基于单片机的LED显示屏控制电路设计研究

王超

摘 要：电子信息控制技术的深入发展，使得当前阶段信息的传递、交互成为社会现代化发展的重点。在此基础之上，LED显示控制系统核心的选择向着多样化方向发展，核心控制回路的功能也逐步增强。单片机作为LED显示装置的核心器件之一，具备投入成本较低、可靠性高等特点，为LED显示屏的大范围普及提供了有力的支持。

关键词：电平转换；扫描电路；软件设计

引言

LED显示屏相较于传统的显示屏具备亮度高、能耗低、使用周期长、清晰度高、动态影像播放效果好等优势，被广泛的应用于银行、火车站、商场广告窗等人流量较多的地点。

一、LED 显示屏的构成及硬件控制部分的设计

LED 显示屏控制系统的研发主要经历了三个时期：第一时期是九十年代以前的成长时期，该阶段LED 显示屏属于初步发展阶段，对控制系统的应用还不成熟；第二阶段是九零年到九五年的高速发展时期，互联网技术的深度发展为该时期LED显示系统的设计、研发提供了有力的支持；九五年以来，LED 显示屏控制系统进入了稳步发展阶段。尤其是近几年，显示屏的研发方向趋向于画质、动态影像显示效果、光互补、可移动等技术发展方向。单片机LED为更好的传播实时信息、广告宣传，改变了传统的信息传递模式，通过单片机对显示屏进行精准控制，提升了显示屏的实际播放效果。

1.1 LED 显示屏的构成

LED 显示屏主要是以单片机作为核心控制器件，硬件部分包括：通过按键进行控制的电路系统、数据存储设备、驱动器（列驱动、行驱动）、寄存器、PC 机等设备。LED显示屏实质上是属于点阵显示设备，由存储器以及经过电平转换的PC机将数据传输到STC单片机的控制系统中，然后将经过处理的数据通过行扫描电路以及列扫描控制电路传送到LED点阵屏，在这一过程中可以通过设备的按键对LED显示屏進行调节。单片机的选择需要考虑存储ROM的大小，ROM内需要存放数据、表格以及程序软件等；PC机也可以称为上位机，主要负责将需要显示的数据内容传送到单片机上，并通过控制器对显示屏上播放的内容进行实时控制。

1.2 驱动电路的主要设计流程

LED 显示屏系统中的驱动电路由寄存器、行与列的驱动电路构成。其中寄存器选择的类型是CD4094，该种寄存器的移位为八个单位，带有高位的转换设备，相较于其他类型的寄存器，具有能耗低、编程简单、周边布线简单、单位内驱动能力较强等特点。STR 是锁存端口、DATA 是串行数据输入、QS、QS是串行数据输出端。单片机的对应的I/O端口引脚各接一片 CD4094，两片的寄存器的数据端互相交互。为驱动显示屏的LED阵列，需要使用ULN2803 IC驱动，使用TIP122 IC对回路进行放大，根据所需驱动LED阵列的多少以确定IC芯片ULN2803和TIP122的数量。

1.3 STC单片机控制设备与上位机的通信设计

STC单片机控制设备与上位机之间的通信主要采用的是串行通信模式，根据通信协议的相关规定，对单片机、PC机之间串口的信息传递波特率、奇偶位、起始与停止位等信息进行合理的设定，就能够实现设备的双方通信。具体来讲，单片机TXD（数据发送）与RXD（数据接收）端口在实现与上位机的串行通信后，会将PC机传送过来的信息数据存储到存储设备中。与此同时，如果选择第一种串行通信模式，系统将启动一号定时器为发生器，根据波特率发生器的频率发送信号，并在第二种模式下进行工作。在此基础上，系统将利用电平转换设备将单片机的电平有效的转换为上位机的232电平，实现设备通信。

