基于单片机的双色LED点阵屏设计

张波 徐传旭 高举 周畅

摘  要：双色LED点阵屏相对于单色LED点阵屏来说色彩丰富很多，动态显示更加能吸引人眼球。本文深入研究了双色LED点阵屏的工作原理，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，每种基色都用8片74HC595串接进行列控制，2片74HC138组成4-16线译码器扫描来控制，设计制作出了16*64双色LED点阵屏。双色LED点阵屏能以三种不同的颜色滚动显示，设计的电路安全可靠，性价比高。

关键词：双色点阵屏;LED;STC12C5A60S2单片机

中图分类号：TP273.5;TN873      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0038-03

0  引  言

LED点阵屏作为一种新型的文字信息和图形显示的载体，具有可视距离远、视角广、亮度高、显示灵活多样、寿命长等很多优点。目前，银行、车站、商业中心、展览场馆、娱乐场所、公交车、码头、商铺和物流领域等等很多场所都能经常看到LED点阵屏的身影。LED点阵屏自20世纪80年代后期迅速发展起来之后，在现代信息化社会中应用越来越广[1]。

1  双色LED点阵屏工作原理

LED点阵屏由发光二极管（LED）构成，通过发光二极管亮灭来显示图形文字、动画甚至视频等。性能好些的点阵屏中的发光二极管不仅能够控制其亮灭，还能控制亮度。点阵有4*4、5*7、5*8、6*8、8*8等类型。LED点阵屏按发光颜色分可分为单色、双色和全彩三类。单色LED点阵屏只能显示一种颜色，每个发光点上只有一个LED。双色LED点阵屏每个发光点上相当于有两个不同颜色LED，共用阳极或共用阴极，所用发光点上LED都是同一类型。而全彩LED屏每个发光点上相当于有三个不同颜色LED，共用阳极或共用阴极，所用发光点上LED都是同一类型。全彩LED屏又分为真全彩和伪全彩两种。真全彩任意发光点上任意LED不仅能控制其亮灭，还能控制其亮度等级，比如256亮度等级或更多。伪全彩对任意一个LED只能控制其亮和灭，不能控制其亮度等级。

1.1  单色LED点阵屏工作原理

以常用的8*8点阵屏为例。8*8点阵任意一行或任意一列的LED数都是8个，每个LED都位于行和列交叉的位置，共64个LED。每一行LED的阳极连在一起，每一列的阴极连在一起。8*8点阵屏可以很方便地组成其他类型的点阵屏。比如用8个8*8点阵屏可以构成8*64（或64*8）点阵屏，也可以组成16*32（或32*16）点阵屏，组成的点阵屏每一行的LED阳极（或阴极）接在一起连至同一引脚，每一列二极管的阴极（或阳极）接在一起连至同一引脚。

要显示某一字符，就先确定显示该字符需要点亮哪些位置上的二极管。确定需要点亮的二极管可以在屏幕上清晰地看出，再推理出每行需要的列信号，也可以由取模软件直接得出。每行阳极连在一起的点阵屏，选中某一行使该行为高电位，其余各行都为低电位，显示字符需要该行上哪些列的二极管需要点亮，就在此时给对应的列引脚送出低电平信号，该行上不需要点亮的列的二极管给对应的列引脚送出高电平信号，此时可以点亮列需要显示的一行。间隔很短的时间，选中下一行使其为高电位，其余的行都为低电位，列的控制和点亮上行的方式相同，该行上需要点亮的列送出低电平信号，不需要点亮的列送出高电平信号，此时可以点亮列需要显示的另一行。同样的方法，间隔很短的时间依次循环点亮所有行需要点亮的二极管。虽然二极管是逐行点亮的，但是每行点亮间隔时间很短，比如2ms左右，由于人眼的视觉滞后效应，人眼看到的点阵屏各行是同时点亮的，就看到了所要显示的字符。同样的方法也可显示图形。这种显示方式称之为行扫描，对应的也有通过列扫描进行显示。

使显示的内容向左移动或向右移动。仍以行扫描为例进行。行控制方式和静态时相同，仍然是间隔很短的时间依次循环选中各行，列控制有所变化。列控制的各列在选中行每次先发出和静态显示相同的列控制信号并显示一小段时间，如1s，需要左移或需要右移时，在下一个1s行信号每选中一行时送出的列信号，是前1s选中相应的行信号时列信号左移或右移一位得到的信号。再下1s，通过同样的方法，使送出的列信号再左移或右移一位。如果有32列，按上述方法，32s是一个周期。周期性地重复，人眼看到LED点阵屏上得到的就是向左或向右滚动显示的字符。需要循环移动时，送出的列信号向左或向右循环移位。

1.2  双色LED点阵屏工作原理

以共阳极行扫描双色LED为例，双色LED点阵屏每一行LED阳极连在一起接到同一个引脚上，每一列相同颜色的LED阴极都连在一起对外连到另一个引脚上。所以共阳极行扫描双色LED每一行对应一个引脚，每一列对应两个引脚。颜色相同的所有列引脚构成一路列控制信号，共两路列控制信号。两路列控制信号和行控制信号一起工作，点亮LED点阵屏。工作原理和单色LED点阵屏相同，不同在于双色LED点阵屏每选中一行时，同时送出两路列信号。双色LED点阵屏可以显示三种颜色。每路列信号单独点亮和行信号控制时分别显示一种颜色，两路列控信号同时工作时可得到第三种颜色[2]。显然，双色LED也可以同单色LED屏一样滚动显示，且双色LED点阵屏可以三种颜色分时交叉显示，显示色彩比单色丰富很多，更能吸引人的眼球。

