基于單片機的LED漢字條屏顯示技術

劉 迪， 孫 陽， 梁程琳

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 新裝備中心 山東 煙臺 264001；3.煙臺職業學院 船舶工程系，山東 煙臺 264676）

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發展起來的新型信息顯示媒體，它利用發光二極管構成的點陣模塊或像素單元組成在面積顯示屏幕，有可靠性高、使用壽命長、環境適應能力強、價格性能比高、使用成本低等特點。在短短的幾十年中，技術、產業都取得了長足的進步，已經發展成為重要的現代信息發布媒體手段，在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領域得到廣泛應用，隨著社會信息化的進程，LED顯示屏在信息顯示領域的應用愈加寬廣[1]。

目前LED顯示屏的種類越來越多，從使用場合及亮度考慮可分為室內和室外屏，從掃描方式可分為動態掃描顯示屏和靜態掃描顯示屏。室外使用的交通誘導屏，通常采用計算機同步控制的靜態掃描顯示，每個像素由幾個高亮的LED發光管組成，可做成多色或全色。其優點在于播放的內容信息量大，實時性強，且由于采用靜態顯示，亮度高；其缺點是硬件電路復雜，成本高。室內使用的由8×8LED點陣拼成的顯示屏也有同步和異步之分，同步控制顯示屏由計算機作為主控器，異步控制顯示屏的主控器可采用單片機。單片機控制的單色顯示屏由于結構簡單，成本低廉，深受人們的喜愛。設計一個室內用16×16點陣LED圖紋顯示屏，要求在目測條件下LED顯示屏各點亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形或文字應穩定、清晰無串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。

1 漢字顯示的基本原理

16×16的點陣共有256個發光二極管，用各個位的亮暗來表示一個字，凡是筆畫經過的地方都為1（亮），沒有筆畫的地方都為0（暗），這樣就可以表示不同的漢字。從理論上說，不論顯示圖像還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所在位置相對應的LED器件發光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時控制各個發光點亮滅的方法稱為靜態驅動方式。在計算機中，所有的數據都是以0和1保存的，按不同的數據操作，可以得到不同的結果[2]。而對于中文顯示操作，就是將ASCII表的高128個很少用到的數值以兩個為一組來表示漢字，即漢字的內碼。這樣就可以用一組數字來表示漢字的內碼，數字的各位信息來記載漢字的形狀，即：字模。只要將漢字的相應字模信息文件存入ROM，形成漢字編碼；在使用時，先根據漢字編碼組成語句，添加到程序的相應位置，即可顯示相應的漢字。

2 硬件電路組成及工作原理

該LED漢字條屏采用以AT89C51單片機為核心芯片的電路來實現，主要由AT89C51芯片、時鐘電路、復位電路、列掃描驅動電路（74HC154）、16×16LED點陣 5部分組成。其中，AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱單片機[3]。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，能夠進行1 000次寫/擦循環，數據保留時間為10年。它是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。因此，在智能化電子設計與制作過程中經常用到AT89C51芯片。

2.1 列驅動電路設計

列驅動電路由集成電路74HC595構成。它具有一個8位串入并出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器的結構，而且一位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現在顯示本行各列數據的同時，傳送下一行的列數據，即達到重疊處理的目的[4]。

列驅動電路如圖1所示。一個模塊有4片74HC595，8塊LED點陣，每一片74HC595限流電阻后接2塊LED點陣，圖中只畫出了部分電路。DATA IN和DATA OUT分別為模塊的數據輸入和數據輸出，RCLR為74HC595移位寄存器信號索入輸出所存器的時鐘信號，CLK為同步時鐘。將模塊中前一片8位移位寄存器74HC595的數據輸出（Q7）與下一片的輸入（SER）相連接組成32位的串行數據鏈，每一位控制一列發光管，若顯示方式為1/16占空比的動態掃描方式，則每一列控制16個方光管[5]。當74HC595的某一輸出引腳為低電平時，該列上對應行掃描選中行的像素點亮。由于吸收電流的能力相對較強，且為動態掃描，因此在74HC595的輸出腳上只需串接一個47 Ω的限流電阻而不需要再用列驅動也能得到滿意的亮度效果。

圖1 列驅動電路Fig.1 Column driver circuit

2.2 行驅動電路設計

采用逐行掃描的方式，當全部列信號準備就緒后，控制信號鎖存器輸出，相應的行信號應同時跟上。由于采用點陣的行為共陽極，行選的作用就是為待點亮行提供電源。8位移位寄存器方法的行選電路如圖2所示。該電路中LS為串行行選信號，MR為74HC164的清零信號，LCLK為行選同步時鐘。74HC164的輸出經反相后控制三機管的導通與截止，從而分別控制第1行LINE1至第16行LINE16與電源接通。從極端情況來看，驅動功率應滿足1行全部32個LED點亮的要求，盡管LED點陣要求單點驅動電流在10～20 mA，但由于采用1/16占空比的動態掃描顯示方式，單個LED的瞬時電流即使未100mA，實際平均電流不到7 mA，因此驅動電流大于3 A即可[6]。供方部分應采用達林頓管或開關管。

圖2 8位移位寄存器行選電路Fig.2 8-bit shift register line selected circuit

2.3 AT89C51單片機的外圍電路

單片機采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24 MHz或更高頻率的晶振，以獲得較高的刷新頻率，為了使顯示更穩定。單片機的串口與列驅動器相連，用來送顯示數據。P1口低四位與行驅動器相連，送出行選信號；P1.5～P1.7口則用來發送控制信號[7]。P0和P2口空著，在有必要時可以擴展系統的ROM和RAM。

3 系統程序的設計

程序流程圖如圖3所示。

根據軟件分層次的系統應用程序。顯示驅動程序負責向屏體送顯示數據，并負責產生掃描信號和其他控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動程序由定時器T0中斷程序實現。系統應用程序完成系統環境設置 （初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實現。

4 結 論

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

LED顯示屏硬件電路只要器件質量可靠，引腳焊接正確，一般無需調試即可正常工作。軟件部分需要調試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。這個方案設計的16×16點陣LED圖文顯示屏，電路簡單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏；顯示屏各點亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩定、清晰無串擾；可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。

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