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1、微机无线修改LED点阵显示系统的设计与制作摘要本课题设计了一种PC机基于无线传输的LED点阵显示系统。文章阐述了本课题的整体设计方案，根据功能将整体设计分为上位机显示模块，无线发送模块，接收与显示模块。为了实现PC机无线修改LED点阵显示，本设计采用VC2008编写上位机模块软件，实现PC机与89C52单片机的串行通信，采用CC1100无线通信模块实现本设计的发射模块与接收模块的无线通信，采用STC89C52单片机显示模块控制CC1100模块通信与F3.75半板单色LED点阵模块显示。从而实现PC机无线控制LED点阵显示。最后，调试程序并进行硬件调试，实现了基本功能。该系统可以作为室内无线LE
2、D显示屏的最基本模型。关键词：LED点阵屏；单片机；无线通信；串行通信ABSTRACTThis paper designs a PC wireless transmission of LED dot matrix display system based on. This paper expounds the overall design scheme of this subject, according to the function of the whole design is divided into PC display module, wireless transmitting mo
3、dule, receiving and displaying module. In order to realize the PC wireless to modify the LED dot matrix display, this design uses the VC2008 program for the host computer software to realize the serial communication module, PC and 89C52 single chip microcomputer, wireless communication using CC1100
4、wireless communication module transmitting module and receiving module of the design, using STC89C52 single chip computer display module controlCC1100communication module and F3.75 half sheet monochrome LED dot matrix display module. In order to achieve PC wireless control LED dot matrix display. Fi
5、nally, debugging the program and hardware debugging, the realization of the basic functions. The system can be used as the basic model of indoor wireless LED display screen.Key words：LED lattice；Micro Controller Unit；Wireless communication；Serial communication 1 引言1.1 课题来源本课题是在导师的指导下选题的，课题的目的是研制一种可以
6、无线修改显示内容的LED点阵显示系统。用户能在上位PC机上控制，通过无线通信方式传输数据，随时改变显示内容。1.2 LED发展现状LED(Lighting Emitting Diode)即发光二极管,是一种半导体固体发光器件。由于LED只是需要很低的功耗和占用的空间范围比小，使用寿命长，环保，所以LED是现实社会不错的选择。LED显示屏是20世纪90年代出现的新型平板显示器件,由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳,使它在公众多媒体显示领域一枝独秀而就LED的特点使得它生产和研发具有一定的针对性,也将会发展许多新型产业。 LED的体积小、耗电量低、使用寿命长、环保、坚固耐用的特征决定了它是用最理想的
7、光源去代替传统的光源,有着广泛的用途。从长远看来,随着全球节能减排的盛行,环保和节能成为市场热点,LED行业开始升温。而我国LED产业经过30多年的发展,虽然先后实现了自主生产器件、芯片和外延片,但自产的LED芯片,外延片产量仍有限,其产品以中、低档为主,产业化规模偏小,只能满足国内封装企业需求量的20%30%,大部分高性能LED和功率LED产品均要依赖进口。随着政府的大力推广和全球产业梯次转移,我国进入LED产业的企业与日俱增,产业市场竞争将更加激烈。 1.3 研究目标目前采用有线数据传输方式的LED点阵屏幕安装和更换位置不便，而采用公用无线收费网络传输的方式运行费用较高，针对上面存在的问题
8、，研制一种基于无线传输的LED点阵屏显示系统。系统除具有让LED显示终端以不同方式进行文本或单色图案显示的基本功能外，还具有以下功能：l、系统上、下位机之间通过无线短距离通信方式传输数据，节约运行费用。2、设计模块化的可拼装LED显示屏，使得屏幕尺寸大小可以根据实际需要来拼装，提高实用性。3、取消字库固化在显示终端的传统方式，采用上位机程序实时转换汉字成点阵传输给显示终端的方式，因此可以显示各种可输入文字和效果。1.4 模块功能（1） 上位机模块主要功能有：输入汉字、符号等，将文字在设置的文本框内取模，转换成16x64的点阵显示字模，发送数据。（2） 89C52单片机通过串口接收上位机数据后通