1.4 字模软件的应用设计

字模软件指的是LED显示系统中对文字信息进行录入与编辑的字模点阵。LEDPCtoLCD2002的字模软件，由于无需进行安装，是当前阶段较为常见的一款软件，该种字模软件的应用模式包括字符与图像两种，可以实现LED设备对汉字、图像、字母等数据信息的取模工作。操作人员可以通过设置控制界面的菜单，对字符、图像等取模对象进行字模提取。除此之外，该种字模软件不仅能够生成字符、图像的数据库，还能自定义汉字库。字模软件生成的汉字库是按照汉字的输入顺序排序的，属于点阵数据的一种。

二、 LED 显示屏运行程序的设计原理

LED 显示屏的软件设计部分主要采用的是Keil uVision 4的程序设计，使用配套的硬件设备进行仿真处理并与编程软件进行连接，在多环节验证、调试完成后，使用PCB软件对显示屏的电路图进行绘制，最后制作配套的电路板。

2.1 绘制LED 显示屏电路系统的基本原理

设计使用 Altium Designer 10软件绘制控制系统原理图。绘制LED 显示屏电路的流程主要包括以下几部分：首先，建立工程的器件库，一般情况下，器件库包括IC芯片、电阻电容以及电源等，选择适当的元器件及外围回路可以提高绘图效率。同时，在将器件库加载到窗口的过程中，要注意根据功能的不同对原理图进行合理的布局；其次，对元件的选择，可将元件用鼠标左键进行单击选中，用鼠标将元件拖动至相应的位置同时可进行旋转操作以达到规划中的布件效果，单击鼠标进行器件的放置；第三，进行电路连接操作。电路的连接除可以利用导线外，还能使用网络标号进行连接。网络标注的相同引脚代表着电气已经连接完成；最后，进行电气规则的检查工作。规则的检查主要目的在于排查软件绘制电路过程中可能出现的错误，为保证配套电路系统的有效运转，应进行多阶段、反复的系统检查，在修正错误后，完成电路图的绘制工作。

2.2 LED 系统软件控制程序的设计原理

LED 系统软件控制程序包含四个控制按钮，分别对应显示屏八个字符单位的左右移动、循环状态以及静态控制。显示系统的驱动功能主要由定时器中断程序负责，通过该程序向显示屏推送数据的同时，产生扫描信号，完成屏体的显示工作。LED 系统软件控制程序包括系统主程序及具备各种控制功能的子程序（读键、串行接收、右移、左移、静态、显示、存储器读写等）。在进行初始化后，通过按键对各子程序进行控制，而各子程序分别对应位移、静态等详细的控制程序，对LED显示屏状态进行控制管理。

2.3 单片机电路控制设计原理

在单片机的基本应用电路中只有串口的FLASH存储器使用DC3.3V电源，其它的IC外围芯片均使用DC5V电源。单片机的外围回路中包括实时时钟电路、温度传感器检测电路、LED字库存储和数据显示电路。当单片机的输出侧采用单边端口时，其信息字符串讲按行按列连续排列，输出的数据将通过SCK的位移信号持续将显示数据送入8位的移位存储器中。当输出四个字节时，可直接带载LED长为512点，且轮询刷新的显示时间小于18ms。根据实际应用情况可以安排使用1-4个宽口，使用的端口数与LED显示屏的长（点）、高（点）如下表所示。

三、结语

将单片机作为数据处理的核心部件，配合PC机及外围驱动、存储设备的应用，不仅能够实现汉字、图像等字符的左、右位移，静态显示以及循环的状态，还可以通过上位机控制、设置菜单等方式及时对显示屏的内容进行更新、修改，与传统的显示方式相比有着亮度高、寿命长、易拼装、易修改等优点。

参考文献：

[1]白昊，王艳荣.基于单片机的LED广告信息展示屏控制电路设计[J].电子设计工程，2016，24（18）；

[2]李昌禄，贾艾宁，杜丽聪，等.基于单片机的控制下的自适应亮度式LED显示屏设计[J].高校实验室工作研究，2016（4）.