基于單片機的LED顯示屏設計

杜戰波

（北京索德電氣工業有限公司，北京 100176）

基于單片機的LED顯示屏設計

杜戰波

（北京索德電氣工業有限公司，北京 100176）

摘要：進入21世紀以來，各種現代化技術不斷發展，很多新裝置、新設備在社會中的應用范圍也不斷擴大，LED顯示屏作為一種新興的顯示設備，因其具有壽命長、亮度高、視角寬廣、觀看距離遠，有很好的耐沖擊能力，性能穩定等優點，所以在社會中得到廣泛應用，發展十分迅速。本次主要提出一種以單片機為基礎的LED顯示屏設計，其顯示清晰、穩定、亮度比較均勻、組裝手段靈活、便于安裝、尺寸的大小也可以進行調整，所以其市場前景比較廣闊。

單片機；LED顯示屏；驅動電路

LED顯示屏是由發光二極管陣模塊構成的顯示屏，其發光效率高，消耗能量少，使用壽命長，色彩非常豐富，對室內外的環境也有很好的適應性，所以在很多領域內有著廣泛的應用，比如商場、交通道路、電信和郵政以及車站和機場等。本文主要以單片機為基礎，進行LED顯示屏設計，具體如下：

一、基于單片機的LED顯示屏系統概述

本文所說的基于單片機的LED顯示屏，主要分為單元板和控制板兩部分，借助控制板內的譯碼輸出電路，可以掃描顯示屏，借助74LS595把字模的數據傳輸給顯示屏列，然后通過配置的驅動電路使顯示屏實現顯示。設計時使用8×8點陣，構成16×32點陣獨立單元板，使用搭積木的方式，在以STC89C54RD單片機為其核心的控制板下，使用串行方式進行通信，以使LED顯示屏橫向和列向的擴展得到實現。控制板主要包含譯碼輸出電路和實時時鐘電路與擴展外部的存儲器電路，單元板主要包含點陣行列的驅動電路和控制信號的驅動電路，控制卡和單元板以及單元板們之間可以借助20針排線進行連接，以實現信號傳遞和顯示屏拼接。這一系統能夠使LED顯示屏實現動態和靜態兩種顯示模式，可以顯示不同大小的字符和不同字體的漢字。這一系統整體的組成結構如圖1所示。

二、系統的硬件結構設計

這一系統主要由單片機和外圍的電路、譯碼輸出電路、LED顯示屏和驅動電路等組成。

1. LED顯示屏和驅動電路

目前，市場中存在的點陣單元一般有兩種，行共陰型和共陽型，其中共陽型的點陣單元主要由列輸入低電平進行點亮，共陰型的點陣單元主要由列輸入高電平進行點亮，對驅動的方案進行綜合，可以選用直徑是5mm的行共陰型的8×8點陣單元。在對LED顯示屏的驅動電路進行選擇時，因為ULN2803的達林頓管有很強的驅動能力，可以確保顯示屏的有較好的亮度。74HC595芯片則是8位串行輸入/輸出或者并行輸出移位寄存器，在移位的過程中，輸出端的數據可以保持不變而且具有驅動能力。因此，最終的選擇是ULN2803加74HC595方案，并與行共陰型的8×8點陣單元相結合，以實現LED顯示屏的顯示。因為不同的單元板間、單元板和控制卡間都要把需要控制的信號傳遞出去，所以對信號進行控制是這一系統可以正常運行的關鍵。在擴展顯示屏時，如果距離比較遠，控制的信號就會有一定程度的衰減，對LED顯示屏顯示效果有較大影響，所以需要對信號進行控制然后驅動，這里主要選用74HC245三態輸出八路總線收發器對信號進行驅動及放大。

