基于單片機的LED顯示屏控制電路設計研究

王超

摘 要：電子信息控制技術的深入發展，使得當前階段信息的傳遞、交互成為社會現代化發展的重點。在此基礎之上，LED顯示控制系統核心的選擇向著多樣化方向發展，核心控制回路的功能也逐步增強。單片機作為LED顯示裝置的核心器件之一，具備投入成本較低、可靠性高等特點，為LED顯示屏的大范圍普及提供了有力的支持。

關鍵詞：電平轉換；掃描電路；軟件設計

引言

LED顯示屏相較于傳統的顯示屏具備亮度高、能耗低、使用周期長、清晰度高、動態影像播放效果好等優勢，被廣泛的應用于銀行、火車站、商場廣告窗等人流量較多的地點。

一、LED 顯示屏的構成及硬件控制部分的設計

LED 顯示屏控制系統的研發主要經歷了三個時期：第一時期是九十年代以前的成長時期，該階段LED 顯示屏屬于初步發展階段，對控制系統的應用還不成熟；第二階段是九零年到九五年的高速發展時期，互聯網技術的深度發展為該時期LED顯示系統的設計、研發提供了有力的支持；九五年以來，LED 顯示屏控制系統進入了穩步發展階段。尤其是近幾年，顯示屏的研發方向趨向于畫質、動態影像顯示效果、光互補、可移動等技術發展方向。單片機LED為更好的傳播實時信息、廣告宣傳，改變了傳統的信息傳遞模式，通過單片機對顯示屏進行精準控制，提升了顯示屏的實際播放效果。

1.1 LED 顯示屏的構成

LED 顯示屏主要是以單片機作為核心控制器件，硬件部分包括：通過按鍵進行控制的電路系統、數據存儲設備、驅動器（列驅動、行驅動）、寄存器、PC 機等設備。LED顯示屏實質上是屬于點陣顯示設備，由存儲器以及經過電平轉換的PC機將數據傳輸到STC單片機的控制系統中，然后將經過處理的數據通過行掃描電路以及列掃描控制電路傳送到LED點陣屏，在這一過程中可以通過設備的按鍵對LED顯示屏進行調節。單片機的選擇需要考慮存儲ROM的大小，ROM內需要存放數據、表格以及程序軟件等；PC機也可以稱為上位機，主要負責將需要顯示的數據內容傳送到單片機上，并通過控制器對顯示屏上播放的內容進行實時控制。

1.2 驅動電路的主要設計流程

LED 顯示屏系統中的驅動電路由寄存器、行與列的驅動電路構成。其中寄存器選擇的類型是CD4094，該種寄存器的移位為八個單位，帶有高位的轉換設備，相較于其他類型的寄存器，具有能耗低、編程簡單、周邊布線簡單、單位內驅動能力較強等特點。STR 是鎖存端口、DATA 是串行數據輸入、QS、QS是串行數據輸出端。單片機的對應的I/O端口引腳各接一片 CD4094，兩片的寄存器的數據端互相交互。為驅動顯示屏的LED陣列，需要使用ULN2803 IC驅動，使用TIP122 IC對回路進行放大，根據所需驅動LED陣列的多少以確定IC芯片ULN2803和TIP122的數量。

1.3 STC單片機控制設備與上位機的通信設計

STC單片機控制設備與上位機之間的通信主要采用的是串行通信模式，根據通信協議的相關規定，對單片機、PC機之間串口的信息傳遞波特率、奇偶位、起始與停止位等信息進行合理的設定，就能夠實現設備的雙方通信。具體來講，單片機TXD（數據發送）與RXD（數據接收）端口在實現與上位機的串行通信后，會將PC機傳送過來的信息數據存儲到存儲設備中。與此同時，如果選擇第一種串行通信模式，系統將啟動一號定時器為發生器，根據波特率發生器的頻率發送信號，并在第二種模式下進行工作。在此基礎上，系統將利用電平轉換設備將單片機的電平有效的轉換為上位機的232電平，實現設備通信。