9、过CC1100无线模块进行数据传送。数据传输率可达500kbps，具有体积小、灵敏度高等特点，传输距离可达到450米。 （3）接收与显示端由89C52控制一块商业化的F3.75单红半板，实现将收到的字模数据显示。1.5 研究意义 该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。并且对大学期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了新的认识。并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。目前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的作用也越
10、练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。但同时应该清楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一定的差距。因此，此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术的发展都有非常现实与积极的意义。2 设计任务及要求分析2.1功能要求本方案设计一个微机无线修改LED点阵显示系统，具体要求满足以下条件：1. 要求管理者能从PC机上修改LED点阵显示内容；2. 采用无线数据传送方式；3. 要求采用51系列单片机作为微控制器，；4. 可随时修改LED点阵显示屏显示内容； 5.成本、功耗较低，易于商业化；6.系统要求稳定，抗干扰能力强;7.系统要稳定可靠，具有以维护，可扩展的特点。2.2 要
11、求分析2.2.1 PC机修改LED点阵显示内容LED点阵显示汉字或者是图片需要显示数据，要从PC机修改LED点阵显示内容，就要能发送命令给控制LED点阵显示的单片机或者是直接发送LED点阵显示所需要的显示数据。这要求PC机能与单片机进行串口通信，传送数据。若PC机发送的数据是LED点阵的直接显示数据（比如数组），要求PC机能完成输入字符到显示数据的转换。2.2.2 采用无线传输数据方式，系统要求稳定，抗干扰能力强要采用无线传输数据方式完成PC机与控制LED点阵显示的单片机之间的数据交流，需要用到无线通信模块。无线通信模块由单片机控制，从PC得到的数据进行FSK调制，用天线进行收发。市场上常用的
12、短距离无线通信模块能完成这个要求。2.2.3 可随时修改LED点阵显示屏显示内容；在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足、稳定、清晰无串扰。成本、功耗较低，易于商业化，这要求LED点阵采用动态显示方式，可采用商业化的单元LED显示屏。静态显示亮度虽比较亮，但功耗大，动态显示亮度稍微差点，但是显示位数多。可随时修改LED点阵显示屏显示内容，这对无线通信模块的数据传输速度有较高要求。以下为所有的要求总结：1. 要求PC机能完成输入字符到显示数据的转换；2. PC机与单片机进行串口通信传输数据；3. 采用无线通信模块进行无线数据传输；4. 采用商业化的点阵屏。3 系统方案论证与选择3.1 上位机
13、程序转换字符与显示数据方案在LED点阵屏上显示汉字需要汉字字模，一般有两种方式得到汉字的字模，一种是用点阵汉字库的方式；另一种是将输入汉字转存为图片，PC机进行扫描得到字模。通过程序提取汉字库中的点阵，需要一个汉字库，例如HZK16。以“啊”这个汉字为例。汉字：机内码高位=区码+A0H 机内码低位=位码+A0H汉字库结构：GB2312规定字库分为94个区，每区94个汉字；1-9区为图形字符，10-15区没有使用，16区以后为汉字。“啊”字的区位码1601（16区第1个）内码是B0A1。字库（HZK16）中汉字的点阵第一个字节在字库文件中的偏移（长整型）=（机内码/256-161）*94+机内码
14、%256-161）*32通过偏移算出在字库中地址,就可以依次取出点阵数据。这种方法并不是很方便。将输入的字符转存为图片扫描的方式很容易实现，并且充分的利用了PC机，设计将采用这种方案。同时汉字模提取有很多种方法，不同的点阵屏适合不同的方法。如果选错了方法，将大大增加单片机的工作量。本点阵屏比较适合，多个汉字一起取模，不适合多个汉字分开取模。比如下面河西学院几个字，应该先取第一行，然后第二行接着第三行而不是先取第一个汉字的第一行，再第二个汉字。这样单片机就只要顺序输出字模就能正确显示了。3.2 PC机与单片机进行串口通信传输数据方案51最小系统板可通过RS-232串口线与PC机进行串口通信，而设
15、计将采用51系列单片机作为微控制器。应此，采用RS-232、最小系统版作为PC机遇单片机通信的载体，波特率设置为9600bit/s。3.3 采用无线通信模块进行无线数据传输方案市场上短距离的无线通信模块有很多，比如NRF系列、CC系列。相比之下CC1100具有很多优点，CC1100是Chipcon公司推出的单片UHF无线收发芯片，体积小，功耗低，数据速率支持1.2-50kbps的可编程控制，其工作电压范围为1.9一3.6V可以工作在l5MHz、86MHz、433MHz、315MHz四个波段，可通过程序进行配置在所有频段提供一30-10dBm输出功率，支持FSK、GFSK、AS幻OOK和MSK调
