模块化LED点阵广告屏实训装置设计

胡蓉

摘要：LED点阵广告屏作为信息的发布显示工具，在各种公共场所得到了广泛应用。文章介绍了一种利用嵌入式单片机作为控制核心的LED点阵广告屏实训装置的设计，旨在提升高职学生掌握点阵屏的设计与组装能力。该装置为可上下左右级联的16×16 LED点阵模组，将移位寄存器74HC595作为行列驱动模块，可实现积木式扩展连接。该装置在实践教学环节中取得了较好的应用效果。

关键词：LED点阵；74HC595；模块化

中图分类号：TP273+.5  文献标志码：A

0 引言

LED点阵广告屏是将计算机控制技术、半导体技术、通信技术融为一体的显示设备，既可以显示静态文字、图像，也可以显示动态的视频信息。LED点阵广告屏作为信息的发布显示工具，在政府机关、银行、学校等各种公共场所得到了广泛应用。在高职单片机与嵌入式项目化教学中，LED点阵广告屏是一个非常重要的实践项目。常规的LED点阵屏实验设备往往是只有一个固定的小型点阵模块，显示的内容受到局限，而且连线占用单片机IO口较多，灵活性较差，与实际的应用脱节。本项目基于模块化设计的思想，设计了一款在教学实训中既可单独使用显示汉字字符，又可上下左右级联扩展的16×16LED点阵广告屏实训装置，弥补了常规实验设备的不足。

1 模组硬件电路设计

LED点阵广告屏由于显示的内容为大多数为文字图片，需要主控设备较大的数据存储空间以及较快的刷新速率，在不增加外部存储器的前提下，可选用高速、大容量1 T的单片机——STC8系列单片机作为主控芯片，同时为了节约IO口，采用串行通信技术，利用单片机的串行通信口与串并转换芯片控制LED点阵行列端口。LED点阵广告屏模组的硬件基本结构由点阵显示屏、驱动控制器、模组接口三大部分组成，可根据实际实训需求将若干个模组进行级联后接入嵌入式单片机控制系统。整体模组硬件设计电路如图1所示。

1.1 点阵显示屏

LED点阵屏最小单元是由一组高亮度发光二极管按统一的极性方向顺序连接，形成行列二维结构，按照行线上连接的极性，分为共阳和共阴两种方式［1］。

LED点阵屏常见的最小单元根据发光二极管的数量有5×7，5×8和8×8 3种点阵，在型号规格上有尺寸（mm）、点距、分辨率、亮度、功率等参数要进行考虑。室外屏一般要求尺寸和点距较大，高亮度，适合远距离观看；室内屏对尺寸尤其是点距的要求较低，点间距越小，所呈现出来的画质越清晰，视觉效果就越好。本LED点阵屏实训装置是为了满足嵌入式单片机教学实训使用，要求装置材料易于采购，价格合理，满足室内场所近距离观看。综上考虑，设计采用了3.75 mm共阳点阵最小单元1588BPG。1588BPG是由8行8列共64个LED封装而成，行为阳极，列为阴极，当行控制线加正电压，而列控制线加低电压时，对应行列上的LED正向导通发光。模组点阵屏共有4组1588BPG最小单元，行列依次相应连接形成16行16列，为了显示各种图文信息，在实际应用中采用动态扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下（或从左到右）逐行（列）进行扫描导通，同时又向各列（行）送出表示图形或文字信息的脉冲信号，利用人眼视觉惰性和视觉暂留特性就可以在LED屏上看到完整稳定的图形。

1.2 驱动控制器

本LED点阵屏实训装置选用高速1 T的STC8系列单片机为主控制器，最大有64 K字节FLASH程序存储器（ROM），具有4个全双工异步串行通信接口，每个通信接口均有不同工作模式。串口1有4种工作模式，工作方式0为同步移位串行方式，可与串并转换芯片结合使用实现端口扩展。为了不和单片机的ISP下载端口P3.0和P3.1冲突，可通过P_SW1寄存器中的B7、B6位设置切换到不同端口。例如B7B6设置为01，串行口1的RXD切换到P3.6、TXD切换到P3.7，分别作为串行数据输出端和串行移位脉冲输出端。

串并转换芯片常用的是74HC595，其最大的優点是有数据存储寄存器，在串行移位的过程中，输出端的并行数据可以保持不变。输出电流约为35 mA，具有一定的驱动能力，可以省略三极管等放大电路，有利于简化电路。74HC595有两个独立的时钟控制信号，串行移位时钟信号SHIFT_CLK控制从串行数据输入端的数据进行移位，实现信号从QA～QH依次串行移位，数据锁存时钟信号ST_CLK的上升沿到来实现8位并行输出数据锁存［2］。

