通用型智能LED显示面板设计

0 引言
    目前，控制仪表经常使用的显示面板主要有LCD和LED两种类型，其中LCD比较美观，省电，显示方式灵活，但是价格比较昂贵，最重要的是它的醒目程度较低，可视角度也比较小；而LED数码管虽然功耗较大，但它亮度高，用作工业现场指示时更醒目，而且价格低。因此，用LED作为工业现场的指示器，具有更好的性价比。
    本文介绍一种采用LED数码管作为显示元件的通用型智能数字显示面板的设计方法。该面板根据80×160 ×160标准仪表机箱设计，采用AT98C5X单片机作为控制器。它既可作为其他仪表的显示单元，也可作为独立的现场显示器使用。

1 LED显示面板的功能
    本文的LED通用智能型显示面板如图l所示。该面板中央为两排LED数码管，每排4位。上排为红色，下排为绿色。面板左边为四个发光二极管，右边为四个按键开关。其显示和开关可根据不同应用定义。

    该面板作为调节仪表的显示器时，上排LED可显示测量值，下排LED可显示阀位反馈值。左边的发光二极管用做工作状态指示，从上到下，依次为高报警、低报警、自动(亮)／手动、以及仪表通信状态指示。右边的按键用于参数设定与查询等操作。为方便描述，其按键从上到下分别称为按键1～4。
    在调节仪表正常工作状态下，按键1按下时，报警上限值显示；按键2按下时，报警下限值显示；按键3为阀门开度手动／自动切换。当设为手动状态时，按键1和按键2用于遥调阀门开度，每按一次，阀位反馈值(绿色LED最后一位)±1。按键4为功能切换按键。
    在仪表参数设定状态下，按键1为循环方式选择参数，红色LED显示当前设定值，绿色LED显示被设置参数的序号；按键2为设置位参数值
加1；按键3可以右循环方式选择设置参数的当前位，当前设置的数据位用闪烁表示；按键4为确认参数设置，连按两次按键4可进行功能切换。
    作为独立的显示器单元时，本显示面板可作为多路巡回显示报警器。正常巡检时，上排LED显示测量值，下排LED显示巡检回路号。左边的发光二极管显示回路工作状态，从上到下依次为高报警、低报警、回路中断、巡检(亮)／停止状态。当某回路参数越限时，对应的报警指示二极管发亮。
    右边的按键可用于设定参数与查询等操作。正常工作(巡检)时，按键2为功能切换，按键4为显示方式切换。按键4按下一次，停止巡检，保持当前显示状态。在此状态下，按下按键1和按键2，可分别显示该回路上、下限报警设定值。按键3用于循环选择显示回路号，每按一次，回路号加一。按下按键4一次。系统又将进入正常巡检状态。

2 硬件部分设计
2．1 LED数码管显示电路
    LED数码管是由若干个发光二极管按一定的规律排列而成的，当某个发光二极管导通时，相应的段就会被点亮。根据内部发光二极管连接方式的不同，LED数码管可以分为共阳极和共阴极两类。本文采用共阳极显示方式，段码值从0到9依次为：Ox0C0、OxF9、Ox0A4、Ox0BO、0x9 9、0x92、0x82、0x0F8、Ox80、0x90。
    数码管显示驱动方式可以分为动态(扫描)驱动和静态驱动，以下是三种设计方案：
    (1)静态驱动方式
    该方式中，各个LED数码管同时显示各自的字符，并维持不变，直到显示下一个字符为止。这种方式下，每一个数码管要对应一个8位驱动存储器，8个数码管共需64根驱动线，因而需要较多芯片，显示面板面积较大。
    (2)采用8根位选线的动态驱动显示
    这是将所有数码管相同的段选线并联，各数码管位选线轮流选通，分时多路复用。这种方案在任一时刻只有一位数码管被选中发光，然后利用人眼的视觉暂留特点实现同时显示的效果。本显示面板有8个数码管，只需要8个位驱动线和8个段驱动线。但8位循环显示时，每一位数码管的发光时间只占1／8循环时间，可能导致数码管显示闪烁。
    (3)采用4位分组动态驱动显示
    这是将两个LED数码管共用一根位选线。这种方案相对于方案2少用一个8位驱动器，每一位发光时间有1／4循环，因而比较容易保证数码管显示不闪烁。
    本设计选用4位分组动态驱动显示方式。显示面板采用AT89C5X单片机作为LED控制驱动器。单片机的P1和P2口分别与两个LED数码管的段选线相连，P0口的P0．0、PO．1、P0．2、P0．3分别是两个LED数码管的位选线，主要用来控制两个数码管的相同位。
2．2 发光二极管电路
    发光二极管电路的设计比较简单。可将单片机P3口的P3．0、P3．1、P3．6、P3．7分别与四个发光二极管的阳极相连，以便控制四个发光二极管的工作。
2．3 通信接口电路
    此显示面板既可作为智能调节仪表的显示器使用，也可作为独立显示器使用。但是，无论何种应用，都需数字通信。
    AT89C5X单片机有一个内置的串行通信接口。在作为智能调节仪表的显示器使用时，考虑到智能调节仪表与上位机通信要占用仪表的串行
通信接口，因此，显示面板与调节仪表的通信就不能使用此接口。为此，本显示面板自定义了与调节仪表的通信接口电路，即将单片机的P3. 2、P3．3、P3．4、P3．5作为与调节仪表的数字通信接口。通信时，可将两个单片机的P3.2、P3.3交叉相连作为握手信号，P3.4、P3．5互联作为数据传输线。P3．2、P3．3具有外部中断功能，故可设计采用外部中断方式来进行通信，以提高数据的传输速度。
    若作为独立显示器使用时，可使用显示面板内部的串行通信接口。该方式只需要对连接串口引脚的发光二极管进行调整即可。
2．4 按键
    通常根据按键数量的多少，可将按键的设计分为矩阵式键盘和独立式键盘。
    矩阵式键盘常用在按键数量较多的系统中，这种键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交叉点上。行列线分别连在按键开关的两端。
    独立式键盘通常用在按键较少的系统中，每个按键单独占有一根I／O口线，各键的工作状态相互独立，互不影响。由于本文的显示面板的调节按键只有4个，因此，设计使用独立式按键接法。其键盘接口电路如图2所示。

