模塊化LED點陣廣告屏實訓裝置設計

胡蓉

摘要：LED點陣廣告屏作為信息的發(fā)布顯示工具，在各種公共場所得到了廣泛應用。文章介紹了一種利用嵌入式單片機作為控制核心的LED點陣廣告屏實訓裝置的設計，旨在提升高職學生掌握點陣屏的設計與組裝能力。該裝置為可上下左右級聯(lián)的16×16 LED點陣模組，將移位寄存器74HC595作為行列驅動模塊，可實現(xiàn)積木式擴展連接。該裝置在實踐教學環(huán)節(jié)中取得了較好的應用效果。

關鍵詞：LED點陣；74HC595；模塊化

中圖分類號：TP273+.5? 文獻標志碼：A

0 引言

LED點陣廣告屏是將計算機控制技術、半導體技術、通信技術融為一體的顯示設備，既可以顯示靜態(tài)文字、圖像，也可以顯示動態(tài)的視頻信息。LED點陣廣告屏作為信息的發(fā)布顯示工具，在政府機關、銀行、學校等各種公共場所得到了廣泛應用。在高職單片機與嵌入式項目化教學中，LED點陣廣告屏是一個非常重要的實踐項目。常規(guī)的LED點陣屏實驗設備往往是只有一個固定的小型點陣模塊，顯示的內容受到局限，而且連線占用單片機IO口較多，靈活性較差，與實際的應用脫節(jié)。本項目基于模塊化設計的思想，設計了一款在教學實訓中既可單獨使用顯示漢字字符，又可上下左右級聯(lián)擴展的16×16LED點陣廣告屏實訓裝置，彌補了常規(guī)實驗設備的不足。

1 模組硬件電路設計

LED點陣廣告屏由于顯示的內容為大多數(shù)為文字圖片，需要主控設備較大的數(shù)據(jù)存儲空間以及較快的刷新速率，在不增加外部存儲器的前提下，可選用高速、大容量1 T的單片機——STC8系列單片機作為主控芯片，同時為了節(jié)約IO口，采用串行通信技術，利用單片機的串行通信口與串并轉換芯片控制LED點陣行列端口。LED點陣廣告屏模組的硬件基本結構由點陣顯示屏、驅動控制器、模組接口三大部分組成，可根據(jù)實際實訓需求將若干個模組進行級聯(lián)后接入嵌入式單片機控制系統(tǒng)。整體模組硬件設計電路如圖1所示。

1.1 點陣顯示屏

LED點陣屏最小單元是由一組高亮度發(fā)光二極管按統(tǒng)一的極性方向順序連接，形成行列二維結構，按照行線上連接的極性，分為共陽和共陰兩種方式［1］。

LED點陣屏常見的最小單元根據(jù)發(fā)光二極管的數(shù)量有5×7，5×8和8×8 3種點陣，在型號規(guī)格上有尺寸（mm）、點距、分辨率、亮度、功率等參數(shù)要進行考慮。室外屏一般要求尺寸和點距較大，高亮度，適合遠距離觀看；室內屏對尺寸尤其是點距的要求較低，點間距越小，所呈現(xiàn)出來的畫質越清晰，視覺效果就越好。本LED點陣屏實訓裝置是為了滿足嵌入式單片機教學實訓使用，要求裝置材料易于采購，價格合理，滿足室內場所近距離觀看。綜上考慮，設計采用了3.75 mm共陽點陣最小單元1588BPG。1588BPG是由8行8列共64個LED封裝而成，行為陽極，列為陰極，當行控制線加正電壓，而列控制線加低電壓時，對應行列上的LED正向導通發(fā)光。模組點陣屏共有4組1588BPG最小單元，行列依次相應連接形成16行16列，為了顯示各種圖文信息，在實際應用中采用動態(tài)掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖驅動，從上到下（或從左到右）逐行（列）進行掃描導通，同時又向各列（行）送出表示圖形或文字信息的脈沖信號，利用人眼視覺惰性和視覺暫留特性就可以在LED屏上看到完整穩(wěn)定的圖形。

1.2 驅動控制器

本LED點陣屏實訓裝置選用高速1 T的STC8系列單片機為主控制器，最大有64 K字節(jié)FLASH程序存儲器（ROM），具有4個全雙工異步串行通信接口，每個通信接口均有不同工作模式。串口1有4種工作模式，工作方式0為同步移位串行方式，可與串并轉換芯片結合使用實現(xiàn)端口擴展。為了不和單片機的ISP下載端口P3.0和P3.1沖突，可通過P_SW1寄存器中的B7、B6位設置切換到不同端口。例如B7B6設置為01，串行口1的RXD切換到P3.6、TXD切換到P3.7，分別作為串行數(shù)據(jù)輸出端和串行移位脈沖輸出端。

串并轉換芯片常用的是74HC595，其最大的優(yōu)點是有數(shù)據(jù)存儲寄存器，在串行移位的過程中，輸出端的并行數(shù)據(jù)可以保持不變。輸出電流約為35 mA，具有一定的驅動能力，可以省略三極管等放大電路，有利于簡化電路。74HC595有兩個獨立的時鐘控制信號，串行移位時鐘信號SHIFT_CLK控制從串行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)進行移位，實現(xiàn)信號從QA～QH依次串行移位，數(shù)據(jù)鎖存時鐘信號ST_CLK的上升沿到來實現(xiàn)8位并行輸出數(shù)據(jù)鎖存［2］。