1.4 字模軟件的應用設計

字模軟件指的是LED顯示系統中對文字信息進行錄入與編輯的字模點陣。LEDPCtoLCD2002的字模軟件，由于無需進行安裝，是當前階段較為常見的一款軟件，該種字模軟件的應用模式包括字符與圖像兩種，可以實現LED設備對漢字、圖像、字母等數據信息的取模工作。操作人員可以通過設置控制界面的菜單，對字符、圖像等取模對象進行字模提取。除此之外，該種字模軟件不僅能夠生成字符、圖像的數據庫，還能自定義漢字庫。字模軟件生成的漢字庫是按照漢字的輸入順序排序的，屬于點陣數據的一種。

二、 LED 顯示屏運行程序的設計原理

LED 顯示屏的軟件設計部分主要采用的是Keil uVision 4的程序設計，使用配套的硬件設備進行仿真處理并與編程軟件進行連接，在多環節驗證、調試完成后，使用PCB軟件對顯示屏的電路圖進行繪制，最后制作配套的電路板。

2.1 繪制LED 顯示屏電路系統的基本原理

設計使用 Altium Designer 10軟件繪制控制系統原理圖。繪制LED 顯示屏電路的流程主要包括以下幾部分：首先，建立工程的器件庫，一般情況下，器件庫包括IC芯片、電阻電容以及電源等，選擇適當的元器件及外圍回路可以提高繪圖效率。同時，在將器件庫加載到窗口的過程中，要注意根據功能的不同對原理圖進行合理的布局；其次，對元件的選擇，可將元件用鼠標左鍵進行單擊選中，用鼠標將元件拖動至相應的位置同時可進行旋轉操作以達到規劃中的布件效果，單擊鼠標進行器件的放置；第三，進行電路連接操作。電路的連接除可以利用導線外，還能使用網絡標號進行連接。網絡標注的相同引腳代表著電氣已經連接完成；最后，進行電氣規則的檢查工作。規則的檢查主要目的在于排查軟件繪制電路過程中可能出現的錯誤，為保證配套電路系統的有效運轉，應進行多階段、反復的系統檢查，在修正錯誤后，完成電路圖的繪制工作。

2.2 LED 系統軟件控制程序的設計原理

LED 系統軟件控制程序包含四個控制按鈕，分別對應顯示屏八個字符單位的左右移動、循環狀態以及靜態控制。顯示系統的驅動功能主要由定時器中斷程序負責，通過該程序向顯示屏推送數據的同時，產生掃描信號，完成屏體的顯示工作。LED 系統軟件控制程序包括系統主程序及具備各種控制功能的子程序（讀鍵、串行接收、右移、左移、靜態、顯示、存儲器讀寫等）。在進行初始化后，通過按鍵對各子程序進行控制，而各子程序分別對應位移、靜態等詳細的控制程序，對LED顯示屏狀態進行控制管理。

2.3 單片機電路控制設計原理

在單片機的基本應用電路中只有串口的FLASH存儲器使用DC3.3V電源，其它的IC外圍芯片均使用DC5V電源。單片機的外圍回路中包括實時時鐘電路、溫度傳感器檢測電路、LED字庫存儲和數據顯示電路。當單片機的輸出側采用單邊端口時，其信息字符串講按行按列連續排列，輸出的數據將通過SCK的位移信號持續將顯示數據送入8位的移位存儲器中。當輸出四個字節時，可直接帶載LED長為512點，且輪詢刷新的顯示時間小于18ms。根據實際應用情況可以安排使用1-4個寬口，使用的端口數與LED顯示屏的長（點）、高（點）如下表所示。

三、結語

將單片機作為數據處理的核心部件，配合PC機及外圍驅動、存儲設備的應用，不僅能夠實現漢字、圖像等字符的左、右位移，靜態顯示以及循環的狀態，還可以通過上位機控制、設置菜單等方式及時對顯示屏的內容進行更新、修改，與傳統的顯示方式相比有著亮度高、壽命長、易拼裝、易修改等優點。

參考文獻：

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