基于單片機的LED點陣顯示系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：LED點陣顯示屏是由多個LED發(fā)光二極管封裝在一起組成，是一種新興的顯示器件。為了說明LED點陣顯示的原理，以單片機為控制核心，設(shè)計和制作了一種成本低廉的漢字顯示系統(tǒng)，其包括硬件和軟件兩個部分。該電路通過按鍵控制可實現(xiàn)任意多個漢字的卷簾、上移和左移等多種顯示形式，可廣泛應(yīng)用于機場、商場、醫(yī)院等公共場所進行文字廣告宣傳，信息發(fā)布等。通過仿真和實物測試，該系統(tǒng)獲得良好的顯示效果，而且具有體積小、硬件電路結(jié)構(gòu)簡單和容易實現(xiàn)等特點。
關(guān)鍵詞：MCU；LED；顯示屏；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    LED顯示屏是一種由半導(dǎo)體發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示點陣，人們通過控制每個LED的亮滅實現(xiàn)圖形或字符的顯示。由于LED顯示屏亮度高、視角廣、工作電壓低、功耗小、壽命長、耐沖擊、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用于機場、商場、醫(yī)院、賓館、證券市場等公共場所。本文以單片機為控制核心設(shè)計和制作了一種漢字顯示系統(tǒng)，其成本低廉，內(nèi)容更新簡便。

1 顯示原理
1．1 LED點陣顯示屏
    將多個LED按矩陣方式排列在一起，如圖1所示，就構(gòu)成了一個LED點陣顯示屏。其中各個LED的引腳按照一定的規(guī)律連接，以最常見的8×8單色LED點陣共陽型顯示器為例，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)和外型規(guī)格如圖1所示。

    16×16單色LED點陣顯示屏可由4塊8×8單色LED點陣顯示器組合而成，即16行16列，16×16=256像素。如果采用共陽型連接方式，即每行的LED陽極連接在一起，每列的LED陰極連接在一起。
1．2 顯示原理
    對于共陽型LED點陣顯示屏，如果采用動態(tài)掃描方式，掃描電路就可以實現(xiàn)多行發(fā)光二極管的同名列共用一套驅(qū)動器。動態(tài)掃描，簡單說就是逐行輪流點亮。具體以8×8點陣模塊為例顯示字符“B”的過程如圖2所示。即先送出對應(yīng)于第一行發(fā)光二極管亮滅的列數(shù)據(jù)OFFH并鎖存，然后選通第一行，即送行數(shù)據(jù)80H，延時一段時間后，送行數(shù)據(jù)00H，第一幀顯示結(jié)束；再送第二行的列數(shù)據(jù)87H并鎖存，然后選通第二行，即送行數(shù)據(jù)40H，點亮相同時問后，送行數(shù)據(jù)00H，相應(yīng)二極管熄滅，第二幀顯示結(jié)束；以此類推，第8行顯示之后，又重新點亮第一行，周而復(fù)始。當這樣輪回的速度足夠快(每秒24次以上)時，就能看到顯示屏上穩(wěn)定的字符B了。上述列數(shù)據(jù)即為字符B的字模數(shù)據(jù)。

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1．3 漢字字模的生成
    由于妻顯示內(nèi)容的不確定性，漢字字模的生成僅靠用戶自己構(gòu)建是不可能的。如果依靠單片機完成字模的創(chuàng)建和顯示控制，則由于單片機運算能力有限，是無法實現(xiàn)漢字的選定和實時顯示。為此利用PC機和相關(guān)軟件，預(yù)先生成所要顯示漢字的字模。
    通常可以利用UCDOS的漢字庫構(gòu)造需要顯示的字模。在UCDOS漢字庫中漢字均以行字模的形式存儲，只要確定了漢字在字庫中的位置和字模的長度，就可以將需要漢字的行字模讀出。漢字在字庫中的位置可以通過漢字的機內(nèi)碼根據(jù)如下公式加以確定：
    Offset=(94×m_H+m_L)×32
    式中：m_H代表以16進制表示的漢字機內(nèi)碼的高8位，m_L代表機內(nèi)碼的低8位。字模的長度則是由顯示所用的點陣決定的，以常用的16× 16點陣字模為例，一個漢字字模需要16×16÷8=32 B。因此從字模的開始依次讀取32個字節(jié)就可以得到該漢字16×16的字模(行字模)。
    采用PCtoLCD 2002字模軟件，可以方便地生成字模數(shù)據(jù)，如圖3所示。將生成的字模數(shù)據(jù)復(fù)制到系統(tǒng)源程序中。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
    圖4給出的是可以顯示一個16×16漢字系統(tǒng)的框圖。系統(tǒng)由AT89C51最小系統(tǒng)、顯示屏、列驅(qū)動電路、行驅(qū)動電路和控制鍵構(gòu)成。AT89C 51為主控芯片，顯示屏由4塊8×8 LED共陰連接組成，其列驅(qū)動電路由2片74HC595構(gòu)成，擴展為具有鎖存、串并移位和三態(tài)輸出的16位移位寄存器，字模數(shù)據(jù)由此輸出；行驅(qū)動電路由1片4-16線譯碼器74HC154構(gòu)成，從DCBA輸入增量數(shù)據(jù)，將輸出逐行掃描信號。K1，K2，K3為顯示方式控制鍵，按鍵選擇可實現(xiàn)LED點陣顯示屏卷簾、上移、左移等顯示輸出。該系統(tǒng)在Proteus軟件環(huán)境下仿真獲得良好的顯示效果。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 主程序流程圖
    系統(tǒng)主程序開始以后首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，包括設(shè)置串口、定時器、中斷和端口。然后進行鍵盤掃描，如果K1鍵按下字符卷簾輸出，如果K2鍵按下字符上移輸出，如果K3鍵按下字符左移輸出。主程序流程見圖5所示。

3．2 顯示驅(qū)動程序
    顯示驅(qū)動程序查詢當前點亮的行號，從顯示緩存區(qū)內(nèi)讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，在中斷程序中，驅(qū)動程序先要關(guān)閉顯示屏，等顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存后，然后再輸出新的行選通信號，重新打開顯示。顯示驅(qū)動程序如下：
   

4 結(jié)語
    本沒計以AT89C51為系統(tǒng)的控制核心，采用動態(tài)掃描的方法實現(xiàn)對16×16 LED點陣顯示屏的控制。該系統(tǒng)通過仿真和實物制作，均獲得良好的顯示效果，證明這種方案是可行的，而且具有體積小、硬件電路結(jié)構(gòu)簡單和容易實現(xiàn)等特點。但也存在更換顯示內(nèi)容時，需要對AT89 C51進行重新編程的問題，如果增加ISP編程電路，可通過USB下載電纜對單片機程序數(shù)據(jù)進行及時更新。