用戶可以利用74HC595的QH-串行移位輸出端與下一級74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入端DS的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下級傳輸。本LED點陣屏實訓裝置模組16行和16列的驅動控制由4塊74HC595實現(xiàn)，點陣屏的16行和16列依次與驅動芯片的8位并行數(shù)據(jù)輸出端連接，在行驅動輸出端口連接100 Ω的限流電阻，兩片行驅動芯片作為前級，兩片列驅動芯片為后級。

1.3 模組接口

本LED點陣屏實訓裝置模組有上下左右共4組接口，模組之間可通過接插口逐一相連，無需額外接線，方便形成積木式擴展。實訓裝置左右接插形式的接口共有5個端口，分別是電源接口+VCC和GND、串行數(shù)據(jù)接口DS、串行移位時鐘信號SHIFT_CLK、數(shù)據(jù)鎖存信號ST_CLK；上下兩個接插形式的接口共有4個端口，與左右接口相比少了串行數(shù)據(jù)端口。LED點陣屏實訓裝置模組在進行橫向擴展級聯(lián)的時候，左右接插口依次進行拼接級聯(lián)，在進行縱向擴展的時候上下接插口進行拼接級聯(lián)；同時擴展的DS數(shù)據(jù)端要單獨與單片機的IO數(shù)據(jù)輸出端進行連接。由此，所有模組的+VCC，GND，SHIFT_CLK，ST_CLK均為并接同步信號，數(shù)據(jù)端DS接入單片機后由模組左側輸入，右側輸出，形成串行信號。按此連接方法，4塊LED點陣屏實訓裝置模組可級聯(lián)構成16×64或32×32廣告屏。模組硬件設計采用方便點陣屏檢測與拆卸的上下雙層結構，模組4個頂角設計了3 M銅柱進行支撐，實物如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設計

單片機工作于模式0時，由于波特率固定，無需定時器提供，直接由單片機的時鐘作為同步移位脈沖。當主機執(zhí)行將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF指令時啟動發(fā)送，串行口即將8位數(shù)據(jù)以SYSclk/12或SYSclk/2（由UART_MOx6確定是12分頻還是2分頻）的波特率從RxD管腳輸出（從低位到高位），發(fā)送完中斷標志TI置1，TxD管腳輸出同步移位脈沖信號。當寫信號有效后，相隔一個時鐘，發(fā)送控制端SEND有效（高電平），允許RxD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時允許TxD輸出同步移位脈沖［3］。

單片機一幀（8位）數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，各控制端均恢復原狀態(tài)，只有TI保持高電平，呈中斷申請狀態(tài)。在再次發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須用軟件將TI清0。一個LED點陣屏實訓裝置模組有16行16列，需進行4次行列數(shù)據(jù)的發(fā)送，如果使用級聯(lián)擴展，則根據(jù)擴展的級數(shù)從最前端依次進行模組數(shù)據(jù)發(fā)送，在所有模組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，鎖存信號有效，進行數(shù)據(jù)鎖存到并行數(shù)據(jù)寄存器中。延時一段時間后，重復刷新，然后取下一幀數(shù)據(jù)。

當用戶使用單片機的串口1、第2組管腳進行串行通信，實現(xiàn)16×64漢字流動顯示的程序流程如圖3所示。

3 應用效果

單個LED點陣屏實訓裝置模組就可以完成字符圖形等顯示，若要提高顯示面積可采用模組級連方式。以4塊LED點陣屏實訓裝置模組為例，可左右串行擴展構成16×64廣告屏或左右串行和上下并行擴展32×32廣告屏，16×64廣告屏顯示效果如圖4所示。

4 結語

本LED點陣屏實訓裝置應用在“嵌入式單片機”課程教學中，用戶能以積木式進行級聯(lián)擴展，根據(jù)設計需要自由組合、快速搭建，從而解決了在點陣廣告屏教學過程中，傳統(tǒng)教具顯示內容的形式單一、方法簡陋的問題。經過實踐，本LED點陣屏實訓裝置易于維護，方便用戶使用，能滿足不同主控系統(tǒng)對LED點陣屏的顯示要求。

參考文獻

［1］曾昭獻.一種LED顯示原理實驗實訓平臺的研究與應用［J］.數(shù)字技術與應用，2021（7）：169-171.

［2］楊秀增.基于Proteus的單片機LED點陣顯示教學實驗設計［J］.廣西教育，2017（3）：104-106.

［3］于明軍.模塊化LED點陣顯示屏實訓系統(tǒng)設計［J］.實驗室科學，2021（2）：129-135.

（編輯 王雪芬）

Design of modular LED dot matrix advertising screen training device

Hu? Rong

（Jiangxi Industry Polytechnic College， Nanchang 330095， China）

Abstract：? LED dot matrix advertising screen， as a tool for information release and display， has been widely used in various public places. In order to make higher vocational students master the assembly and design of the dot matrix screen， this paper introduces the design of an LED dot matrix advertising screen training device using the embedded microcontroller as the control core. The device is a 16×16 LED dot-matrix module that can be cascaded up， down， left and right. The shift register 74HC595 is used as the row and column drive module， which can realize the block-type expansion connection. The device has achieved good use effect.

Key words： LED dot matrix; 74HC595; modularization