2  主要器件介绍

2.1  STC12C5A60S2单片机

STC12C5A60S2单片机是晶宏公司增强型51单片机，具有抗干扰能力强、高速低功耗的特点[3]，它的一个机器周期等于一个时钟周期。STC12C5A60S2单片机也是40引脚，在引脚和指令上完全和普通8051单片机兼容，因此可以很方便地替换原来的普通8051单片机，也更方便熟悉普通8051单片機的技术人员上手。STC12C5A60S2单片机几乎包括了数据采集和控制中所有常见的模块，和普通8051单片机相比，除了可以单周期工作外，还有如下特点：时钟频率为0～35MHz，由于其单周期工作，这就相当于普通单片机的0～420MHz;自身带有8路10位精度的模数转换器，转换速度可达每秒25万次;外部有7路I/O中断口;双串口;自身可2路PWM信号输出/2路PCA（可编程计数器阵列），也可实现2路数模转换;4个16位定时/计数器;片上集成1280字节RAM，内部有多达60K FlashROM;支持串口程序烧写。

2.2  74HC595

74HC595是一种漏极开路的CMOS的8位串行输入，并行输出的位移缓存器[4]。输出端为可控的三态输出端。共有16个引脚、8个并行数据输出引脚、1个串行数据输入引脚、1个数据输入时钟引脚和1个串行数据输出引脚。此外还有电源引脚、输出使能端、寄存器清零端、输出寄存器锁存时钟引脚等。输入数据时钟引脚上信号上升沿到来时，数据输入引脚上的1位数据输入到内部的8位移位缓冲器，原缓冲器内的数据全部移位1位，最后1位从串行数据输出引脚输出。因此74HC595可以很方便地实现级联。74HC595移位时钟频率高达25MHz以上。输出寄存器锁存时钟引脚上信号上升沿到来时，输出在输出寄存器与锁存移位寄存器中的状态值，从并行引脚上输出。

2.3  74HC138

74HC138也是一种高速CMOS器件，是种3-8线译码器，引脚兼容肖特基TTL系列。74HC138共16个引脚，有3个使能端，两个低电平有效，一个高电平有效。74HC138译码器接受3位二进制地址加权输入。3个使能端全部使能时，根据输入信号，提供8个互斥低电平的有效输出。三位输入000～111，共8种状态，每种状态依次使一个输出引脚为低电平。利用使能端，2片74HC138可很方便地构成4-16线译码器，4片74HC138可以很方便地构成5-32线译码器。

3  双色LED点阵屏系统设计

设计的点阵屏由共阳极的8个8*8双色点阵屏构成16*32点阵屏，系统结构图如图1所示。系统以STC12C5A 60S2单片机为控制核心。2片74HC138构成4-16线译码器。单片机通过4个I/O口送信号至由2片74HC138构成的4-16线译码器，从而控制16行的行扫描。点亮一行32个LED需要一定的功率，因此要加上驱动器件，这里选用APM4953，集成2个P沟道增强型MOS管。74HC 138输出低电平有效，可方便驱动P沟道增强型MOS管。74HC138的并行输出端的一引脚连MOS管栅极，每个MOS管驱动一行LED，共需8个APM4953。共阳极的双色LED点阵屏有两路阴极控制电路，每路对应点亮一种颜色，两路电路完全相同。每路级联4片74HC595，共需要8片74HC595。每路未连接前一片串行输出引脚的那片74HC595的串行数据输入引脚各自分别连接单片机的一个I/O引脚，接受单片机串行输出的列信号。两路所有的74HC595串行输入时钟信号引脚都连接在一起并连到单片机的同一个I/O引脚，两路所有的74HC595输出寄存器锁存时钟引脚都连接在一起并连到单片机的同一个I/O引脚。控制时，单片机用4个I/O引脚通过2片74HC138和8个APM4953实现行扫描，通过另4个I/O引脚、8片74HC595和相应驱动管配合行扫描信号送出列控制信号。STC12C5A60S2单片机行扫描选中一行时，两列数据同时锁定输出，同时单片机快速移串行送出下一行32个所需的列信号，当行扫描选中下一行时这些列信号就被锁定输送。由于行扫描和两列数据同时进行，所以8个8*8点阵屏可同一时间显示不同的颜色。

图1  双色点阵屏系统结构图

4  结  论

本文设计的双色LED点阵屏系统显示颜色更为丰富、可靠性高、实用性强，且依此方法可以很方便地设计制作出不同规格大小的双色LED点阵屏，商用价值很高，同时也为研究全彩LED点阵屏打下了很好的基础。

参考文献：

[1] 张波，丁乐.基于单片机的LED点阵屏的研究与设计 [J].中国市场，2017（15）：290-291.

[2] 温思歆，孙鹏，余晓铭，等.基于MSP430F5529的全彩LED点阵屏设计 [J].信息通信，2015（7）：60-61.

[3] 刘成惠.基于STC12C5A60S2單片机的LED点阵屏设计 [J].科技经济市场，2016（10）：35-37.

[4] 刘艳朋，郝英俊，万少松.双色LED点阵控制器的设计 [J].无线互联科技，2015（6）：84-85.

作者简介：张波（1979-），男，汉族，湖北枣阳人，副教授，硕士，研究方向：电力电子技术、微处理器技术。