用，观看距离在几十米以外，屏体具有良好的防风抗雨及防雷能力。

半户外屏介于户外及户内两者之间，具有较高的发光亮度，可在非阳光直射户外下使用，屏体有一定的密封，一般在屋檐下或橱窗内。

2、颜色分为单色、双基色、三基色单色是指显示屏只有一种颜色的发光材料，多为单红色，在某些特殊场合也可用黄绿色(例如殡仪馆)。

双基色屏一般由红色和黄绿色发光材料构成。

三基色屏分为全彩色(full color)，由红色，黄绿色(波长570nm)，蓝色构成及真彩色(nature color)，由红色，纯绿色(波长525nm)，蓝色构成。

3、控制或使用方式分同步和异步同步方式是指LED显示屏的工作方式基本等同于电脑的监视器，它以至少30场/秒的更新速率点点对应地实时映射电脑监视器上的图像,通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。

异步方式是指LED屏具有存储及自动播放的能力，在PC机上编辑好的文字及无灰度图片通过串口或其他网络接口传入LED屏,然后由LED屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。

4、像素密度或像素直径划分∮3.0mm 60000像素/平米，∮3.75mm 44100像素/平米，∮5.0mm 17200像素/平米1.1.4 LED显示屏的发展阶段发光二极管(Lighted Electronic Diode)作为显示器材早期仅应用于仪器仪表等低亮度领域，随着半导体材料技术的不断发展，亮度逐渐提高，稳定性及寿命逐渐延长，色彩逐渐丰富，迅速进入大屏幕工程显示领域。

尤其在体育场馆等场合的应用，因其超高亮度，色彩鲜艳，长寿稳定，已成一统天下之势。

而近几年LED显示材料的产量迅猛增长，成本迅速下降，使其进入户内高密度大屏幕市场成为可能。

LED大屏幕的发展呈现如下几个发展阶段：1、第一代单色LED显示屏以单红色为基色，显示文字及简单图案为主，主要用于通知通告及客流引导系统。

2、第二代双基色多灰度显示屏以红色及黄绿色为基色，因没有蓝色，只能称其为伪彩色，可以显示多灰度图像及视频，目前在国内广泛应用于电信，银行，税务，医院，政府机构等场合，主要显示标语，公益广告及形象宣传信息。

3、第三代全彩色(full color)多灰度显示屏以红色，蓝色及黄绿色为基色，可以显示较为真实的图像，目前正在逐渐替代上一代产品。

4、第四代真彩色(true color)多灰度显示屏以红色，蓝色及纯绿色为基色，可以真实再现自然界的一切色彩(在色坐标上甚至超过了自然色彩范围)。

可以显示各种视频图像及彩色广告，其艳丽的色彩，鲜亮的高亮度，细腻的对比度，在宣传广告领域应用具有极好的视觉震撼力。

它具有高亮度，不受环境亮度影响，厚度薄，占用场地小，色彩鲜艳丰富，视角宽，可以在宽敞的厅堂环境应用，没有拼接图像损失。

1.2 本文LED点阵显示屏设计的内容及技术指标1.2.1设计内容1、显示方式的确定2、驱动电路设计3、控制器件选择及控制方式4、软件设计，包括上位机及下位机程序设计5、通信方式的设计6、PCB的设计制作等1.2.2技术指标分辨率：128x32颜色：红绿双基色驱动时钟：1.843199MHz场频：65Hz行频：1040Hz尺寸：608mm×152mm接口：标准USART显存：1792B1.3 本文章节安排本文分成四章，各章主要内容安排如下：第一章绪论，综述了LED点阵显示屏构成、分类、发展情况，并介绍本文LED 点阵显示屏设计的主要工作和技术指标。

第二章显示的总体设计，首先介绍了显示屏点阵的显示原理，接着介绍点阵的特点，确定系统的总体框图，并通过实验验证的方法确定了本次设计屏幕显示所采用的扫描方式和扫描频率。

第三章硬件电路设计，主要详述了列锁存电路和行扫描驱动电路，以及控制电路的设计。

第四章软件程序设计，主要描述了上下位机的程序设计方法，及其实现，下位主要介绍了各种动态显示方式的实现方法，上位机主要是串口通讯软件的实现办法。

2 显示屏的总体设计2.1显示屏的显示原理由n 行m 列LED （通常由8x8LED 点阵模块拼接组成的）点阵屏，按一定的规律点亮其中的一部分LED ，便可以显示特定的图形或文字（如图2.1所示）。