用户可以利用74HC595的QH-串行移位输出端与下一级74HC595的串行数据输入端DS的连接，实现数据的上下级传输。本LED点阵屏实训装置模组16行和16列的驱动控制由4块74HC595实现，点阵屏的16行和16列依次与驱动芯片的8位并行数据输出端连接，在行驱动输出端口连接100 Ω的限流电阻，两片行驱动芯片作为前级，两片列驱动芯片为后级。

1.3 模组接口

本LED点阵屏实训装置模组有上下左右共4组接口，模组之间可通过接插口逐一相连，无需额外接线，方便形成积木式扩展。实训装置左右接插形式的接口共有5个端口，分别是电源接口+VCC和GND、串行数据接口DS、串行移位时钟信号SHIFT_CLK、数据锁存信号ST_CLK；上下两个接插形式的接口共有4个端口，与左右接口相比少了串行数据端口。LED点阵屏实训装置模组在进行横向扩展级联的时候，左右接插口依次进行拼接级联，在进行纵向扩展的时候上下接插口进行拼接级联；同时扩展的DS数据端要单独与单片机的IO数据输出端进行连接。由此，所有模组的+VCC，GND，SHIFT_CLK，ST_CLK均为并接同步信号，数据端DS接入单片机后由模组左侧输入，右侧输出，形成串行信号。按此连接方法，4块LED点阵屏实训装置模组可级联构成16×64或32×32广告屏。模组硬件设计采用方便点阵屏检测与拆卸的上下双层结构，模组4个顶角设计了3 M铜柱进行支撑，实物如图2所示。

2 系統软件设计

单片机工作于模式0时，由于波特率固定，无需定时器提供，直接由单片机的时钟作为同步移位脉冲。当主机执行将数据写入发送缓冲器SBUF指令时启动发送，串行口即将8位数据以SYSclk/12或SYSclk/2（由UART_MOx6确定是12分频还是2分频）的波特率从RxD管脚输出（从低位到高位），发送完中断标志TI置1，TxD管脚输出同步移位脉冲信号。当写信号有效后，相隔一个时钟，发送控制端SEND有效（高电平），允许RxD发送数据，同时允许TxD输出同步移位脉冲［3］。

单片机一帧（8位）数据发送完毕时，各控制端均恢复原状态，只有TI保持高电平，呈中断申请状态。在再次发送数据前，必须用软件将TI清0。一个LED点阵屏实训装置模组有16行16列，需进行4次行列数据的发送，如果使用级联扩展，则根据扩展的级数从最前端依次进行模组数据发送，在所有模组数据发送完毕后，锁存信号有效，进行数据锁存到并行数据寄存器中。延时一段时间后，重复刷新，然后取下一帧数据。

当用户使用单片机的串口1、第2组管脚进行串行通信，实现16×64汉字流动显示的程序流程如图3所示。

3 应用效果

单个LED点阵屏实训装置模组就可以完成字符图形等显示，若要提高显示面积可采用模组级连方式。以4块LED点阵屏实训装置模组为例，可左右串行扩展构成16×64广告屏或左右串行和上下并行扩展32×32广告屏，16×64广告屏显示效果如图4所示。

4 结语

本LED点阵屏实训装置应用在“嵌入式单片机”课程教学中，用户能以积木式进行级联扩展，根据设计需要自由组合、快速搭建，从而解决了在点阵广告屏教学过程中，传统教具显示内容的形式单一、方法简陋的问题。经过实践，本LED点阵屏实训装置易于维护，方便用户使用，能满足不同主控系统对LED点阵屏的显示要求。

参考文献

［1］曾昭献.一种LED显示原理实验实训平台的研究与应用［J］.数字技术与应用，2021（7）：169-171.

［2］杨秀增.基于Proteus的单片机LED点阵显示教学实验设计［J］.广西教育，2017（3）：104-106.

［3］于明军.模块化LED点阵显示屏实训系统设计［J］.实验室科学，2021（2）：129-135.

（编辑 王雪芬）

Design of modular LED dot matrix advertising screen training device

Hu  Rong

（Jiangxi Industry Polytechnic College， Nanchang 330095， China）

Abstract：  LED dot matrix advertising screen， as a tool for information release and display， has been widely used in various public places. In order to make higher vocational students master the assembly and design of the dot matrix screen， this paper introduces the design of an LED dot matrix advertising screen training device using the embedded microcontroller as the control core. The device is a 16×16 LED dot-matrix module that can be cascaded up， down， left and right. The shift register 74HC595 is used as the row and column drive module， which can realize the block-type expansion connection. The device has achieved good use effect.

Key words： LED dot matrix; 74HC595; modularization