基于單片機的LED漢字條屏顯示技術(shù)

摘要：文中設計了一種基于單片機動(dòng)態(tài)掃描控制的16x16LED漢字顯示條屏，簡(jiǎn)單分析了漢字顯示的原理，并對LED顯示模塊單元如何進(jìn)行行列信號控制及信號傳輸中的驅動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。結果表明采用并行數據輸入、串行數據輸出的專(zhuān)用電路可大大減少CPU的輔助時(shí)間，提高數據的發(fā)送速度。

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成在面積顯示屏幕，有可靠性高、使用壽命長(cháng)、環(huán)境適應能力強、價(jià)格性能比高、使用成本低等特點(diǎn)。在短短的幾十年中，技術(shù)、產(chǎn)業(yè)都取得了長(cháng)足的進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展成為重要的現代信息發(fā)布媒體手段，在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領(lǐng)域得到廣泛應用，隨著(zhù)社會(huì )信息化的進(jìn)程，LED顯示屏在信息顯示領(lǐng)域的應用愈加寬廣。

目前LED顯示屏的種類(lèi)越來(lái)越多，從使用場(chǎng)合及亮度考慮可分為室內和室外屏，從掃描方式可分為動(dòng)態(tài)掃描顯示屏和靜態(tài)掃描顯示屏。室外使用的交通誘導屏，通常采用計算機同步控制的靜態(tài)掃描顯示，每個(gè)像素由幾個(gè)高亮的LED發(fā)光管組成，可做成多色或全色。其優(yōu)點(diǎn)在于播放的內容信息量大，實(shí)時(shí)性強，且由于采用靜態(tài)顯示，亮度高;其缺點(diǎn)是硬件電路復雜，成本高。室內使用的由8x8LED點(diǎn)陣拼成的顯示屏也有同步和異步之分，同步控制顯示屏由計算機作為主控器，異步控制顯示屏的主控器可采用單片機。單片機控制的單色顯示屏由于結構簡(jiǎn)單，成本低廉，深受人們的喜愛(ài)。設計一個(gè)室內用16x16點(diǎn)陣LED圖紋顯示屏，要求在目測條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形或文字應穩定、清晰無(wú)串擾。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。

1 漢字顯示的基本原理

16x16的點(diǎn)陣共有256個(gè)發(fā)光二極管，用各個(gè)位的亮暗來(lái)表示一個(gè)字，凡是筆畫(huà)經(jīng)過(guò)的地方都為1(亮)，沒(méi)有筆畫(huà)的地方都為0(暗)，這樣就可以表示不同的漢字。從理論上說(shuō)，不論顯示圖像還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在位置相對應的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱(chēng)為靜態(tài)驅動(dòng)方式。在計算機中，所有的數據都是以0和1保存的，按不同的數據操作，可以得到不同的結果。而對于中文顯示操作，就是將ASCII表的高128個(gè)很少用到的數值以?xún)蓚€(gè)為一組來(lái)表示漢字，即漢字的內碼。這樣就可以用一組數字來(lái)表示漢字的內碼，數字的各位信息來(lái)記載漢字的形狀，即：字模。只要將漢字的相應字模信息文件存入ROM,形成漢字編碼;在使用時(shí)，先根據漢字編碼組成語(yǔ)句，添加到程序的相應位置，即可顯示相應的漢字。

2 硬件電路組成及工作原理

該LED漢字條屏采用以AT89C51單片機為核心芯片的電路來(lái)實(shí)現，主要由AT89C51芯片、時(shí)鐘電路、復位電路、列掃描驅動(dòng)電路(74HC154)、16x16LED點(diǎn)陣5部分組成。其中，AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱(chēng)單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，能夠進(jìn)行1 000次寫(xiě)/擦循環(huán)，數據保留時(shí)間為10年。它是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。因此，在智能化電子設計與制作過(guò)程中經(jīng)常用到AT89C51芯片。

