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

中图分类号：TN911-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)20-0153-03

esign of LED Dot-matrix Display System Based on MCU

JING Xiang-wei1, LI Di-na2, SHAO Si-fei2

(1. Yanan Vocatinoal &Technical College, Yan’an 716000, China;

2. Innovation College of Yan’an University, Xi’an 710100, China)

Abstract： LED dot-matrix display screen as a new kind of display device is composed of multiple independent LEDs. In order to explain the principle of LED dot matrix display, a low-cost Chinese character display system was designed and produced by taking MCU as a control core. This display system includes specific hardware design and software design. The shutter, up shift, left shift and various display forms of any Chinese characters can be realized by any individual key. This LED display was widely used in airports, shopping malls, hospitals and other public places in text advertisment, information dissemination, etc. which obtained good results by simulation and physical test. Furthermore, it has a lot of excellences just as small size, simple hardware circuit, easy to implement and so on.

Keywords： MCU; LED; display screen; system design

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［1］，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［2］，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［3］，其内部电路结构和外型规格如图1所示。

图1 8×8LED

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［4］。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0FFH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┑诙行的列数据87H并锁存，然后选通第二行，即送行数据40H，点亮相同时间后，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。

图2 显示字符B的过程

1.3 汉字字模的生成

由于要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：

ИOffset=(94×m_H+m_L)×32И

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)［5-7］。

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。AT89C51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［8］等显示输出。该系统在Proteus软件［9-10］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

本设计以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AT89C51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。

参考文献

［1］陈丽红.点阵LED电子显示屏控制系统设计与实现［J］.福建电脑，2010（5）：146-147.

［2］樊要玲,石秋华.单片机控制LED屏汉字显示技术浅析［J］.科技资讯，2011(3):91-92.

［3］孙振华,唐征兵.基于FPGA控制的LED汉字滚动显示器设计［J］.现代电子技术，2010,33(13):160-163.

［4］李昭静,韩超,郭雷岗.基于AT89S51单片机的LED点阵显示屏设计［J］.电脑知识与技术，2011(11):232-233.

［5］张明波.基于单片机的点阵LED显示系统的设计［J］.微计算机信息，2007(2):85-86.

［6］黄建斌,邱河波,戴祥,等.基于EZ-USB FX2的LED点阵图文显示屏［J］.现代电子技术，2010,33(2):42-45.

［7］龙安国.基于单片机的LED汉字显示屏设计与制作［J］.现代电子技术，2007,30(13):186-188.

［8］李秀忠.基于单片机的LED显示屏控制电路设计［J］.现代电子技术，2010,33(15):200-202.

［9］罗云松.基于Proteus的单片机点阵LED汉字显示［J］.科技信息，2009(17):60-61.

［10］李萍.LED分批汉字显示屏的Proteus仿真设计［J］. 现代电子技术，2010,33(12):29-32.

作者简介: 景向伟 男，1965年出生，陕西子长人，副教授。从事物理与电子信息技术方面的研究工作。