摘 要

摘要：随着科技的发展，LED显示屏在人们生活中的重要性也是越来越得到体现，作为一种非常重要的信息传播方式，我们时常在生活中见到他，例如娱乐场所、体育场馆、金融证券、火车站、店铺广告牌等。LED显示屏的广泛应用让LED显示屏的研发工作也显得格外重要。而点阵显示屏具有的亮度高、寿命长、视角大、节能、成本低等优点另其被广泛应用。本文针对基于STM32单片机的LED电子显示屏，介绍了系统的总体设计方案、硬件电路设计以及软件编程方法。本系统采用STM32F103C8T6作为主控芯片，LED电子显示屏选用的是16*16的点阵显示屏，另外还使用了ESP8266这一WIFI串口模块连接单片机与上位机通信。使用在电脑中编写的上位机通过串口通信对烧录在STM32单片机中的信息进行选择，最后将选择的信息内容在LED点阵显示屏上显示出来，并且不停滚动。

关键词：STM32F103C8T6；ESP8266；LED点阵显示屏；串口通信

Abstract

Abstract:With the development of technology, the importance of LED display screens in people's lives is increasingly being reflected. As a very important way of information dissemination, we often see them in daily life, such as entertainment venues, sports venues, financial securities, train stations, shop billboards, etc. The widespread application of LED displays makes the research and development of LED displays particularly important. The advantages of dot matrix display screens, such as high brightness, long lifespan, large viewing angle, energy conservation, and low cost, have made them widely used. This article introduces the overall design scheme, hardware circuit design, and software programming method of the LED electronic display screen based on STM32 microcontroller. This system uses STM32F103C8T6 as the main control chip, and the LED electronic display screen uses a 16 * 16 dot matrix display screen. In addition, ESP8266, a WIFI serial port module, is used to connect the microcontroller and the upper computer for communication. Use the upper computer written in the computer to select the information burned in the STM32 microcontroller through serial communication, and finally display the selected information content on the LED dot matrix display screen, continuously scrolling.

Keywords:STM32F103C8T6;ESP8266;LED dot matrix display screen;Serial communication

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摘 要

Abstract

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第1章 绪论

1.1 选题的背景、目的和意义

1.1.1选题背景

1.1.2选题目的和意义

1.2 国内外研究现状及趋势

1.3 本论文研究内容

第2章 系统概述与总体设计方案

2.1 硬件系统的总体设计方案

第3章 硬件系统设计

3.1 主控器及最小系统

3.2 ESP8266串口WIFI模块

3.3 上位机的选择

3.4 显示部分方案选择

3.4.1 LED点阵显示屏简介

3.4.2 LED点阵显示屏工作原理

3.4.3 显示方案

3.5 降压电路设计

3.6 启动方式

第4章 软件系统设计

4.1 系统软件方案

4.1.1编程语言的选择

4.1.2 选用的编译器的介绍

该软件系统的设计采用C语言进行编程，使用KEIL作为编译工具，编写控制模块、通信模块和显示模块的程序。

4.2 主程序设计

4.3 左移显示的设计

4.4 主要显示内容的编写

4.5 接收上位机命令，改变显示内容

第5章 系统调试

5.1 系统硬件调试

5.1.1短路与虚焊检测

5.1.2上电测试

5.2 系统软件调试

5.3 设计结果

5.4 设计不足

结 论

参考资料

致 谢

第1章 绪论

1.1 选题的背景、目的和意义

1.1.1选题背景

随着信息化时代的到来，各种信息传播手段层出不穷，其中LED电子显示屏凭借其独特的优势成为了一种重要的信息传播媒介。在交通、广告、体育赛事、舞台演出等多个领域，LED电子显示屏具有广泛的应用。然而，传统的LED显示屏受到硬件设备限制，导致系统复杂、成本较高、操作困难等问题。为了解决这些问题，研究人员开始尝试将单片机技术引入LED显示屏的设计中。

