單片機控制的LED顯示屏控制系統(tǒng)分析與研究

王海梅,　高　敏（.西安理工大學(xué)　陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；.　陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安　70300）

單片機控制的LED顯示屏控制系統(tǒng)分析與研究

王海梅1,高敏2
（1.西安理工大學(xué)陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,西安710300）

LED顯示屏應(yīng)用日益廣泛，文章分析了基于單片機控制的LED顯示屏控制系統(tǒng)，采用硬件電路分析、軟件仿真調(diào)試的方法，通過上位機改變顯示內(nèi)容，實現(xiàn)了16×128LED顯示屏右移，左移，三種狀態(tài)循環(huán)，靜態(tài)顯示，介紹了使用Al tiumDesignerRelease10.0軟件制作LED顯示屏的基本方法。

LED顯示屏；控制系統(tǒng)；仿真；研究

LED顯示屏以其亮度高、動態(tài)影像顯示效果好、能耗少、使用壽命長、顯示內(nèi)容多樣、顯示方式豐富、性價比高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于廣告窗、銀行、物流通道等。LED顯示屏發(fā)展歷經(jīng)三個階段，1990年以前的成長形成期，1990-1995期間的迅速發(fā)展期，1995年以來的穩(wěn)步提高期。[1]近年來，LED顯示屏更趨向于高密度小間距、采用風(fēng)光互補技術(shù)、可移動式技術(shù)方向發(fā)展。為方便信息發(fā)布、廣告宣傳，進一步改善人群密集場所的傳統(tǒng)信息傳遞方式，設(shè)計了基于單片機控制的LED顯示屏控制系統(tǒng),實現(xiàn)顯示內(nèi)容的左移,右移、靜態(tài)等顯示效果，方便更新顯示內(nèi)容。

1　LED顯示屏硬件控制部分設(shè)計

以單片機為控制核心,由按鍵控制電路、點陣數(shù)據(jù)存儲器、列驅(qū)動電路、行驅(qū)動電路、移位寄存器、8×8LED點陣模塊、MAX232電平轉(zhuǎn)換電路及PC機實現(xiàn)16×128的LED點陣顯示屏,控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。選擇有足夠ROM/EPROM存儲空間的STC系列單片機，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。上位機（PC機）把所需顯示的點陣數(shù)據(jù)通過COM端傳給單片機并存入緩沖區(qū),實現(xiàn)了PC機即時控制LED顯示屏的顯示內(nèi)容。系統(tǒng)硬件設(shè)計主要是單片機顯示控制部分、上位機與單片機顯示通訊控制部分，選擇接口為標準RS232方式。

1.1 LED驅(qū)動電路的設(shè)計

LED顯示屏驅(qū)動電路主要由移位寄存器CD4094、行驅(qū)動電路TIP122、列驅(qū)動電路ULN2803構(gòu)成。CD 4094是8位移位/存儲總線寄存器，帶輸出鎖存和三態(tài)控制的串入/并出高速轉(zhuǎn)換器，具有驅(qū)動能力強、功耗低、方便控制等優(yōu)點。STR是鎖存端口、DATA是串行數(shù)據(jù)輸入、QS、QS’是串行數(shù)據(jù)輸出端。單片機的P1.6、P1.5引腳各接一片CD 4094，第一片CD 4094的QS端數(shù)據(jù)送第二片的D端。共陰極ULN2803是八NPN達林頓晶體管陣列，其驅(qū)動負載電流為500mA、驅(qū)動電壓為50V，其設(shè)計與標準TTL系列兼容。一片ULN2803芯片驅(qū)動8列點陣，所以系統(tǒng)需要16片ULN2803；TIP122是中等功率線性開關(guān)器件，設(shè)計選擇“NPN+NPN”組合主要是增大系統(tǒng)放大倍數(shù)，驅(qū)動16行則需要16片TIP122。CD4094輸出口接TIP122三極管作為開關(guān)口使用，驅(qū)動LED顯示屏的行線；選用帶鎖存輸出的8位移位寄存器CD4094和ULN2803作為LED顯示屏的列線驅(qū)動輸入。[2]

1.2單片機與PC機之間的串行通信

根據(jù)串行通信協(xié)議，合理設(shè)定單片機和PC機串口的通信速率、傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)、起始位、停止位等信息即可實現(xiàn)雙方通信。單片機的P3.1(TXD)、P3.2(RXD)端口完成與PC機的串行通信，并接收PC機發(fā)送來的信息保存在存儲器6264中。選用串行通信工作模式1，定時器1作為波特率發(fā)生器，且工作在模式2。通過RS232電平轉(zhuǎn)換電路可實現(xiàn)單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為PC機的232電平。

