LED点阵电子显示屏控制设计

LED点阵电子显示屏控制设计
摘要
该LED点阵电子显示屏基于串并转换动态扫描技术，以微控制器为核心，辅以必要的外围电路设计而成，本设计主要由单片机控制电路，LED点阵电子显示屏驱动电路等模块组成。

利用字模生成软件生成字符代码存入单片机系统，通过相应的程序控制，利用串行输出方式将字符代码数据送入LED点阵电子显示屏驱动电路，列驱动电路进行串并转换后将字符代码数据送给各列，同时译码电路进行行扫描。

如此逐行循环扫描，从而实现字符显示。

关键词微控制器/AT89S51/74HC595/74HC244/点阵显示屏
DESIGN OF LED DOT-MATRIX ELECTRONIC
DISPLAY SCREEN CONTROL
ABSTRACT
the electronic display of LED dot-matrix based on dynamic scanning technique and conversion string to micro controller unit(MCU) for the core, with the necessary peripheral circuit design and become, this design consists of single-chip microcomputer control circuit module, LED dot-matrix electronic display screen drive circuit module and so on, Using word-model generation software generated character code deposited in the single-chip computer systems, through the corresponding program control, using the serial output way send character code data into LED dot-matrix electronic display driver circuit, Column drive circuit send character code data to each line after serial-parallel converting, at the same time. The decoding circuit line by line scans. Scan circularly to realize the character display line by line.
KEY WORDS micro control unit(MCU)，AT89S51，74HC595，74HC244，Dot-matrix display screen
目录
摘要 (I)
ABSTRACT ................................................................................................ I I 1 绪论 (1)
1.1 问题提出 (1)
1.2 课题背景 (2)
1.3 单片机的发展 (2)
1.4 单片机的分类 (3)
2 LED点阵显示屏显示原理及控制方式分析 (5)
2.1 LED点阵显示屏 (5)
2.2 LED点阵显示屏动态显示原理 (6)
2.3 LED点阵显示屏常见的控制方式 (7)
3 系统整体设计方案的选择 (9)
3.1 主控单元的选择 (9)
3.2 显示模块的选择 (9)
3.3 驱动电路的选择 (9)
4 系统硬件电路的设计 (11)
4.1 单片机系统及外围电路 (11)
4.2 列驱动电路 (11)
4.3 行驱动电路 (15)
4.3.1 四线十六线译码器74HC154 (15)
4.3.2 三态门74HC245 (16)
4.3.3 行驱动器图 (18)
4.4 LED点阵块结构及点阵屏 (18)
4.5 系统整体电路图 (20)
5 点阵字模生成原理与方法 (21)
5.1 汉字字模码 (21)
5.2 字模生成原理 (21)
5.3 字模提取程序 (23)
6 系统程序的设计 (25)
7 电路电子仿真与测试 (26)
7.1 Proteus软件简介 (26)
7.2 点阵显示屏的仿真与程序调试 (26)
7.3 整机测试 (27)
8 系统调试 (28)
8.1 硬件调试 (28)
8.2 软件调试 (28)
结束语 (29)
致谢 (30)
参考文献 (31)
附录1：实物图 (32)
附录2：原理图 (33)
附录3：元器件清单 (34)
附录4：源程序 (35)
1 绪论
1.1 问题提出
LED是发光二极管英文Light Emitting Diode的简称，是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代，随着半导体材料合成技术，单晶制造技术和P-N 结形成技术的研究进展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高并迅速进入批量化和实用化。

进入八十年代后，LED在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品即LED显示屏。

LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。

它是集微电子技术、光电子技术、计算机技术、信息处理技术于一体的显示系统。

是目前国际上极为先进的显示媒体。

LED显示屏分为数码显示屏，图文显示屏和视屏显示屏，均由LED矩阵块组成，LED数码显示屏的显示器件分为7段数码管，适于制作时钟屏、利率屏、显示数字的电子显示屏等。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视屏显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画，录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的，这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。

LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。

随着LED显示屏在广告传媒领域逐渐崭露头角，其控制系统也如雨后春笋，层出不穷。

[1]由于它的控制系统均是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机在其中也占有一席之地。

但是，LED显示屏控制较复杂，特别是对于显示特殊效果，如循环移动、覆盖霓虹灯效果，要求处理器运算速度快，执行效率高，所以很多控制卡生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计。

这样做虽然一定程度上提高数据处理速度，但是并不能完全满足所有显示效果要求，而且开发和产品成本也会随之成倍增加，甚至由于其设计不当可能在显示时出现抖动、闪烁、重影等现象。

归根结底，LED显示屏控制卡的设计中硬件是一方面因素，同时还要考虑到显示数据组织方式，通过软硬件结合的方法才能设计出一款性价比较高的控制卡。

本设计提出基于普通51系列单片机
实现LED显示屏控制的原理及方法。

1.2 课题背景
LED 显示屏在我国的发展可分为以下几个阶段：
第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。

