基于单片机的LED显示屏设计

杜战波

（北京索德电气工业有限公司，北京 100176）

基于单片机的LED显示屏设计

杜战波

（北京索德电气工业有限公司，北京 100176）

摘要：进入21世纪以来，各种现代化技术不断发展，很多新装置、新设备在社会中的应用范围也不断扩大，LED显示屏作为一种新兴的显示设备，因其具有寿命长、亮度高、视角宽广、观看距离远，有很好的耐冲击能力，性能稳定等优点，所以在社会中得到广泛应用，发展十分迅速。本次主要提出一种以单片机为基础的LED显示屏设计，其显示清晰、稳定、亮度比较均匀、组装手段灵活、便于安装、尺寸的大小也可以进行调整，所以其市场前景比较广阔。

单片机；LED显示屏；驱动电路

LED显示屏是由发光二极管阵模块构成的显示屏，其发光效率高，消耗能量少，使用寿命长，色彩非常丰富，对室内外的环境也有很好的适应性，所以在很多领域内有着广泛的应用，比如商场、交通道路、电信和邮政以及车站和机场等。本文主要以单片机为基础，进行LED显示屏设计，具体如下：

一、基于单片机的LED显示屏系统概述

本文所说的基于单片机的LED显示屏，主要分为单元板和控制板两部分，借助控制板内的译码输出电路，可以扫描显示屏，借助74LS595把字模的数据传输给显示屏列，然后通过配置的驱动电路使显示屏实现显示。设计时使用8×8点阵，构成16×32点阵独立单元板，使用搭积木的方式，在以STC89C54RD单片机为其核心的控制板下，使用串行方式进行通信，以使LED显示屏横向和列向的扩展得到实现。控制板主要包含译码输出电路和实时时钟电路与扩展外部的存储器电路，单元板主要包含点阵行列的驱动电路和控制信号的驱动电路，控制卡和单元板以及单元板们之间可以借助20针排线进行连接，以实现信号传递和显示屏拼接。这一系统能够使LED显示屏实现动态和静态两种显示模式，可以显示不同大小的字符和不同字体的汉字。这一系统整体的组成结构如图1所示。

二、系统的硬件结构设计

这一系统主要由单片机和外围的电路、译码输出电路、LED显示屏和驱动电路等组成。

1. LED显示屏和驱动电路

目前，市场中存在的点阵单元一般有两种，行共阴型和共阳型，其中共阳型的点阵单元主要由列输入低电平进行点亮，共阴型的点阵单元主要由列输入高电平进行点亮，对驱动的方案进行综合，可以选用直径是5mm的行共阴型的8×8点阵单元。在对LED显示屏的驱动电路进行选择时，因为ULN2803的达林顿管有很强的驱动能力，可以确保显示屏的有较好的亮度。74HC595芯片则是8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变而且具有驱动能力。因此，最终的选择是ULN2803加74HC595方案，并与行共阴型的8×8点阵单元相结合，以实现LED显示屏的显示。因为不同的单元板间、单元板和控制卡间都要把需要控制的信号传递出去，所以对信号进行控制是这一系统可以正常运行的关键。在扩展显示屏时，如果距离比较远，控制的信号就会有一定程度的衰减，对LED显示屏显示效果有较大影响，所以需要对信号进行控制然后驱动，这里主要选用74HC245三态输出八路总线收发器对信号进行驱动及放大。

图1　系统整体构成图

2. 译码输出电路

因为此次设计中选择了行共阴型的8×8点阵单元构成16×32点阵独立单元板，行驱动电路选用了达林顿ULN2803，列驱动电路则选用了74HC595，所以，列数据会给出高电平，行数据则会给出低电平，刚好能够使点阵中某个像素得到点亮。由于ULN2803是八路NPN达林顿连接晶体管阵，只能驱动八路LED，设计中选用的单元板是16行32列LED阵列，所以需要两片ULN2803对信号进行驱动，同时为了节省CUP资源，有采用串行数据通信方式进行设计，这就需要用到四-十六译码器，在此选用CD4514，其可将4位二进制码输入译成16状态输出。

3. 不同单元板间级联的方案

在点阵显示屏的尺寸不断扩展时，就会遇到不同单元板间级联和拼接的问题，拼接的时候主要有列与行扩展这两种不同的情况，如果是行扩展，只要把单元板间使用20针排线把对应的信号引脚相连接。如果是列扩展则主要有以下方法：第一，一直使用串联进行拼接，这一方式就相当于在单元板间实施蛇形的级联，偶数行点阵的信息和数据与奇数行有镜像的关系，需要使用相关软件和一定算法把它的字模数据进行转换，使用这一方式时，控制卡需要预留出一个排针。第二，使用并联方式进行拼接，这一连接的方式中，软件的控制比较简单，但是会遇到一个无法避免的问题，就是对不同行之间的数据进行区分。也就是说，如果全部行内RXD和TXD分别和不同单元板连接，那么在相同同步的时钟TXD作用下，显示屏全部的行都会得出相同数据，这就出现显示屏内全部的行都有相同内容的问题。面对这一现象，可以在控制卡内添加三线八线的译码器，然后把其连接为数据分配器形式。在第二种设计方案内，如果使138一直译码输出为一行，不和其他的排针相连接，也能够使用串联的方式进行拼接，所以，选择第二种设计方案，并预留出6个排针，这样就能够按照不同的需求使用不同连接的方式。

三、系统的软件设计

软件包括显示的程序、字模转换的程序和主程序。字模转换的程序主要把标准的32×32与16×16英文或者汉字的标准字模，借助蛇形算法方式，转化成和这一硬件的蛇形字模相符的形式。因此，显示的程序就可以按照实际的预显示，直接对字模进行调用，并借助相应的程序进行显示。显示的程序需要持续对点阵显示屏循环进行扫描，然后按照相关顺序进行调用，以便使各种方式显示都得到实现。

1. 字模转换程序的设计

因为硬件的电路主要由10块单元板分为两行，构成32×160显示屏，使用串行的形式进行级联，第一行的汉字显示要装载一些标准的字模，第二行的汉字需要借助蛇形算法进行转换，然后把转换之后的标准和字模的顺序存入外部的存储器内。蛇形算法的转换思想如下：第一，使字模内每个字节二进制序列兑换得以实现。第二，使每个16×16大小的汉字字模对角的兑换得以实现。第三，使整行汉字的顺序调换得到实现。

2. 显示程序的设计

显示屏在进行显示时，主要有动态显示和静止显示两种不同的模式，静止模式的显示只要在译码的输出电路内持续扫描显示屏，然后装载好字模的相关数据，并传递出去。在移动的显示模式下，则需要添加另外的移动子程序，以便实现图片或文字估计汉字的移动。

结语

综上所述，在上述的系统设计中，从其调试与运行的结果出发，本文中设计的以单片机为基础的LED显示屏在正式运行时，比较可靠、稳定，显示的文字也非常清晰，各点的亮度也非常均匀，系统的组装十分灵活，显示屏大小能够按照实际的需要，把单元板作为基础和单位，在一定的范围中进行调整，设计的系统基本实现预期的目标，应用的前景非常广阔。因此需要引起相关人员的重视，还要不断对其进行改进与完善，根据市场需求和技术变化，不断改进。

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