显示屏中的每一个像素，也叫像筒，就是点阵中的一个发光点，它可分为单色，双基色，三基色三种。

单色（如红色或绿色），则可以显示单色或者灰度的图像或文字。

双基色屏除了可以显示单色的功能外，还可以通过控制像点的亮度制成伪彩屏，而三基色屏则可以通过对每个像筒中的三种光源进行256级灰度调节，从而实现真彩屏显示。

LED 点阵显示屏由数量众多的LED 组成，如室内屏常用的∮3.75mm （像筒直径3.75毫米）的显示屏一平方米就有44100像素。

如此庞大的数量，如果用静态显示，将需要大量的锁存器和地址译码等硬件电路，而且需要消耗巨大的电能。

比如每个LED 的显示电流为3mA 的话,假如由5伏电源供电,则一平方米真彩屏的耗电功率最高达到44100*3*3*5/1000=1984.1W(全屏所有LED 都亮)，相应电源要提供的电流约为400安培，而如果采用动态的扫描显示，笔者通过实验验证利用1/16行扫描，50Hz 的场频时每个LED 的驱动电流为10mA 时其亮度跟静态的3mA 相当。

这时电源提供的最大电流为44100*10*3/16/1000A=8.25A 。

也就是说静态显示的耗电量大约为动态显示耗电量的40多倍。

基于以上两个原因LED 点阵显示屏一般都采用动态的扫描显示。

每一时刻只点亮显示屏中一行或者几行LED ，利用人眼的视觉暂停效应，通过快速扫描，使屏幕看起来所有行是同时显示的。

其原理类似于电视机扫描显示原理。

2.2显示屏设计的实现方法2.2.1 LED 点阵模块特性LED 点阵显示屏幕除非特殊用途，如需要高亮，大直径像点等等，一般不用分立的发光二极管组成，而是用现成的LED 点阵集成块排列而成。

目前市面上能买到的有5×8、8×8、16×16等规格，像素直径为φ3.0、φ3.7、φ4.8、φ5.0、φ8.0、ph8、ph10、图2.1 点阵显示示意图ph16、ph20等。

5×8点阵一般用于英文和数字显示。

而8×8和16×16一般用于组成显示屏。

高的集成度可以简化电路设计，但价格也高。

目前8x8点阵用得最多，LED8x8点阵有单色（红，绿，黄）、双基色（一般为红绿两色）和三基色（红绿蓝三色）可选。

笔者从市场上了解到8*8单基色和双基色模块的价格基本一样，一般都是24引脚（单基色有8个空引脚），引脚排列比较规则；单色模块也有16引脚的，但引脚排列不规则。

基于以上原因，并从设计的从实际出发，同时由于是比较小的室内屏，故选用φ3.7的红绿双基色模块。

买回来的LED点阵模块，需要测定它的封装（包括尺寸和引脚排列），和电器特性。

首先可以查它的电子技术文档，得出红绿双色LED8x8的封装及引脚排列如图2.2所示，接着用万用表调到二极管测试档进行引脚排列验证。

当万用表的红笔黑笔分别接触到LED的正负极的时候，对应的LED会发光。

经测试引脚与图2.2所示一致。

图2.2双基色8*8点阵原理与引脚图其中“▲”代表红色发光芯，“△”代表绿色发光芯。

图2.3是LED8×8点阵的外观图，下面对点阵的电器特性进行验证。

图2.4和图2.5分别是点阵中红色LED 和绿色LED 的伏安特性和亮度电流特性图由图可以看出亮度电流特性两种灯基本上一样，不同的是绿灯的导通电压比红灯高，而且绿灯随电压的增大电流增大不及红灯快。

图2.3点阵的外观图2.5绿LED 的电器特性图图2.4红色LED 的电器特性图表2.1通过实验测试的了作品所采用的LED点阵模块两种颜色的LED在不同电流下的正向压降。

可以看出与技术文档的特性曲线基本一致流。

1.94 1.972.00 2.05 2.11 2.20向压降(V)红色LED正1.85 1.86 1.90 1.93 1.972.00向压降(V)2.2.2 系统的总体实现方法要实现128x32的显示屏，首先得算出整屏所需的8x8LED点阵模块数，计算方法是N=（128x32）/（8x8）=64片。

我们把LED点阵里同一行的所有LED的正极相连，每一行引出一条行线；把同一列的所有LED的负极相连，每一列引出一条列线。

如图2.6所示。

列线的数据取自列锁存电路，行线与扫描电路相连。