基于單片機的雙色LED點陣屏設計

張波 徐傳旭 高舉 周暢

摘? 要：雙色LED點陣屏相對于單色LED點陣屏來說色彩豐富很多，動態(tài)顯示更加能吸引人眼球。本文深入研究了雙色LED點陣屏的工作原理，以STC12C5A60S2單片機為控制核心，每種基色都用8片74HC595串接進行列控制，2片74HC138組成4-16線譯碼器掃描來控制，設計制作出了16*64雙色LED點陣屏。雙色LED點陣屏能以三種不同的顏色滾動顯示，設計的電路安全可靠，性價比高。

關鍵詞：雙色點陣屏;LED;STC12C5A60S2單片機

中圖分類號：TP273.5;TN873? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0038-03

0? 引? 言

LED點陣屏作為一種新型的文字信息和圖形顯示的載體，具有可視距離遠、視角廣、亮度高、顯示靈活多樣、壽命長等很多優(yōu)點。目前，銀行、車站、商業(yè)中心、展覽場館、娛樂場所、公交車、碼頭、商鋪和物流領域等等很多場所都能經(jīng)?？吹絃ED點陣屏的身影。LED點陣屏自20世紀80年代后期迅速發(fā)展起來之后，在現(xiàn)代信息化社會中應用越來越廣[1]。

1? 雙色LED點陣屏工作原理

LED點陣屏由發(fā)光二極管（LED）構成，通過發(fā)光二極管亮滅來顯示圖形文字、動畫甚至視頻等。性能好些的點陣屏中的發(fā)光二極管不僅能夠控制其亮滅，還能控制亮度。點陣有4*4、5*7、5*8、6*8、8*8等類型。LED點陣屏按發(fā)光顏色分可分為單色、雙色和全彩三類。單色LED點陣屏只能顯示一種顏色，每個發(fā)光點上只有一個LED。雙色LED點陣屏每個發(fā)光點上相當于有兩個不同顏色LED，共用陽極或共用陰極，所用發(fā)光點上LED都是同一類型。而全彩LED屏每個發(fā)光點上相當于有三個不同顏色LED，共用陽極或共用陰極，所用發(fā)光點上LED都是同一類型。全彩LED屏又分為真全彩和偽全彩兩種。真全彩任意發(fā)光點上任意LED不僅能控制其亮滅，還能控制其亮度等級，比如256亮度等級或更多。偽全彩對任意一個LED只能控制其亮和滅，不能控制其亮度等級。

1.1? 單色LED點陣屏工作原理

以常用的8*8點陣屏為例。8*8點陣任意一行或任意一列的LED數(shù)都是8個，每個LED都位于行和列交叉的位置，共64個LED。每一行LED的陽極連在一起，每一列的陰極連在一起。8*8點陣屏可以很方便地組成其他類型的點陣屏。比如用8個8*8點陣屏可以構成8*64（或64*8）點陣屏，也可以組成16*32（或32*16）點陣屏，組成的點陣屏每一行的LED陽極（或陰極）接在一起連至同一引腳，每一列二極管的陰極（或陽極）接在一起連至同一引腳。

要顯示某一字符，就先確定顯示該字符需要點亮哪些位置上的二極管。確定需要點亮的二極管可以在屏幕上清晰地看出，再推理出每行需要的列信號，也可以由取模軟件直接得出。每行陽極連在一起的點陣屏，選中某一行使該行為高電位，其余各行都為低電位，顯示字符需要該行上哪些列的二極管需要點亮，就在此時給對應的列引腳送出低電平信號，該行上不需要點亮的列的二極管給對應的列引腳送出高電平信號，此時可以點亮列需要顯示的一行。間隔很短的時間，選中下一行使其為高電位，其余的行都為低電位，列的控制和點亮上行的方式相同，該行上需要點亮的列送出低電平信號，不需要點亮的列送出高電平信號，此時可以點亮列需要顯示的另一行。同樣的方法，間隔很短的時間依次循環(huán)點亮所有行需要點亮的二極管。雖然二極管是逐行點亮的，但是每行點亮間隔時間很短，比如2ms左右，由于人眼的視覺滯后效應，人眼看到的點陣屏各行是同時點亮的，就看到了所要顯示的字符。同樣的方法也可顯示圖形。這種顯示方式稱之為行掃描，對應的也有通過列掃描進行顯示。

