基于單片機虛擬實驗室的LED大屏幕顯示器的設(shè)計與制作

胡蓉

摘要：介紹了單片機虛擬實驗室應(yīng)用于LED大屏幕顯示器的設(shè)計的方法，結(jié)合虛擬實驗室在LED大屏幕顯示器的設(shè)計中的一個實例，體現(xiàn)虛擬技術(shù)對培養(yǎng)和提高應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)學(xué)生綜合設(shè)計能力的重要性。

關(guān)鍵詞：單片機;虛擬實驗室;LED大屏幕顯示器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0282-03

LED大屏幕顯示器不僅能顯示文字，還可以顯示圖像與圖像，并且能產(chǎn)生各種動畫效果，是廣告宣傳、新聞廣播的有力工具。LED大屏幕顯示器不僅有單色顯示，還有彩色顯示，其應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)滲透到人們的日常生活之中。

虛擬實驗室是隨著計算機技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)，單片機虛擬實驗室是將Proteus和Keil C5 1軟件引入單片機課堂教學(xué)，構(gòu)建一個適合“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)模式，將理論教學(xué)和實踐教學(xué)融為一體，提高學(xué)生的動手實踐能力。

虛擬實驗室資源建設(shè)開發(fā)流程分為硬件電路設(shè)計、軟件程序開發(fā)和軟硬仿真聯(lián)合調(diào)試三個步驟，利用了硬件仿真工具Proteus和能完美支持51單片機c語言程序開發(fā)的工具KeilC51兩種軟件;由于利用軟件設(shè)計與仿真實驗，學(xué)生思維不再被實驗箱等硬件電路所局限，不僅能開拓學(xué)生的思維、增長視野、方便后期靈活調(diào)整其設(shè)計，而且還能通過設(shè)計電路模塊的移植，從而縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，這也會為單片機項目工程設(shè)計奠定一定的基礎(chǔ)。

1LED點陣屏顯示原理

最基本的LED顯示屏的顯示模塊單元為8*8（圖1），是作為大屏幕顯示器的基本組成單元，在8*8LED點陣上穩(wěn)定顯示字符的設(shè)計原理是：采用動態(tài)掃描方式使得LED陣列按顯示字型碼的順序，一行一行（或一列一列）地顯示，每一行（列）的顯示時間大約為lms，由于人眼的視覺惰性和視覺暫留現(xiàn)象，將感受到8行（列）LED同時顯示，從而看到整幅的畫面。

以行掃描為例：在進行行掃描的過程中八行始終只有一行輸出高電平，其余均為低電平信號，同時列輸出字模數(shù)據(jù)（圖2）。字模數(shù)據(jù)可以通過取模軟件獲得，在設(shè)置時，需結(jié)合硬件電路特點，在本例中設(shè)置為逐行、順向、陽碼的取模方式。

2LED大屏幕顯示器的設(shè)計

將若干個8*8點陣顯示模塊進行拼接，可以構(gòu)成各種尺寸的大屏幕顯示器，如16*16，16*32，128*32等點陣尺寸，來滿足不同用戶的需求。由于單片機不能提供足夠的電流來驅(qū)動LED點陣大屏幕急劇增多的發(fā)光二極管，我們需要為大尺寸的LED點陣顯示屏設(shè)計行選驅(qū)動電路和列輸出電路，首先以16*16LED點陣屏為例介紹如下：

2.1 PROTEUS仿真平臺硬件電路設(shè)計

2.1.1行驅(qū)動電路的設(shè)計

由于LED大屏幕尺寸增加，行數(shù)也隨之增加，而單片機往往不能提供足夠多的I/O端口來控制每行的LED的掃描。因此，在行驅(qū)動電路設(shè)計中往往考慮采用譯碼芯片來減少I/O口線的使用。在如圖3所示的16*16LED點陣式電子廣告屏的控制電路中，行驅(qū)動電路選用一片4/16線譯碼器74HCl54，生成16條行選通信號線，并在這16條行線上分別添加一個8550三極管進行反相驅(qū)動，圖中為了簡化電路線路，用反相器代替三級管。

