基于單片機的LED漢字顯示屏的設計

陳莉

（陜西理工學院 物理與電信工程學院，陜西 漢中 723000）

LED點陣是一種簡單的漢字顯示器件，具有價廉、易于控制實現(xiàn)、使用壽命長的特點。本次LED漢字顯示屏的設計使用STC89C52單片機對4片8x8LED點陣進行控制，采用上移顯示方式，可以連續(xù)顯示多個漢字。

1 硬件設計

1.1 系統(tǒng)的硬件組成框圖

系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1）選用STC89C52單片機作為微控制器。

2）由74HC154構成譯碼器，該譯碼器是4線-16線譯碼器，輸入端有4條數(shù)據線，共有6種輸出，分別對應控制LED點陣顯示器的0-15行。譯碼器輸入端接單片機P0口。

3）驅動電路：由PNP型三極管8550和NPN型三極管8050構成，分別控制行和列。為顯示器提供足夠的驅動電流。列驅動高八位接單片機P2口，低八位接單片機P1口。行驅動接譯碼器芯片輸出端。

4）顯示模塊：由4個8x8LED顯示器級聯(lián)而成作為輸出終端；4塊顯示器的連接方法為：上下排列對應列引腳相連，左右排列對應行引腳相連。

1.2 硬件模塊設計

1.2.1 STC89C52RC單片機

STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，STC89C52單片機在電子行業(yè)中有廣泛的應用[1-2]，管腳分布如圖2所示。

1）主電源引腳（2 根）：VCC（Pin40）電源輸入，接＋5V 電源；GND（Pin20）接地線。

2）外接晶振引腳（2 根）：XTAL1（Pin19）片內振蕩電路的輸入端；XTAL2（Pin20）片內振蕩電路的輸出端。

3）控制引腳（4 根）：RST/VPP（Pin9）復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位；ALE/PROG（Pin30）地址鎖存允許信號；PSEN（Pin29）外部存儲器讀選通信號EA/VPP（Pin31）程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高則從內部程序存儲器讀指令。

圖2 STC89C52管腳分布圖Fig.2 STC89C52 pin map

4）可編程輸入/輸出引腳（32根）：AT89S51單片機有 4組8位的可編程I/O口，分別位 P0、P1、P2、P3口，每個口有 8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程。

1.2.2 74HC154芯片

74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引腳兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列，管腳分布如圖3所示。

圖3 74HC154管腳分布圖Fig.3 74HC154 pin map

74HC154譯碼器可接受4位高有效二進制地址輸入，并提供16個互斥的低有效輸出。74HC154的兩個輸入能門門電路用于譯碼器選通，以消除輸出端上的通常譯碼 “假信號”，也可用于譯碼器擴展[2－3]。門電路包含兩個“邏輯與”輸入，必須置為低以便使能輸出端。任選一個使能輸入端作為數(shù)據輸入，74HC154可充當一個1－16的多路分配器。當其余的使能輸入端置低時，地址輸出將會跟隨應用的狀態(tài)。

在本設計中，需要定時對16x16LED的行進行動態(tài)掃描，共有16種狀態(tài)，故選擇了4線－16線譯碼器，該譯碼器只用輸出4位有效數(shù)據，就可控制16種狀態(tài)，大大簡化了軟件的編寫，同時節(jié)省了單片機的硬件資源。

1.2.3 復位電路設計

復位電路如圖4所示，其基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分－合過程中引起的抖動而影響復位[2－3]。采用簡易的上電復位電路，主要由電阻 R1，R2，電容 C1，開關K1組成，分別接至AT89C51的RST復位輸入端。

圖4 復位電路圖Fig.4 Reset circuit

1.2.4 晶振電路設計

晶振電路如圖5所示，其基本功能是：為單片機提供一個穩(wěn)定的參考時鐘，使單片機能夠可靠的工作。晶振的頻率常用的有6 MHz、11.0592 MHz、12 MHz等。晶振電路的接法比較固定，本設計采用的11.059 2 MHz晶振電路為晶振兩端接2個20～30 pF的起振電容后接地，然后兩端接單片機XTAL引腳即可，各單片機說明手冊中附有不同頻率的晶振的晶振電路的接法。

圖5 復位電路圖Fig.5 Reset circuit diagram

1.2.5 驅動電路設計

驅動電路原理圖如圖6所示，行、列驅動部分均用16個小功率普通三極管來控制。由于選用的LED顯示器為共陰接法，即同名列共陽，同名行共陰[3－4]，為使加入驅動后與原顯示屏控制方式保持一致（列高電位接通，行低電位接通），故行驅動選用PNP型三極管8550，對應的列驅動選擇NPN型三極管8050。驅動電路原理圖如圖6所示。

圖6 驅動電路組成框圖Fig.6 Schematic diagram of drive circuit

1.2.6 LED點陣漢字顯示

要顯示一個漢字，必然要用到漢字的點陣字形信息，也叫做漢字的字模[5]。得到漢字字模的過程稱為漢字的取模，漢字的取模是漢字顯示的逆過程。根據漢字的不同字體，漢字字?？煞譃樗误w字模、楷體字模、黑體字模等。根據漢字的顯示清晰度，又可分為16×16點陣字模、32×32點陣字模等等。漢字的字模是漢字字形的數(shù)字化[6]。本設計中，漢字的字模是以16進制數(shù)字形式記錄的顯示一個具體的漢字時每一行需要點亮的LED的信息。如圖7所示：以漢字“你”為例，每一行中數(shù)字“0”代表未點亮該行對應列位置上的LED，而數(shù)字“1”則代表該行對應列位置上的LED被點亮。這樣，每一行由數(shù)字“0”和數(shù)字“1”組成的漢字信息叫做位代碼，將每行16位位代碼轉換成2個字節(jié)的16進制代碼，就是我們需要的漢字字模信息。