使顯示的內(nèi)容向左移動或向右移動。仍以行掃描為例進行。行控制方式和靜態(tài)時相同，仍然是間隔很短的時間依次循環(huán)選中各行，列控制有所變化。列控制的各列在選中行每次先發(fā)出和靜態(tài)顯示相同的列控制信號并顯示一小段時間，如1s，需要左移或需要右移時，在下一個1s行信號每選中一行時送出的列信號，是前1s選中相應的行信號時列信號左移或右移一位得到的信號。再下1s，通過同樣的方法，使送出的列信號再左移或右移一位。如果有32列，按上述方法，32s是一個周期。周期性地重復，人眼看到LED點陣屏上得到的就是向左或向右滾動顯示的字符。需要循環(huán)移動時，送出的列信號向左或向右循環(huán)移位。

1.2? 雙色LED點陣屏工作原理

以共陽極行掃描雙色LED為例，雙色LED點陣屏每一行LED陽極連在一起接到同一個引腳上，每一列相同顏色的LED陰極都連在一起對外連到另一個引腳上。所以共陽極行掃描雙色LED每一行對應一個引腳，每一列對應兩個引腳。顏色相同的所有列引腳構成一路列控制信號，共兩路列控制信號。兩路列控制信號和行控制信號一起工作，點亮LED點陣屏。工作原理和單色LED點陣屏相同，不同在于雙色LED點陣屏每選中一行時，同時送出兩路列信號。雙色LED點陣屏可以顯示三種顏色。每路列信號單獨點亮和行信號控制時分別顯示一種顏色，兩路列控信號同時工作時可得到第三種顏色[2]。顯然，雙色LED也可以同單色LED屏一樣滾動顯示，且雙色LED點陣屏可以三種顏色分時交叉顯示，顯示色彩比單色豐富很多，更能吸引人的眼球。

2? 主要器件介紹

2.1? STC12C5A60S2單片機

STC12C5A60S2單片機是晶宏公司增強型51單片機，具有抗干擾能力強、高速低功耗的特點[3]，它的一個機器周期等于一個時鐘周期。STC12C5A60S2單片機也是40引腳，在引腳和指令上完全和普通8051單片機兼容，因此可以很方便地替換原來的普通8051單片機，也更方便熟悉普通8051單片機的技術人員上手。STC12C5A60S2單片機幾乎包括了數(shù)據(jù)采集和控制中所有常見的模塊，和普通8051單片機相比，除了可以單周期工作外，還有如下特點：時鐘頻率為0～35MHz，由于其單周期工作，這就相當于普通單片機的0～420MHz;自身帶有8路10位精度的模數(shù)轉換器，轉換速度可達每秒25萬次;外部有7路I/O中斷口;雙串口;自身可2路PWM信號輸出/2路PCA（可編程計數(shù)器陣列），也可實現(xiàn)2路數(shù)模轉換;4個16位定時/計數(shù)器;片上集成1280字節(jié)RAM，內(nèi)部有多達60K FlashROM;支持串口程序燒寫。

2.2? 74HC595

74HC595是一種漏極開路的CMOS的8位串行輸入，并行輸出的位移緩存器[4]。輸出端為可控的三態(tài)輸出端。共有16個引腳、8個并行數(shù)據(jù)輸出引腳、1個串行數(shù)據(jù)輸入引腳、1個數(shù)據(jù)輸入時鐘引腳和1個串行數(shù)據(jù)輸出引腳。此外還有電源引腳、輸出使能端、寄存器清零端、輸出寄存器鎖存時鐘引腳等。輸入數(shù)據(jù)時鐘引腳上信號上升沿到來時，數(shù)據(jù)輸入引腳上的1位數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)部的8位移位緩沖器，原緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)全部移位1位，最后1位從串行數(shù)據(jù)輸出引腳輸出。因此74HC595可以很方便地實現(xiàn)級聯(lián)。74HC595移位時鐘頻率高達25MHz以上。輸出寄存器鎖存時鐘引腳上信號上升沿到來時，輸出在輸出寄存器與鎖存移位寄存器中的狀態(tài)值，從并行引腳上輸出。

