單片機控制的LED顯示屏控制系統分析與研究

王海梅,　高　敏（.西安理工大學　陜西國防工業職業技術學院；.　陜西國防工業職業技術學院,西安　70300）

單片機控制的LED顯示屏控制系統分析與研究

王海梅1,高敏2
（1.西安理工大學陜西國防工業職業技術學院；2.陜西國防工業職業技術學院,西安710300）

LED顯示屏應用日益廣泛，文章分析了基于單片機控制的LED顯示屏控制系統，采用硬件電路分析、軟件仿真調試的方法，通過上位機改變顯示內容，實現了16×128LED顯示屏右移，左移，三種狀態循環，靜態顯示，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；仿真；研究

LED顯示屏以其亮度高、動態影像顯示效果好、能耗少、使用壽命長、顯示內容多樣、顯示方式豐富、性價比高等優點，廣泛應用于廣告窗、銀行、物流通道等。LED顯示屏發展歷經三個階段，1990年以前的成長形成期，1990-1995期間的迅速發展期，1995年以來的穩步提高期。[1]近年來，LED顯示屏更趨向于高密度小間距、采用風光互補技術、可移動式技術方向發展。為方便信息發布、廣告宣傳，進一步改善人群密集場所的傳統信息傳遞方式，設計了基于單片機控制的LED顯示屏控制系統,實現顯示內容的左移,右移、靜態等顯示效果，方便更新顯示內容。

1　LED顯示屏硬件控制部分設計

以單片機為控制核心,由按鍵控制電路、點陣數據存儲器、列驅動電路、行驅動電路、移位寄存器、8×8LED點陣模塊、MAX232電平轉換電路及PC機實現16×128的LED點陣顯示屏,控制系統框圖如圖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、一些原始數據和表格。上位機（PC機）把所需顯示的點陣數據通過COM端傳給單片機并存入緩沖區,實現了PC機即時控制LED顯示屏的顯示內容。系統硬件設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驅動電路的設計

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

1.2單片機與PC機之間的串行通信

根據串行通信協議，合理設定單片機和PC機串口的通信速率、傳輸數據的位數、起始位、停止位等信息即可實現雙方通信。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作為波特率發生器，且工作在模式2。通過RS232電平轉換電路可實現單片機的TTL電平轉換為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。通過設置界面相關菜單，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。生成漢字庫結構是按照輸入漢字的順序依次排列各漢字的點陣數據。

1.4AltiumDesignerRelease10.0軟件

設計使用A ltiumDesignerRelease10.0軟件繪制LED顯示屏控制系統原理圖。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線連接，還可以使用網絡標號，網絡標號相同的引腳，電氣上是連接在一起的。（4）檢查電氣規則。檢查是否有錯誤，出現錯誤改正后，繼續檢查，直到無誤即可完成LED顯示屏硬件電路圖的繪制。LED顯示屏系統電路圖見圖2。

2　LED顯示屏程序設計

設計以單片機為核心，設計時采用KeiluVision4進行C語言程序的設計，硬件部分在Proteus8Professional環境下進行仿真，使仿真軟件與編程軟件連接，并反復驗證和調試完全符合設計要求后，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

系統設計有四個按鍵S0、S1、S2、S3，分別控制LED顯示屏實現16*16的8個中文漢字、字符的右移，左移，三種狀態循環，靜態顯示。顯示驅動程序由定時器T0中斷程序實現，負責向屏體送顯示數據，并負責產生行掃描信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。[4]系統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。主程序實現初始化及對各子程序的調用，各子程序分別實現對應的功能。LED顯示屏上位機軟件部分的設計，主要實現字模提取部分設計、串行口發送部分程序設計。

2.2LED顯示屏下位機

LED顯示屏控制系統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中相應點陣信息并在LED顯示屏上按規定要求進行顯示。主要包括下位機主程序設計、單片機與PC機串行通信模塊的設計與實現。

3　結論

基于單片機控制的LED顯示屏，可以實現8個16×16點陣漢字、標點字符的右移，左移，三種狀態循環，靜態顯示，并且通過上位機可即時修改顯示內容，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轉換模塊還可以實現對顯示系統的遠程控制。[5]另外，考慮到LED顯示屏系統穩定性和安全性，電源模塊采用有源功率因數校正電路即APFC，減小對電網的干擾，適應電網的波動。[6]

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

[2][4]何健.學校班級LED顯示屏控制系統設計[D].南昌大學專業學位研究生學位論文,2012.

[3]郭金影.基于單片機的LED顯示屏系統設計與PROTEUS仿真[D].大連交通大學碩士學位論文,2010.

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

[6]林建偉,李震.LED顯示屏用電源的設計[J].電源技術應用,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職業技術學院院級科研立項項目“LED顯示屏控制系統的研究與實踐”的研究成果之一。（項目編號：Gf y13-19）