LED顯示屏的設計

摘 要：隨著信息產業的高速發展，LED顯示成為信息傳播的一種重要手段，設計了一種基于PC機控制的以單片機AT89S52為核心的LED顯示系統，闡述了以它為控制系統的LED點陣電子顯示屏的動態設計和開發過程，硬件設計思路、硬件電路各個部分的功能及原理、相應軟件的程序設計等。單片機控制系統程序通過編程控制各顯示點對應LED陽極和陰極端的電平，就可以有效的控制各顯示點的亮滅。所顯示字符的點陣數據可以自行編寫，也可從標準字庫中提取。

關鍵詞：AT89S52單片機；點陣；電子顯示屏；串行傳輸

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 18-0000-02

一、LED產品特點優勢

高帶寬，無緩存，實時傳輸無延遲顯示千兆網絡傳輸，獨有專利的數據標示方法，無幀緩存，實時傳輸，幀同步顯示，真正實時無時延。超高灰度級別，16bit，影院級別顯示效果16bit灰階顯示，結合我們色彩研究實驗室最新成果，精確控制LED的發光量，完美解決LED顯示屏在低灰度下顯示不一致、汗斑和連貫性不夠好問題，達到專業影院的顯示效果。超高刷新率，真正3kHz，絕無閃爍，絕無掃描線高性能CPU獨立模組控制，3kHz以上刷新率，絕無閃爍，絕無掃描線，相機拍攝無掃描線。先進的網格結構，數據智能路由，多重數據保障，容錯性高故障精確定位，運行狀況一目了然 智能控制，根據環境情況選擇最優工作模式。高效的光電轉換，綠色節能。針對使用環境的個性化色彩顯示曲線，最優顯示效果。專業級的編輯播出系統，整體解決方案，穩定可靠。LED用開關電源屬于電網電源供電的、額定電壓不超過600V的單路輸出式交流-直流外部電源，而室外用的LED開關電源比室內用的環境更嚴酷，所以選室外用的LED開關電源作為研究的重點，更具代表性。LED顯示屏的研究側重于動態處理方法，由于顯示屏幕的局限性，在此次的研究設計中只能顯示英文和數字。顯示屏有共陰和共陽兩種連接方式。而選通端則逐一使能（選通），選擇需要點亮的某一列，通過分時復用方式實現動態顯示效果。選通方式一般有兩種：獨立選通和譯碼選通。如果屏幕較小，處理器有足夠的I/O口可用，則可以每個I/O口連接一個選通端，如果屏幕較大，或者處理器的I/O口不是非常豐富，則可以通過譯碼方式來選通。

二、系統整體設計方案

（一）顯示模式方案

采用串行方式顯示，這種方式可同時顯示4個16×l6點陣漢字或8個16×8點陣的漢字、字符或數字。點陣顯示屏每個單元由16個8×8點陣LED顯示模塊、行信號選擇譯碼器74HC138、驅動器74HC245、數據移位寄存器74HC595和行驅動器組成，如圖1所示。單元顯示屏可以接收控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數據信息和命令信息，并可將這些數據信息和命令信息不經任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示屏可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的內容。

（二）數據傳輸方案

系統采用串行傳輸的方法，首先，單片機從存儲器中讀出8bit并行數據進行并串轉換，按順序一位一位的輸出給列驅動器。與此同時，列驅動器中每一列都把當前數據傳向后一列，并從前一列接收新數據，當一行的各列數據都已經傳輸到位，這一行的各列才能并行的進行顯示。硬件具體采用74HC595移位寄存器，其具有一個8bit串入并出的移位寄存器和一個8bit輸出鎖存器結構，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的。

串行通訊接口電路當上位機發送邏輯電平“0”時，其電壓范圍為+5VLED顯示屏控制系統43一行顯示時間內保持行號的穩定，行號需經鎖存器鎖存。采用譯碼器方案，保證同一時刻選通一條行線，達到顯示的穩定性。