2.1 列驅動(dòng)電路設計

列驅動(dòng)電路由集成電路74HC595構成。它具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器的結構，而且一位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實(shí)現在顯示本行各列數據的同時(shí)，傳送下一行的列數據，即達到重疊處理的目的。

列驅動(dòng)電路如圖1所示。一個(gè)模塊有4片74HC595,8塊LED點(diǎn)陣，每一片74HC595限流電阻后接2塊LED點(diǎn)陣，圖中只畫(huà)出了部分電路。DATA IN和DATA OUT分別為模塊的數據輸入和數據輸出，RCLR為74HC595移位寄存器信號索入輸出所存器的時(shí)鐘信號，CLK為同步時(shí)鐘。將模塊中前一片8位移位寄存器74HC595的數據輸出(07)與下一片的輸入(SER)相連接組成32位的串行數據鏈，每一位控制一列發(fā)光管，若顯示方式為1/16占空比的動(dòng)態(tài)掃描方式，則每一列控制16個(gè)方光管。當74HC595的某一輸出引腳為低電平時(shí)，該列上對應行掃描選中行的像素點(diǎn)亮。由于吸收電流的能力相對較強，且為動(dòng)態(tài)掃描，因此在74HC595的輸出腳上只需串接一個(gè)47 Ω的限流電阻而不需要再用列驅動(dòng)也能得到滿(mǎn)意的亮度效果。

圖1 列驅動(dòng)電路

2.2 行驅動(dòng)電路設計

采用逐行掃描的方式，當全部列信號準備就緒后，控制信號鎖存器輸出，相應的行信號應同時(shí)跟上。由于采用點(diǎn)陣的行為共陽(yáng)極，行選的作用就是為待點(diǎn)亮行提供電源。8位移位寄存器方法的行選電路如圖2所示。該電路中LS為串行行選信號，MR為74HC164的清零信號，LCLK為行選同步時(shí)鐘。74HC164的輸出經(jīng)反相后控制三機管的導通與截止，從而分別控制第1行LINE1至第16行LINE16與電源接通。從極端情況來(lái)看，驅動(dòng)功率應滿(mǎn)足1行全部32個(gè)LED點(diǎn)亮的要求，盡管LED點(diǎn)陣要求單點(diǎn)驅動(dòng)電流在10~20 mA,但由于采用1/16占空比的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，單個(gè)LED的瞬時(shí)電流即使未100mA,實(shí)際平均電流不到7 mA,因此驅動(dòng)電流大于3 A即可。供方部分應采用達林頓管或開(kāi)關(guān)管。

圖2 8位移位寄存器方法的行選電路

2.3 AT89C51單片機的外圍電路

單片機采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24 MHz或更高頻率的晶振，以獲得較高的刷新頻率，為了使顯示更穩定。單片機的串口與列驅動(dòng)器相連，用來(lái)送顯示數據。P1口低四位與行驅動(dòng)器相連，送出行選信號;P1.5~P1.7口則用來(lái)發(fā)送控制信號。P0和P2口空著(zhù)，在有必要時(shí)可以擴展系統的ROM和RAM。

3 系統程序的設計

程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

根據軟件分層次的系統應用程序。顯示驅動(dòng)程序負責向屏體送顯示數據，并負責產(chǎn)生掃描信號和其他控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動(dòng)程序由定時(shí)器T0中斷程序實(shí)現。系統應用程序完成系統環(huán)境設置(初始化)、顯示效果處理等工作，由主程序來(lái)實(shí)現。

4 結論

LED顯示屏硬件電路只要器件質(zhì)量可靠，引腳焊接正確，一般無(wú)需調試即可正常工作。軟件部分需要調試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。這個(gè)方案設計的16x16點(diǎn)陣LED圖文顯示屏，電路簡(jiǎn)單，成本較低，且較容易擴展成更大的顯示屏;顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足;顯示圖形或文字穩定、清晰無(wú)串擾;可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。