16、制方法。内置地址解码器、先人先出堆栈区、调制处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。CCll00芯片能耗非常低，它具有两种低功耗工作模式:关机模式和空闲模式。在关机模式下，可以得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于2OOnA。当芯片不向外发送数据时选择工作在此模式，可明显地延长电池的使用寿命。CC1100的空闲模式也是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是在实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。CC1100除了具有多种低功率工作模式，满足节能设计的要求外，还具有很多其他优点:(1) 可实现远距离通信，从
17、几米到几十米可通过程序配置；(2)内置CRC纠检错硬件电路和协议;芯片在处理数据时自动生成CRC校验；(3)片内部设置有专门的稳压电路且带有数据时隙和数据时钟恢复功能，靠性很高。CC1100集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。在发射状态下，其发射功率可编程调节，其最大发射功率达到10dbm.基于以上原因，设计采用CC1100进行无线数据传输。最小系统板的供电电压为5V，不能直接用于CC1100模块供电，设计采用3.3V电源供电模块给无线模块供电。无线模块供电电路：图 3.1 3
18、.3v供电模块电路图3.4 点阵屏选取方案LED点阵有两种显示方式：动态显示、静态显示。静态显示： LED的亮度高，软件编程也比较容易，但是它占用比较多的I/O口资源，常用于显示位数不多的情况。动态显示：它利用了人眼的“视觉暂留”效应，占用资源少，动态控制节省了驱动芯片的成本，节省了电 ,但编程比较复杂，亮度不如静态的好。基于成本、功耗较低，易于商业化这些要求，设计需要采用动态显示商业化的点阵屏；设计采用89C52作为微控制器，其内存有限，因此设计采用一块F3.75单红半板64*16点阵屏作为显示屏。该点阵屏为标准8引脚接口：LA、LB、LC、LD、OE、SCK、STR、D。其中LA 、LB、
19、LC、LD 这是行数据信号，经过74HC138译码可以选中16行。STB为所存信号，是提高给595锁存时钟的，CLK是时钟信号，是提供给595时钟信号，D为数据信号，用于控制LED灯亮灭，OE是使能信号，控制整个屏的亮灭。3.5 系统总体设计方案系统总体设计方案见图3-1。接收显示模块配置、上电复位CC1100，准备接收发送模块的数据发送模块接收上位机发送的数据上位机输入字符接收显示模块接收发送模块发送的数据，根据这些显示数据控制LED显示发送模块配置、上电复位CC1100，给接收模块发送接收到上位机的数据 上位机取模上位机用串行通信给发送模块发送需要的显示数据 图 3.1 系统总体设计方案图
20、 微机无线修改LED点阵显示系统由上位机模块、无线发送模块、接收与显示模块3个模块组成。上位机模块为接收用户输入的信息，将其取模，转换成LED点阵显示数据，并通过RS-232串口将数据发送给无线发射模块。上位机模块完成得到整个系统所需要的用于LED显示的数据的功能。无线发送模块由89C52单片机控制，将从上位机模块得到的数据通过CC1100收发模块进行FSK调制，用天线发送出去。上面两个模块组成了上位机发送端，其结构框图如下图所示：CC1100无线发送模块上 位 机 RS-232 串口89C52单片机 图3.2 上位机发送端结构框图接收与显示模块通过89C52单片机控制CC1100无线收发模块
21、接收上位机发送端的数据，得到完整的显示数据后用显示函数控制显示屏显示。显示屏为一块F3.75、16x64规格的点阵屏，可以清晰的显示4个16x16规格点阵汉字。接收与显示模块结构框图如下图所示89C52单片机CC1100无线发送模块F3.75的16x64点阵屏： 图3.3 接收与显示端结构框图4 系统硬件设计与理论分析4.1.1 STC89C52单片机简介STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8
22、位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口，内带2K字节EEPROM存储空间；可直接使用串口下载；。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下
23、，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。下图为其引脚图。 图4.1 stc89C52引脚图下面为stc89c52rc的具体参数：1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.2. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）3.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz4. 用户应用程序空间为8K字节5. 片上集成512 字节RAM6.通用I/O 口（32 个），
24、复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8. 具有EEPROM 功能9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12.