    图2中，单片机P0口的P0．4、P0．5、P0．6、P0．7分别与按键1、2、3、4相连，以对按键操作进行控制。在按键处理时，通常要考虑按键去抖问题，经常使用的硬件去抖方法有滤波消抖电路和双稳态消抖电路，也可以采用软件去抖。本文在设计时，考虑到LED显示面板大小的限制，故采用软件去抖方法。

3 软件设计
    本LED显示面板的功能可用C51语言实现。软件功能包括正常运行和仪表参数设定。
3．1 主程序
    本设计的主程序主要完成显示面板功能的确定、系统初始化、定时器初始化、按键功能的实现以及二极管的功能实现等。
    (1)显示面板功能的确定
    这里采用组合键操作来进行显示面板的功能切换。
    初始状态下，若作为调节仪表的显示器使用，则其正常工作状态，为状态1。
    在状态1情况下，按下按键4不释放，再将按键1按下，此时仍可作为调节仪表的显示器使用，但系统会进入参数设定状态，此为状态2。为了提醒进入状态2，红色发光二极管会闪烁三次以提示参数设定完毕，连按两次按键4，即可返回状态1。
    在状态1下，按下按键4不释放，再将按键2按下，此时将为独立的显示单元使用状态，该状态为状态3。同样，为了提醒是进入状态3，绿色发光二极管会闪烁三次予以提示。若需状态3返回状态1，只要在正常巡检情况下，将按键2按下即可。
    (2)系统初始化
    系统初始化主要包括按键、LED数码管以及发光二极管的初始状态设定。本面板右边四个按键对应P0口初始状态值为0xf0；LED数码管对应的P1、P2口的初始状态值可先设置为0x00、0x00，经过一段时间延迟后再设置为0xff，0xff，这样，在程序开始执行时就可以检查数码管是否能正常工作；发光二极管对应的P3口的P3．0、P3．1、P3．6、P3．7的初始状态设置与LED数码管相同。
    (3)定时器初始化
    定时器的初始化包括定时器工作方式的设定和定时初值的设置。
    本文的LED数码管采用动态(扫描)驱动显示方法，设计时要注意扫描时间的设置。该时间要既能保证LED数码管的亮度，又不会使人眼感觉到闪烁。
    定时器的工作模式为方式1。此模式下的计数脉冲频率为fcont=fosc／12，计数初值x可以通过公式设定：
    X=M-计数值=M-t／T=M-fosct／12
    其中，fosc为振荡器的振荡频率，t为要定时的时间。M为定时器的最大定时时间。
    根据视觉暂留特性。人眼睛对动态频次的分辨率一般为1／16～1／24s，因此，可以将LED数码管轮流显示的时间设定为小于这个分辨率的任何一个时间。本文在设计时，经过多次试验发现，将定时器的初值设定为EC00H(2．78ms)比较合适，此时，在状态1、3下，对于LED数码管的闪烁，人眼几乎不可识别。
    (4)按键功能的实现
    在状态1及状态3下，按键的功能比较容易理解，这里来对状态2下的按键功能进行说明，图3所示依次为1、2、3、4键。其中按键1可进入设定状态，上面一行显示参数的值，下面一行显示当前是第几个参数；按键2用于对当前闪烁数据位进行加1操作，可依次从0增加到9，当增加到10时，又自动变为0；按键3用于改变设定的位，每按下一次，闪烁数据位向后移动一位，当移动到第四位再按下此键时，闪烁位变为第一位；按键4用于确认参数的设定和保存。

    (5)发光二极管功能的实现
    当测量值到达测量上下限、或者按键进行操作时，将相应单片机引脚置1，即可使发光二极管点亮，从而实现报警提示功能。
    图4所示是本系统的主程序流程图。

3．2 中断程序
    在状态1及状态3下，中断程序功能是在定时时间到时，将段码值赋给相应的数码管，并将时间初值装入相应的寄存器。
    在状态2下，参数设定时，设定位要实现闪烁，以确定正在被设置的数据位。实现闪烁的基本思想是每隔500 ms，当前闪烁数据位的段码值就由数据状态变为空码状态，下一个500 ms再由空码状态变为数据状态，并不断循环执行此操作(共阳极显示方式下空码值为0XFF)。这样，从用户角度看，当前被设定的数据位就是闪烁的。这里可通过设定一个计数器来确定转换时间，当计数值达到500／2．78(约为180)时，当前闪烁数据位就进行段码值转换。本系统的中断程序流程图如图5所示。

4 结束语
    本文是配合智能调节仪表设计的一种智能LED显示面板。为了扩大其应用范围，在该面板硬件电路不变的情况下，通过软件调整可使其成为巡检报警器。目前，该显示面板在功能性和灵活性方面都有了很大提高。