大屏幕LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的大屏幕LED顯示屏控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、串行通信電路、存儲(chǔ)器電路、顯示屏及行列驅(qū)動(dòng)電路組成。廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、學(xué)校、銀行、郵局、機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、金融證券市場(chǎng)、文化中心等公共場(chǎng)所進(jìn)行廣告、新聞和信息發(fā)布，可顯示M行N列漢字、字符、數(shù)字和圖片，可實(shí)現(xiàn)上下、左右移動(dòng)等顯示方式。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展容易，操作方便、使用靈活。詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并給出了系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，穩(wěn)定可靠，效果良好。
關(guān)鍵詞：大屏幕LED顯示屏；點(diǎn)陣模塊；控制電路設(shè)計(jì)；模塊化結(jié)構(gòu)

0 引言
    LED顯示屏以其可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性價(jià)比高、操作方便靈活、用戶可隨時(shí)自行修改顯示內(nèi)容、顯示方式圖文并茂等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為平板顯示的主流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、學(xué)校、銀行、郵局、機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭、金融證券市場(chǎng)、文化中心等公共場(chǎng)所進(jìn)行廣告、新聞和信息發(fā)布。
    本文設(shè)計(jì)一種顯示M行N列漢字的LED顯示屏控制系統(tǒng)，以51單片機(jī)為控制器，可顯示漢字、字符、數(shù)字和圖片。用PC機(jī)編輯漢字、字符等顯示信息，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，送給單片機(jī)存儲(chǔ)并顯示。

1 系統(tǒng)組成
    本LED顯示系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和顯示屏組成，控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、串行通信電路、存儲(chǔ)器、顯示屏及行列驅(qū)動(dòng)電路組成，顯示屏由M行N列組成，每行和每列由16個(gè)LED組成，整個(gè)顯示屏由(M×16)×(N×16)個(gè)LED組成。顯示屏系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 控制電路設(shè)計(jì)
    本控制電路以AT89S51單片機(jī)為控制器，顯示M行N列字符，每個(gè)字符由1個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊顯示，顯示屏共由M×N個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊組成。行驅(qū)動(dòng)電路由2塊74HC595級(jí)聯(lián)和2塊ULN2803組成，每行字符的LED點(diǎn)陣模塊列驅(qū)動(dòng)電路由2×N塊74HC595級(jí)聯(lián)組成，M行共M×2×N塊74HC595。各行字符的16行LED分別并聯(lián)，由P0．1串行輸出行掃描碼，經(jīng)2塊級(jí)聯(lián)74HC595串／并轉(zhuǎn)換，再由ULN2803驅(qū)動(dòng)放大后，送到各行字符的16×16LED點(diǎn)陣模塊的行線端。各行字符的LED點(diǎn)陣模塊列驅(qū)動(dòng)電路分別由2×N塊74HC595級(jí)聯(lián)組成，獨(dú)立控制，各行LED點(diǎn)陣模塊的列數(shù)據(jù)由P0．6，P0．7，…分別輸出，經(jīng)級(jí)聯(lián)的2×N塊74HC595完成串／并轉(zhuǎn)換，待各行字符對(duì)應(yīng)的LED點(diǎn)陣模塊列數(shù)據(jù)存入74HC595后，把所有列驅(qū)動(dòng)電路M×2×N塊74HC595的輸出使能端置為低電平，則各行字符的2×N×16列數(shù)據(jù)一起輸出，顯示屏顯示各行字符的16行中的某一行。依次掃描各行字符的16行的每一行，實(shí)現(xiàn)整屏字符的顯示功能。顯示字符由上位PC機(jī)編輯并轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，經(jīng)串口串行發(fā)送至單片機(jī)，由單片機(jī)接收后存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中并顯示。
2．1 行驅(qū)動(dòng)電路
    使用2塊74HC595和2塊ULN2803作為行驅(qū)動(dòng)器。74HC595是一個(gè)8位串行輸入三態(tài)并行輸出移位寄存器，其內(nèi)部的移位寄存器和存儲(chǔ)寄存器分別有各自的時(shí)鐘輸入，控制各自獨(dú)立，這樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)的顯示可同時(shí)進(jìn)行，2塊74HC595串行級(jí)聯(lián)。74HC595芯片各引腳功能為：DS為串行數(shù)據(jù)輸入端，Q0…Q7為并行數(shù)據(jù)輸出端，Q7’為串行數(shù)據(jù)輸出端，用于級(jí)聯(lián)；為移位寄存器清零端，低電平時(shí)將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零；SH_CP為移位寄存器時(shí)鐘輸入端，上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)移位，下降沿時(shí)移位寄存器數(shù)據(jù)不變；ST_CP為存儲(chǔ)寄存器時(shí)鐘輸入端，上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入存儲(chǔ)寄存器，下降沿時(shí)存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變；為輸出使能端，低電平時(shí)允許數(shù)據(jù)輸出，高電平時(shí)禁止數(shù)據(jù)輸出。
    ULN2803為高電壓、大電流的8路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器，最大工作電壓50 V，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)500 mA，作為顯示屏的行驅(qū)動(dòng)電路。ULN2803芯片各引腳功能為：1B～8B為8路輸入端，TTL電平驅(qū)動(dòng)；1C～8C為對(duì)應(yīng)的8路集電極開路輸出端，外接負(fù)載；10腳為COM端，當(dāng)外接電阻性負(fù)載時(shí)COM端開路，當(dāng)外接電感性負(fù)載時(shí)COM端接負(fù)載電源，構(gòu)成在每個(gè)感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管以防止反電勢(shì)擊穿器件。
    各行字符的16行LED分別并聯(lián)，這樣當(dāng)進(jìn)行行掃描時(shí)，各行字符對(duì)應(yīng)的LED行同時(shí)掃描、同時(shí)點(diǎn)亮，設(shè)LED顯示屏有M行字符，這樣比分別對(duì)每行字符16行LED逐行進(jìn)行掃描快M倍，實(shí)現(xiàn)了高速顯示控制。行驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。由于51單片機(jī)的P0口為漏極開路輸出，ULN2803為集電極開路輸出，所以均需外接上拉電阻。

