基于单片机虚拟实验室的LED大屏幕显示器的设计与制作

胡蓉

摘要：介绍了单片机虚拟实验室应用于LED大屏幕显示器的设计的方法，结合虚拟实验室在LED大屏幕显示器的设计中的一个实例，体现虚拟技术对培养和提高应用电子技术专业学生综合设计能力的重要性。

关键词：单片机;虚拟实验室;LED大屏幕显示器

中图分类号：TP39 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0282-03

LED大屏幕显示器不仅能显示文字，还可以显示图像与图像，并且能产生各种动画效果，是广告宣传、新闻广播的有力工具。LED大屏幕显示器不仅有单色显示，还有彩色显示，其应用越来越广泛，已经渗透到人们的日常生活之中。

虚拟实验室是随着计算机技术发展而出现的新技术，单片机虚拟实验室是将Proteus和Keil C5 1软件引入单片机课堂教学，构建一个适合“教、学、做”一体化教学模式，将理论教学和实践教学融为一体，提高学生的动手实践能力。

虚拟实验室资源建设开发流程分为硬件电路设计、软件程序开发和软硬仿真联合调试三个步骤，利用了硬件仿真工具Proteus和能完美支持51单片机c语言程序开发的工具KeilC51两种软件;由于利用软件设计与仿真实验，学生思维不再被实验箱等硬件电路所局限，不仅能开拓学生的思维、增长视野、方便后期灵活调整其设计，而且还能通过设计电路模块的移植，从而缩短开发周期，节约开发成本，这也会为单片机项目工程设计奠定一定的基础。

1LED点阵屏显示原理

最基本的LED显示屏的显示模块单元为8*8（图1），是作为大屏幕显示器的基本组成单元，在8*8LED点阵上稳定显示字符的设计原理是：采用动态扫描方式使得LED阵列按显示字型码的顺序，一行一行（或一列一列）地显示，每一行（列）的显示时间大约为lms，由于人眼的视觉惰性和视觉暂留现象，将感受到8行（列）LED同时显示，从而看到整幅的画面。

以行扫描为例：在进行行扫描的过程中八行始终只有一行输出高电平，其余均为低电平信号，同时列输出字模数据（图2）。字模数据可以通过取模软件获得，在设置时，需结合硬件电路特点，在本例中设置为逐行、顺向、阳码的取模方式。

2LED大屏幕显示器的设计

将若干个8*8点阵显示模块进行拼接，可以构成各种尺寸的大屏幕显示器，如16*16，16*32，128*32等点阵尺寸，来满足不同用户的需求。由于单片机不能提供足够的电流来驱动LED点阵大屏幕急剧增多的发光二极管，我们需要为大尺寸的LED点阵显示屏设计行选驱动电路和列输出电路，首先以16*16LED点阵屏为例介绍如下：

2.1 PROTEUS仿真平台硬件电路设计

2.1.1行驱动电路的设计

由于LED大屏幕尺寸增加，行数也随之增加，而单片机往往不能提供足够多的I/O端口来控制每行的LED的扫描。因此，在行驱动电路设计中往往考虑采用译码芯片来减少I/O口线的使用。在如图3所示的16*16LED點阵式电子广告屏的控制电路中，行驱动电路选用一片4/16线译码器74HCl54，生成16条行选通信号线，并在这16条行线上分别添加一个8550三极管进行反相驱动，图中为了简化电路线路，用反相器代替三级管。

2.1.2列驱动电路的设计

74HC595常被用来作为LED大屏幕的行或列驱动（图41，其芯片内部有一个8位的串行移位寄存器，移位寄存器的输出连接了一个输出锁存器，输出端口为可控的三态输出端，当数据输入时钟线SCK（11脚）处于上升沿时数据寄存器的数据移位，QA→QB→QC→…一QH，处于下降沿时移位寄存器数据不变。当引脚（12脚）输出锁存器锁存时钟线RCK处于上升沿时，移位寄存器的数据送入数据寄存器，处于下降沿时存储寄存器的数据保持不变。74HC595最大优点是数据输入时钟线SCK和输出锁存器锁存时钟线RCK两个信号互相独立，能够做到输入串行移位与输出锁存的控制互不干扰，实现了显示本行各列数据的同时传送下一行的列数据，从而达到并行处理的目的。整体电路设计如图5所示：

2.2K1EIL C51软件开发平台程序的设计

2.2.1字模的获取

利用取模软件PCtolcd写入需要取字模的字，设置为字模模式，纵向、顺取、逐行扫描取模，C51格式，这样我们就可以利用软件直接生成一个需要显示字型的字模;直接将生成字模的二维数组复制到程序中来实现相应功能。

3LED大屏幕显示器的扩展设计（16%32）

16*32点整屏是在16*16点阵屏的基础上进行的扩展（图7）。

此设计采用串行传输的方法，控制电路只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能比较长。在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就少了，以致影响到LED的亮度。

74HC595的驱动能力很强（驱动电流典型值为35mA），因此可以直接驱动小型的LED点阵屏，但对于大中型的LED点阵屏（如像素大于5mm）则需增加驱动电路。常采用8550大功率三极管或者是达林顿晶体管阵列芯片ULN2803，其内部含有8个反相器，可同时驱动8路负载，其驱动能力可达500mA，具有很强的低电平驱动能力。

利用74HC595可以解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，由于其具有存储寄存器（锁存器），因此，数据传送时不会立即出现在输出引脚上，只有在RCK上升沿后才会把数据集中输出。程序设计框图如图8。

在单片机虚拟实验室的基础上，实现了对16"32点阵汉字显示的仿真设计，达到了良好的设计效果。该仿真电路与实际电路显示效果一致，由此制作的实际电路如图9所示。该LED显示屏电路结构简洁、可靠、成本低且易于实现，通过适当修改程序设计即可实现左右移动的显示效果，表现出了很大的灵活性和适用性，更大屏幕的显示器只需要在此基础上进行扩展即可。

4结束语

通过单片机虚拟实验室为LED显示屏系统的设计开发，我们可以看到单片机虚拟实验室不但缩减了单片机实践教学中采购单片机实验箱、更新硬件电路板以及设备维护管理的费用;而且大大降低了开发成本，缩短了开发周期;并有利于提高教学效果，培养学生的创新思维，同时也为单片机嵌入式应用系统、电子电路的开发设计等提供了一种崭新而有效的手段。