LED数码显示控制的设计

兰州职业技术学院 毕业设计（论文）开题报告 课 题 LED数码显示控制 所属教学单位 兰州职业技术学院 专 业 机械制造与自动化 年 级 09A 学 号 20090106156 姓 名 赵 海 浩 指导教师 赵 翔 2011年06月26日

一、选题的性质 （ ）应用理论研究 （）应用研究 二、选题的目的和理论、实践意义 本次设计主要内容是进行电梯控制电路设计，在设计中运用到了《可编程控制器应用技术》等多门课程知识，并应用三菱PLC编程软件进行程序设计及校验，因此是一个非常重要的综合实践环节，也是一次全面的、规范的实践训练。通过这次训练，使我在众多方面得到了锻炼和培养，主要体现在如下几方面: （1）培养了我们理论联系实际的设计思想，训练了综合运用机械设计课程和其他相关课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和扩展了相关LED数码显示控制方面的知识。 （2）通过对常用、较简单机电梯电路的设计，使我掌握了一般LED数码显示控制程序和方法，树立正确的工程设计思想，培养、全面、科学的工程设计能力和创新能力。 （3）另外培养了我们查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算机辅助设计方面的能力。 （4）更进一步学习PLC的相关知识，了解世界先进水平，尽可能多的应用于实践 三、课题研究的主要内容 本课题主要研究的是LED数码显示控制的设计。通过设计编制PLC程序实现LED数码管控制，提供较为直观、准确的显示状态，为显示各种数字和字母提供多方面的可能性，充分提高工作效率。 本课题侧重于对LED数码显示控制的选择，LED数码管显示工作过程及PLC的简介等内容，进一步结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和扩展了相关LED数码显示控制方面的知识，最后完成LED数码显示控制的设计。 四、课题研究的方法、策略及基本条件 通过大量查阅文献资料，将理论与实践结合，进行比较分析，完成设计。通过对教材以及网上搜集的资料做了详细的分析，以此了解了LED数码管显示的工作过程。 本人做该课题所具备的基本条件： 本人已经有了一定的专业知识储备，具备了一定的设计与自学能力；该课题的相关设计资料和相应软件齐全；且目前已搜集了大量与LED数码显示控制有关的理论及操作资料。借助于计算机技术以及相关软件，完成PLC程序设计。 最后整理资料，准备答辩总结优点，寻找差距，改进缺点。

五、课题研究的步骤和总体安排 步骤： 1、选定设计的方法与步骤； 2、 LED数码显示控制工作过程 3、 LED数码管的显示方法； 4、 PLC程序设计； 5、 完成LED数码显示控制的设计 6、 毕业设计整理。 7、 录入毕业设计电子文档。 8、 准备毕业设计答辩。 安排： 1、第一阶段完成资料收集工作。 2、第二阶段完成开题报告。 3、第三阶段完成毕业设计。 4、第四阶段提交毕业设计。 六、成果形式描述 在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，我开始了的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。 七、指导教师意见及指导安排 指导教师签字： 年 月 日 八、所属教学单位意见 负责人签字： 年 月 日

摘要

年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，LED的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用近于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域。LED往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。对本次设计的硬件部分和软件部分进行设计以及对其原理进行了阐述。本次做的LED数码显示控制以八个二极管为核心，结合相关的 元器件组成，在配合相应的软件，达到制作简易的数码显示技术目的。本次设计采用PLC去实现设计要求。 关键词：二极管、PLC、LED

目录

摘要.............................................................. 前言.............................................................. 一、LED的简介....................................................

1.1LED的三大阶段.................................................

1.2 LED的发展历史................................................ 1.3 LED的发展趋势................................................

二、设计内容.......................................................

2.1 控制要求.................................................... 2.2 LED发光原理. ............................................... 2.3 LED数码管的结构............................................. 2.4 LED数码管种类. .............................................. 2.5 共阳极的LED数码管原理........................................ 2.6 LED数码管的显示...............................................

三、 软件设计.....................................................

3.1 I/O借口输入输出............................................ 3.2 输入输出接线图.............................................. 3.3 程序框图..............................................

3.4 根据控制要求和I/O地址编制控制梯形图............................

四、 结束语............................................................ 五、 致谢............................................................. 六、 参考文献...........................................................

