基于單片機(jī)的LED漢字顯示屏的設(shè)計(jì)

陳莉

（陜西理工學(xué)院 物理與電信工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

LED點(diǎn)陣是一種簡單的漢字顯示器件，具有價(jià)廉、易于控制實(shí)現(xiàn)、使用壽命長的特點(diǎn)。本次LED漢字顯示屏的設(shè)計(jì)使用STC89C52單片機(jī)對(duì)4片8x8LED點(diǎn)陣進(jìn)行控制，采用上移顯示方式，可以連續(xù)顯示多個(gè)漢字。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的硬件組成框圖

系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1）選用STC89C52單片機(jī)作為微控制器。

2）由74HC154構(gòu)成譯碼器，該譯碼器是4線-16線譯碼器，輸入端有4條數(shù)據(jù)線，共有6種輸出，分別對(duì)應(yīng)控制LED點(diǎn)陣顯示器的0-15行。譯碼器輸入端接單片機(jī)P0口。

3）驅(qū)動(dòng)電路：由PNP型三極管8550和NPN型三極管8050構(gòu)成，分別控制行和列。為顯示器提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流。列驅(qū)動(dòng)高八位接單片機(jī)P2口，低八位接單片機(jī)P1口。行驅(qū)動(dòng)接譯碼器芯片輸出端。

4）顯示模塊：由4個(gè)8x8LED顯示器級(jí)聯(lián)而成作為輸出終端；4塊顯示器的連接方法為：上下排列對(duì)應(yīng)列引腳相連，左右排列對(duì)應(yīng)行引腳相連。

1.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 STC89C52RC單片機(jī)

STC89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，STC89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[1-2]，管腳分布如圖2所示。

1）主電源引腳（2 根）：VCC（Pin40）電源輸入，接＋5V 電源；GND（Pin20）接地線。

2）外接晶振引腳（2 根）：XTAL1（Pin19）片內(nèi)振蕩電路的輸入端；XTAL2（Pin20）片內(nèi)振蕩電路的輸出端。

3）控制引腳（4 根）：RST/VPP（Pin9）復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位；ALE/PROG（Pin30）地址鎖存允許信號(hào)；PSEN（Pin29）外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)EA/VPP（Pin31）程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。

圖2 STC89C52管腳分布圖Fig.2 STC89C52 pin map

4）可編程輸入/輸出引腳（32根）：AT89S51單片機(jī)有 4組8位的可編程I/O口，分別位 P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有 8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程。

1.2.2 74HC154芯片

74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列，管腳分布如圖3所示。

圖3 74HC154管腳分布圖Fig.3 74HC154 pin map

74HC154譯碼器可接受4位高有效二進(jìn)制地址輸入，并提供16個(gè)互斥的低有效輸出。74HC154的兩個(gè)輸入能門門電路用于譯碼器選通，以消除輸出端上的通常譯碼 “假信號(hào)”，也可用于譯碼器擴(kuò)展[2－3]。門電路包含兩個(gè)“邏輯與”輸入，必須置為低以便使能輸出端。任選一個(gè)使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，74HC154可充當(dāng)一個(gè)1－16的多路分配器。當(dāng)其余的使能輸入端置低時(shí)，地址輸出將會(huì)跟隨應(yīng)用的狀態(tài)。

在本設(shè)計(jì)中，需要定時(shí)對(duì)16x16LED的行進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，共有16種狀態(tài)，故選擇了4線－16線譯碼器，該譯碼器只用輸出4位有效數(shù)據(jù)，就可控制16種狀態(tài)，大大簡化了軟件的編寫，同時(shí)節(jié)省了單片機(jī)的硬件資源。

1.2.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

復(fù)位電路如圖4所示，其基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分－合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位[2－3]。采用簡易的上電復(fù)位電路，主要由電阻 R1，R2，電容 C1，開關(guān)K1組成，分別接至AT89C51的RST復(fù)位輸入端。

圖4 復(fù)位電路圖Fig.4 Reset circuit

1.2.4 晶振電路設(shè)計(jì)

晶振電路如圖5所示，其基本功能是：為單片機(jī)提供一個(gè)穩(wěn)定的參考時(shí)鐘，使單片機(jī)能夠可靠的工作。晶振的頻率常用的有6 MHz、11.0592 MHz、12 MHz等。晶振電路的接法比較固定，本設(shè)計(jì)采用的11.059 2 MHz晶振電路為晶振兩端接2個(gè)20～30 pF的起振電容后接地，然后兩端接單片機(jī)XTAL引腳即可，各單片機(jī)說明手冊中附有不同頻率的晶振的晶振電路的接法。