25、工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）13. PDIP封装4.1.2 CC1100无线收发模块简介CC11011是一款低于1GHz设计旨在用于极低功耗RF应用。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、链路质量指示以及无线唤醒(WOR)的广泛硬件支持。CC1101在代码、封装和外引脚方面均与CC1100兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。 图4.2 CC1100模块电路原理图CC1100的特性：1）387.0MHz464.
26、0MHz工作频段。(433MHz，0.6kbps，1%误码率时为-116dBm)。(接收模式，433MHz，1.2kbps时仅16.0mA)。2） 最高可设置为+10dBm的发射功率。3） 支持0.6kbps500kbps的数据传输速率。4） 支持多种调制模式(OOK、ASK、GFSK、2-FSK、4-FSK和MSK)。5） 提供对同步字检测、地址校验、灵活的数据包长度以及自动CRC处理的支持。6） 支持RSSI(接收信号强度指示)和LQI(链路质量指示)。7） 通过4线SPI接口与MCU连接，同时提供2个可设定功能的通用数字输出引脚。8） 独立的64字节RXFIFO和TX FIFO。9） 工
27、作电压范围：1.9V3.6V，待机模式下电流仅为200nA。10） 工作温度范围：-40+85CC1100引脚介绍：CC1100无线收发模块有8个引脚：GND:地线，连接到电源参考地；VCC：供电电源，必须在1.8-3.6V之间；GDO0：输出，模块信息输出引脚；CSN：输入，模块片选引脚，用于开始一个SPI通信；SCK：输入，模块SPI总线时钟；MOSI：输入，模块SPI数据输入引脚；GDO1：输出，模块SPI数据输出引脚；GDO2：输出，模块信息输出引脚。4.1.3 各部位引脚连接与数据传输上位机发送端中，PC机用RS-232串口线与51单片机最小系统板相连，用串口通信方式传输数据，波特率
28、设置为9600bit/s，最小系统所用晶振为11.0592M。最小系统板用P1口与CC1100无线收发模块相连。无线接收与显示模块中，最小系统板用P1口与CC1100模块相连以接收数据，用P0口连接显示屏，以控制LED点阵屏显示。4.1.4 LED点阵屏显示设计采用F3.75单红64x16半板。LED 屏的分辨率为 64*16 如下图所示，每行64个像素，共16 行。图4.2 CC1100模块电路原理图LED 屏以动态扫描方式显示，每次只显示一行。LA、LB、LC、LD 用来控制选中其中的某一行，其关系如表4.1所示。LALBLCLD选中的行0000第0行0001第1行0010第2行.1111
29、第15行表4.1 LED行选对照表当然行选择信号有效的前提是 EN 引脚必须拉为低。列信号由8片74HC595 控制。每片控制8列，共计八八六十四列。列信号通过DATA引脚和SK引脚以串行方式移入595移位寄存器中，通过控制 LT 的电平来同步 595 移位寄存器和其引脚的状态。5 系统软件设计与理论分析5.1程序总体结构框图微机无线修改LED点阵显示系统接收与显示模块软件上位机模块软件发射模块软件图5.1 软件总体结构图在系统硬件电路设计完成后，就要进行软件的开发工作了，微机无线修改LED点阵显示系统的软件编写分为三部分：上位机程序、无线发射模块程序、无线接收与显示模块程序。上位机程序采用M
30、icrosoft Visual Studio 2008开发平台编写，无线发射模块程序与接收显示模块的程序可以通过C语言来编写，然后利用Keil开发平台进行编译链接生成单片机可执行的程序。5.2 三个模块软件的开发5.2.1 Microsoft Visual Studio 2008开发平台Microsoft Visual Studio（简称VS）是美国微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等。所写的目标代码适用于微软支持的所有平台，包括Microsoft Windows、Wi
