基于單片機(jī)的LED漢字顯示屏設(shè)計(jì)與制作
在大型商場(chǎng)、車站、碼頭、地鐵站以及各類辦事窗口等越來(lái)越多的場(chǎng)所需要用LED點(diǎn)陣顯示圖形和漢字。LED行業(yè)已成為一個(gè)快速發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)空間巨大，前景廣闊。隨著信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，LED顯示作為信息傳播的一種重要手段，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外需要進(jìn)行服務(wù)內(nèi)容和服務(wù)宗旨宣傳的公眾場(chǎng)所，例如戶內(nèi)外公共場(chǎng)所廣告宣傳、機(jī)場(chǎng)車站旅客引導(dǎo)信息、公交車輛報(bào)站系統(tǒng)、證券與銀行信息顯示、餐館報(bào)價(jià)信息豆示、高速公路可變情報(bào)板、體育場(chǎng)館比賽轉(zhuǎn)播、樓宇燈飾、交通信號(hào)燈、景觀照明等。顯然，LED顯示已成為城市亮化、現(xiàn)代化和信息化社會(huì)的一個(gè)重要標(biāo)志。
本文基于單片機(jī)(AT89C51)講述了16×16 LED漢字點(diǎn)陣顯示的基本原理、硬件組成與設(shè)計(jì)、程序編譯與下載等基本環(huán)節(jié)和相關(guān)技術(shù)。
2 硬件電路組成及工作原理
本產(chǎn)品擬采用以AT89C51單片機(jī)為核心芯片的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要由AT89C51芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、列掃描驅(qū)動(dòng)電路(74HC154)、16×16 LED點(diǎn)陣5部分組成，如圖1所示。
其中，AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory，F(xiàn)PEROM)的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，能夠進(jìn)行1 000次寫／擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年。他是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。因此，在智能化電子設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中經(jīng)常用到AT89C51芯片。
時(shí)鐘電路由AT89C51的18，19腳的時(shí)鐘端(XTALl及XTAL2)以及12 MHz晶振X1、電容C2，C3組成，采用片內(nèi)振蕩方式。
復(fù)位電路采用簡(jiǎn)易的上電復(fù)位電路，主要由電阻R1，R2，電容C1，開關(guān)K1組成，分別接至AT89C51的RST復(fù)位輸入端。
LED點(diǎn)陣顯示屏采用16×16共256個(gè)象素的點(diǎn)陣，通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)光二極管的方法測(cè)試判斷出該點(diǎn)陣的引腳分布，如圖2所示。
我們把行列總線接在單片機(jī)的IO口，然后把上面分析到的掃描代碼送人總線，就可以得到顯示的漢字了。但是若將LED點(diǎn)陣的行列端口全部直接接入89S51單片機(jī)，則需要使用32條IO口，這樣會(huì)造成IO資源的耗盡，系統(tǒng)也再無(wú)擴(kuò)充的余地。因此，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中只是將LED點(diǎn)陣的16條行線直接接在P0口和P2口，至于列選掃描信號(hào)則是由4-16線譯碼器74HC154來(lái)選擇控制，這樣一來(lái)列選控制只使用了單片機(jī)的4個(gè)IO口，節(jié)約了很多IO資源，為單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)充使用功能提供了條件?？紤]到P0口必需設(shè)置上拉電阻，我們采用4.7 kΩ排電阻作為上拉電阻。
漢字掃描顯示的基本過(guò)程是這樣的：通電后由于電阻R1，電容C1的作用，使單片機(jī)的RST復(fù)位腳電平先高后低，從而達(dá)到復(fù)位；之后，在C2，C3，X1以及單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路的作用下，單片機(jī)89C51按照設(shè)定的程序在P0和P2接口輸出與內(nèi)部漢字對(duì)應(yīng)的代碼電平送至LED點(diǎn)陣的行選線(高電平驅(qū)動(dòng))，同時(shí)在P1.1，P1.2，P1.3，P1.4接口輸出列選掃描信號(hào)(低電平驅(qū)動(dòng))，從而選中相應(yīng)的象素LCD發(fā)光，并利用人眼的視覺(jué)暫留特性合成整個(gè)漢字的顯示。
3 漢字的點(diǎn)陣顯示原理及字庫(kù)代碼獲取方法