圖5 復(fù)位電路圖Fig.5 Reset circuit diagram

1.2.5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示，行、列驅(qū)動(dòng)部分均用16個(gè)小功率普通三極管來控制。由于選用的LED顯示器為共陰接法，即同名列共陽，同名行共陰[3－4]，為使加入驅(qū)動(dòng)后與原顯示屏控制方式保持一致（列高電位接通，行低電位接通），故行驅(qū)動(dòng)選用PNP型三極管8550，對(duì)應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)選擇NPN型三極管8050。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路組成框圖Fig.6 Schematic diagram of drive circuit

1.2.6 LED點(diǎn)陣漢字顯示

要顯示一個(gè)漢字，必然要用到漢字的點(diǎn)陣字形信息，也叫做漢字的字模[5]。得到漢字字模的過程稱為漢字的取模，漢字的取模是漢字顯示的逆過程。根據(jù)漢字的不同字體，漢字字模可分為宋體字模、楷體字模、黑體字模等。根據(jù)漢字的顯示清晰度，又可分為16×16點(diǎn)陣字模、32×32點(diǎn)陣字模等等。漢字的字模是漢字字形的數(shù)字化[6]。本設(shè)計(jì)中，漢字的字模是以16進(jìn)制數(shù)字形式記錄的顯示一個(gè)具體的漢字時(shí)每一行需要點(diǎn)亮的LED的信息。如圖7所示：以漢字“你”為例，每一行中數(shù)字“0”代表未點(diǎn)亮該行對(duì)應(yīng)列位置上的LED，而數(shù)字“1”則代表該行對(duì)應(yīng)列位置上的LED被點(diǎn)亮。這樣，每一行由數(shù)字“0”和數(shù)字“1”組成的漢字信息叫做位代碼，將每行16位位代碼轉(zhuǎn)換成2個(gè)字節(jié)的16進(jìn)制代碼，就是我們需要的漢字字模信息。

圖7 漢字字模原理圖Fig.7 Schematic diagram of Chinese characters font

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示。主程序調(diào)用了2個(gè)重要子函數(shù)，即顯示子函數(shù)和移位子函數(shù)。顯示子函數(shù)的功能是讓LED顯示器顯示指針?biāo)赶虻淖帜?shù)組的數(shù)據(jù)，而移位子函數(shù)的功能是讓指針?biāo)傅牡刂芳?，以實(shí)現(xiàn)漢字整體上移一行的效果。整個(gè)主程序運(yùn)行后，先初始化指針p所指向的地址，讓指針指向字模數(shù)組的起始處，并且設(shè)定變量I的初值為0，用I的值來控制顯示函數(shù)的重復(fù)次數(shù)，達(dá)到調(diào)整顯示漢字移動(dòng)速度的目的。當(dāng)I值未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，不斷重復(fù)顯示子函數(shù)，此時(shí)屏幕上顯示的是一個(gè)靜止不動(dòng)的漢字，直到I達(dá)到設(shè)定值，調(diào)用移位子函數(shù)，將指針地址加2，使指針的起始位置指向第二行，然后重新從I的初始化開始執(zhí)行，這樣，屏幕上就呈現(xiàn)出漢字不斷上移的結(jié)果。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart of main program

2.2 顯示子程序流程圖

顯示子程序流程圖如圖9所示，顯示子程序的運(yùn)行過程主要是單片機(jī)I/O口對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。程序首先設(shè)定了一個(gè)局部變量I，并定義其值為0。設(shè)定該變量的主要目的是為了確定掃描的行數(shù)，以控制I/O口發(fā)送相應(yīng)行的字模數(shù)據(jù)。經(jīng)過判斷，如果I值小于15，說明正在掃描顯示器上的某一行，則P0口送出相應(yīng)的行掃描命令到74HC154芯片，經(jīng)譯碼后控制顯示器接通相應(yīng)的行，然后P2、P1送出相應(yīng)的高、低八位列字模數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉列控制以防止殘影，對(duì)I值自加1就完成了一個(gè)循環(huán)。當(dāng)I＞15時(shí)，說明全部的16行掃描進(jìn)行完成，此時(shí)顯示器整屏已經(jīng)出現(xiàn)了需要的圖像，程序執(zhí)行完成。

圖9 顯示子程序流程圖Fig.9 Shows the subprogram flow chart

2.3 移位子程序流程圖

位移子程序就是讓地址指針自動(dòng)加2，這樣，當(dāng)顯示函數(shù)執(zhí)行時(shí)，第一行顯示的就是原本第二行要顯示的內(nèi)容，依次類推，整個(gè)字形就好像上移了一行一樣。所以程序運(yùn)行過程是這樣的：首先讓地址指針自加2，以實(shí)現(xiàn)地址指針的移動(dòng)，然后判定地址指針?biāo)赶虻牡刂返闹担绻刂分羔樦赶蛄俗帜?shù)組的最后一位地址，就要令地址指針歸0，否則，指針順序移動(dòng)下去，當(dāng)移出字模數(shù)組的范圍后，后面的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是未知的，就會(huì)出現(xiàn)非預(yù)期的圖形，例如亂碼或空白。

