基于單片機的LED顯示屏控制電路設計研究

王超

摘 要：電子信息控制技術(shù)的深入發(fā)展，使得當前階段信息的傳遞、交互成為社會現(xiàn)代化發(fā)展的重點。在此基礎之上，LED顯示控制系統(tǒng)核心的選擇向著多樣化方向發(fā)展，核心控制回路的功能也逐步增強。單片機作為LED顯示裝置的核心器件之一，具備投入成本較低、可靠性高等特點，為LED顯示屏的大范圍普及提供了有力的支持。

關(guān)鍵詞：電平轉(zhuǎn)換；掃描電路；軟件設計

引言

LED顯示屏相較于傳統(tǒng)的顯示屏具備亮度高、能耗低、使用周期長、清晰度高、動態(tài)影像播放效果好等優(yōu)勢，被廣泛的應用于銀行、火車站、商場廣告窗等人流量較多的地點。

一、LED 顯示屏的構(gòu)成及硬件控制部分的設計

LED 顯示屏控制系統(tǒng)的研發(fā)主要經(jīng)歷了三個時期：第一時期是九十年代以前的成長時期，該階段LED 顯示屏屬于初步發(fā)展階段，對控制系統(tǒng)的應用還不成熟；第二階段是九零年到九五年的高速發(fā)展時期，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度發(fā)展為該時期LED顯示系統(tǒng)的設計、研發(fā)提供了有力的支持；九五年以來，LED 顯示屏控制系統(tǒng)進入了穩(wěn)步發(fā)展階段。尤其是近幾年，顯示屏的研發(fā)方向趨向于畫質(zhì)、動態(tài)影像顯示效果、光互補、可移動等技術(shù)發(fā)展方向。單片機LED為更好的傳播實時信息、廣告宣傳，改變了傳統(tǒng)的信息傳遞模式，通過單片機對顯示屏進行精準控制，提升了顯示屏的實際播放效果。

1.1 LED 顯示屏的構(gòu)成

LED 顯示屏主要是以單片機作為核心控制器件，硬件部分包括：通過按鍵進行控制的電路系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲設備、驅(qū)動器（列驅(qū)動、行驅(qū)動）、寄存器、PC 機等設備。LED顯示屏實質(zhì)上是屬于點陣顯示設備，由存儲器以及經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的PC機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC單片機的控制系統(tǒng)中，然后將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過行掃描電路以及列掃描控制電路傳送到LED點陣屏，在這一過程中可以通過設備的按鍵對LED顯示屏進行調(diào)節(jié)。單片機的選擇需要考慮存儲ROM的大小，ROM內(nèi)需要存放數(shù)據(jù)、表格以及程序軟件等；PC機也可以稱為上位機，主要負責將需要顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳送到單片機上，并通過控制器對顯示屏上播放的內(nèi)容進行實時控制。

1.2 驅(qū)動電路的主要設計流程

LED 顯示屏系統(tǒng)中的驅(qū)動電路由寄存器、行與列的驅(qū)動電路構(gòu)成。其中寄存器選擇的類型是CD4094，該種寄存器的移位為八個單位，帶有高位的轉(zhuǎn)換設備，相較于其他類型的寄存器，具有能耗低、編程簡單、周邊布線簡單、單位內(nèi)驅(qū)動能力較強等特點。STR 是鎖存端口、DATA 是串行數(shù)據(jù)輸入、QS、QS是串行數(shù)據(jù)輸出端。單片機的對應的I/O端口引腳各接一片 CD4094，兩片的寄存器的數(shù)據(jù)端互相交互。為驅(qū)動顯示屏的LED陣列，需要使用ULN2803 IC驅(qū)動，使用TIP122 IC對回路進行放大，根據(jù)所需驅(qū)動LED陣列的多少以確定IC芯片ULN2803和TIP122的數(shù)量。

1.3 STC單片機控制設備與上位機的通信設計

STC單片機控制設備與上位機之間的通信主要采用的是串行通信模式，根據(jù)通信協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，對單片機、PC機之間串口的信息傳遞波特率、奇偶位、起始與停止位等信息進行合理的設定，就能夠?qū)崿F(xiàn)設備的雙方通信。具體來講，單片機TXD（數(shù)據(jù)發(fā)送）與RXD（數(shù)據(jù)接收）端口在實現(xiàn)與上位機的串行通信后，會將PC機傳送過來的信息數(shù)據(jù)存儲到存儲設備中。與此同時，如果選擇第一種串行通信模式，系統(tǒng)將啟動一號定時器為發(fā)生器，根據(jù)波特率發(fā)生器的頻率發(fā)送信號，并在第二種模式下進行工作。在此基礎上，系統(tǒng)將利用電平轉(zhuǎn)換設備將單片機的電平有效的轉(zhuǎn)換為上位機的232電平，實現(xiàn)設備通信。