前 言

20世纪末电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现在电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动力社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记当前的时间。忘记了要做的事情，当事情不是很重要是时候，这种遗忘无伤大雅。但是，一旦重要事情，一时的耽误可能酿成大祸。

目前，LED正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低工耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

LED应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须有模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用LED通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术称为微控制技术，是传统控制技术的一次。

一、LED的简介

1.1 LED的三大阶段

随着LED照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助照明等公共场合，LED照明灯具渐渐替代了一些传统光源产品。2009年，LED灯具开始在发达国家进入主照明普及。市场对LED灯具产品有了一定的认可和接受。LED灯具的环保，体积小，高可靠性等其他特性逐渐凸显出来。

LED初期是由单色光为主，虽然功率小，价格高，但其可靠性高，控制性强，体积小，所以最先兴起的市场是电子器件指示灯。随着LED照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助照明等公共场合，LED渐渐替代了一些传统光源产品。2009年，LED开始在发达国家进入主照明普及。在电费较高，使用时间较长的商业应用场所，LED灯具迅速成为市场的新宠。作为LED照明灯具的用途，LED市场发展分几个阶段。

第一阶段，LED灯具替代接受阶段。这一阶段指的是LED灯具在发展初期，主要体现出其光效高(能耗小)，寿命长的特点。因为售价高，所以在这一阶段主要为商照市场。客户有一个接受的过程，首先是使用习惯和外观上的过渡与接受。在与传统光源一致的使用情况下，LED灯具体现出的节电，长寿等特点使得市场容易接受它的相对高价。尤其是在商用场合。各厂商拼的是质量价格优势。

第二阶段，LED灯具实用新型阶段。 在上一阶段的基础上，市场对LED灯具产品有了一定的认可和接受。LED灯具的环保，体积小，高可靠性等其他特性逐渐凸显出来。由此而开发的一系列完全有别于传统光源应用的产品会大行其道。照明行业会出现更大更广的一个发展空间。光源不再是仅仅起到照明作用，它的多变使得更贴切人们工作生活中的点点滴滴。各厂商拼的是设计应用优势。

第三阶段，LED灯具智能控制阶段。随着物联网等新技术的发展，LED作为半导体产业，也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特点。从家庭到办公楼，从道路到隧道，从汽车到步行，从辅助照明到主照明，具备智能控制的LED照明灯具系统将给人类带来更高等级的服务。LED灯具产业也将由做产品，到设计产品，到提供整体解决方案的历程。

1.1LED的发展历史

如果将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段： （1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在NCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 2)CPU外围功能单元的集中管理模式。 3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

1.3LED的发展趋势

我国LED显示屏产业自上世纪90年代以来，在规模迅速发展的同时，产品技术也推陈出新，一直保持了在该领域内比较先进的水平。LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用，产业将有大的调整和发展：产业规模不断扩大 、产品规范和标准化受到重视 、通信传输和网络控制 、技术不断推陈出新 、显示颜色、亮度和视角 、灰度控制技术 、驱动电路 、系统控制技术 、市场保持持续增长 。

二、设计内容

2.1控制要求

按下启动按钮后，由八组LED发光二极管开始显示：先是一段段显示，显示次序是A、B、C、D、E、F、G、H，随后显示数字及字符，显示次序是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、b、C、d、E、F，再返回初始显示，并循环10次结束。 2.2 LED发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。

异带电子注入发光中心Eg发光价带空穴注入P区N区结区

图1

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不

大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 2.3 LED数码管的结构

LED数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，其中七个长条形的发光管排列成“日”字形，右下角一个点形的发光管作为显示小数点用，通过不同的组合可用来显示数字0 9、A、B、C、D、E、F、G、H。数码管的外形结构如图所示。

2.4 LED数码管种类

LED数码管又分为共阴极和共阳极两种，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。 共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起。通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮。根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起。通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数

