基于單片機的LED顯示系統設計

【摘要】LED顯示作為一種重要的數字化顯示方式，從起初的純數字顯示功能發展到目前的圖像、視頻等多種媒體顯示功能，給人們帶來了完美的視覺享受。本文在對單片機選型的基礎上，闡述了LED顯示的原理，并且針對LED點陣顯示屏，設計了以ATmega16單片機為核心的LED顯示控制系統。該系統主要的優點是功耗小、成本低且工作速率快，非常適合室外多媒體和產業化的要求。

【關鍵詞】LED顯示；ATmega16；單片機

引言

隨著社會的發展，LED顯示戶外廣告是目前一種重要的廣告形式。LED顯示具有功耗低、壽命長、清晰度高的特點，隨著廣告內容的多樣化，對LED顯示的要求也越來越高。數碼管顯示是LED顯示的最基本功能，但是其只能通過各個段位來實現10位數字和少量字母的顯示，一般適用于純數字顯示領域。LED顯示屏是由多個發光二極管組成顯示屏幕，通過控制二極管的亮滅來對內容進行顯示，能夠實現對圖形、文字、視頻等多種信息的顯示。

一、單片機的選擇

單片機又被稱作單片微控制器，它是系統控制和設計的核心。單片機的選擇非常重要，選擇合適的單片機不僅能夠提高所設計系統的性能、簡化外圍電路和程序的設計，而且能夠降低設計的成本，使所設計的系統更具有實際意義。本文采用功耗低、I/O口資源豐富、價格便宜的AVR系列單片機中的ATmega16作為顯示系統控制的核心。針對LED顯示系統的特點，本文選擇ATmega16單片機的原因主要有：

（1）性能高，功耗低。ATmega16的高速數據吞吐率很好的解決了功耗和處理速度之間的矛盾，對于太陽能光伏系統來說，因為產生的電能非常寶貴，因此功耗小的控制器能為系統節省更多的能源。

（2）I/O口資源豐富，且功能多樣。ATmega16具有三十二個I/O口，在這些I/O口中，PA口具有10位精度的ADC，可對單端輸入電壓進行采集。本系統需要對多路模擬信號進行采集，利用ATmega16可以方便的進行數據采集，不必再進行另外的電路設計，簡化了電路。

（3）能夠通過對相關定時器的簡便的設置實現PWM波信號的產生和調節。ATmega16有兩個8位和一個16位的定時計數器，可以通過簡單的指令產生頻率、相位和占空比可調的PWM信號，且具有多種PWM信號模式，能夠滿足不同的需求。

（4）與Protues硬件仿真軟件具有很好的兼容性。通過Code Vision AVR編譯的應用在Protues中的程序，能夠通過編譯器直接下載的單片機中使用，方便了系統的調試。

二、LED顯示原理

LED數碼管和點陣顯示屏顯示的基本原理都是通過控制發光二極管的亮滅，來形成不同的字形或者圖案。對于點陣顯示屏來說，因為其彩色顯示的需要，有時候需要對發光二極管的顏色進行控制。點陣顯示屏的發光二極管數量較多，因此顯示原理也比較復雜，如圖1所示是共陽極LED顯示屏的內部結構圖。點陣顯示屏一般具有多個LED發光二極管，不能直接通過單片機的I/O口來控制其亮滅，一般都采用動態掃描的方法，對點陣進行逐行或者逐列的控制。對于共陽型的點陣來說，根據要顯示的字形，設置每一行和每一列的數據，從第一行第一列開始，先對應第一行二極管的亮滅送出列數據并鎖存，然后選通第一行，送行數據，延遲一段時間后送行數據00H；然后選通第二行，采取相同的方法來控制二極管亮滅，直至8行掃描結束，然后重復掃描。因為掃描的速度非常快，由于人眼的余輝效應，就可以再顯示屏上看到穩定顯示的字形。

三、系統硬件電路設計

本系統采用ATmega16單片機作為顯示控制的核心，采用8×8點陣單色點陣顯示屏來進行顯示，同時系統還包括行驅動器、列驅動器以及相關電源電路。系統的整體框圖如圖2所示。

1.ATmega16單片機最小系統設計

單獨的一個單片機是不能發揮其控制作用的，只有通過相關輔助電路的設計，使其構成一個最小系統，才能發揮其強大的微控制器功能。

（1）晶振電路的設計

ATmega16單片機內部具有RC振蕩電路，可實現四種振蕩頻率。但是內置振蕩電路產生的振蕩信號不是很準確，因此在某些對振蕩頻率要求比較高的情況下，例如定時器準確定時等情況，一般都采用外部振蕩電路為單片機提供振蕩頻率。一般在外部晶振電路設計中，都要求接22pF左右的電容。其電路圖如圖3所示。

（2）復位電路設計

對于ATmega16單片機來說，其內部已經設置了上電復位，通過對相應熔絲位的控制，可以實現對復位時間長短的控制，因此單片機外部的復位電路設計就簡化了許多，具體做法是在外部接一個上拉電阻R0到VCC，本文選擇10K的上拉電阻。

