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(yōu)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(nèi)容更新的方法。實踐證明本設計穩(wěn)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(tài)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(yōu)點，在現(xiàn)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(jīng)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(nèi)部是由發(fā)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(fā)光二極管構成，每行和每列的二極管數(shù)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(jù)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)象，點亮的時間過短亮度會影響發(fā)光亮度，所以要恰當控制每行點亮的時間。實現(xiàn)顯示內(nèi)空的移動顯示，實際上是把顯示的內(nèi)容移動的方向每移動一列作為新的顯示內(nèi)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(nèi)容顯示1秒后，把顯示的內(nèi)容移動一列作為新的顯示內(nèi)容下一秒顯示。顯示的內(nèi)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(nèi)容和前一秒有所區(qū)別，是顯示內(nèi)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(shù)據(jù)。[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(diào)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(fā)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(nèi)核，單時鐘機器周期，比傳統(tǒng)的51單片機快7～12倍；3個可自動重載的16位定時/計數(shù)器；兩個全雙工異步串行口（UART）；3通道PWM/可騙程計數(shù)器陣列/捕獲/比較單元；60KB Flash程序存儲器，1KB Flash數(shù)據(jù)存儲器，2048字節(jié)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(nèi)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(tǒng)的51單片機不同，不能直接替換傳統(tǒng)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(tài)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(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)口輸入一位到內(nèi)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(shù)據(jù)輸出端輸出，這樣設計可以很方便地實現(xiàn)級聯(lián)；平行輸出緩存器的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，從并行輸出端輸出。

74HC138是3線-8線譯碼器，輸入端數(shù)據(jù)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(qū)動芯片，內(nèi)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(qū)動，也可用來做負載開關或者PWM開關。

4 16×64 LED點陣屏系統(tǒng)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(fā)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(qū)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(shù)據(jù)串行輸出信號作為下一個74HC595芯片的數(shù)據(jù)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(lián)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(shù)據(jù)擷取時鐘信號LCK也都連在一起，均有單片機控制實現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)即可。要改變LED點陣顯示的內(nèi)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(jīng)驅(qū)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(nèi)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(lián)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(lián)很多點陣屏，但實際級聯(lián)的點陣屏受單片機串出數(shù)據(jù)速度和串入并出芯片傳送速度影響。級聯(lián)多，單片機串出數(shù)據(jù)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(nèi)字?？勺寙纹瑱C讀U盤、存儲卡，也可通過Wi-Fi和藍牙實現(xiàn)。這樣LED點陣屏顯示內(nèi)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(nèi)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(tǒng)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(xiàn)[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(jīng)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].陜西理工學院學：自然科學版，2015，31（1）：31-36.