字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。 2.5 共阳极的LED数码管原理

下图例举的是共阳极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个电源的正。led数码管原理图示意：

gfvtabafgbedcdpedvtcdp

LED数码管正面图各字段的引脚

从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件： 1、是要在VT端（3/8脚）加正电源；

2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接低电平或“0”电平。这样才能显示的。 1）共阳极LED数码管的内部结构原理图如下：

abcdefgdpVT

2）共阴极LED数码管的内部结构原理图如下：

VTabcdefgdp

七段显示管的字形代码如下表：

显示字形 0 1 2 A 1 0 1 B 1 0 1 C 1 0 0 D 1 0 1 E 1 1 1 F 1 1 0 G 0 0 1

3 4 5 6 7 8 9 A b C d E F 2.6 LED数码管的显示

1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 2.6.1静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个LED数码管的I/O口进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O口来驱动。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。

2.6.2动态显示驱动：

数码管动态显示介面是LED数码管中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\"a,b,c,d,e,f,g,dp \"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于LED数码管对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为5s，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

三、硬件设计

3.1硬件介绍 3.1.1计数器

主要计数LED数码管显示的次数，以便达到所控制要求10次。用字母“C”表示。

3.1.2时间继电器

主要用于控制LED数码管显示的时间，使每次显示都是5秒。用字母“t”表示。

3.1 I/O借口输入输出

输入 输出 输入继电器 功能 输出继电器 功能 X000 X001 SB1启动按钮 SB2关闭按钮 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 A段显示 B段显示 C段显示 D段显示 E段显示 F段显示 G段显示

Y007 H点 3.2输入输出接线图

SB0X000SB1X001Y000 Y001 Y002Y003 Y004Y005Y006COM

ABCDEFG~

PLCCOM3.3 程序框图

开始初始化显示显示段得电显示出数字或字母重复10次指向下一个返回

3.4根据控制要求和I/O地址编制控制梯形图

X000Y000T0Y001T1Y002T2Y003X001T22CT0(Y000)K5( T0 )T1(Y001)K5( T1 )T2(Y002)K5( T2 )T3(Y003)K5( T3 )T4T3Y004(Y004)K5( T4 )T5T4Y005T5Y006T6Y007T8(Y005)K5( T5 )T6(Y006)K5( T6 )T7(Y007)K5( T7 )(Y000)T7Y000(Y001)(Y002)(Y003)(Y004)(Y005)K5( T8 )(Y004)(Y005)K5( T9 )(Y000)(Y001)(Y006)(Y004)(Y003)K5(T10 )T8Y004T9Y000T9T10

T10Y000T11(Y000)(Y001)(Y003)(Y004)(Y006)K5(T11 )(Y005)(Y006)(Y002)(Y003)K5(T11 )(Y000)Y000T11Y005T12T11T12(Y005)(Y006)(Y002)(Y003)K5(T12 )(Y000)(Y002)(Y003)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T13 )(Y000)(Y001)(Y002)K5(T14 )(Y000)(Y001)(Y002)(Y003)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T15 )T12Y000T13T13Y000T14T14Y000T15

T15Y000T16(Y000)(Y001)(Y002)(Y003)(Y005)(Y006)K5(T16 )(Y000)Y000T16T17(Y001)(Y002)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T17 )(Y002)(Y003)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T18)(Y000)(Y003)(Y004)(Y005)K5(T19 )(Y001) (Y002)(Y003)(Y004)(Y006)K5(T20 )(Y000)(Y003)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T21 )T17Y002T18T18Y000T19T19Y001T20T20Y000T21

T21Y000T22(Y000)(Y004)(Y005)(Y006)K5(T22 )( C )(END )

结束语

经过了这几周的学习，我终于完成了《LED数码显示控制》的论文。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，我开始了的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己的毕业设计一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。

虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每一段梯形图，都有我的劳动。当看着自己的程序，自己成天相伴的系统能够健康的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。

这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后的工作中激励我继续进步。

致谢

感谢我们的班主任赵老师，这片论文的每个实验细节和每个数据，都离不开你的细心指导。而你开开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很快完成了这篇论文。

赵老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。

与此同时，还要感谢在论文设计过程中帮助过我的同学，在论文资料收集和试验期间，不管遇到什么困难同学们都主动给予帮助，在此也感谢他们！

最后向我在学校中给予指导和帮助的老师和同学真挚的说声谢谢！也再一次感谢我的指导老师！

参考文献

[1]白娟娟，郭军，PLC技术应用，北京理工大学出版社，2010 [2]李国厚，PLC原理与应用设计[M]，北京化工工业出版社，2005 [3]孙同景，PLC原理及工程应用，机械工业出版社，2007