本文設計的復位電路圖如圖4，在設計的過程中，為了增加電路的可靠性，一般會增加一個濾波電容來實現消除雜波和干擾的功能，本文采用增加一個0.1uF的電容。電路中的二極管D3（1N4148）的主要有兩個主要功能：功能一是當系統突然斷電后，將上拉電阻短路，同時使濾波電容C0實現快速放電，當系統再次通電時，保證復位的有效性；功能二是系統在復位時將其輸入電壓限制在VCC±0.5V之間。本課題采用按鍵方式進行復位，當單片機正常工作時，按下復位開關，由于電路的設計復位腳輸入相應的低電平信號，對系統進行復位。

（3）電源電路設計

AVR單片機最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線路以開關切換兩種電壓，并且以雙色二極管指示（5V時為綠燈，3.3V時為紅燈）。二極管D1防止用戶插錯電源極性。D2可以允許用戶將電壓倒灌入此電路內，不會損壞1117-ADJ，系統電源電路如圖5所示。

1117-ADJ的特性為1腳會有50uA的電流輸出，1-2腳會有1.25V電壓。利用這個特點，可以計算出要求得出輸出電壓：

當SW開關打向左邊時，R6上的電流為1.25/0.33=3.78ma。R8上的電流為1117-ADJ1腳電流加上R6上的電流，即0.05+3.78=3.83ma?？梢杂嬎愕肦8上的電壓為3.84V。于是得出VCC=1.25+3.83=5.08V。誤差在2%以內。

當SW開關打向右邊時，R6上的電流為1.25/0.62=2.02ma。R8上的電流為1117-ADJ1腳電流加上R6上的電流，即0.05+2.02=2.07ma?？梢杂嬎愕肦8上的電壓為2.07V。于是得出VCC=1.25+2.07=3.32V。誤差在1%以內。

使用1%精度的電阻，可以控制整個輸出電壓誤差在3%以內。

2.LED顯示硬件設計

本系統采用單色的共陽型8×8點陣顯示模塊，一共有16個引腳，通過74HC138譯碼器對LED顯示模塊的進行控制，使其采用共陽極掃描。在74HC138芯片和LED顯示模塊之間接入8個PNP三極管來達到擴流的目的。在設計的過程中通過S8550的放大，增強了輸出電流的驅動能力，使LED的亮度得到了提高，電路設計圖如圖6所示。

本設計列驅動由74HC595來實現。每個74HC595能驅動8列，所以控制64列的LED點陣需要8個595。8個74HC595通過級聯方式來對列進行驅動。74HC595是串入并出的移位寄存器，單片機采用串口傳輸數據，由RXD 輸出數據到SER，由TXD 輸出同步數據移位脈沖到SRCK，由單片機的PA7口輸出74HC595的數據鎖存信號。只有當鎖存信號有效，即鎖存信號的時鐘上升沿到來時，595才輸出列控制的數據。由于發送的是8位數據，則可以利用單片機的串口進行數據發送。讓串口工作在方式0，在方式0下，8位數據通過RXD輸出，低位在前高位在后。同時在RXD輸出數據時，TXD輸出同步的移位時鐘脈沖。

列信號是由74HC595產生的，數據由單片機的串口產生，從74HC595的串行數據輸入端SER輸入，由QA～QH并行輸出。需要注意的是，74HC595的數據是從低位向高位移位的，而單片機串口發送數據是先發低位，再發高位。所以要注意數據的對應，使74HC595輸出的數據與相應的列對應正確，這樣方便軟件的調試。

四、系統軟件部分設計

本系統主要是通過單片機的控制，來實現LED點陣顯示屏的顯示。采用共陽極逐行動態掃描的方法，行控制信號由74HC138為主的驅動電路產生，列驅動信號由74HC595通過級聯方式來對列進行驅動。

系統軟件設計的主要目的是點陣顯示屏能夠根據需要，通過產生相應的控制信號來使屏幕按照設計的要求進行顯示。顯示驅動程序負責向點陣屏傳送特定組合的顯示數據，并負責產生行掃描信號和其它控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動程序由顯示子程序實現；系統環境設置（初始化）由系統初始化程序完成；顯示效果處理等工作，則由主程序通過調用子程序來實現。

然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區內讀取下一行的顯示數據，并通過串口發送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數據的時候產生拖尾現象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等數據發送完畢后輸出74HC595的鎖存信號，將顯示數據打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，并打開顯示。如圖7所示為顯示驅動程序流程圖。

五、結語

通過設計系統能夠根據用戶的需求，通過單片機的控制在8×8點陣顯示屏上顯示文字、圖形、數字等信息，且系統單片機采用功耗低的AVR單片機，不僅提高了系統整體運行速率，而且非常適合對功耗要求高的室外顯示系統使用。

參考文獻

[1]張明波.基于單片機的點陣LED顯示系統的設計[J].單片機開發與應用，2007（02）：85-86.

[2]景向偉，李娣娜，邵思飛.基于單片機的LED點陣顯示系統的設計[J].現代電子技術，2011，3420）：153-155.

作者簡介：李威（1975—），男，廣東中山人，中山市技師學院電氣應用系講師，研究方向：電子技術。