基于單片機虛擬實驗室的LED大屏幕顯示器的設計與制作

胡蓉

摘要：介紹了單片機虛擬實驗室應用于LED大屏幕顯示器的設計的方法，結合虛擬實驗室在LED大屏幕顯示器的設計中的一個實例，體現虛擬技術對培養和提高應用電子技術專業學生綜合設計能力的重要性。

關鍵詞：單片機;虛擬實驗室;LED大屏幕顯示器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0282-03

LED大屏幕顯示器不僅能顯示文字，還可以顯示圖像與圖像，并且能產生各種動畫效果，是廣告宣傳、新聞廣播的有力工具。LED大屏幕顯示器不僅有單色顯示，還有彩色顯示，其應用越來越廣泛，已經滲透到人們的日常生活之中。

虛擬實驗室是隨著計算機技術發展而出現的新技術，單片機虛擬實驗室是將Proteus和Keil C5 1軟件引入單片機課堂教學，構建一個適合“教、學、做”一體化教學模式，將理論教學和實踐教學融為一體，提高學生的動手實踐能力。

虛擬實驗室資源建設開發流程分為硬件電路設計、軟件程序開發和軟硬仿真聯合調試三個步驟，利用了硬件仿真工具Proteus和能完美支持51單片機c語言程序開發的工具KeilC51兩種軟件;由于利用軟件設計與仿真實驗，學生思維不再被實驗箱等硬件電路所局限，不僅能開拓學生的思維、增長視野、方便后期靈活調整其設計，而且還能通過設計電路模塊的移植，從而縮短開發周期，節約開發成本，這也會為單片機項目工程設計奠定一定的基礎。

1LED點陣屏顯示原理

最基本的LED顯示屏的顯示模塊單元為8*8（圖1），是作為大屏幕顯示器的基本組成單元，在8*8LED點陣上穩定顯示字符的設計原理是：采用動態掃描方式使得LED陣列按顯示字型碼的順序，一行一行（或一列一列）地顯示，每一行（列）的顯示時間大約為lms，由于人眼的視覺惰性和視覺暫留現象，將感受到8行（列）LED同時顯示，從而看到整幅的畫面。

以行掃描為例：在進行行掃描的過程中八行始終只有一行輸出高電平，其余均為低電平信號，同時列輸出字模數據（圖2）。字模數據可以通過取模軟件獲得，在設置時，需結合硬件電路特點，在本例中設置為逐行、順向、陽碼的取模方式。

2LED大屏幕顯示器的設計

將若干個8*8點陣顯示模塊進行拼接，可以構成各種尺寸的大屏幕顯示器，如16*16，16*32，128*32等點陣尺寸，來滿足不同用戶的需求。由于單片機不能提供足夠的電流來驅動LED點陣大屏幕急劇增多的發光二極管，我們需要為大尺寸的LED點陣顯示屏設計行選驅動電路和列輸出電路，首先以16*16LED點陣屏為例介紹如下：

2.1 PROTEUS仿真平臺硬件電路設計

2.1.1行驅動電路的設計

由于LED大屏幕尺寸增加，行數也隨之增加，而單片機往往不能提供足夠多的I/O端口來控制每行的LED的掃描。因此，在行驅動電路設計中往往考慮采用譯碼芯片來減少I/O口線的使用。在如圖3所示的16*16LED點陣式電子廣告屏的控制電路中，行驅動電路選用一片4/16線譯碼器74HCl54，生成16條行選通信號線，并在這16條行線上分別添加一個8550三極管進行反相驅動，圖中為了簡化電路線路，用反相器代替三級管。

2.1.2列驅動電路的設計

74HC595常被用來作為LED大屏幕的行或列驅動（圖41，其芯片內部有一個8位的串行移位寄存器，移位寄存器的輸出連接了一個輸出鎖存器，輸出端口為可控的三態輸出端，當數據輸入時鐘線SCK（11腳）處于上升沿時數據寄存器的數據移位，QA→QB→QC→…一QH，處于下降沿時移位寄存器數據不變。當引腳（12腳）輸出鎖存器鎖存時鐘線RCK處于上升沿時，移位寄存器的數據送入數據寄存器，處于下降沿時存儲寄存器的數據保持不變。74HC595最大優點是數據輸入時鐘線SCK和輸出鎖存器鎖存時鐘線RCK兩個信號互相獨立，能夠做到輸入串行移位與輸出鎖存的控制互不干擾，實現了顯示本行各列數據的同時傳送下一行的列數據，從而達到并行處理的目的。整體電路設計如圖5所示：

2.2K1EIL C51軟件開發平臺程序的設計

2.2.1字模的獲取

利用取模軟件PCtolcd寫入需要取字模的字，設置為字模模式，縱向、順取、逐行掃描取模，C51格式，這樣我們就可以利用軟件直接生成一個需要顯示字型的字模;直接將生成字模的二維數組復制到程序中來實現相應功能。

3LED大屏幕顯示器的擴展設計（16%32）

16*32點整屏是在16*16點陣屏的基礎上進行的擴展（圖7）。

此設計采用串行傳輸的方法，控制電路只用一根信號線，將列數據一位一位傳往列驅動器，對于串行傳輸方式來說，列數據準備時間可能比較長。在行掃描周期確定的情況下，留給行顯示的時間就少了，以致影響到LED的亮度。

74HC595的驅動能力很強（驅動電流典型值為35mA），因此可以直接驅動小型的LED點陣屏，但對于大中型的LED點陣屏（如像素大于5mm）則需增加驅動電路。常采用8550大功率三極管或者是達林頓晶體管陣列芯片ULN2803，其內部含有8個反相器，可同時驅動8路負載，其驅動能力可達500mA，具有很強的低電平驅動能力。

利用74HC595可以解決串行傳輸中列數據準備和列數據顯示的時間矛盾問題，由于其具有存儲寄存器（鎖存器），因此，數據傳送時不會立即出現在輸出引腳上，只有在RCK上升沿后才會把數據集中輸出。程序設計框圖如圖8。

在單片機虛擬實驗室的基礎上，實現了對16"32點陣漢字顯示的仿真設計，達到了良好的設計效果。該仿真電路與實際電路顯示效果一致，由此制作的實際電路如圖9所示。該LED顯示屏電路結構簡潔、可靠、成本低且易于實現，通過適當修改程序設計即可實現左右移動的顯示效果，表現出了很大的靈活性和適用性，更大屏幕的顯示器只需要在此基礎上進行擴展即可。

4結束語

通過單片機虛擬實驗室為LED顯示屏系統的設計開發，我們可以看到單片機虛擬實驗室不但縮減了單片機實踐教學中采購單片機實驗箱、更新硬件電路板以及設備維護管理的費用;而且大大降低了開發成本，縮短了開發周期;并有利于提高教學效果，培養學生的創新思維，同時也為單片機嵌入式應用系統、電子電路的開發設計等提供了一種嶄新而有效的手段。