基于單片機的16×64 LED 點陣顯示屏的設計

0 引言
??? LED點陣顯示屏是一種簡單的漢字顯示器，具有價廉、易于控制、使用壽命長等特點，可廣泛應用于各種公共場合，如車站、碼頭、銀行、學校、火車、公共汽車顯示等。本文詳細介紹了一種低廉的16x64點陣LED顯示屏的設計過程。

1 硬件系統(tǒng)設計
??? 本系統(tǒng)采用AT89C52單片機作控制器，整個電路主要由單片機控制及其接口電路、驅動顯示電路、電源電路等部分組成。為了簡化顯示屏電路，降低成本，本系統(tǒng)在單片機部分不加字庫存儲器。而在PC機上編輯漢字和字符顯示信息，并將其轉換為相應的點陣顯示數(shù)據(jù)，然后通過串口(采用RS－232通信標準)送給單片機存儲并進行顯示處理。圖1所示為其硬件系統(tǒng)原理圖。

1．1 單片機控制電路
??? 本系統(tǒng)由AT89C52構成單片機最小應用系統(tǒng)．同時配有11．0592 MHz晶振和按鍵復位電路等。系統(tǒng)外擴的一片F(xiàn)lash存儲器29F040為數(shù)據(jù)存儲器，可用來存儲由PC機串口送來的點陣信息(通過軟件將圖像或文字轉換成與LED顯示屏的像素相對應的點陣信息)。該Flash存儲器是一種非易失性存儲器，它在供電電源關閉后仍能保持片內信息。由于29F040的容量為512 KB(該芯片內部由8個64 Kbyte的讀寫塊組成，可分塊進行讀、寫和擦除等操作)，而AT89C52只能管理64KB的數(shù)據(jù)空間，所以，需將29F040分成8頁，每頁64KB。其頁碼可由單片機的P3．2~P3．4來選擇。另外，采用MAX232可完成RS232與TTL電平的轉換，以便使PC機與單片機交換信息。
1．2 16x64點陣顯示器的設計
??? 圖2是一種8x8的LED點陣單色行共陽模塊的內部結構圖，其單點工作電壓Uf為1．8 V，正向電流IF為8~10 mA。當某一行線為高電平而某一列線為低時，其行列交叉的點就被點亮；而當其某一列線為高時，其行列交叉的點為暗；當某一行線為低電平時，無論列線如何，對應這一行的點全部為暗。

??? 用四個8x8點陣顯示可構成16x16點陣顯示器，其連接方法如圖3所示。圖中，將(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分別對應相連，同時將(A)和(C)的8行、 (B)和(D)的8行分別對應相連。即可形成一個16行(每一行有16個LED)、16列(每一列也有16個LED)的16x16點陣顯示器，可將這256個點稱為一頁，這樣，顯示字符時。只要對一頁中對應的亮滅進行控制即可。

如果需要，也可以把4個16x16點陣顯示器相連從而構成16x64的點陣顯示器。

2 LED點陣顯示器的掃描驅動
??? LED顯示屏驅動電路的設計應與所用控制系統(tǒng)相配合。驅動通常分為動態(tài)掃描型及靜態(tài)鎖存型驅動二大類。本文以動態(tài)掃描型驅動電路的設計為例來進行分析。動態(tài)掃描型驅動方式是指顯示屏上的16行發(fā)光二極管共用一組列驅動寄存器，然后通過行驅動管的分時工作，來使每行LED的點亮時間占總時間的1／16。只要每行的刷新速率大于50 Hz，利用人眼的視覺暫留效應，人們就可以看到一幅完整的文字或畫面。

