基于单片机的LED显示屏设计

2023-01-11王丹

能源与环保 2022年12期

王丹

(河南省煤炭科学研究院有限公司，河南郑州 450001)

通过LED显示屏的不断发展与更新，其已是集微电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的大型显示屏系统，LED 大屏幕显示器由于其醒目、内容灵活多变、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等特点，已经越来越多地应用于广告、信息发布、交通指示等公共场所，取得了良好效果。

本设计利用LED显示屏的显示原理[1]结合单片机的强大功能，设计出一个既简单容易又有实际功能的LED显示屏。本文是充分利用单片机的AT89C51的资源，在尽量节省单片机I/O口的基础上用它其中的一些I/O口来模拟串口实现显示屏显示信息的。文中电路简单易懂，更重要的是在节省单片机I/O口是为了在有必要时实现其扩展功能，实现更大规模的LED显示屏显示信息，同时也可以在此系统的基础上添加通信部分(计算机)，实现单片机与计算机之间的串口通信，使显示屏能灵活地显示所需要的信息。

1 系统整体设计及电路设计

LED点阵显示屏可以通过计算机将要显示的汉字信息提取出来，并发送给单片机，然后单片机做出相应处理后将该汉字信息显示在点阵显示屏上。这些功能的实现只需要在此系统的基础上添加(PC)机通信模块即可，即每当向计算机客户程序里输入新显示内容通过MAX232并实现232电平和单片机的TTL电平的转换后发送给单片机时，单片机就产生串行中断，接受待显示信息的机内码，以便根据机内码在字库中寻址，找到对应的字模，提取后再送到点阵显示屏显示。

本系统设计以AT89C51单片机系统为核心[2-8]，外围控制电路由移位锁存器74HC595来控制LED显示屏的列数据输入，由单片机的P1口的低四位来控制行扫描信号的输出至译码器74HC154进行译码选择行片选信号，在行扫描信号和列数据信号的配合使用下最终驱动LED显示屏显示信息。本设计是利用单片机的I/O口来模拟串口实现显示信息的，在本设计系统的基础上只要添加上(计算机)通信部分，就可以实现单片机与计算机的串口通信来灵活控制显示屏的显示。系统总体设计如图1所示。

图1 总体设计Fig.1 Overall design

2 系统各部分设计

2.1 控制部分

本设计以单片机AT89C51系统为控制核心，利用单片机的I/O口来模拟串口通过行列驱动电路来控制LED显示屏的显示[9]。

2.1.1 控制部分设计方案

本次设计的LED显示屏是以单片机系统为控制核心，通过行列信号的输出控制实现汉字显示，并采用单片机的I/O口来模拟串口实现显示屏显示。若在本设计的基础上添加通信部分，实现单片机与计算机的串口通信，但这些必须通过电平转换部分方可实现通信。所以设计时要综合考虑以下方案的选取。

(1)主控芯片的选择。在使用专用的LED控制芯片的情况下，其价格昂贵而且需要更多的控制信号，而且芯片的级联不方便。

由于80C51单片机提供了足够的内存来作为数据缓冲区对显示数据进行存储，同时还可以用译码器74HC154和移位锁存器74HC595来分别实现LED点阵显示的行列控制，其特点是控制信号简单，级联方便，芯片数量少。

综合考虑，采用以单片机AT89C51系统为主控芯片。

(2)电平转换芯片的选择。添加通信模块后即可实现单片机与计算机串口通信，由于单片机AT89c51串行口采用的是TTL电平，必须有电平转换电路，可以选择1488、1489、MAX232A。

2.1.2 控制部分

本设计以单片机AT89C51系统为控制核心，利用单片机的I/O口来模拟串口通过行列驱动电路来控制LED显示屏的显示。若在此系统的基础上添加(计算机)通信模块，即可实现单片机与计算机的串口通信来灵活控制LED显示屏的显示。即从计算机中输入汉字信息后将要显示的汉字信息通过MAX232电平转换最终送到单片机AT89C51的RXD和TXD中，从而实现与单片机之间的串口通信。其总体控制框图如图2所示。

图2 系统控制框图Fig.2 System control block diagram

AT89C51是低电压、高性能的CMOS8位单片机片内4 Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。

2.2 列驱动部分及电路设计

由单片机串行输出列数据信号，经74HC595移位锁存器的数据端接收，在时钟信号的控制下列数据信号经移位、锁存输出至显示屏。所以，设计时就需要综合考虑来选择列驱动芯片。

