基于單片機(jī)的LED顯示屏設(shè)計(jì)

王 丹

(河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

通過(guò)LED顯示屏的不斷發(fā)展與更新，其已是集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的大型顯示屏系統(tǒng)，LED 大屏幕顯示器由于其醒目、內(nèi)容靈活多變、亮度高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于廣告、信息發(fā)布、交通指示等公共場(chǎng)所，取得了良好效果。

本設(shè)計(jì)利用LED顯示屏的顯示原理[1]結(jié)合單片機(jī)的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)出一個(gè)既簡(jiǎn)單容易又有實(shí)際功能的LED顯示屏。本文是充分利用單片機(jī)的AT89C51的資源，在盡量節(jié)省單片機(jī)I/O口的基礎(chǔ)上用它其中的一些I/O口來(lái)模擬串口實(shí)現(xiàn)顯示屏顯示信息的。文中電路簡(jiǎn)單易懂，更重要的是在節(jié)省單片機(jī)I/O口是為了在有必要時(shí)實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)展功能，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的LED顯示屏顯示信息，同時(shí)也可以在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加通信部分(計(jì)算機(jī))，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串口通信，使顯示屏能靈活地顯示所需要的信息。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)及電路設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣顯示屏可以通過(guò)計(jì)算機(jī)將要顯示的漢字信息提取出來(lái)，并發(fā)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)做出相應(yīng)處理后將該漢字信息顯示在點(diǎn)陣顯示屏上。這些功能的實(shí)現(xiàn)只需要在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加(PC)機(jī)通信模塊即可，即每當(dāng)向計(jì)算機(jī)客戶(hù)程序里輸入新顯示內(nèi)容通過(guò)MAX232并實(shí)現(xiàn)232電平和單片機(jī)的TTL電平的轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)就產(chǎn)生串行中斷，接受待顯示信息的機(jī)內(nèi)碼，以便根據(jù)機(jī)內(nèi)碼在字庫(kù)中尋址，找到對(duì)應(yīng)的字模，提取后再送到點(diǎn)陣顯示屏顯示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心[2-8]，外圍控制電路由移位鎖存器74HC595來(lái)控制LED顯示屏的列數(shù)據(jù)輸入，由單片機(jī)的P1口的低四位來(lái)控制行掃描信號(hào)的輸出至譯碼器74HC154進(jìn)行譯碼選擇行片選信號(hào)，在行掃描信號(hào)和列數(shù)據(jù)信號(hào)的配合使用下最終驅(qū)動(dòng)LED顯示屏顯示信息。本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口實(shí)現(xiàn)顯示信息的，在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只要添加上(計(jì)算機(jī))通信部分，就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口通信來(lái)靈活控制顯示屏的顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

2.1 控制部分

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)為控制核心，利用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口通過(guò)行列驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制LED顯示屏的顯示[9]。

2.1.1 控制部分設(shè)計(jì)方案

本次設(shè)計(jì)的LED顯示屏是以單片機(jī)系統(tǒng)為控制核心，通過(guò)行列信號(hào)的輸出控制實(shí)現(xiàn)漢字顯示，并采用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口實(shí)現(xiàn)顯示屏顯示。若在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上添加通信部分，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口通信，但這些必須通過(guò)電平轉(zhuǎn)換部分方可實(shí)現(xiàn)通信。所以設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮以下方案的選取。

(1)主控芯片的選擇。在使用專(zhuān)用的LED控制芯片的情況下，其價(jià)格昂貴而且需要更多的控制信號(hào)，而且芯片的級(jí)聯(lián)不方便。

由于80C51單片機(jī)提供了足夠的內(nèi)存來(lái)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)還可以用譯碼器74HC154和移位鎖存器74HC595來(lái)分別實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣顯示的行列控制，其特點(diǎn)是控制信號(hào)簡(jiǎn)單，級(jí)聯(lián)方便，芯片數(shù)量少。

綜合考慮，采用以單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)為主控芯片。

(2)電平轉(zhuǎn)換芯片的選擇。添加通信模塊后即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口通信，由于單片機(jī)AT89c51串行口采用的是TTL電平，必須有電平轉(zhuǎn)換電路，可以選擇1488、1489、MAX232A。