单片机技术是近年来在嵌入式系统领域迅速发展的一种技术，它将微处理器、存储器、定时器、中断控制器、输入输出接口等功能集成在一个芯片上，具有体积小、成本低、易于开发、可编程性强等特点。基于单片机的LED电子显示屏可以充分发挥单片机的优势，实现高性能、低成本、低功耗的显示系统。

一方面，基于单片机的LED显示屏可以提供更高的性能。由于单片机具有较强的可编程性，研究人员可以根据需要设计各种显示效果和功能，满足不同场景下的显示需求。此外，单片机可以实现对显示系统的精确控制，从而提高显示效果和稳定性。同时，单片机的高度集成化特点可以大大减小显示系统的体积，降低系统的成本。

另一方面，基于单片机的LED显示屏可以实现更丰富的功能。例如，通过与传感器、GPS、无线通信模块等设备的连接，可以实现实时信息采集和远程控制等功能。此外，基于单片机的LED显示屏还可以与计算机、手机等智能设备进行互动，实现信息的实时更新和多样化显示。这些功能的实现，可以使LED显示屏在各个领域发挥更大的作用。

为了设计出一款性能优越、功能丰富的基于单片机的LED电子显示屏，研究人员需要在硬件设计和软件设计两个方面进行深入研究。在硬件设计方面，需要选择合适的单片机、LED显示模块、驱动电路、电源电路和通信模块等组件，并对这些组件进行优化设计，以实现高性能、低功耗、低成本的目标。在软件设计方面，需要编写合适的单片机程序，实现显示内容的控制和更新策略，以满足不同场景下的显示需求。

为了验证基于单片机的LED电子显示屏的性能和功能，研究人员还需要进行系统实现和测试。在系统实现过程中，需要搭建硬件平台，并编写相应的软件程序。在系统测试过程中，需要对显示效果、通信模块、系统稳定性等方面进行测试，以确保系统的性能和功能达到预期目标。同时，针对测试过程中出现的问题，研究人员还需要提出相应的优化方案，以进一步提高系统的性能。

随着社会的发展，信息化的需求不断提高，基于单片机的LED显示屏将在各个领域发挥越来越重要的作用。研究基于单片机的LED电子显示屏的设计，有助于提高显示系统的性能、降低成本、提高显示效果，满足不同场景下的显示需求。通过深入研究和开发这种显示系统，可以进一步推动LED显示屏技术的发展，为人们的生活带来更多便利。

在未来，随着科技的进步，单片机技术将不断发展，性能将更加优越。基于单片机的LED电子显示屏也将在各个领域得到更广泛的应用，进一步提高信息传播的速度和质量。同时，随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，基于单片机的LED显示屏将与这些技术相结合，实现更加智能化、个性化的信息显示，为人们的生活带来更多便利和乐趣。

1.1.2选题目的和意义

选题的目的和意义在于研究和设计一种基于单片机的LED电子显示屏，以满足不同场景下的显示需求，提高显示效果，降低成本，并推动LED显示屏技术的发展。具体而言，本选题具有以下几个方面的目的和意义：

提高显示效果和功能丰富性：传统的LED显示屏通常通过硬件电路来实现显示功能，这种方法不仅增加了系统的复杂性，而且限制了显示效果的多样性。而单片机具有较强的可编程性，可以轻松实现各种显示效果和功能，满足不同场景下的显示需求。此外，单片机可以实现对显示系统的精确控制，从而提高显示效果和稳定性。因此，研究基于单片机的LED电子显示屏有助于提高显示效果和功能丰富性。

降低系统成本和能耗：单片机将多种功能集成在一个芯片上，可以减少外围电路的数量，从而降低系统的成本。同时，由于单片机具有较低的功耗，可以节省能源，降低运行成本。这些优点使得基于单片机的LED显示屏在市场上具有较高的竞争力。因此，研究基于单片机的LED电子显示屏有助于降低系统成本和能耗。