解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數據的同時，傳送下一列數據。為了達到重疊處理的目的，列數據的顯示就需要具有所存功能。經過上述分析，就可以歸納出列驅動器電路應具有的功能。對于列數據準備來說，它應能實現串入并處的移位功能；對于列數據顯示來說，應具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準備好的數據打入并行鎖存器進行顯示時，串并移位寄存器就可以準備下一行的列數據，而不會影響本行的顯示。

三、系統硬件部分設計

（一）硬件整體設計概述及功能分析

顯示系統具體設計主要由上位機，通信系統，單片機系統，譯碼電路，顯示驅動電路和16×16的點陣屏六部分組成。具體工作流程為：上位PC機通過通信系統向單片機發送控制指令和顯示代碼內容，單片機接收后執行控制指令處理顯示代碼將顯示內容通過I/O口串行輸出并且控制譯碼電路完成串并轉換并行輸出，最后由顯示驅動電路進行電壓和電流的處理以達到LED顯示屏的顯示電流，電壓要求進而使顯示屏顯示內容。根據硬件的功能結構圖選取合適器件，器件不但要求能實現所要求的功能還要能兼容至整個系統之中。該系統所要實現的功能和要求有以下幾點：（1）驅動電路要能提供LED顯示所需范圍內的電壓和電流要求。（2）譯碼電路的高低電平的區分能力以及譯碼的輸入輸出頻率必須滿足單片機以及驅動電路的要求。（3）單片機要能接收上位機的指令和顯示內容且能夠處理后控制LED顯示屏的顯示，并且端口驅動能力要足以驅動譯碼電路。執行頻率要能達到掃描顯示的最低要求。（4）單片機由ISP下載線下載程序和供電，可不設立專用供電電源。（5）由串口完成單片機與上位機的通信，通信速度和數據傳輸的可靠性要達到顯示要求。

控制單元是整個顯示系統的核心，該系統中采用51系列單片機為核心器件，用來和上位機通信處理上位機發送的控制指令和顯示內容。并且直接輸出數據通過譯碼電路控制LED顯示屏的顯示內容和顯示狀態。

在51系列單片機中選定一款合適的機型來做為控制單元的主控芯片。根據題目的要求該芯片必須要具有的就是方便的編程能力，因為在軟件設計時方便的程序下載對程序的驗證和編寫非常有用。還有就是為了提高LED顯示屏的掃描速度，單片機的執行速度要盡可能的快，根據這兩點要求，選擇美國ATMEL公司生產的AT89S52為控制單元的主控芯片。

（二）單片機系統及外圍電路

1.AT89S52芯片介紹

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路，另外，AT89S52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式，空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。

四、顯示驅動程序

顯示驅動程序在進入中斷后首先要對定時器T0重新賦初值，以保證顯示屏刷新率的穩定，1/16掃描顯示屏的刷新率（幀頻）計算公式如下：

刷頻率（幀頻）=1/16×T0溢出率

=1/16×f/12（65536-t）

其中f位晶振頻率，t為定時器T0初值（工作在16位定時器模式），然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區內讀取下一行的顯示數據，并通過串口發送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數據的時候產生拖尾現象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等顯示數據打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，重新打開顯示。

五、總結

通過研究LED顯示屏的顯示系統，重點了解LED屏幕的顯示動態的方法，分別使用了兩個定時器來控制顯示屏的亮度及顯示字符的動態移位速度。在系統的設計時，根據實際的LED屏幕類型及電路連接設置，選擇了適合的陰極取模方式。利用LED開關電源，適用法律法規和標準要求，為評估和審查新開發產品的設計安全、科學有效地監控產品質量奠定了基礎；對積極應對技術貿易壁壘，幫助企業提高質量管理水平、質量控制能力以及破壁應對能力，具有重大的指導意義。同時為今后國家局研究和制定“綠色電源”、“綠色電器”以及其他相關產品的技術措施和監管措施提供了一個很好的第一手參考資料。

參考文獻：

[1]施得琪.網路與實體的爭霸戰[M/MT].2011，9.

[作者簡介]張鑒（1971.7-），男，講師，研究方向：應用電子。