圖10 移位子程序流程圖Fig.10 Flow chart of shift subroutine

3 硬件調(diào)試與改進(jìn)

3.1 驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)試與改進(jìn)

最初設(shè)計(jì)方案沒有使用驅(qū)動(dòng)電路，軟件仿真正常。在面包板上依原理圖建立物理連接后，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)LED忽明忽暗，漢字顯示不穩(wěn)定。經(jīng)萬用表測量，LED顯示器中單個(gè)發(fā)光二極管中通過的電流不足1.5 mA，達(dá)不到額定的工作電流。確定問題的原因是單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流不足。為解決這一問題，本次設(shè)計(jì)采用一套利用三級(jí)管控制的驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)試驗(yàn)，加入到電路中效果良好，上述缺陷得到解決。

3.2 限流電阻的調(diào)試與改進(jìn)

當(dāng)確定要加驅(qū)動(dòng)電路之后，怎樣用三極管來控制這個(gè)電流大小是一個(gè)問題。起初通過三極管直接加5 V電壓。一個(gè)LED被燒壞，這就需要加要加限流電阻，但是這電阻要加多大呢？分析如下：正常點(diǎn)亮一個(gè)LED的電流大約是5～15 mA左右，動(dòng)態(tài)掃描電路，每次每列最多只點(diǎn)亮1個(gè)LED，故每個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管流過的電流按10 mA的電流大小算。通過加不同阻值的電阻，用萬用表測量后發(fā)現(xiàn)用4.7 kΩ的限流電阻與8550（PNP型）三極管串聯(lián)控制行，用 47 kΩ的電阻與 8050（NPN型）三極管串聯(lián)控制列便可以滿足要求。

3.3 譯碼器的調(diào)試與改進(jìn)

最初設(shè)計(jì)方案采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)掃描時(shí)的換行控制，雖然硬件電路相對(duì)現(xiàn)在的有少許簡單，但是軟件程序確實(shí)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，后發(fā)現(xiàn)只用一個(gè)譯碼器就可以大大簡化程序。

3.4 上拉電阻的選擇

設(shè)計(jì)之處初用單片機(jī)的P0口通過譯碼器控制顯示屏的行，插好線后發(fā)現(xiàn)單片機(jī)不能正常工作，原因是單片機(jī)的P0口是比較特殊的。P0口在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。所以P0口的帶負(fù)載能力是比較低的，一般情況下要接一個(gè)上拉電阻，所以最后在P0口接了一個(gè)10千歐的排阻之后解決了問題。

3.5 消影調(diào)試

當(dāng)所有的線路都連接好后，顯示卻不清晰、有串?dāng)_，每行有上一行的重影。在源程序中加入消影程序后可以清晰穩(wěn)定的顯示。

4 結(jié)束語

文中給出了LED漢字顯示屏的系統(tǒng)框圖，各單元硬件電路、軟件設(shè)計(jì)流程圖及硬件電路的調(diào)試流程；詳細(xì)闡述了由STC89C52RC芯片、74HC154芯片、晶振電路、復(fù)位電路、驅(qū)動(dòng)電路、16×16 LED點(diǎn)陣構(gòu)成的LED漢字顯示屏系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的顯示屏可以實(shí)現(xiàn)漢字的滾動(dòng)顯示，顯示的漢字清晰，無串?dāng)_，無重影。

[1]李建忠，余新拴，王寬仁.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5版.北京:清華大學(xué)電子學(xué)教研組，高等教育出版社，2005.

[3]張華，樊慶文，石華剛，等.一種經(jīng)濟(jì)型大屏幕LED顯示系統(tǒng)[J].自動(dòng)化信息，2002（1）:25－26.ZHANG Hua，F(xiàn)AN Qing-wen，SHIHua-gang，etal.An economic type of large screen LED display system[J].automation information，2002（1）:25－26.

[4]周荷琴，吳秀清.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].4版.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008.

[5]周水清.LED大屏幕信息發(fā)布技術(shù)與應(yīng)用研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2002.

[6]陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡(luò)出版社[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[7]雷震，唐云龍.VXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建立及其應(yīng)用[J].火箭推進(jìn)，2008（5）:54－58.LEI Zhen，TANG Yun-long.Establishment and application of VXI data acquisition system[J].Journal of Rocket Propulsion，2008（5）:54－58.