2.3? 74HC138

74HC138也是一種高速CMOS器件，是種3-8線譯碼器，引腳兼容肖特基TTL系列。74HC138共16個引腳，有3個使能端，兩個低電平有效，一個高電平有效。74HC138譯碼器接受3位二進制地址加權輸入。3個使能端全部使能時，根據(jù)輸入信號，提供8個互斥低電平的有效輸出。三位輸入000～111，共8種狀態(tài)，每種狀態(tài)依次使一個輸出引腳為低電平。利用使能端，2片74HC138可很方便地構成4-16線譯碼器，4片74HC138可以很方便地構成5-32線譯碼器。

3? 雙色LED點陣屏系統(tǒng)設計

設計的點陣屏由共陽極的8個8*8雙色點陣屏構成16*32點陣屏，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。系統(tǒng)以STC12C5A 60S2單片機為控制核心。2片74HC138構成4-16線譯碼器。單片機通過4個I/O口送信號至由2片74HC138構成的4-16線譯碼器，從而控制16行的行掃描。點亮一行32個LED需要一定的功率，因此要加上驅動器件，這里選用APM4953，集成2個P溝道增強型MOS管。74HC 138輸出低電平有效，可方便驅動P溝道增強型MOS管。74HC138的并行輸出端的一引腳連MOS管柵極，每個MOS管驅動一行LED，共需8個APM4953。共陽極的雙色LED點陣屏有兩路陰極控制電路，每路對應點亮一種顏色，兩路電路完全相同。每路級聯(lián)4片74HC595，共需要8片74HC595。每路未連接前一片串行輸出引腳的那片74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入引腳各自分別連接單片機的一個I/O引腳，接受單片機串行輸出的列信號。兩路所有的74HC595串行輸入時鐘信號引腳都連接在一起并連到單片機的同一個I/O引腳，兩路所有的74HC595輸出寄存器鎖存時鐘引腳都連接在一起并連到單片機的同一個I/O引腳?？刂茣r，單片機用4個I/O引腳通過2片74HC138和8個APM4953實現(xiàn)行掃描，通過另4個I/O引腳、8片74HC595和相應驅動管配合行掃描信號送出列控制信號。STC12C5A60S2單片機行掃描選中一行時，兩列數(shù)據(jù)同時鎖定輸出，同時單片機快速移串行送出下一行32個所需的列信號，當行掃描選中下一行時這些列信號就被鎖定輸送。由于行掃描和兩列數(shù)據(jù)同時進行，所以8個8*8點陣屏可同一時間顯示不同的顏色。

圖1? 雙色點陣屏系統(tǒng)結構圖

4? 結? 論

本文設計的雙色LED點陣屏系統(tǒng)顯示顏色更為豐富、可靠性高、實用性強，且依此方法可以很方便地設計制作出不同規(guī)格大小的雙色LED點陣屏，商用價值很高，同時也為研究全彩LED點陣屏打下了很好的基礎。

參考文獻：

[1] 張波，丁樂.基于單片機的LED點陣屏的研究與設計 [J].中國市場，2017（15）：290-291.

[2] 溫思歆，孫鵬，余曉銘，等.基于MSP430F5529的全彩LED點陣屏設計 [J].信息通信，2015（7）：60-61.

[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（10）：35-37.

[4] 劉艷朋，郝英俊，萬少松.雙色LED點陣控制器的設計 [J].無線互聯(lián)科技，2015（6）：84-85.

作者簡介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術、微處理器技術。