2.1.2 控制部分

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51系統(tǒng)為控制核心，利用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口通過(guò)行列驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制LED顯示屏的顯示。若在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加(計(jì)算機(jī))通信模塊，即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的串口通信來(lái)靈活控制LED顯示屏的顯示。即從計(jì)算機(jī)中輸入漢字信息后將要顯示的漢字信息通過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換最終送到單片機(jī)AT89C51的RXD和TXD中，從而實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的串口通信。其總體控制框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制框圖Fig.2 System control block diagram

AT89C51是低電壓、高性能的CMOS8位單片機(jī)片內(nèi)4 Kbytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存儲(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(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大。

2.2 列驅(qū)動(dòng)部分及電路設(shè)計(jì)

由單片機(jī)串行輸出列數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)74HC595移位鎖存器的數(shù)據(jù)端接收，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下列數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)移位、鎖存輸出至顯示屏。所以，設(shè)計(jì)時(shí)就需要綜合考慮來(lái)選擇列驅(qū)動(dòng)芯片。

此次設(shè)計(jì)是上部分16×16 LED顯示單元列驅(qū)動(dòng)的兩片74HC595相應(yīng)的SCK/SHcp并聯(lián)為UP_SCK，作為統(tǒng)一的串行數(shù)據(jù)移位信號(hào)，下部分顯示單元的列驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的SCK/SHcp并聯(lián)為DN_SCK也作為統(tǒng)一的串行數(shù)據(jù)移位信號(hào)，且上部列驅(qū)動(dòng)的SI/Ds端與下部的SI/Ds端是并聯(lián)接到單片機(jī)的串口輸出數(shù)據(jù)端的，此時(shí)是用單片機(jī)的定時(shí)中斷T0、T1來(lái)選通是上部還是下部的列驅(qū)動(dòng)。但各片列驅(qū)動(dòng)的SRCLR*，RCK/STcp端確是分別并聯(lián)串行數(shù)據(jù)清除信號(hào)和輸出鎖存器信號(hào)。其顯示驅(qū)動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 顯示驅(qū)動(dòng)電路原理Fig.3 Display driving circuit principle

在電路安排上，上下兩部分的列串行數(shù)據(jù)輸入端(各自第一片的Ds/SI)是并聯(lián)的，上下兩部分的RCK信號(hào)和SRCLR*信號(hào)也是并聯(lián)的，而SCK信號(hào)則是分開(kāi)控制的。上下部分的信號(hào)與控制的安排如圖4所示。

圖4 32行方案上下部分的處理方法Fig.4 Processing method of upper and lower parts of 32 line scheme

2.3 行驅(qū)動(dòng)部分

由單片機(jī)輸出的行掃描信號(hào)，要使行號(hào)不會(huì)出現(xiàn)瞬間消失的現(xiàn)象，必須經(jīng)74HC373鎖存器進(jìn)行鎖存后發(fā)至譯碼器74HC154再進(jìn)行譯碼產(chǎn)生行驅(qū)動(dòng)部分。

2.4 顯示部分

顯示屏的顯示部分是本次設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，本文設(shè)計(jì)的是32×16點(diǎn)陣顯示屏，把該顯示屏劃分為上屏和下屏部分，分別為16×16點(diǎn)陣顯示單元進(jìn)行顯示。該設(shè)計(jì)是對(duì)LED顯示屏進(jìn)行硬件掃描，從而實(shí)現(xiàn)顯示屏掃描顯示的，但是采用靜態(tài)掃描還是動(dòng)態(tài)掃描，從顯示實(shí)現(xiàn)的難易和顯示的效果來(lái)分析，必須綜合考慮硬件掃描的方式。

2.4.1 點(diǎn)陣LED

LED點(diǎn)陣是顯示屏最基本的組成單元，本設(shè)計(jì)的LED顯示屏是基于8×8 LED點(diǎn)陣模塊拼接而成的。目前市場(chǎng)上LED種類(lèi)繁多，不同的廠家有其不同的型號(hào)，所以其各引腳的陰陽(yáng)極的順序也各不相同。8×8 LED點(diǎn)陣圖如圖5所示。

圖5 8×8點(diǎn)陣模塊圖Fig.5 8×8 lattice module diagram

2.4.2 LED顯示單元的拼接

4塊LED的連接：在點(diǎn)陣顯示中，以4塊8×8點(diǎn)陣LED構(gòu)成一個(gè)LED顯示單元，因此就假如圖6中1、2、3、4，各代表一塊8×8點(diǎn)陣LED，4塊連接起來(lái)就為一塊16×16的點(diǎn)陣LED。