我們以UCDOS中文宋體字庫(kù)為例，每一個(gè)字由16行16列的點(diǎn)陣組成顯示。即國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)中的每一個(gè)字均由256點(diǎn)陣來(lái)表示。我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)象素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)漢字屏不僅可以顯示漢字，也可以顯示在256象素范圍內(nèi)的任何圖形。如查用8位的AT89C51單片機(jī)控制，由于單片機(jī)的總線為8位，一個(gè)字需要拆分為2個(gè)部分，如圖3所示。
為了弄清楚漢字的點(diǎn)陣組成規(guī)律，首先通過(guò)列掃描方法獲取漢字的代碼。漢字可拆分為上部和下部，上部由8×16點(diǎn)陣組成，下部也由8×16點(diǎn)陣組成。本例通過(guò)列掃描方法首先顯示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00～P07口，方向?yàn)镻00到P07，顯示漢字“大”時(shí)，P05點(diǎn)亮，由上往下排列，為：P0.0滅，P0.1滅，P0.2滅P0.3滅，P0.4滅，P0.5亮，P0.6滅，P0.7滅。即二進(jìn)制00000100，轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制為04h。上半部第一列完成后，繼續(xù)掃描下半部的第一列，為了接線的方便，我們?nèi)栽O(shè)計(jì)成由上往下掃描，即從P27向P20方向掃描，從圖3可以看到，這一列全部為不亮，即為00000000，十六進(jìn)制則為00h。依照這個(gè)方法轉(zhuǎn)向第二列、第三列，…，直至第十六列的掃描，一共掃描32個(gè)8位，可以得出漢字“大”的掃描代碼為：
由這個(gè)原理可以看出，無(wú)論顯示何種字體或圖像，都可以用這個(gè)方法來(lái)分析出他的掃描代碼從而顯示在屏幕上。
上述方法雖然能夠讓我們弄清楚漢字點(diǎn)陣代碼的獲取過(guò)程，但是依靠人工方法獲取漢字代碼是一件非常繁瑣的事情。為此，我們經(jīng)常采用字庫(kù)軟件查找字符代碼，軟件打開后輸入漢字，點(diǎn)“檢取”，十六進(jìn)制數(shù)據(jù)的漢字代碼即可自動(dòng)生成，把我們所需要的豎排數(shù)據(jù)復(fù)制到程序中即可，如圖4所示。
可見，漢字點(diǎn)陣顯示一般有點(diǎn)掃描、行掃描和列掃描3種。為了符合視覺(jué)暫留要求，點(diǎn)掃描方法的掃描頻率必須大于16×64=1 024 Hz，周期小于1 ms即可。行掃描和列掃描方法的掃描頻率必須大于16×8=128 Hz，周期小于7.8 ms即可，但是一次驅(qū)動(dòng)一列或一行(8顆LED)時(shí)需外加驅(qū)動(dòng)電路提高電流，否則LED亮度會(huì)不足。
4 元器件選擇
本設(shè)計(jì)所需元器件如表1所示。
5 PCB設(shè)計(jì)與元件裝配
本作品采用通用的Protel 99SE板級(jí)EDA軟件完成PCB圖的設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程略?？紤]到本設(shè)計(jì)用到的元件數(shù)量不多，我們基本采用單面布線策略，只使用了少量的頂層跨接導(dǎo)線，以便于業(yè)余設(shè)計(jì)制作。已設(shè)計(jì)好的PCB圖見圖5所示。
本電路對(duì)元件參數(shù)沒(méi)有苛刻要求，只要元器件選擇正確，無(wú)損壞，電路板制作工藝良好，把所有電子元件正確焊接裝配后即可進(jìn)入程序下載和調(diào)試工作階段。制作與調(diào)試時(shí)，在AT89C2051的位置應(yīng)安裝20腳的IC座，以便使單片機(jī)可以從電路板中拿下去燒寫程序。
6 程序設(shè)計(jì)、燒錄與調(diào)試
軟件程序主要由開始、初始化、主程序、字庫(kù)組成。其中主程序和子程序的流程圖如圖6和圖7所示。
下面的程序能夠用來(lái)實(shí)現(xiàn)“為中華之崛起而學(xué)習(xí)”等漢字的顯示。程序清單如下：
在完成編寫程序的編譯和仿真之后，準(zhǔn)備一臺(tái)可以燒寫AT89C51的編程器并與電腦主機(jī)硬件連接后即可對(duì)AT89C51芯片進(jìn)行程序燒錄下載，然后，將燒錄好程序的AT89C51單片機(jī)裝入到40腳的IC座上，通電即可調(diào)試和運(yùn)行，由于本例電路對(duì)元件參數(shù)的要求不是很高，只要元件較好，參數(shù)基本符合要求，焊接裝配后即可正常工作。
7 結(jié) 語(yǔ)
雖然本設(shè)計(jì)只使用了一塊16×16 LED點(diǎn)陣，電路簡(jiǎn)單，但是已經(jīng)包涵了LED顯示屏的電路基本原理和基本程序，只要擴(kuò)展單片機(jī)的IO接口，并增加一些LED點(diǎn)陣和相關(guān)芯片，就能設(shè)計(jì)出更大面積、更多花樣的LED顯示屏。因此本文對(duì)同類設(shè)計(jì)具有一定的理論和實(shí)踐參考價(jià)值。
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