此次设计是上部分16×16 LED显示单元列驱动的两片74HC595相应的SCK/SHcp并联为UP_SCK，作为统一的串行数据移位信号，下部分显示单元的列驱动相应的SCK/SHcp并联为DN_SCK也作为统一的串行数据移位信号，且上部列驱动的SI/Ds端与下部的SI/Ds端是并联接到单片机的串口输出数据端的，此时是用单片机的定时中断T0、T1来选通是上部还是下部的列驱动。但各片列驱动的SRCLR*，RCK/STcp端确是分别并联串行数据清除信号和输出锁存器信号。其显示驱动原理如图3所示。

图3 显示驱动电路原理Fig.3 Display driving circuit principle

在电路安排上，上下两部分的列串行数据输入端(各自第一片的Ds/SI)是并联的，上下两部分的RCK信号和SRCLR*信号也是并联的，而SCK信号则是分开控制的。上下部分的信号与控制的安排如图4所示。

图4 32行方案上下部分的处理方法Fig.4 Processing method of upper and lower parts of 32 line scheme

2.3 行驱动部分

由单片机输出的行扫描信号，要使行号不会出现瞬间消失的现象，必须经74HC373锁存器进行锁存后发至译码器74HC154再进行译码产生行驱动部分。

2.4 显示部分

显示屏的显示部分是本次设计最关键的部分，本文设计的是32×16点阵显示屏，把该显示屏划分为上屏和下屏部分，分别为16×16点阵显示单元进行显示。该设计是对LED显示屏进行硬件扫描，从而实现显示屏扫描显示的，但是采用静态扫描还是动态扫描，从显示实现的难易和显示的效果来分析，必须综合考虑硬件扫描的方式。

2.4.1 点阵LED

LED点阵是显示屏最基本的组成单元，本设计的LED显示屏是基于8×8 LED点阵模块拼接而成的。目前市场上LED种类繁多，不同的厂家有其不同的型号，所以其各引脚的阴阳极的顺序也各不相同。8×8 LED点阵图如图5所示。

图5 8×8点阵模块图Fig.5 8×8 lattice module diagram

2.4.2 LED显示单元的拼接

4块LED的连接：在点阵显示中，以4块8×8点阵LED构成一个LED显示单元，因此就假如图6中1、2、3、4，各代表一块8×8点阵LED，4块连接起来就为一块16×16的点阵LED。

图6 4块LED模拟Fig.6 Four LED analog

4块的连接情况是1、2和3、4的阳极按123…的顺序连接，拉出16根线，经反相缓冲器240接到1块74HC154译码器和1块373行锁存器最后接到单片机的P1口的低4位上为行选扫描，是为行送笔画；1、3和2、4的阴极按ABC…的顺序连接，拉出16根线，经过595移位锁存器接到单片机的I/O口，为列送笔画。

3 软件设计

主要介绍软件实现的功能流程，具体分析各个模块的驱动程序，这样可以进一步理解各个模块的功能实现原理，然后进一步介绍字模的提取及其工作原理。

3.1 总体软件实现流程

在电路安排上，上下两部分的列串行数据输入端(各自第一片的SI/Ds)是并联的，上下两部分的RCK/STcp信号和SRCLR*/MR*信号也是并联的，而SCK/SHcp信号则是分开控制的。本硬件电路的流程如图7所示。

图7 系统设计流程Fig.7 System design process

由于本设计是使用单片机的I/O口来模拟串口来通信的，所以只要求硬件系统的设计与程序编写，本程序用C语言编写，其中大部分都是用来显示字模的程序。

本设计是采用动态的扫描，即逐行扫描，实际上每次点亮的是一行，但由于间隔时间短，又是动态扫描，给人的感觉就是1个字全亮的，又因为扫描1次结束，字形码增加2个字节，在从第1行扫描，这样给人的感觉就是滚动的效果了。

3.2 字模的提取

3.2.1 字模的功能

字模提取软件有很多种，本文选择了Super LDM Char Code V1.0，具体有以下特点：①生成中英文数字混合的字符串的字模数据；②可选择字体、字号，并且可独立调整文字的长和宽，生成任意形状的字符；③任意调整输出点阵大小，并任意调整字符在点阵中的位置；④字模数据输出可自定义各种格式，系统预设了C语言和汇编语言两种格式，及电路图的行列扫描方式，并且可自己定义出新的数据输出格式；每行输出数据数量可调；⑤图形模式下可任意用鼠标作画，左键画图，右键擦图；⑥旋转、翻转、平移等字符模式下的功能，也可以用于对BMP图像的处理。

3.2.2 提取字模

首先设置好要提取的是16×16的字模，宋体字，其他均为默认设置，输入要显示的汉字[9]，如“毕业设计”首先输入“毕”就会立刻显示其单片机识别的16进制代码，然后就分别输入“毕业设计”显示的代码直接复制到程序。