基于單片機的LED點陣屏的研究與設計

張波+丁樂

[摘 要]LED點陣屏諸多優點，在當今社會應用越來越廣，市場前景廣闊。文章深入研究分析了LED點陣屏的構成及工作原理，以STC15F2K60S2單片機為控制核心，通過兩片74HC138芯片構成4線-16譯碼器進行行控制，通過八片74HC595串接以串入并出方式進行列控制，設計制作出了16×64點陣屏，并指出了點陣屏擴展方法和顯示內容更新的方法。實踐證明本設計穩定可靠，性價比高，有很高的實用價值。

[關鍵詞]點陣屏；掃描；串入并出；動態顯示

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.15.290

1 引 言

LED點陣屏是一種文字符號與簡單圖形的顯示器，具有性價比高、壽命長、亮度高、易于控制、顯示靈活多樣、傳播距遠[1]等許多優點，在現代社會被廣泛應用。物流領域、商鋪、銀行、證券市場、學校、體育館、車站、碼頭、公交車、火車等很多地方均能經常見到LED顯示屏，且隨著社會信息化的進程，LED顯示屏應用越來越廣。

2 LED點陣構成及工作原理

LED點陣屏內部是由發光二極管構成。以簡單的8×8點陣屏為例。8×8點陣屏共有64個發光二極管構成，每行和每列的二極管數目者是8個，每個二極管都位于行和列的交叉處。每行的二極管共陽（或共陰）連接后用一個引腳引出，每列的二極管共陰（或共陽連接后也同樣用一個引腳引出。任意一個二極管要點亮，要它所在和行和列信號同時有效才行。8×8點陣屏是一種很簡單基礎的點陣屏，但用8×8點陣屏可很方便地組成其他類型的點陣屏。比如32×64點陣屏，每行用8個8×8點陣屏，每列用4個8×8點陣屏組合構成即可。

要顯示一個符號，先分析出點陣上哪些二極管點亮可以顯示該符號。行信號控制：顯示時選中一行，使要顯示的那一行信號有效，其他的行信號無效，這樣只有選中的那一行的二極管才有可能被點亮；列信號控制方法：根據選中行需要點亮的二極管，配行行信號控制同進送出列信號，需要點亮的二極管所在的列信號有效，不需要點亮的二極管列信號無效（即不能點亮二極管），這樣選中的那一行的需要點亮的二極管就會被點亮。比如要點亮第二行位于第一列和第三列的兩個二極管，行信號使第二行的信號有效，其他行信號無效，同時送出列信號，列信信號使第一列和第三列信號有效，其他的列信號無效，這樣第二行位于第一列和第三列的兩個二極管就被點亮了。選中某一行一小段時間后，接下來選中下一行，同樣的方法送出相應的列信號，每行都如此依次顯示，最后一行顯示完了之后再顯示第一行，循環進行。雖然實際上每行是不同時間點亮的，但每行點亮的時間都極短，比如每行點亮2毫秒，加上人眼視覺滯后現象，人們看上去會感覺到需要點亮的二極管時是同時點亮的。每行點亮的時間過長會有閃爍現象，點亮的時間過短亮度會影響發光亮度，所以要恰當控制每行點亮的時間。實現顯示內空的移動顯示，實際上是把顯示的內容移動的方向每移動一列作為新的顯示內容按照一定的時間間隔依次顯示出來。比如時間間隔1秒顯示。要顯示的內容顯示1秒后，把顯示的內容移動一列作為新的顯示內容下一秒顯示。顯示的內容移動一列后行的控制方式不變，列信號控制方式也一樣，只是每次送出的內容和前一秒有所區別，是顯示內容移動一列后對應的編碼。這種顯示方式稱之為行掃描，也就是任意時間段只有某一行的二極管可能被點亮，列控制是送出該行顯示對應的數據。[2]相應地，還有列掃描，控制時行和列的控制方式和行掃描時對調一下。

3 STC15F2K60S2單片機及其他主要器件介紹

單片機種類很多，其中常用的80C51系列單片機都是在Intel公司MCS-51基礎上發展起來的。晶宏STC15F2K60S2單片機是其STC15系列單片機中的一種，是新一代的增強型51單片機。[3]STC15單片機主要特點有：增強型51內核，單時鐘機器周期，比傳統的51單片機快7～12倍；3個可自動重載的16位定時/計數器；兩個全雙工異步串行口（UART）；3通道PWM/可騙程計數器陣列/捕獲/比較單元；60KB Flash程序存儲器，1KB Flash數據存儲器，2048字節的SRAM；8通信10位ADC；1個高速同步通信端口SPI；最多達42根I/O口線（看類型）；可編程時鐘輸出功能；集成高可靠的硬件看門狗和上電復位電路；內部集成高精度R/C電路，常溫工作時不需要外接晶振。STC15F2K60S2單片機為DIP-40封裝，和普通雙列直插的單片機一樣也是40個引腳，但引腳分布和傳統的51單片機不同，不能直接替換傳統的51單片機，替代時需按引腳功能外圍重新布線。