31、ndows Mobile、Windows CE、.NET Framework、.NET Compact Framework和Microsoft Silverlight 及Windows Phone。Microsoft Visual Studio 2008是面向Windows Vista、Office 2007、Web 2.0的下一代开发工具，代号“Orcas”，是对Visual Studio 2005一次及时、全面的升级。VS2008引入了250多个新特性，整合了对象、关系型数据、XML的访问方式,语言更加简洁。使用Visual Studio 2008可以高效开发Windows应用。设计器中可
32、以实时反映变更,XAML中智能感知功能可以提高开发效率。同时Visual Studio 2008支持项目模板、调试器和部署程序。Visual Studio 2008可以高效开发Web应用，集成了AJAX 1.0，包含AJAX项目模板，它还可以高效开发Office应用和Mobile应用。5.2.2 上位机系统程序设计上位机模块主要功能有：输入汉字、符号等，将文字在设置的文本框内取模，转换成16x64的点阵显示字模，发送数据。1） 上位机运行平台、开发环境以及开发工具采用Microsoft Visual Studio 2008开发工具，开发环境为Microsoft Windows8。程序语言为VC
33、+。2） 程序总体结构将系统按功能划分成三大模块，即显示文本模块、转换和发送模块，然后对每个模块再细分子模块。图4-1为上位机管理系统的软件流程图。 开 始等待输入字符输入字符，enter键显示输入字符判断某点屏幕颜色黑白 黑bufij字节对应值为0 白bufij字节对应值为1 循环64x16次显示串口被占用判断串口是否被占用Yes No 将buf168从 串口发送出去波特率设置为9600 图5.2 上位机软件流程图3 ）软件重要说明上位机软件的核心是将输入的字符转换成一个二维数组，利用显示的黑白颜色给予二维数组具体值。利用这种方法将整个屏的模取出来，具体程序如下：for(i=0;i16;i+
34、)for(j=0;j8;j+)bufij=0xff;for(i=0;i16;i+)for(j=0;j64;j+)if (dc.GetPixel(j+1,i+1)=RGB(0,0,0)col=j/8;buficol&=(1(7-j%8);5.2.3 无线发送模块程序设计无线发送模块的主要功能是接收上位机的数据并用CC1100收发模块将数据发送给接收与显示端。1）无线发送模块程序采用keil2开发工具，开发环境为Microsoft Windows8。程序语言为C语言。 2）程序流程图 开 始串口接收设置CC1100初始化上电复位CC1100配置CC1100的寄存器发射功率设置 串口是否接受到完整数
35、据 No Yes 一次无线发送8位数据循环发送16次 图5.3 无线发射模块软件流程图3）软件重要说明串口接收：无线发送模块的单片机最小系统板是用的晶振为11.0592Mhz，于是为了产生9600bit/s，对单片机进行如下设置：SCON=0x40;TMOD=0x20;TH1=0xfd;TL1=0xfd；采用do-while结构循环接收16次数据，当为接收到数据时，等待。具体程序如下：dowhile(RI=0);RI=0;i=SBUF;while(i!=0x55);for(i=0;i128;i+)while(RI=0);RI=0;*(p+i)=SBUF;5.2.4 接收与显示模块程序设计接收与
36、显示模块的主要功能是接收上位机无线发射端的数据，并用这些数据控制LED点阵显示。按功能可将程序整体分为两个模块：CC1100接收模块、LED显示模块。1）程序说明接收与显示模块模块程序采用keil2开发工具，开发环境为Microsoft Windows8。程序语言为C语言。接收模块为CC1100模块；显示屏为64x32LED点阵屏；用来支持显示屏显示的数据为上位机所取的整个屏幕的模；单片机就只要顺序输出字模就能正确显示了。2）软件整体流程图 开 始CC1100初始化上电复位CC1100配置CC1100的寄存器 接收功率设置Led点阵屏初始化 判断是否接收到数据 NoYes将接收到的数据存入二维数组 判断是否接收了16次No 根据所接收到的 二维数组进行显示Yes图5.4 接收与显示模块软件流程图3）软件重要说明显示程序显示显示方式为一次取出8bit数据用于点阵屏一行的显示，循环16行。具体程序如下：for(cnt1=0;cnt116;cnt1+)PTemp = Byte+ZiFuNO*cnt1;for(cnt2=0;cnt2LedNO;cnt2+)LedArrayByteOut(*(PTemp+);for(cnt=20;cnt!=0;cnt-);LT(0);LT(1);HSelect(cnt1);6 实物展示及相关说明7总结