2．2 列驅(qū)動(dòng)電路
    使用74HC595作為列驅(qū)動(dòng)電路，每個(gè)字符用2塊74HC595驅(qū)動(dòng)，設(shè)LED顯示屏有M行N列字符，則每行字符需2×N塊74HC595，M行共需M×2× N塊74HC595，本設(shè)計(jì)顯示屏以顯示2行4列字符為例，每行用8塊74HC595，2行共16塊74HC595。擴(kuò)展時(shí)，如每行需增加1個(gè)字符顯示，則每行再級(jí)聯(lián)2塊74HC595，如需增加1行字符顯示，則增加2×N塊74HC595級(jí)聯(lián)電路。每行字符的列驅(qū)動(dòng)是獨(dú)立的，即每行字符的2×N塊74HC595級(jí)聯(lián)，分別由單片機(jī)的一個(gè)I／O引腳輸出該行字符的點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，這樣在行驅(qū)動(dòng)電路的配合下實(shí)現(xiàn)了各行字符對(duì)應(yīng)的LED行同時(shí)顯示，顯示控制速度提高了M倍。每行字符的點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)通過(guò)模擬串口P0．3～P0．5及P0．6或P0．7…串行輸出給移位寄存器74HC595，經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換后由74H C595并行輸出至LED顯示屏的各列。2行4列字符顯示列驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2．3 PC機(jī)與單片機(jī)串行通信電路
    采用MAX232完成RS 232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)信息交換。如傳輸距離較遠(yuǎn)，可在兩者之間增加RS 232-RS 485轉(zhuǎn)換器，傳輸距離可達(dá)1 000 m以上。串行通信電路如圖4所示。

2．4 點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路
    要顯示的漢字和字符信息在PC機(jī)上編輯并轉(zhuǎn)換為點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)后，經(jīng)串口傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。本存儲(chǔ)器采用I2C總線接口串行E2PROM存儲(chǔ)器AT24C1024，其容量為128 KB，一個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字為32 B，可存儲(chǔ)4K個(gè)漢字。通過(guò)一根數(shù)據(jù)線(SDA)和一根時(shí)鐘線(SCL)與單片機(jī)相連，其接口電路如圖5所示。