1.4 字模軟件的應用設計

字模軟件指的是LED顯示系統(tǒng)中對文字信息進行錄入與編輯的字模點陣。LEDPCtoLCD2002的字模軟件，由于無需進行安裝，是當前階段較為常見的一款軟件，該種字模軟件的應用模式包括字符與圖像兩種，可以實現(xiàn)LED設備對漢字、圖像、字母等數(shù)據(jù)信息的取模工作。操作人員可以通過設置控制界面的菜單，對字符、圖像等取模對象進行字模提取。除此之外，該種字模軟件不僅能夠生成字符、圖像的數(shù)據(jù)庫，還能自定義漢字庫。字模軟件生成的漢字庫是按照漢字的輸入順序排序的，屬于點陣數(shù)據(jù)的一種。

二、 LED 顯示屏運行程序的設計原理

LED 顯示屏的軟件設計部分主要采用的是Keil uVision 4的程序設計，使用配套的硬件設備進行仿真處理并與編程軟件進行連接，在多環(huán)節(jié)驗證、調(diào)試完成后，使用PCB軟件對顯示屏的電路圖進行繪制，最后制作配套的電路板。

2.1 繪制LED 顯示屏電路系統(tǒng)的基本原理

設計使用 Altium Designer 10軟件繪制控制系統(tǒng)原理圖。繪制LED 顯示屏電路的流程主要包括以下幾部分：首先，建立工程的器件庫，一般情況下，器件庫包括IC芯片、電阻電容以及電源等，選擇適當?shù)脑骷巴鈬芈房梢蕴岣呃L圖效率。同時，在將器件庫加載到窗口的過程中，要注意根據(jù)功能的不同對原理圖進行合理的布局；其次，對元件的選擇，可將元件用鼠標左鍵進行單擊選中，用鼠標將元件拖動至相應的位置同時可進行旋轉(zhuǎn)操作以達到規(guī)劃中的布件效果，單擊鼠標進行器件的放置；第三，進行電路連接操作。電路的連接除可以利用導線外，還能使用網(wǎng)絡標號進行連接。網(wǎng)絡標注的相同引腳代表著電氣已經(jīng)連接完成；最后，進行電氣規(guī)則的檢查工作。規(guī)則的檢查主要目的在于排查軟件繪制電路過程中可能出現(xiàn)的錯誤，為保證配套電路系統(tǒng)的有效運轉(zhuǎn)，應進行多階段、反復的系統(tǒng)檢查，在修正錯誤后，完成電路圖的繪制工作。

2.2 LED 系統(tǒng)軟件控制程序的設計原理

LED 系統(tǒng)軟件控制程序包含四個控制按鈕，分別對應顯示屏八個字符單位的左右移動、循環(huán)狀態(tài)以及靜態(tài)控制。顯示系統(tǒng)的驅(qū)動功能主要由定時器中斷程序負責，通過該程序向顯示屏推送數(shù)據(jù)的同時，產(chǎn)生掃描信號，完成屏體的顯示工作。LED 系統(tǒng)軟件控制程序包括系統(tǒng)主程序及具備各種控制功能的子程序（讀鍵、串行接收、右移、左移、靜態(tài)、顯示、存儲器讀寫等）。在進行初始化后，通過按鍵對各子程序進行控制，而各子程序分別對應位移、靜態(tài)等詳細的控制程序，對LED顯示屏狀態(tài)進行控制管理。

2.3 單片機電路控制設計原理

在單片機的基本應用電路中只有串口的FLASH存儲器使用DC3.3V電源，其它的IC外圍芯片均使用DC5V電源。單片機的外圍回路中包括實時時鐘電路、溫度傳感器檢測電路、LED字庫存儲和數(shù)據(jù)顯示電路。當單片機的輸出側(cè)采用單邊端口時，其信息字符串講按行按列連續(xù)排列，輸出的數(shù)據(jù)將通過SCK的位移信號持續(xù)將顯示數(shù)據(jù)送入8位的移位存儲器中。當輸出四個字節(jié)時，可直接帶載LED長為512點，且輪詢刷新的顯示時間小于18ms。根據(jù)實際應用情況可以安排使用1-4個寬口，使用的端口數(shù)與LED顯示屏的長（點）、高（點）如下表所示。

三、結(jié)語

將單片機作為數(shù)據(jù)處理的核心部件，配合PC機及外圍驅(qū)動、存儲設備的應用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)漢字、圖像等字符的左、右位移，靜態(tài)顯示以及循環(huán)的狀態(tài)，還可以通過上位機控制、設置菜單等方式及時對顯示屏的內(nèi)容進行更新、修改，與傳統(tǒng)的顯示方式相比有著亮度高、壽命長、易拼裝、易修改等優(yōu)點。

參考文獻：

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