74HC595是8位串行輸入，并行輸出的芯片，8位并行輸出為三態輸出，其傳遞延遲時間很短，支持高速串行連接。在串行輸入時鐘信號SCK上升延時，數據從串行數據口輸入一位到內部的八位位移緩存器，原來位移緩存器的最后一位由串行數據輸出端輸出，這樣設計可以很方便地實現級聯；平行輸出緩存器的數據讀取時鐘信號LCK上升延時，八位平行輸出緩存器會讀取八位位移緩存器上的數據，從并行輸出端輸出。

74HC138是3線-8線譯碼器，輸入端數據從000—111變化，八輸出端中對應輸出端低電平輸出，其余為高電平，完成變量譯碼。利用使能端兩片74HC138可構成4線-16線譯碼器。D4953是驅動芯片，內部包括兩個獨立的、P溝道金屬氧化物場效應管，具有超低的導通電阻，適合用LED顯示屏和LED顯示器驅動，也可用來做負載開關或者PWM開關。

4 16×64 LED點陣屏系統的設計

本文設計一個16×64 LED可移動顯示的點陣屏。以STC15F2K60S2單片機為控制核心。16×64 LED點陣屏，需要行信號16個，列信號64個，顯然單片機滿足不了這個要求，必須對I/O口進行擴展。具體方法是，用兩片74HC138構成4線-16線譯碼器作為行控制信號，如圖所示，這樣行控制信號只需占用單片機4根I/O口線。如果同時點亮64個發光二極管，需要的電流還是比較大的，74H138的輸出顯然不能滿足要求，引入驅動芯片D4953解決這一問題。列信號控制用74HC595串入并出芯片，每個芯片控制8列，64列需要8片74HC595芯片。前一個74HC595芯片的數據串行輸出信號作為下一個74HC595芯片的數據串行輸入信號，第一個74HC595芯片的串行輸入信號由單片機提供，最后一芯片的串行輸出可供給下一個級聯用。所有的74HC595芯片串行輸入時鐘信號SCK連在一起，平行輸出緩存器的數據擷取時鐘信號LCK也都連在一起，均有單片機控制實現芯片同步動作。如下圖引入八片74HC595芯片不考慮控制信號線時，單片機用1根I/O口線就可送64列信號。

74HC595串接串入并出實現列控制

STC15F2K60S2單片機負責讀取字模（顯示字符所需要的代碼），字模通常有專用的軟件生成，也可人工編制，得到的字模后存放到單片機內即可。要改變LED點陣顯示的內容，只需改變單片機讀取到的字模就可以了。LED點陣屏工作原理過程前面已敘述過。單片機4根I/O口線通過兩片74HC138構成的4線-16線譯碼器依次送行掃描信號，經驅動芯片D4953加到點陣屏相應的行上，選中某一行時，單片機控制八片74HC595同時把對應的64列信號并出，64位列信號在顯示上一行時由單片機控制依次串入。移動顯示時，單片機控制把前一時間段顯示的列信號內容移位后再以同樣的方法送出。

本例設計的是16×64 LED點陣屏，硬件電路不改動的情況下，兩個16×64 LED點陣屏級聯就可得到16×128 LED點陣屏。要改變只是單片機每次要串出128個列信號。理論上能級聯很多點陣屏，但實際級聯的點陣屏受單片機串出數據速度和串入并出芯片傳送速度影響。級聯多，單片機串出數據速度可能跟不上，這也是本例選擇STC15F2K60S2的原因，當然也可選更好的處理器。改變變單片機字內字模可讓單片機讀U盤、存儲卡，也可通過Wi-Fi和藍牙實現。這樣LED點陣屏顯示內容更加豐富多彩，適用性更廣。[4]

5 結 論

LED點陣屏性價比高，市場廣闊，本設計性能可靠，通用性強，實用價值高。研究內容為研究LED全彩屏打了一個堅實的基礎。

參考文獻：

[1]陳亞男，田嘉欣，杜佳慧.基于單片機的LED電子顯示屏控制系統的設計[J].中國市場，2016（6）：56-57.

[2]黃桂梅，劉永立.小型LED點陣屏實用軟件設計與實現[J].計算機測量與控制，2011，19（12）：3165-3168.

[3]劉成惠.基于STC12C5A60S2單片機的LED點陣屏設計[J].科技經濟市場，2016，20（2）：35-37.

[4]盧超，徐安娜，曹煜琪，等.基于藍牙技術的LED陣屏顯示系統的設計與實現[J].陜西理工學院學：自然科學版，2015，31（1）：31-36.