提高系统的兼容性和可扩展性：随着市场需求的多样化和个性化，LED显示屏需要具有良好的兼容性和可扩展性，以适应各种应用场景。基于单片机的LED显示屏可以方便地与其他设备或系统相互配合，实现更丰富的功能。例如，通过与传感器、GPS、无线通信模块等设备的连接，可以实现实时信息采集和远程控制等功能。此外，基于单片机的LED显示屏还可以与计算机、手机等智能设备进行互动，实现信息的实时更新和多样化显示。因此，研究基于单片机的LED电子显示屏有助于提高系统的兼容性和可扩展性。

推动LED显示屏技术的发展：随着科技的发展，基于单片机的LED显示屏将在各个领域发挥越来越重要的作用。通过深入研究和开发这种显示系统，可以进一步推动LED显示屏技术的发展，为人们的生活带来更多便利。同时，随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，基于单片机的LED显示屏将与这些技术相结合，实现更加智能化、个性化的信息显示，为人们的生活带来更多便利和乐趣。因此，研究基于单片机的LED电子显示屏具有重要的理论意义和实际价值。

培养创新人才和促进产业发展：研究基于单片机的LED电子显示屏可以培养具有创新精神和实践能力的人才，为相关产业提供技术支持。通过对单片机技术和LED显示屏技术的深入研究，可以不断提高研究人员的技术水平，为国家和社会培养一批熟悉前沿技术的高素质人才。此外，基于单片机的LED显示屏在各个领域的广泛应用，可以推动相关产业的发展，为国家经济增长做出贡献。

综上所述，研究基于单片机的LED电子显示屏具有重要的理论意义和实际价值。通过深入研究和开发这种显示系统，可以提高显示效果、降低成本、满足不同场景下的显示需求，推动LED显示屏技术的发展，培养创新人才，促进产业发展，为人们的生活带来更多便利。

1.2 国内外研究现状及趋势

随着LED技术的发展和单片机技术的成熟，国内LED电子显示屏的研究已经有着较为成熟的理论体系和技术支撑。在LED电子显示屏的硬件设计方面，不少学者提出了各种不同的设计思路和方案。例如，电子显示屏控制系统中，研究者王乐平等人（2015）提出了一种基于嵌入式控制技术的异步显示屏控制系统设计。该设计采用了ATMEL SAM3S数据处理器作为控制器，实现了LED电子显示屏的互动显示。另外，章德剑等人（2014）在对LED电子显示屏的控制方式进行研究时，采用了CPLD芯片作为LED显示控制器，并在芯片的设计和应用方面进行了深入探讨。

在软件设计方面，LED电子显示屏的程序设计也已有了广泛的研究成果。例如，王伟等人（2014）在文章《基于AT91SAM7S-EK的LED控制系统软件设计》中，研究了LED电子显示屏的软件设计和程序控制方法，并采用AT91SAM7S-EK作为主控芯片，开发了一款高效稳定的LED电子显示屏软件控制系统。

此外，在现有的研究中，还有一些关于LED电子显示屏的诸如生物医学应用（徐勇等，2013）、教学展示应用（王瑜等，2015）以及移动广告应用（李志华等，2016）的研究成果。这些研究促进了LED电子显示屏技术的应用推广和发展。

在国内，随着科技的发展，LED显示屏技术得到了广泛关注。基于单片机的LED电子显示屏作为一种新型显示技术，近年来在国内研究领域取得了显著的进展。主要体现在以下几个方面：

单片机技术的发展：随着电子技术和微电子技术的飞速发展，单片机技术也取得了突破性的进展。国内研究人员针对不同应用场景，研发了一系列具有高性能、低功耗、低成本的单片机产品，为基于单片机的LED电子显示屏提供了技术支持。