圖6 4塊LED模擬Fig.6 Four LED analog

4塊的連接情況是1、2和3、4的陽(yáng)極按123…的順序連接，拉出16根線，經(jīng)反相緩沖器240接到1塊74HC154譯碼器和1塊373行鎖存器最后接到單片機(jī)的P1口的低4位上為行選掃描，是為行送筆畫(huà)；1、3和2、4的陰極按ABC…的順序連接，拉出16根線，經(jīng)過(guò)595移位鎖存器接到單片機(jī)的I/O口，為列送筆畫(huà)。

3 軟件設(shè)計(jì)

主要介紹軟件實(shí)現(xiàn)的功能流程，具體分析各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序，這樣可以進(jìn)一步理解各個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)原理，然后進(jìn)一步介紹字模的提取及其工作原理。

3.1 總體軟件實(shí)現(xiàn)流程

在電路安排上，上下兩部分的列串行數(shù)據(jù)輸入端(各自第一片的SI/Ds)是并聯(lián)的，上下兩部分的RCK/STcp信號(hào)和SRCLR*/MR*信號(hào)也是并聯(lián)的，而SCK/SHcp信號(hào)則是分開(kāi)控制的。本硬件電路的流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.7 System design process

由于本設(shè)計(jì)是使用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口來(lái)通信的，所以只要求硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與程序編寫(xiě)，本程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其中大部分都是用來(lái)顯示字模的程序。

本設(shè)計(jì)是采用動(dòng)態(tài)的掃描，即逐行掃描，實(shí)際上每次點(diǎn)亮的是一行，但由于間隔時(shí)間短，又是動(dòng)態(tài)掃描，給人的感覺(jué)就是1個(gè)字全亮的，又因?yàn)閽呙?次結(jié)束，字形碼增加2個(gè)字節(jié)，在從第1行掃描，這樣給人的感覺(jué)就是滾動(dòng)的效果了。

3.2 字模的提取

3.2.1 字模的功能

字模提取軟件有很多種，本文選擇了Super LDM Char Code V1.0，具體有以下特點(diǎn)：①生成中英文數(shù)字混合的字符串的字模數(shù)據(jù)；②可選擇字體、字號(hào)，并且可獨(dú)立調(diào)整文字的長(zhǎng)和寬，生成任意形狀的字符；③任意調(diào)整輸出點(diǎn)陣大小，并任意調(diào)整字符在點(diǎn)陣中的位置；④字模數(shù)據(jù)輸出可自定義各種格式，系統(tǒng)預(yù)設(shè)了C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言?xún)煞N格式，及電路圖的行列掃描方式，并且可自己定義出新的數(shù)據(jù)輸出格式；每行輸出數(shù)據(jù)數(shù)量可調(diào)；⑤圖形模式下可任意用鼠標(biāo)作畫(huà)，左鍵畫(huà)圖，右鍵擦圖；⑥旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、平移等字符模式下的功能，也可以用于對(duì)BMP圖像的處理。

3.2.2 提取字模

首先設(shè)置好要提取的是16×16的字模，宋體字，其他均為默認(rèn)設(shè)置，輸入要顯示的漢字[9]，如“畢業(yè)設(shè)計(jì)”首先輸入“畢”就會(huì)立刻顯示其單片機(jī)識(shí)別的16進(jìn)制代碼，然后就分別輸入“畢業(yè)設(shè)計(jì)”顯示的代碼直接復(fù)制到程序。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是利用單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬串口實(shí)現(xiàn)漢字顯示的，完全可以在該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加計(jì)算機(jī)通信模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的串口通信來(lái)控制顯示屏的顯示內(nèi)容。在此原理基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出實(shí)用的低成本的LED顯示系統(tǒng)。現(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信是一個(gè)非常重要的應(yīng)用。

在本文中提出了以成本較低的AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心的LED屏幕漢字顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)的動(dòng)態(tài)掃描又根據(jù)人眼的暫留效應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)漢字的動(dòng)態(tài)顯示了，本系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的級(jí)聯(lián)對(duì)系統(tǒng)的顯示模塊和掃描模塊進(jìn)行擴(kuò)展。