基于单片机的LED点阵显示系统的设计

摘要：LED点阵显示屏是由多个LED发光二极管封装在一起组成，是一种新兴的显示器件。为了说明LED点阵显示的原理，以单片机为控制核心，设计和制作了一种成本低廉的汉字显示系统，其包括硬件和软件两个部分。该电路通过按键控制可实现任意多个汉字的卷帘、上移和左移等多种显示形式，可广泛应用于机场、商场、医院等公共场所进行文字广告宣传，信息发布等。通过仿真和实物测试，该系统获得良好的显示效果，而且具有体积小、硬件电路结构简单和容易实现等特点。
关键词：MCU；LED；显示屏；系统设计

0 引言
    LED显示屏是一种由半导体发光二极管构成的显示点阵，人们通过控制每个LED的亮灭实现图形或字符的显示。由于LED显示屏亮度高、视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、性能稳定，因而被广泛应用于机场、商场、医院、宾馆、证券市场等公共场所。本文以单片机为控制核心设计和制作了一种汉字显示系统，其成本低廉，内容更新简便。

1 显示原理
1．1 LED点阵显示屏
    将多个LED按矩阵方式排列在一起，如图1所示，就构成了一个LED点阵显示屏。其中各个LED的引脚按照一定的规律连接，以最常见的8×8单色LED点阵共阳型显示器为例，其内部电路结构和外型规格如图1所示。

    16×16单色LED点阵显示屏可由4块8×8单色LED点阵显示器组合而成，即16行16列，16×16=256像素。如果采用共阳型连接方式，即每行的LED阳极连接在一起，每列的LED阴极连接在一起。
1．2 显示原理
    对于共阳型LED点阵显示屏，如果采用动态扫描方式，扫描电路就可以实现多行发光二极管的同名列共用一套驱动器。动态扫描，简单说就是逐行轮流点亮。具体以8×8点阵模块为例显示字符“B”的过程如图2所示。即先送出对应于第一行发光二极管亮灭的列数据OFFH并锁存，然后选通第一行，即送行数据80H，延时一段时间后，送行数据00H，第一帧显示结束；再送第二行的列数据87H并锁存，然后选通第二行，即送行数据40H，点亮相同时问后，送行数据00H，相应二极管熄灭，第二帧显示结束；以此类推，第8行显示之后，又重新点亮第一行，周而复始。当这样轮回的速度足够快(每秒24次以上)时，就能看到显示屏上稳定的字符B了。上述列数据即为字符B的字模数据。

1．3 汉字字模的生成
    由于妻显示内容的不确定性，汉字字模的生成仅靠用户自己构建是不可能的。如果依靠单片机完成字模的创建和显示控制，则由于单片机运算能力有限，是无法实现汉字的选定和实时显示。为此利用PC机和相关软件，预先生成所要显示汉字的字模。
    通常可以利用UCDOS的汉字库构造需要显示的字模。在UCDOS汉字库中汉字均以行字模的形式存储，只要确定了汉字在字库中的位置和字模的长度，就可以将需要汉字的行字模读出。汉字在字库中的位置可以通过汉字的机内码根据如下公式加以确定：
    Offset=(94×m_H+m_L)×32
    式中：m_H代表以16进制表示的汉字机内码的高8位，m_L代表机内码的低8位。字模的长度则是由显示所用的点阵决定的，以常用的16× 16点阵字模为例，一个汉字字模需要16×16÷8=32 B。因此从字模的开始依次读取32个字节就可以得到该汉字16×16的字模(行字模)。
    采用PCtoLCD 2002字模软件，可以方便地生成字模数据，如图3所示。将生成的字模数据复制到系统源程序中。

2 系统硬件电路设计
    图4给出的是可以显示一个16×16汉字系统的框图。系统由AT89C51最小系统、显示屏、列驱动电路、行驱动电路和控制键构成。AT89C 51为主控芯片，显示屏由4块8×8 LED共阴连接组成，其列驱动电路由2片74HC595构成，扩展为具有锁存、串并移位和三态输出的16位移位寄存器，字模数据由此输出；行驱动电路由1片4-16线译码器74HC154构成，从DCBA输入增量数据，将输出逐行扫描信号。K1，K2，K3为显示方式控制键，按键选择可实现LED点阵显示屏卷帘、上移、左移等显示输出。该系统在Proteus软件环境下仿真获得良好的显示效果。

3 系统软件设计
3．1 主程序流程图
    系统主程序开始以后首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。然后进行键盘扫描，如果K1键按下字符卷帘输出，如果K2键按下字符上移输出，如果K3键按下字符左移输出。主程序流程见图5所示。

3．2 显示驱动程序
    显示驱动程序查询当前点亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，在中断程序中，驱动程序先要关闭显示屏，等显示数据打入输出锁存器并锁存后，然后再输出新的行选通信号，重新打开显示。显示驱动程序如下：
   

4 结语
    本没计以AT89C51为系统的控制核心，采用动态扫描的方法实现对16×16 LED点阵显示屏的控制。该系统通过仿真和实物制作，均获得良好的显示效果，证明这种方案是可行的，而且具有体积小、硬件电路结构简单和容易实现等特点。但也存在更换显示内容时，需要对AT89 C51进行重新编程的问题，如果增加ISP编程电路，可通过USB下载电缆对单片机程序数据进行及时更新。