用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。

第二阶段为1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视屏显示屏。

视屏控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等技术的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。

LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业研发并得以应用。

第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED发光二极管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。

随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。

为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。

在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运会期间作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。

1.3 单片机的发展
单片机自20世纪70年代问世以来，以极其高的性价比受到人们的重视和关注，所以应用很广泛，发展很快。

单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

正因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。

近年来，单片机已成为科技领域的有力工具，人类社会生活的得力助手，它的广泛应用，不仅仅
体现在工业控制、机电应用、智能仪表、实时控制、航空航天、尖端武器等行业和领域的智能化、高精度化，而且在人类日常生活中也随处可见它的身影。

单片机经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

（1）SCM单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片机形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。

（2）MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。

从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。

在发展MCU方面，最著名的厂家当属Philips公司。

Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MSC-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。

因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Philips的历史功绩。

（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；[2]因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展，因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机，单片微控制器延伸到应用系统。

目前单片机正朝着高性能和多种类方向发展，其趋势将进一步向着COMS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展，其功能也将越来越丰富，速度也越来越快，甚至有些方面并不逊于ARM或DSP。

我们可以开发利用单片机系统以获得更高的经济效益。

更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。

以前采用硬件电路实现的大部分功能，正在用单片机通过软件方法来实现。

这种以软硬件结合或取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。

1.4 单片机的分类
单片机可以从以下几个方面分类。

（1）按应用领域可分为：家电类、工控类、通信类和个人信息终端类等；（2）按通用性可分为：通用性和专用型；
（3）按总线结构可分为：总线型和非总线型；
（4）按指令运行的振荡周期可分：标准型和改进型。

2 LED点阵显示屏显示原理及控制方式分析
2.1 LED点阵显示屏
（1）按颜色基色可以分
单基色显示屏:单一颜色（红色或绿色）。

双基色显示屏：红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。

全彩色显示屏：红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种颜色。

（2）按显示器件分类
LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。

LED点阵图文显示屏：显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。

LED视频显示屏：显示器件是由许多发光二极管组成，可以显示视频、动画等各种视频文件。

（3）按使用场合分类
室内显示屏：发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般几至十几平方米。

室外显示屏：面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。

（4）按发光点直径分类
室内屏：Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm。

室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ20mm、Φ21mm、Φ22mm、Φ26mm。

室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封在一个塑料筒内共同发。

（5）显示方式有静态、横向滚动、垂直滚动和翻页显示等。

单块模块控制驱动12块（最多可控制24块）8X8点阵，共16X48点阵（或32X48点阵），是单块MAX7219（或PS7219、HD7279、ZLG7289及8279等类似LED显示驱动模块）的12倍（或24倍）！可采用“级联”的方式组成任意点阵大显示屏。

显示效果好，功耗小，且比
采用MAX7219电路的成本更低。

（6）LED显示屏检验方法
①看屏体规格，外观，平整度，屏内的连线等。

②看屏点亮后坏点，在不在不范围之内，（一般来说现在的屏基本上没有了）色差一致性，显示文字是否正常，显示屏图片等，全彩的要全屏打白色，红，绿，蓝。

2.2 LED点阵显示屏动态显示原理
LED点阵显示系统中各模块的显示方式：有静态和动态显示两种。

静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。

将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。

最典型的例子就是电影放映机。

在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。

以8×8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。

在图2-1中，水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。

相邻两行线间绝缘。

同样，竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。

则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。

比如，Y7为1，X0为0，则右下角的LED点亮。

再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。

现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。

其过程如图2-1所示。

图2-1 字符“B”的过程图
2.3 LED点阵显示屏常见的控制方式
目前常见的是并行传输方式，通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。

此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。

[3]但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。

每增加一个16×16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。

再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。

并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。

成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。

因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏。

随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。

因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。

不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。

（1）以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。

因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。

对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。

除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。

这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。

因此，8051控
制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。

（2）以PIC单片机为控制器的LED显示屏。

因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。

作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。

因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。

（3）以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。

FPGA以高速、并行著称。

是近年来新兴的可编程逻辑器件。

用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。

因此被运用于双基色、三基色的显示系统。

但是其成本较高，开发难度较大。

（4）以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。

ARM 有着极高的指令效率，极高的时钟频率。

因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。

在条屏的运用中，能用ARM 来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。

ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。

因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

3 系统整体设计方案的选择
3.1 主控单元的选择
方案一：用可编程控制器PLC做主控芯片，PLC具有强大的逻辑运算和控制能力，运算速度快，但价格比较高，增加了整个系统的成本，且布线麻烦。

