LED點陣屏顯示單元的設計與驅動控制*

王浩然，秦會斌

(杭州電子科技大學電子信息學院，杭州 310018)

LED點陣顯示屏由于其控制方便，使用壽命長，易于搭建且搭建成本低，廣泛應用于商場，火車站，商業廣告和信號指示牌之中。一定尺寸的LED點陣屏都是由多個顯示單元拼接構成，本文詳細介紹了一種通用的LED點陣屏顯示單元的設計及其驅動控制。

1 系統整體設計概述

系統原理框圖如圖1所示。由圖1可知， PC機從上位機軟件發送指令和數據，通過串口RS232將數據傳輸到單片機，單片機對行驅動和列驅動發出控制命令，對LED點陣屏進行相應的控制。外部時鐘電路可以用來讀取顯示的時間，外部存期器件用于存儲LED點陣屏的輸出數據，在進行控制操作時，單片機可直接從此讀取數據，可脫機進行顯示控制。通過按鍵不需經過PC機可對LED點陣屏進行簡單的人機交互。

圖1 系統整體方框圖

2 系統硬件電路設計

系統硬件主要劃分為兩大部分：LED點陣屏接口電路，構建顯示單元及其驅動電路；基于單片機mega16的控制系統，用于完成數據接收和控制LED點陣屏。

2.1 LED點陣屏接口電路

圖2是8×8 LED點陣顯示屏的內部結構圖，四個8×8點陣可以構成一個16×16的點陣屏，用于顯示漢字。8×8點陣屏顯示原理是利用行列導通其中的LED的而控制64個LED的亮滅。圖2中所示，如果想要行1和列1 的LED亮，只需要行1通高電平，列1低電平即可。 LED顯示屏幕就是依靠這樣的選取行列進行各類圖形文字的變換。

圖2 行共陽8x8LED點陣內部結構圖

圖4 為LED點陣條屏的連接方式，上下半屏8×8點陣的行線各自連接在一起構成一個系統。此系統采用行掃描方式，使用兩個3線-8線譯碼器74HC138來分別驅動點陣的上8行和下8行。在點陣屏幕不大的情況下，一般的單片機可以直接驅動點陣LED的亮滅，但是考慮擴展為大屏幕尺寸時，那么單片機的I/O口不足以提供足夠的驅動電流，如圖 3 所示， 可在74HC138和點陣的行接口接上一個PNP型8550三極管開關電路用來提供足夠的電流，當74HC138發出低電平時，三極管Q導通， LED_H輸出高電平。此時I/O口只需要提供幾毫安的灌入電流即可控制其通斷，如果需要擴展屏幕，只需要將擴展的上下半屏LED點陣的行各自共聯到74HC138即可。

圖3 外接PNP三極管8550圖

圖4 LED點陣接口圖

本系統采用74HC595鎖存器來對列線進行驅動控制，其帶有2級鎖存移位輸出功能。如圖3所示， LED點陣的列線接到74HC595的8位并行輸出口上，由單片機控制數據的輸出，利用74HC595 的鎖存輸出功能，電路共用同一個移位時鐘SCK和數據鎖存時鐘RCK，可級聯多片74HC595以構成更大LED點陣屏的列驅動電路。此結構還可在75HC595的使能端通過PWM波進行灰度調節。

2.2 Mega16控制電路

主控制器主要是采用8 bit AVR單片機Mega16及其外圍電路來進行控制，主要器件接口如圖5所示。 Mega16帶有四組32個I/O口，它的時鐘頻率可跑到16 MHz，可滿足系統控制的數據處理速度。控制電路的主要功能就是對LED接口進行掃描控制，發出移位SCK時鐘信號和數據鎖存RCK時鐘信號到74HC595上，依照相應的時序對74HC595發送漢字數據，同時對74HC138進行行選控制。電路外加一個74HC245芯片用以提高單片機對負載的驅動能力。PC機通過串口和Mega16 進行通信，外部存儲器選用 Microchip公司的24C256 串行存儲器， 256 K容量方便以后將漢字庫固化在里面，需要顯示的字只需要查詢存儲器就能提取相應的字模數據。同時加上DS1302時鐘芯片，可以提取2100年前的年月日等時間數值，以提供需要。

圖5 控制器電路圖

3 程序設計

程序設計主要包括三部分：主程序，串口中斷程序，顯示子程序。首先進入主程序，初始化單片機，如果串口有數據輸入，則會進入串口中斷程序接收數據。單片機在接收完數據后會進入顯示子程序，輸出相應的數據到LED的行列驅動。圖6為三部分的程序流程圖。

圖6 程序流程圖

4 總結

圖7中的顯示部分就是10個16×16點陣級聯而成的顯示屏。此結構通用性強，依靠軟件可以實現漢字上下左右移動等功能，而不需在LED顯示單元的硬件上做任何改動。在顯示效果上，可根據需求更改單片機上的控制程序即可，大大加強了系統的穩定性和實用性。經實踐測試，此種結構，用一片8位單片機，在16MHz下，至少能驅動32 ×160個點，沒有抖屏現象。如果程序使用匯編語言，速度將得到很大的提升，能驅動更多點。

圖7 32x80LED點陣屏10字顯示圖

本文以高性能的Mega16芯片為硬件基礎，設計了LED顯示單元的硬件電路和控制電路，實現了對單片機的控制、LED屏幕的顯示等。下一步是完善其漢字的顯示特效，以及上位機與單片機的實時通信等功能。根據此系統的結構還可以進一步擴展成雙色，全彩的LED點陣屏。

[ 1] 周詩虎.單片機控制LED點陣屏[J] .科技信息， 2008， 25.

[ 2] 劉增環，范惠賢.LED顯示屏系統的設計[ J] .微計算機信息，2009， 25(1)：32-33.

[ 3] 梁純，王軍.基于MS-51單片機的LED點陣圖文顯示屏設計[ J] .工礦自動化， 2005， 12， (6)：90-92.

[ 4] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[ M] .航空航天大學出版社， 2007， 9：34-37.

[ 5] 諸昌鈴.LED顯示原理及工程技術[ M] .電子科技大學出版社， 2000， 12：53-115.

[ 6] 王宇.LED顯示屏的掃描算法[ D] ：[碩士學位論文] .南京：東南大學信息工程學院， 2005.

[ 7] 萬冬.大型LED顯示系統的設計與實現[ D] ：[碩士學位論文] .天津：天津大學電子信息工程學院， 2007.

[ 8] 孫雄勇.VISUAL C++6.0實用教程[ M] .北京：中國鐵道出版社2004：208-225.