??? AT89S52單片機有四個I／O口(P0、P1、P2、P3)，每個I／O口有8位，如果都采用并行輸出，顯然不能滿足要求，因此，本設計中的行掃描驅動采用并口輸出，而場掃描驅動采用串口輸出。
2．1 行掃描驅動
??? 由于16x64點陣顯示器有16行，為充分利用單片機的接口，本電路中加入了一個4-16線譯碼器74LS154，其輸入是一個16進制碼，解碼輸出為低態(tài)掃描信號，它們的管腳示意圖如圖4所示。把74LS154的G1和G2引腳接地，然后以A、B、C、D四腳為輸入端。就會形成16種不同的輸入狀態(tài)，分別為0000～1111，然后使每種狀態(tài)只控制一路輸出，即會有16路輸出。
??? 如果一行64點全部點亮，則通過74LS154的電流將達640 mA，而實際上，74LS154譯碼器提供不了足夠的吸收電流來同時驅動64個LED同時點亮，因此，應在74LS154每一路輸出端與16x64點陣顯示器對應的每一行之間用一個三極管來將電流信號放大，本文選用的是達林頓三極管TIP127。這樣，74LS154某一輸出腳為低電平時，對應的三極管發(fā)射極為高電平，從而使點陣顯示器的對應行也為高電平。
2．2 場掃描驅動
??? 本系統(tǒng)場掃描驅動電路的設計可用串入并出的通用集成電路74HC595來作為數(shù)據(jù)鎖存。74HC595是一個八位串行輸入三態(tài)并行輸出的移位寄存器，其管腳見圖4所示，其中SI是串行數(shù)據(jù)的輸入端，RCK是存儲寄存器的輸入時鐘，SCK是移位寄存器的輸入時鐘，Q'H是串人數(shù)據(jù)的輸出，G是對輸人數(shù)據(jù)的輸出使能控制，QA～QH為串入數(shù)據(jù)的并行輸出。從SI口輸入的數(shù)據(jù)可在移位寄存器的SCK腳上升沿的作用下輸入到74HC595中。并在RCK腳的上升沿作用下將輸入的數(shù)據(jù)鎖存在74HC595中，這樣，當G為低電平時，數(shù)據(jù)便可并行輸出。為了避免與PC機串口輸入的數(shù)據(jù)相互干擾，也可使用模擬串口P1．4~P1．7來分別輸出串行數(shù)據(jù)、移位時鐘SCK、存儲信號RCK和并行輸出的使能信號G。
??? 為了消除電源電壓的波動及行掃描管壓降(第一行點亮的點數(shù)不同，將引起管壓降的變化，從而影響通過LED管的電流)的變化對LED顯示屏亮度的影響，設計時可采用列恒流驅動電路，可選用三極管8550和外圍元件構成列恒流驅動電路，并通過調整100 kΩ可調電阻使三極管處于放大狀態(tài)，同時將集電極電流調整為10 mA，從而使點亮對應點陣時通過LED的電流不變。

2．3 掃描顯示工作過程
??? 將8片74HC595進行級連，可共用一個移位時鐘SCK及數(shù)據(jù)鎖存信號RCK。這樣，當?shù)谝恍行枰@示的數(shù)據(jù)經過8x8=64個SCK時鐘后便可將其全部移入74HC595中，此時還將產生一個數(shù)據(jù)鎖存信號RCK將數(shù)據(jù)鎖存在74HC595中，并在使能信號G的作用下，使串入數(shù)據(jù)并行輸出，從而使與各輸出位對應的場驅動管處于放大或截止狀態(tài)；同時由行掃描控制電路產生信號使第一行掃描管導通，相當于第一行LED的正端都接高，顯然，第一行LED管的亮滅就取決于74HC595中的鎖存信號；此外，在第一行LED管點亮的同時，再在74HC595中移入第二行需要顯示的數(shù)據(jù)，隨后將其鎖存，同時由行掃描控制電路將第一行掃描管關閉而接通第二行，使第二行LED管點亮，以此類推，當?shù)谑袙呙柽^后再回到第一行，這樣，只要掃描速度足夠高，就可形成一幅完整的文字或圖像。

3 軟件系統(tǒng)設計
??? 本系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖5所示，該顯示程序以常用的左移為例來進行設計。

4 結束語
??? 經過實際應用證明，本顯示屏可以作為信息顯示裝置。用于公共場所來進行信息顯示，而且具有工作穩(wěn)定、字符清晰、亮度適中等特點。若所顯示的信息較為簡單，也可直接將信息代碼拷入單片機中，還可以通過外擴儲存器的方式來增加顯示的信息量。