圖7 漢字字模原理圖Fig.7 Schematic diagram of Chinese characters font

2 軟件設計

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖8所示。主程序調用了2個重要子函數(shù)，即顯示子函數(shù)和移位子函數(shù)。顯示子函數(shù)的功能是讓LED顯示器顯示指針所指向的字模數(shù)組的數(shù)據，而移位子函數(shù)的功能是讓指針所指的地址加2，以實現(xiàn)漢字整體上移一行的效果。整個主程序運行后，先初始化指針p所指向的地址，讓指針指向字模數(shù)組的起始處，并且設定變量I的初值為0，用I的值來控制顯示函數(shù)的重復次數(shù)，達到調整顯示漢字移動速度的目的。當I值未達到設定值時，不斷重復顯示子函數(shù)，此時屏幕上顯示的是一個靜止不動的漢字，直到I達到設定值，調用移位子函數(shù)，將指針地址加2，使指針的起始位置指向第二行，然后重新從I的初始化開始執(zhí)行，這樣，屏幕上就呈現(xiàn)出漢字不斷上移的結果。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Flow chart of main program

2.2 顯示子程序流程圖

顯示子程序流程圖如圖9所示，顯示子程序的運行過程主要是單片機I/O口對外發(fā)送數(shù)據的過程。程序首先設定了一個局部變量I，并定義其值為0。設定該變量的主要目的是為了確定掃描的行數(shù)，以控制I/O口發(fā)送相應行的字模數(shù)據。經過判斷，如果I值小于15，說明正在掃描顯示器上的某一行，則P0口送出相應的行掃描命令到74HC154芯片，經譯碼后控制顯示器接通相應的行，然后P2、P1送出相應的高、低八位列字模數(shù)據，最后關閉列控制以防止殘影，對I值自加1就完成了一個循環(huán)。當I＞15時，說明全部的16行掃描進行完成，此時顯示器整屏已經出現(xiàn)了需要的圖像，程序執(zhí)行完成。

圖9 顯示子程序流程圖Fig.9 Shows the subprogram flow chart

2.3 移位子程序流程圖

位移子程序就是讓地址指針自動加2，這樣，當顯示函數(shù)執(zhí)行時，第一行顯示的就是原本第二行要顯示的內容，依次類推，整個字形就好像上移了一行一樣。所以程序運行過程是這樣的：首先讓地址指針自加2，以實現(xiàn)地址指針的移動，然后判定地址指針所指向的地址的值，如果地址指針指向了字模數(shù)組的最后一位地址，就要令地址指針歸0，否則，指針順序移動下去，當移出字模數(shù)組的范圍后，后面的存儲空間存儲的數(shù)據是未知的，就會出現(xiàn)非預期的圖形，例如亂碼或空白。

圖10 移位子程序流程圖Fig.10 Flow chart of shift subroutine

3 硬件調試與改進

3.1 驅動電路的調試與改進

最初設計方案沒有使用驅動電路，軟件仿真正常。在面包板上依原理圖建立物理連接后，調試中發(fā)現(xiàn)LED忽明忽暗，漢字顯示不穩(wěn)定。經萬用表測量，LED顯示器中單個發(fā)光二極管中通過的電流不足1.5 mA，達不到額定的工作電流。確定問題的原因是單片機的驅動電流不足。為解決這一問題，本次設計采用一套利用三級管控制的驅動電路，經試驗，加入到電路中效果良好，上述缺陷得到解決。

3.2 限流電阻的調試與改進

當確定要加驅動電路之后，怎樣用三極管來控制這個電流大小是一個問題。起初通過三極管直接加5 V電壓。一個LED被燒壞，這就需要加要加限流電阻，但是這電阻要加多大呢？分析如下：正常點亮一個LED的電流大約是5～15 mA左右，動態(tài)掃描電路，每次每列最多只點亮1個LED，故每個驅動三極管流過的電流按10 mA的電流大小算。通過加不同阻值的電阻，用萬用表測量后發(fā)現(xiàn)用4.7 kΩ的限流電阻與8550（PNP型）三極管串聯(lián)控制行，用 47 kΩ的電阻與 8050（NPN型）三極管串聯(lián)控制列便可以滿足要求。

3.3 譯碼器的調試與改進

最初設計方案采用軟件編程來實現(xiàn)掃描時的換行控制，雖然硬件電路相對現(xiàn)在的有少許簡單，但是軟件程序確實相當?shù)膹碗s，后發(fā)現(xiàn)只用一個譯碼器就可以大大簡化程序。

3.4 上拉電阻的選擇

設計之處初用單片機的P0口通過譯碼器控制顯示屏的行，插好線后發(fā)現(xiàn)單片機不能正常工作，原因是單片機的P0口是比較特殊的。P0口在不接片外存儲器與不擴展I/O口時，可作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據總線。所以P0口的帶負載能力是比較低的，一般情況下要接一個上拉電阻，所以最后在P0口接了一個10千歐的排阻之后解決了問題。

3.5 消影調試

當所有的線路都連接好后，顯示卻不清晰、有串擾，每行有上一行的重影。在源程序中加入消影程序后可以清晰穩(wěn)定的顯示。

4 結束語

文中給出了LED漢字顯示屏的系統(tǒng)框圖，各單元硬件電路、軟件設計流程圖及硬件電路的調試流程；詳細闡述了由STC89C52RC芯片、74HC154芯片、晶振電路、復位電路、驅動電路、16×16 LED點陣構成的LED漢字顯示屏系統(tǒng)。所設計的顯示屏可以實現(xiàn)漢字的滾動顯示，顯示的漢字清晰，無串擾，無重影。

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