显示驱动技术的创新：在基于单片机的LED电子显示屏领域，显示驱动技术是关键的研究内容。国内研究人员通过对显示驱动电路、控制算法、通信协议等方面的深入研究，为LED显示屏提供了更高性能、更低功耗、更稳定的驱动方案。

显示效果和功能的优化：针对不同应用场景，国内研究人员通过优化显示算法、控制策略、信号处理技术等方面，实现了LED显示屏的高清显示、高刷新率、高稳定性等优良性能。此外，通过与各类传感器、通信模块等设备的结合，实现了基于单片机的LED显示屏的多功能化、智能化。

系统设计和集成：为了降低系统成本，提高系统性能，国内研究人员在硬件设计和软件设计方面进行了大量的研究工作。通过优化硬件资源的分配、提高软件编程效率、实现系统的高度集成化，为基于单片机的LED显示屏的发展提供了有力支持。

应用领域的拓展：在国内，基于单片机的LED电子显示屏已经在广告、交通、体育、舞台演出等多个领域得到了广泛应用。国内研究人员不断探索新的应用场景，将LED显示屏技术应用到智慧城市、工业物联网、环境监测等领域，推动相关产业的发展。

与国内研究相比，国外的LED电子显示屏研究相对较早，主要集中在LED的设计、选型和应用，以及像素布局的规范性问题。例如，美国科罗拉多大学的基尔巴赞等人（2012）针对LED电子显示屏的节能优化提出了一种低功耗的LED驱动技术。通过改进显示驱动电路和选用低电压灯珠，实现了LED电子显示屏的降功耗运行，有效减少了能源消耗。

此外，LED电子显示屏的软件设计也有着独特的技术优势和经验。例如，美国康奈尔大学的拉姆克里希南等（2013）通过分析LED屏的图像处理算法，发现其灰度非线性因素的影响很大，进而提出了一种基于反向映射和矫正的修正方法。这种方法在LED电子显示屏的图像处理中得到了广泛的应用和验证。

除此之外，英国伦敦大学学院的科里昂等人（2017）研究了LED电子显示屏像素布局的规范性问题，提出了一种优化布局算法，使LED电子显示屏在数据传输和画面显示时更加精准和稳定。此外，在LED电子显示屏的监控和远程控制方面，许多国外研究同样取得了重要的进

在国外，基于单片机的LED电子显示屏技术同样受到了广泛关注。国外研究人员在单片机技术、显示驱动技术、显示效果和功能优化、系统设计和集成等方面取得了丰富的研究成果，为基于单片机的LED显示屏的发展奠定了坚实的基础。

单片机技术的发展：国外研究人员长期致力于单片机技术的研究，使得单片机在性能、功耗、成本等方面取得了显著的优势。同时，国外研究人员还针对不同应用场景，研发了一系列具有高性能、低功耗、低成本的单片机产品，为基于单片机的LED电子显示屏提供了技术支持。

显示驱动技术的创新：在基于单片机的LED电子显示屏领域，国外研究人员对显示驱动技术进行了深入的研究，提出了许多具有创新性的驱动方案。这些方案在提高显示性能、降低功耗、提高稳定性等方面取得了显著的成果，为LED显示屏的发展提供了强大的技术支持。

显示效果和功能的优化：针对不同应用场景，国外研究人员通过优化显示算法、控制策略、信号处理技术等方面，实现了LED显示屏的高清显示、高刷新率、高稳定性等优良性能。此外，通过与各类传感器、通信模块等设备的结合，实现了基于单片机的LED显示屏的多功能化、智能化。

系统设计和集成：为了降低系统成本，提高系统性能，国外研究人员在硬件设计和软件设计方面进行了大量的研究工作。通过优化硬件资源的分配、提高软件编程效率、实现系统的高度集成化，为基于单片机的LED显示屏的发展提供了有力支持。

应用领域的拓展：在国外，基于单片机的LED电子显示屏已经在广告、交通、体育、舞台演出等多个领域得到了广泛应用。国外研究人员不断探索新的应用场景，将LED显示屏技术应用到智慧城市、工业物联网、环境监测等领域，推动相关产业的发展。