2.1.2列驅(qū)動電路的設(shè)計

74HC595常被用來作為LED大屏幕的行或列驅(qū)動（圖41，其芯片內(nèi)部有一個8位的串行移位寄存器，移位寄存器的輸出連接了一個輸出鎖存器，輸出端口為可控的三態(tài)輸出端，當數(shù)據(jù)輸入時鐘線SCK（11腳）處于上升沿時數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位，QA→QB→QC→…一QH，處于下降沿時移位寄存器數(shù)據(jù)不變。當引腳（12腳）輸出鎖存器鎖存時鐘線RCK處于上升沿時，移位寄存器的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器，處于下降沿時存儲寄存器的數(shù)據(jù)保持不變。74HC595最大優(yōu)點是數(shù)據(jù)輸入時鐘線SCK和輸出鎖存器鎖存時鐘線RCK兩個信號互相獨立，能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存的控制互不干擾，實現(xiàn)了顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時傳送下一行的列數(shù)據(jù)，從而達到并行處理的目的。整體電路設(shè)計如圖5所示：

2.2K1EIL C51軟件開發(fā)平臺程序的設(shè)計

2.2.1字模的獲取

利用取模軟件PCtolcd寫入需要取字模的字，設(shè)置為字模模式，縱向、順取、逐行掃描取模，C51格式，這樣我們就可以利用軟件直接生成一個需要顯示字型的字模;直接將生成字模的二維數(shù)組復(fù)制到程序中來實現(xiàn)相應(yīng)功能。

3LED大屏幕顯示器的擴展設(shè)計（16%32）

16*32點整屏是在16*16點陣屏的基礎(chǔ)上進行的擴展（圖7）。

此設(shè)計采用串行傳輸?shù)姆椒ǎ刂齐娐分挥靡桓盘柧€，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，對于串行傳輸方式來說，列數(shù)據(jù)準備時間可能比較長。在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時間就少了，以致影響到LED的亮度。

74HC595的驅(qū)動能力很強（驅(qū)動電流典型值為35mA），因此可以直接驅(qū)動小型的LED點陣屏，但對于大中型的LED點陣屏（如像素大于5mm）則需增加驅(qū)動電路。常采用8550大功率三極管或者是達林頓晶體管陣列芯片ULN2803，其內(nèi)部含有8個反相器，可同時驅(qū)動8路負載，其驅(qū)動能力可達500mA，具有很強的低電平驅(qū)動能力。

利用74HC595可以解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，由于其具有存儲寄存器（鎖存器），因此，數(shù)據(jù)傳送時不會立即出現(xiàn)在輸出引腳上，只有在RCK上升沿后才會把數(shù)據(jù)集中輸出。程序設(shè)計框圖如圖8。

在單片機虛擬實驗室的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對16"32點陣漢字顯示的仿真設(shè)計，達到了良好的設(shè)計效果。該仿真電路與實際電路顯示效果一致，由此制作的實際電路如圖9所示。該LED顯示屏電路結(jié)構(gòu)簡潔、可靠、成本低且易于實現(xiàn)，通過適當修改程序設(shè)計即可實現(xiàn)左右移動的顯示效果，表現(xiàn)出了很大的靈活性和適用性，更大屏幕的顯示器只需要在此基礎(chǔ)上進行擴展即可。

4結(jié)束語

通過單片機虛擬實驗室為LED顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，我們可以看到單片機虛擬實驗室不但縮減了單片機實踐教學(xué)中采購單片機實驗箱、更新硬件電路板以及設(shè)備維護管理的費用;而且大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期;并有利于提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時也為單片機嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、電子電路的開發(fā)設(shè)計等提供了一種嶄新而有效的手段。