基于单片机的16×64 LED 点阵显示屏的设计

0 引言
    LED点阵显示屏是一种简单的汉字显示器，具有价廉、易于控制、使用寿命长等特点，可广泛应用于各种公共场合，如车站、码头、银行、学校、火车、公共汽车显示等。本文详细介绍了一种低廉的16x64点阵LED显示屏的设计过程。

1 硬件系统设计
    本系统采用AT89C52单片机作控制器，整个电路主要由单片机控制及其接口电路、驱动显示电路、电源电路等部分组成。为了简化显示屏电路，降低成本，本系统在单片机部分不加字库存储器。而在PC机上编辑汉字和字符显示信息，并将其转换为相应的点阵显示数据，然后通过串口(采用RS－232通信标准)送给单片机存储并进行显示处理。图1所示为其硬件系统原理图。

1．1 单片机控制电路
    本系统由AT89C52构成单片机最小应用系统．同时配有11．0592 MHz晶振和按键复位电路等。系统外扩的一片Flash存储器29F040为数据存储器，可用来存储由PC机串口送来的点阵信息(通过软件将图像或文字转换成与LED显示屏的像素相对应的点阵信息)。该Flash存储器是一种非易失性存储器，它在供电电源关闭后仍能保持片内信息。由于29F040的容量为512 KB(该芯片内部由8个64 Kbyte的读写块组成，可分块进行读、写和擦除等操作)，而AT89C52只能管理64KB的数据空间，所以，需将29F040分成8页，每页64KB。其页码可由单片机的P3．2~P3．4来选择。另外，采用MAX232可完成RS232与TTL电平的转换，以便使PC机与单片机交换信息。
1．2 16x64点阵显示器的设计
    图2是一种8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部结构图，其单点工作电压Uf为1．8 V，正向电流IF为8~10 mA。当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮；而当其某一列线为高时，其行列交叉的点为暗；当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应这一行的点全部为暗。

    用四个8x8点阵显示可构成16x16点阵显示器，其连接方法如图3所示。图中，将(A)和(B)的8列、(C)和(D)的8列分别对应相连，同时将(A)和(C)的8行、 (B)和(D)的8行分别对应相连。即可形成一个16行(每一行有16个LED)、16列(每一列也有16个LED)的16x16点阵显示器，可将这256个点称为一页，这样，显示字符时。只要对一页中对应的亮灭进行控制即可。
    如果需要，也可以把4个16x16点阵显示器相连从而构成16x64的点阵显示器。

2 LED点阵显示器的扫描驱动
    LED显示屏驱动电路的设计应与所用控制系统相配合。驱动通常分为动态扫描型及静态锁存型驱动二大类。本文以动态扫描型驱动电路的设计为例来进行分析。动态扫描型驱动方式是指显示屏上的16行发光二极管共用一组列驱动寄存器，然后通过行驱动管的分时工作，来使每行LED的点亮时间占总时间的1／16。只要每行的刷新速率大于50 Hz，利用人眼的视觉暂留效应，人们就可以看到一幅完整的文字或画面。

    AT89S52单片机有四个I／O口(P0、P1、P2、P3)，每个I／O口有8位，如果都采用并行输出，显然不能满足要求，因此，本设计中的行扫描驱动采用并口输出，而场扫描驱动采用串口输出。
2．1 行扫描驱动
    由于16x64点阵显示器有16行，为充分利用单片机的接口，本电路中加入了一个4-16线译码器74LS154，其输入是一个16进制码，解码输出为低态扫描信号，它们的管脚示意图如图4所示。把74LS154的G1和G2引脚接地，然后以A、B、C、D四脚为输入端。就会形成16种不同的输入状态，分别为0000～1111，然后使每种状态只控制一路输出，即会有16路输出。
    如果一行64点全部点亮，则通过74LS154的电流将达640 mA，而实际上，74LS154译码器提供不了足够的吸收电流来同时驱动64个LED同时点亮，因此，应在74LS154每一路输出端与16x64点阵显示器对应的每一行之间用一个三极管来将电流信号放大，本文选用的是达林顿三极管TIP127。这样，74LS154某一输出脚为低电平时，对应的三极管发射极为高电平，从而使点阵显示器的对应行也为高电平。
2．2 场扫描驱动
    本系统场扫描驱动电路的设计可用串入并出的通用集成电路74HC595来作为数据锁存。74HC595是一个八位串行输入三态并行输出的移位寄存器，其管脚见图4所示，其中SI是串行数据的输入端，RCK是存储寄存器的输入时钟，SCK是移位寄存器的输入时钟，Q'H是串人数据的输出，G是对输人数据的输出使能控制，QA～QH为串入数据的并行输出。从SI口输入的数据可在移位寄存器的SCK脚上升沿的作用下输入到74HC595中。并在RCK脚的上升沿作用下将输入的数据锁存在74HC595中，这样，当G为低电平时，数据便可并行输出。为了避免与PC机串口输入的数据相互干扰，也可使用模拟串口P1．4~P1．7来分别输出串行数据、移位时钟SCK、存储信号RCK和并行输出的使能信号G。
    为了消除电源电压的波动及行扫描管压降(第一行点亮的点数不同，将引起管压降的变化，从而影响通过LED管的电流)的变化对LED显示屏亮度的影响，设计时可采用列恒流驱动电路，可选用三极管8550和外围元件构成列恒流驱动电路，并通过调整100 kΩ可调电阻使三极管处于放大状态，同时将集电极电流调整为10 mA，从而使点亮对应点阵时通过LED的电流不变。
2．3 扫描显示工作过程
    将8片74HC595进行级连，可共用一个移位时钟SCK及数据锁存信号RCK。这样，当第一行需要显示的数据经过8x8=64个SCK时钟后便可将其全部移入74HC595中，此时还将产生一个数据锁存信号RCK将数据锁存在74HC595中，并在使能信号G的作用下，使串入数据并行输出，从而使与各输出位对应的场驱动管处于放大或截止状态；同时由行扫描控制电路产生信号使第一行扫描管导通，相当于第一行LED的正端都接高，显然，第一行LED管的亮灭就取决于74HC595中的锁存信号；此外，在第一行LED管点亮的同时，再在74HC595中移入第二行需要显示的数据，随后将其锁存，同时由行扫描控制电路将第一行扫描管关闭而接通第二行，使第二行LED管点亮，以此类推，当第十六行扫描过后再回到第一行，这样，只要扫描速度足够高，就可形成一幅完整的文字或图像。

3 软件系统设计
    本系统的软件设计流程图如图5所示，该显示程序以常用的左移为例来进行设计。

4 结束语
    经过实际应用证明，本显示屏可以作为信息显示装置。用于公共场所来进行信息显示，而且具有工作稳定、字符清晰、亮度适中等特点。若所显示的信息较为简单，也可直接将信息代码拷入单片机中，还可以通过外扩储存器的方式来增加显示的信息量。