从国内外研究现状来看，基于单片机的LED电子显示屏技术在未来将呈现以下几个趋势：

高性能单片机的研发：随着科技的进步，单片机技术将不断发展，性能将更加优越。未来，研究人员将致力于研发更高性能、更低功耗、更集成度的单片机产品，以满足LED显示屏对处理能力、功耗和成本的更高要求。同时，将进一步优化单片机的工作原理和性能特性，提高系统性能，降低成本。

显示驱动技术的创新：在基于单片机的LED电子显示屏领域，显示驱动技术是关键的研究内容。未来的研究趋势将聚焦于开发更高性能、更低功耗、更稳定的驱动方案。这包括对显示驱动电路、控制算法、通信协议等方面的深入研究，以实现更高的显示性能和稳定性。

显示效果和功能的优化：针对不同应用场景，未来的研究将继续关注显示效果和功能的优化。这包括优化显示算法、控制策略、信号处理技术等方面，以实现LED显示屏的高清显示、高刷新率、高稳定性等优良性能。此外，将加强与各类传感器、通信模块等设备的结合，实现基于单片机的LED显示屏的多功能化、智能化。

系统设计和集成：为了降低系统成本，提高系统性能，未来的研究将继续关注硬件设计和软件设计方面的优化。通过优化硬件资源的分配、提高软件编程效率、实现系统的高度集成化，为基于单片机的LED显示屏的发展提供有力支持。

应用领域的拓展：随着科技的进步和市场需求的变化，未来基于单片机的LED电子显示屏将在更多领域得到广泛应用。研究人员将不断探索新的应用场景，将LED显示屏技术应用到智慧城市、工业物联网、环境监测等领域，推动相关产业的发展。

融合新兴技术：随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，基于单片机的LED显示屏将与这些技术相结合，实现更加智能化、个性化的信息显示。例如，通过结合物联网技术，可以实现实时信息采集和远程控制等功能；通过结合大数据分析，可以实现信息的智能筛选和推送；通过结合人工智能技术，可以实现语音识别、人脸识别等智能交互功能。

绿色环保和可持续发展：随着环保意识的加强，未来的研究将更加关注基于单片机的LED显示屏的绿色环保和可持续发展。这包括降低能耗、减少污染物排放、提高资源利用率等方面。通过研究和应用新型材料、新型工艺、新型结构等方面的创新，推动LED显示屏技术的绿色发展。

安全性和可靠性研究：随着基于单片机的LED电子显示屏在各个领域的广泛应用，其安全性和可靠性越来越受到重视。未来的研究将关注如何提高系统的抗干扰能力、防护能力、容错能力等，以确保LED显示屏在各种复杂环境中的安全可靠运行。

总之，基于单片机的LED电子显示屏技术在未来将继续保持高速发展的态势。通过不断优化技术、扩大应用领域、融合新兴技术、关注绿色环保和可持续发展、提高安全性和可靠性等方面的研究，有望为人们的生活带来更多便利和乐趣。

1.3 本论文研究内容

确定选题后，我深入了解了LED显示屏以及单片机，在我对一些相关资料的阅读之后，制定了本课题的设计方案。

在经过多次对比之后，我最终选定了以PC机为上位机，STM32F103C8T6单片机为主控芯片，另外加入了ESP8266串口WIFI模块来连接上位机与单片机通信。此外，我根据自己想要实现的内容以及硬件的特点使用了C语言来编写软件，程序主要实现的功能是令想要的文字以及图案在LED点阵显示屏上滚动显示，文字和图案提前烧录在单片机里，在上位机中选择想要显示的内容。

在软件编写以及焊接工作基本完成之后，我进行了硬件调试、软件调试以及系统联合调试。在调试过程中发现了一些问题，经过我的分析，逐一找到问题的源头并且进行了解决。