基于51單片機控制的小型LED屏設計

蔡湘云 惠州城市職業學院 廣東惠州 516001

基于51單片機控制的小型LED屏設計

蔡湘云 惠州城市職業學院 廣東惠州 516001

本文設計了一種51單片機直接控制的小型LED顯示屏。采用動態顯示，異步掃描，數據串行輸入，占用較少的接口完成控制功能。能實現顯示內容水平、垂直、對角線的移動，適用于小型展示，數據內容不常變更，在生產成本上優于高端的嵌入式系統，利于節省生產成本的需求。

51單片機；小型LED顯示屏；08接口

隨著LED材料和工藝的不斷更新， LED顯示屏在短短十年內得到越來越廣泛的應用，其以豐富多彩的形式在廣告、證券交易、展覽、交通指示等方面起到信息展示的作用。針對不同的應用場合，LED顯示屏的種類繁多，大到戶外播放的巨幅LED屏，小到幾厘米的胸牌指示牌，他們的數據傳輸和電路控制的方式多樣。

而伴隨著LED顯示屏的出現，對應的控制系統也不斷更新發展，層出不窮。 LED顯示屏的控制系統是基于嵌入式微處理器開發，所以單片機占有重要的一席之地。由于顯示屏本身從色彩上有單色、雙色、全彩等形式，在使用上還有戶外、室內、大型屏、小型屏的區別，在顯示上還有循環移動、覆蓋、霓虹燈等效果。針對這些不同的類型需求，對控制器的運算速度、執行效率、存儲容量都有不同的要求。目前，很多控制卡生產廠家采用高端嵌入式系統進行設計，這樣雖然能較好的提高產品的數據處理能力，但是開發和產品成本也隨之成倍的增加。

目前，單片機正在朝著高性能和多品種方向發展，而它本身具有的體積小、成本低的重要特點使它嵌入式微處理器的舞臺仍受到廠家的青睞。特別在LED的小型屏上仍有廣泛的應用。本文主要設計了一款基于51單片機直接控制的控制系統，主要控制對象為雙基色單元板構成的LED顯示屏并能實現一般的水平和垂直滾動顯示。

1　LED點陣及單元板

圖一　8*8LED點陣

一般的LED點陣模塊由8*8個LED發光二極管方陣組成，其實物圖和原理圖如圖一所示。只要使點陣處于正偏導通，如圖即讓ROW為正， COL為負則能控制對應的LED發光，通過控制對應的不同LED發光來完成各種字符和圖形的顯示。

顯示屏一般要完成漢字符號的顯示，至少需要16*16的點陣，如要完成更美觀的圖形文字，則可以使用更多點數的點陣。由于直接使用8*8點陣模塊組合成大型顯示屏，所用到的模塊數量龐大，難以組裝，也存在安全問題，所以LED廠商推出了組裝LED顯示屏的基本單元——LED單元板。通過多塊單元板拼接，可以組裝成不同尺寸的LED屏。本電路選用的是4塊雙基色64*32單元板拼接而成。

圖二　單元板電路結構

2　硬件電路結構

2.1雙基色單元板電路

本小型LED屏為雙基色的64*32點陣，由四塊單元板構成，在實際中如還需要更大的顯示區域，可以在考慮單片機接口和存儲空間的前提下，通過08接口擴展。一塊單元板電路模塊主要由32塊個8*8的LED點陣、 32 塊74HC595、8片4953、2片74HC138 和74HC245組成。如圖二所示，圖中的接口采用08接口。

在電路中，控制信號和數據信號從右端的08接口輸入，在信號輸入后，為了防止數據線過長，信號被衰減，所以在08接口后使用了一片用于增強信號驅動能力的芯片74HC245。電路采用的是異步顯示，因此信號之后分為兩部分進入控制電路。一部分是列數據信號，有RCK、 SCK、 R1、 R2，另一部分是行數據信號，有A、B、C、D、EN進入行掃描電路。如果有級聯的下一個單元板，信號將再次匯入輸出08接口，以供下一級聯單元板使用。

2.2單元板電路原理和數據處理

本電路采用掃描方式進行顯示，行信號由74HC138譯碼器經譯碼提供，但由于該芯片驅動力不足以驅動一組發光二極管，因此在輸出端接上了8片4953來增強驅動能力。74HC138將A、B、 C、 D譯碼后產生16位輸出信號，每次選通一片4953并選中其中對應的一行，如此時列信號已經送達，則此時對應行的二極管發光，顯示數據。當一行顯示結束后，又以同樣的方法掃描下一行，全部各行都掃描一遍，就是一個掃描周期。在電路設計要考慮掃描時間要比人眼視覺暫留的臨界時間短，一般要求少于18ms，就不那么容易感覺到數據的閃爍或更替。