2．5 顯示屏電路
    本設(shè)計(jì)顯示屏以顯示2行4列字符為例，每個(gè)字符由1個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊顯示，每行由4個(gè)16×16LED點(diǎn)陣模塊組成，共8個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊。擴(kuò)展時(shí)，如每行需增加1個(gè)字符顯示，則每行增加1個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊；如需增加1行字符顯示，則增加1行N個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊；并與擴(kuò)展的列驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電路連接。2行4列字符顯示屏如圖6所示。

3 程序設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)程序主要由顯示程序和通信程序組成。顯示程序采用動(dòng)態(tài)掃描方式，實(shí)現(xiàn)漢字、字符、數(shù)字、圖像等信息的控制及顯示功能。顯示程序設(shè)計(jì)方法：
    (1)從P0．1輸出行掃描信號(hào)；
    (2)從P0．6串行輸出第1行漢字16行LED中某行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，從P0．7串行輸出第2行漢字16行LED中某行點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，從P0．3輸出移位脈沖，從P0．4輸出鎖存脈沖，點(diǎn)陣數(shù)據(jù)串行輸入74HC595，并經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)鎖存于74HC595中；
    (3)從P0．5輸出列數(shù)據(jù)輸出使能信號(hào)，顯示字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)并行輸出到顯示屏各行字符16×16 LED點(diǎn)陣模塊的2×N×16列，形成列驅(qū)動(dòng)信號(hào)，與行掃描信號(hào)一起點(diǎn)亮各行字符相應(yīng)LED行的有關(guān)LED；
    (4)延時(shí)1～2 ms，此時(shí)間受閃爍頻率的限制，不能太大，應(yīng)保證掃描1行字符所有16行LED(即一幀數(shù)據(jù))所用時(shí)間之和在40 ms以內(nèi)；
    (5)重復(fù)上述操作，輸出各行字符的下一行LED點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，直到所有16行LED全部掃描顯示一次，即完成一幀數(shù)據(jù)的顯示；
    (6)重新掃描顯示各行字符的第1行LED，開始下一幀數(shù)據(jù)的掃描顯示，如此不斷地循環(huán)，即可完成相應(yīng)的畫面顯示；
    (7)要更新畫面時(shí)，只須將新畫面的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)由PC機(jī)串口送到單片機(jī)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中即可；
    (8)可實(shí)現(xiàn)上下、左右移動(dòng)等多種顯示方式。
    通信程序中的上位機(jī)軟件采用VB或VC編程，利用通信控件MSComm通過(guò)串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)間的串行通信。MSComm控件屏蔽了大部分串行通信的底層操作，使用非常方便，而且在VB，VC，Delphi等中均可使用。

4 系統(tǒng)仿真
    用Proteus軟件繪制出大屏幕LED顯示屏控制電路原理圖，將系統(tǒng)控制程序目標(biāo)代碼文件加入到單片機(jī)中，電路仿真運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的大屏幕LED顯示屏控制系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)為控制器，以I2C總線接口串行E2PROM AT24C1024為點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)串行口將PC機(jī)編輯并轉(zhuǎn)換得到的顯示信息點(diǎn)陣數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)M行N列漢字、字符、數(shù)字及圖表的顯示，并可隨時(shí)更新顯示內(nèi)容。擴(kuò)展容易，如屏幕每行需增加一個(gè)字符顯示，則在LED顯示屏每行增加一個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊，對(duì)應(yīng)在每行字符的列驅(qū)動(dòng)電路增加2塊74HC 595即可；如屏幕需增加一行字符顯示，則在LED顯示屏增加一行N個(gè)16×16 LED點(diǎn)陣模塊，對(duì)應(yīng)增加一行字符的列驅(qū)動(dòng)電路2×N塊74HC595即可?？刂旗`活，使用方便，可實(shí)現(xiàn)上下、左右移動(dòng)等顯示方式。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效果良好。