LED显示屏的设计

摘 要：随着信息产业的高速发展，LED显示成为信息传播的一种重要手段，设计了一种基于PC机控制的以单片机AT89S52为核心的LED显示系统，阐述了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程，硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计等。单片机控制系统程序通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。所显示字符的点阵数据可以自行编写，也可从标准字库中提取。

关键词：AT89S52单片机；点阵；电子显示屏；串行传输

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 18-0000-02

一、LED产品特点优势

高带宽，无缓存，实时传输无延迟显示千兆网络传输，独有专利的数据标示方法，无帧缓存，实时传输，帧同步显示，真正实时无时延。超高灰度级别，16bit，影院级别显示效果16bit灰阶显示，结合我们色彩研究实验室最新成果，精确控制LED的发光量，完美解决LED显示屏在低灰度下显示不一致、汗斑和连贯性不够好问题，达到专业影院的显示效果。超高刷新率，真正3kHz，绝无闪烁，绝无扫描线高性能CPU独立模组控制，3kHz以上刷新率，绝无闪烁，绝无扫描线，相机拍摄无扫描线。先进的网格结构，数据智能路由，多重数据保障，容错性高故障精确定位，运行状况一目了然 智能控制，根据环境情况选择最优工作模式。高效的光电转换，绿色节能。针对使用环境的个性化色彩显示曲线，最优显示效果。专业级的编辑播出系统，整体解决方案，稳定可靠。LED用开关电源属于电网电源供电的、额定电压不超过600V的单路输出式交流-直流外部电源，而室外用的LED开关电源比室内用的环境更严酷，所以选室外用的LED开关电源作为研究的重点，更具代表性。LED显示屏的研究侧重于动态处理方法，由于显示屏幕的局限性，在此次的研究设计中只能显示英文和数字。显示屏有共阴和共阳两种连接方式。而选通端则逐一使能（选通），选择需要点亮的某一列，通过分时复用方式实现动态显示效果。选通方式一般有两种：独立选通和译码选通。如果屏幕较小，处理器有足够的I/O口可用，则可以每个I/O口连接一个选通端，如果屏幕较大，或者处理器的I/O口不是非常丰富，则可以通过译码方式来选通。

二、系统整体设计方案

（一）显示模式方案

采用串行方式显示，这种方式可同时显示4个16×l6点阵汉字或8个16×8点阵的汉字、字符或数字。点阵显示屏每个单元由16个8×8点阵LED显示模块、行信号选择译码器74HC138、驱动器74HC245、数据移位寄存器74HC595和行驱动器组成，如图1所示。单元显示屏可以接收控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示屏可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的内容。

（二）数据传输方案

系统采用串行传输的方法，首先，单片机从存储器中读出8bit并行数据进行并串转换，按顺序一位一位的输出给列驱动器。与此同时，列驱动器中每一列都把当前数据传向后一列，并从前一列接收新数据，当一行的各列数据都已经传输到位，这一行的各列才能并行的进行显示。硬件具体采用74HC595移位寄存器，其具有一个8bit串入并出的移位寄存器和一个8bit输出锁存器结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的。

串行通讯接口电路当上位机发送逻辑电平“0”时，其电压范围为+5VLED显示屏控制系统43一行显示时间内保持行号的稳定，行号需经锁存器锁存。采用译码器方案，保证同一时刻选通一条行线，达到显示的稳定性。

解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。即在显示本行各列数据的同时，传送下一列数据。为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有所存功能。经过上述分析，就可以归纳出列驱动器电路应具有的功能。对于列数据准备来说，它应能实现串入并处的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。

三、系统硬件部分设计

（一）硬件整体设计概述及功能分析

显示系统具体设计主要由上位机，通信系统，单片机系统，译码电路，显示驱动电路和16×16的点阵屏六部分组成。具体工作流程为：上位PC机通过通信系统向单片机发送控制指令和显示代码内容，单片机接收后执行控制指令处理显示代码将显示内容通过I/O口串行输出并且控制译码电路完成串并转换并行输出，最后由显示驱动电路进行电压和电流的处理以达到LED显示屏的显示电流，电压要求进而使显示屏显示内容。根据硬件的功能结构图选取合适器件，器件不但要求能实现所要求的功能还要能兼容至整个系统之中。该系统所要实现的功能和要求有以下几点：（1）驱动电路要能提供LED显示所需范围内的电压和电流要求。（2）译码电路的高低电平的区分能力以及译码的输入输出频率必须满足单片机以及驱动电路的要求。（3）单片机要能接收上位机的指令和显示内容且能够处理后控制LED显示屏的显示，并且端口驱动能力要足以驱动译码电路。执行频率要能达到扫描显示的最低要求。（4）单片机由ISP下载线下载程序和供电，可不设立专用供电电源。（5）由串口完成单片机与上位机的通信，通信速度和数据传输的可靠性要达到显示要求。

控制单元是整个显示系统的核心，该系统中采用51系列单片机为核心器件，用来和上位机通信处理上位机发送的控制指令和显示内容。并且直接输出数据通过译码电路控制LED显示屏的显示内容和显示状态。

在51系列单片机中选定一款合适的机型来做为控制单元的主控芯片。根据题目的要求该芯片必须要具有的就是方便的编程能力，因为在软件设计时方便的程序下载对程序的验证和编写非常有用。还有就是为了提高LED显示屏的扫描速度，单片机的执行速度要尽可能的快，根据这两点要求，选择美国ATMEL公司生产的AT89S52为控制单元的主控芯片。

（二）单片机系统及电路

1.AT89S52芯片介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式，空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

四、显示驱动程序

显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：

刷频率（帧频）=1/16×T0溢出率

=1/16×f/12（65536-t）

其中f位晶振频率，t为定时器T0初值（工作在16位定时器模式），然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，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，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。

五、总结

通过研究LED显示屏的显示系统，重点了解LED屏幕的显示动态的方法，分别使用了两个定时器来控制显示屏的亮度及显示字符的动态移位速度。在系统的设计时，根据实际的LED屏幕类型及电路连接设置，选择了适合的阴极取模方式。利用LED开关电源，适用法律法规和标准要求，为评估和审查新开发产品的设计安全、科学有效地监控产品质量奠定了基础；对积极应对技术贸易壁垒，帮助企业提高质量管理水平、质量控制能力以及破壁应对能力，具有重大的指导意义。同时为今后国家局研究和制定“绿色电源”、“绿色电器”以及其他相关产品的技术措施和监管措施提供了一个很好的第一手参考资料。

参考文献：

[1]施得琪.网路与实体的争霸战[M/MT].2011，9.

[作者简介]张鉴（1971.7-），男，讲师，研究方向：应用电子。