在列掃描中，由于單片機的接口有限，選擇使用串行傳輸方法，利用兩根信號線R和G，將列數據一位一位的傳往列驅動器74HC595。數據在單片機中先由并轉串，按順序傳給列驅動器，直到全部列數據傳輸到位，這一行的各列才能進行并行顯示。由此來看，顯示必須是在列數據傳輸完畢后才能進行，而采用串行傳輸的列數據準備的時間較長，有可能會拖長整個掃描周期。因此針對這一問題，采用的是重疊處理的方法，即在這一行顯示的時候，下一行的列數據開始傳輸，因此本電路中選擇了具有鎖存功能的列驅動74HC595，如圖三所示。

2.3電路整體設計和構成

本電路單片機采用SST89C58，工作頻率為12MHz，通過08接口控制LED顯示屏，如圖四所示。電路結構簡潔，沒有擴展存儲器，適用于小型的LED顯示系統。顯示效果豐富、成本低廉、易于控制。

3　程序數據處理和設計

本電路采用單片機直接驅動小型LED屏，為了能實現垂直、水平、對角線滾動，設定了顯示區域是顯示屏的4倍。如圖五所示，在所示的顯示區域中，以XL、YL為LED顯示屏左上角原點坐標，寬度和高度分別為LW、LH，假設顯示數據的起始地址為DATA_BEGIN。則可以確定坐標XL、 YL對應于掃描線Y0起始存儲單元的地址L0為：

L0=DATA_BEGIN+（DH+YL）［DH］*DW+XL

此時L0存儲單元中BW位分別對應于顯示區域的（XL，YL）、（XL，YL+1*SW），……（XL，YL+（BW-1）*SW）共BW個點。而L0對應BW個Y，需要將LW個數據輸出。其中DW：顯示區域的寬度。 DH：顯示區域的高度。LW：LED顯示屏的寬度。LH：LED顯示屏的高度。 SW：LED顯示屏的掃描寬度，這里SW=16。BW：掃描線數。

部分程序設計如下：

#include＜REG51.H＞

#include＜Test_Data.c＞

#define DW 128

#define DH 64

#define LW 64

#define LH 32

#define SW 16

#define EN_ON 1

#define EN_OFF 0

sfr CTRL_PORT=0xa0；

sfr DATA_PORT0=0x80；

sbit E=P2^5；

sbit RCK=P2^6；

sbit SCK=P2^7；

//XL：數據起始地址的x坐標

YL：數據起始地址的y坐標

Display_count：每屏顯示次數，可以控制移動速度，數字越大單屏顯示時間越長，移動速度越慢//

void display（unsigned int XL，unsigned int YL，unsigned int display_count）

｛unsigned char line；

unsign4ed char col；

unsigned char code*ram_point；

unsigned ink k ，data_begin_addr；

for（k=0；k＜display_count；k++）

｛for（line=0；line＜SW；line++）

｛data_begian addr=Display_Font；

r a m_p o i n t=d a t a_b e g i n_ addr+YL*DW+XL+line*DW；

E=EN_ON；

for（col=LW；col＞0；col--）

｛DATA_PORT0=*ram_point；

ram_point++；

SCK=0；sck=1；

E=EN_OFF；

RCK=0；RCK=1；

CTRL_PORT=CTRL_PORT&0xe0；

CTRL_PORT=CTRL_PORT1line；｝｝｝

void main（void）

｛unsigned int XL，YL，count=80；

display（0，0，3000）；

while（1）

｛for（XL=0；XL＜DW/2；XL++）

display （XL，0，count）； //水平右移

for（XL=DW/2；XL＞0；XL--）

display （XL，0，count）； //水平左移

for（YL=0；YL＜DH/2；YL++）

display （0，YL， count）； //垂直移動

for（YL=DH/2；YL＞0；YL--）

display （0，YL， count）； //垂直移動

for（XL=0；XL＜LH；XL++）

display （XL*2，XL，count）； //對角線移動

for（XL=LH；XL＞0；XL--）

display （XL*2，XL，count）； //對角線移動

for（XL=LH；XL＞0；XL--）

display （XL*2，LH-XL，count）； //對角線移動

for（XL=0；XL＜32；XL++）

display （XL*2，LH-XL，count）； ｝ //對角線移動

//數據文件＜Test_Data.c＞//

unsigned char code Display_Font［128］［48］=｛數據省略｝

圖三　74HC595鎖存列數據

圖四　電路總體結構

圖五　LED顯示屏顯示區域

［1］王守中.51單片機開發入門與典型實例.人民郵電出版社

［2］鄔寬明.單片機外圍器件實用手冊：數據傳輸接口器件分冊.北京航空航天大學出版社