1.3字模軟件的提取

采用PCtoLCD2002軟件能非常方便地實現(xiàn)對文字信息的輸入和編輯并捉取字模點陣。PCtoLCD2002是一款無需安裝的綠色軟件，該軟件提供的模式有字符格式、圖像格式兩種，能完成漢字、字母、圖片以及自定義圖片的取模。通過設(shè)置界面相關(guān)菜單，可分別完成字符格式、圖像格式下待顯示對象字模的提取。另外，使用PCtoLCD 2002完美版能生成自己需要的各種小字庫，也能生成自定義的國標一二級漢字庫。生成漢字庫結(jié)構(gòu)是按照輸入漢字的順序依次排列各漢字的點陣數(shù)據(jù)。

1.4AltiumDesignerRelease10.0軟件

設(shè)計使用A ltiumDesignerRelease10.0軟件繪制LED顯示屏控制系統(tǒng)原理圖。主要分四步完成：（1）選擇器件庫。包括微處理器、移位寄存器以及邏輯門原理圖元器件庫，加載到當前庫窗口中。[3]（2）選擇器件。將要放置的器件鼠標左鍵單擊，然后點擊Place，鼠標移動到圖紙的合適位置，單擊鼠標左鍵，放置需要的器件。（3）電氣連接。電路的連接不僅可以用導(dǎo)線連接，還可以使用網(wǎng)絡(luò)標號，網(wǎng)絡(luò)標號相同的引腳，電氣上是連接在一起的。（4）檢查電氣規(guī)則。檢查是否有錯誤，出現(xiàn)錯誤改正后，繼續(xù)檢查，直到無誤即可完成LED顯示屏硬件電路圖的繪制。LED顯示屏系統(tǒng)電路圖見圖2。

2　LED顯示屏程序設(shè)計

設(shè)計以單片機為核心，設(shè)計時采用KeiluVision4進行C語言程序的設(shè)計，硬件部分在Proteus8Professional環(huán)境下進行仿真，使仿真軟件與編程軟件連接，并反復(fù)驗證和調(diào)試完全符合設(shè)計要求后，再用AltiumDesignerRelease10.0軟件繪制LED顯示屏電路圖并制作印制電路板。

2.1LED顯示屏軟件部分工作原理

系統(tǒng)設(shè)計有四個按鍵S0、S1、S2、S3，分別控制LED顯示屏實現(xiàn)16*16的8個中文漢字、字符的右移，左移，三種狀態(tài)循環(huán)，靜態(tài)顯示。顯示驅(qū)動程序由定時器T0中斷程序?qū)崿F(xiàn)，負責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負責(zé)產(chǎn)生行掃描信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。[4]系統(tǒng)軟件主要包括主程序（流程圖見圖3）、讀鍵子程序、串行接收子程序、右移子程序、左移子程序、靜態(tài)子程序（流程圖見圖4）、顯示子程序以及存儲器讀寫子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)初始化及對各子程序的調(diào)用，各子程序分別實現(xiàn)對應(yīng)的功能。LED顯示屏上位機軟件部分的設(shè)計，主要實現(xiàn)字模提取部分設(shè)計、串行口發(fā)送部分程序設(shè)計。

2.2LED顯示屏下位機

LED顯示屏控制系統(tǒng)下位機軟件部分主要功能是從控制軟件獲取點陣信息，接收的點陣信息存儲在6264芯片中，然后再讀取6264中相應(yīng)點陣信息并在LED顯示屏上按規(guī)定要求進行顯示。主要包括下位機主程序設(shè)計、單片機與PC機串行通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

3　結(jié)論

基于單片機控制的LED顯示屏，可以實現(xiàn)8個16×16點陣漢字、標點字符的右移，左移，三種狀態(tài)循環(huán)，靜態(tài)顯示，并且通過上位機可即時修改顯示內(nèi)容，利用AltiumDesignerRelease10軟件繪制LED顯示屏電路原理圖、制作印制電路板。借助標準的RS232/485轉(zhuǎn)換模塊還可以實現(xiàn)對顯示系統(tǒng)的遠程控制。[5]另外，考慮到LED顯示屏系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，電源模塊采用有源功率因數(shù)校正電路即APFC，減小對電網(wǎng)的干擾，適應(yīng)電網(wǎng)的波動。[6]

[1]簡明全.從LED顯示屏發(fā)展趨勢窺探行業(yè)發(fā)展[J].中國公共安全,2014(13).

[2][4]何健.學(xué)校班級LED顯示屏控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南昌大學(xué)專業(yè)學(xué)位研究生學(xué)位論文,2012.

[3]郭金影.基于單片機的LED顯示屏系統(tǒng)設(shè)計與PROTEUS仿真[D].大連交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

[5]樊梅香,崔琳.單片機控制的LED顯示屏動態(tài)顯示的設(shè)計[J].河北工業(yè)科技,2011,28(05).

[6]林建偉,李震.LED顯示屏用電源的設(shè)計[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2002(12).

王海梅（1979—），女，講師，主要從事：控制理論與控制工程方面研究。

本文系陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級科研立項項目“LED顯示屏控制系統(tǒng)的研究與實踐”的研究成果之一。（項目編號：Gf y13-19）