圖1　系統整體構成圖

2. 譯碼輸出電路

因為此次設計中選擇了行共陰型的8×8點陣單元構成16×32點陣獨立單元板，行驅動電路選用了達林頓ULN2803，列驅動電路則選用了74HC595，所以，列數據會給出高電平，行數據則會給出低電平，剛好能夠使點陣中某個像素得到點亮。由于ULN2803是八路NPN達林頓連接晶體管陣，只能驅動八路LED，設計中選用的單元板是16行32列LED陣列，所以需要兩片ULN2803對信號進行驅動，同時為了節省CUP資源，有采用串行數據通信方式進行設計，這就需要用到四-十六譯碼器，在此選用CD4514，其可將4位二進制碼輸入譯成16狀態輸出。

3. 不同單元板間級聯的方案

在點陣顯示屏的尺寸不斷擴展時，就會遇到不同單元板間級聯和拼接的問題，拼接的時候主要有列與行擴展這兩種不同的情況，如果是行擴展，只要把單元板間使用20針排線把對應的信號引腳相連接。如果是列擴展則主要有以下方法：第一，一直使用串聯進行拼接，這一方式就相當于在單元板間實施蛇形的級聯，偶數行點陣的信息和數據與奇數行有鏡像的關系，需要使用相關軟件和一定算法把它的字模數據進行轉換，使用這一方式時，控制卡需要預留出一個排針。第二，使用并聯方式進行拼接，這一連接的方式中，軟件的控制比較簡單，但是會遇到一個無法避免的問題，就是對不同行之間的數據進行區分。也就是說，如果全部行內RXD和TXD分別和不同單元板連接，那么在相同同步的時鐘TXD作用下，顯示屏全部的行都會得出相同數據，這就出現顯示屏內全部的行都有相同內容的問題。面對這一現象，可以在控制卡內添加三線八線的譯碼器，然后把其連接為數據分配器形式。在第二種設計方案內，如果使138一直譯碼輸出為一行，不和其他的排針相連接，也能夠使用串聯的方式進行拼接，所以，選擇第二種設計方案，并預留出6個排針，這樣就能夠按照不同的需求使用不同連接的方式。

三、系統的軟件設計

軟件包括顯示的程序、字模轉換的程序和主程序。字模轉換的程序主要把標準的32×32與16×16英文或者漢字的標準字模，借助蛇形算法方式，轉化成和這一硬件的蛇形字模相符的形式。因此，顯示的程序就可以按照實際的預顯示，直接對字模進行調用，并借助相應的程序進行顯示。顯示的程序需要持續對點陣顯示屏循環進行掃描，然后按照相關順序進行調用，以便使各種方式顯示都得到實現。

1. 字模轉換程序的設計

因為硬件的電路主要由10塊單元板分為兩行，構成32×160顯示屏，使用串行的形式進行級聯，第一行的漢字顯示要裝載一些標準的字模，第二行的漢字需要借助蛇形算法進行轉換，然后把轉換之后的標準和字模的順序存入外部的存儲器內。蛇形算法的轉換思想如下：第一，使字模內每個字節二進制序列兌換得以實現。第二，使每個16×16大小的漢字字模對角的兌換得以實現。第三，使整行漢字的順序調換得到實現。

2. 顯示程序的設計

顯示屏在進行顯示時，主要有動態顯示和靜止顯示兩種不同的模式，靜止模式的顯示只要在譯碼的輸出電路內持續掃描顯示屏，然后裝載好字模的相關數據，并傳遞出去。在移動的顯示模式下，則需要添加另外的移動子程序，以便實現圖片或文字估計漢字的移動。

結語

綜上所述，在上述的系統設計中，從其調試與運行的結果出發，本文中設計的以單片機為基礎的LED顯示屏在正式運行時，比較可靠、穩定，顯示的文字也非常清晰，各點的亮度也非常均勻，系統的組裝十分靈活，顯示屏大小能夠按照實際的需要，把單元板作為基礎和單位，在一定的范圍中進行調整，設計的系統基本實現預期的目標，應用的前景非常廣闊。因此需要引起相關人員的重視，還要不斷對其進行改進與完善，根據市場需求和技術變化，不斷改進。

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