方案二：采用AT89S51单片机做主控芯片，AT89S51单片机具有价格低、编程灵活和布线简单等特点，降低了整个系统的成本，而且支持在线编程，缩短了开发周期。

通过以上对比，本设计采用第二种方案。

3.2 显示模块的选择
方案一:采用列扫描，3*16*16的点阵模块要扫描96次。

而想让点阵模块不出现闪烁现象，必须要让显示频率高于50HZ，也就是说显示完所有小灯的时间不长于20ms,3*16*16点阵模块显示完一次要扫描96次，显示一次需要的时间比较长，因此不宜采用此方案。

方案二：采用行扫描，3*16*16的点阵模块，只需扫描16次就可以显示完一次所需要的时间比较少，故采用此方案。

3.3 驱动电路的选择
方案一：把行引脚直接接到单片机的I/O口上，但如果点阵做的比较长时，占用I/O口较多，而且随着点阵长度的增加而增加，所以不宜采用此方案。

方案二：列驱动利用74HC595移位寄存器采用串入并出的方法，行驱动利用74HC154四线十六线译码器提供行选通信号，74HC245驱动即可满足要求。

通过以上对比，本设计采用第二种方案。

根据本设计任务所规定的功能要求，该设计以AT89S51单片机为控制核心，显示电路采用动态扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。

[4]由四线十六线译码器74HC154给出的行选通信号，从第一行开始，按顺序依次对各行进行扫描（把该行与电源的另一端接通）。

另一方面，根据各列锁存的数据，确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。

接通的列就在该行该列点亮相应的LED；未接通的列所对应的LED熄灭。

当一行的扫描持续时间结束后，
下一行又以同样的方法进行显示。

全部各列都扫描过一遍之后（一个扫描周期），又从第一行开始下一个周期扫描。

只要一个扫描周期的时间比人眼1／25秒的暂留时间短，就不容易感觉出闪烁现象，就可以在显示屏上得到稳定的图形或文字。

该方法能驱动较多的LED，控制方式灵活，而且节省单片机的资源。

显示数据传输采用串行传输的方式，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。

但串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输给列驱动器，只有当一行的列数据都已传输到位之后，这一行的各列数据才能并行地进行显示。

对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以致于影响到LED的亮度。

采用串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾，可以采用重叠处理的方法。

即在显示本行各列数据的同时，传输下一列的数据。

为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要有锁存功能。

对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能。

这样本行已准备好的数据打入并锁存器进行显示时，串行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。

系统框图如图3-1所示。

图3-1 系统框图
4 系统硬件电路的设计
硬件电路主要由单片机系统及外围电路、列驱动电路行驱动电路、LED点阵显示屏四部分组成。

4.1 单片机系统及外围电路
单片机采用AT89S51和更高的频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使得显示更稳定。

[5]单片机P2口的低四位与四线十六线译码器74HC154相连接，用来作行显示信号线，单片机P2口的高四位与六片级联的74HC595相连接，用来作列显示信号线。

单片机的P0、P1、P3口空着，在有必要的时候，可以扩展系统的ROM和RAM。

单片机系统及外围电路图如图4-1所示。

图4-1 单片机系统及外围电路图
4.2 列驱动电路
列驱动电路有集成电路74HC595构成。

它具有8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器结构，而且移位寄存器和输出锁存器的触发脉冲信号都时各自独立的，可以在显示本行各列数据的同时，传输下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。

74HC595的外形及引脚如图4-2所示。

图4-2 74HC595的外形及引脚图
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。

引脚SI是串行数据的输入端。

引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿将发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。

移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。

RCK是输出锁存器的打入信号，在其上升沿将移位寄存器的输出数据打入输出锁存器。

引脚OE是输出三态门的开放信号，只有当其为低电平时输出锁存器才开放，否则三态门为高阻态。

引脚SCLR是移位寄存器的清0输入端，当其为低电平时移位寄存器的输出全为0。

由于SCK和RCK两个信号是相互独立的，所以能够做到输入串行移位和输出锁存器互不干扰。

芯片的输出端为QA-QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。

但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH'，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。

其引脚说明如表4-1所示。

表4-1 引脚说明
其真值表如表4-2所示。

表4-2 真值表其时序图如图4-3所示。

图4-3 时序图
列驱动器图如图4-4所示。

图4-4 列驱动器图
4.3 行驱动电路
单片机的P2口的低四位输出的信号经四线十六线译码器74HC154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行信号线。

一条行信号线上要驱动48列的LED进行显示，需要引入电流驱动器，根据该系统的电流需求，选用74HC245三态门即可满足要求。

4.3.1 四线十六线译码器74HC154
74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。

[6]74HC154的两个输入使能门电路可用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。

该使能门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。

任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。

当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。

74154这种单片4 线—16 线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。

当两个选通输入G1 和G2 为低时,它可将4 个二进制编码的输入译成16 个互相独立的输出之一。

其外形及引脚图4-5所示。

图4-5外形及引脚图
其真值表如表4-3所示。

表4-3真值表
4.3.2 三态门74HC245
总线驱动器，典型的TTL型三态缓冲门电路。

由于单片机等CPU的数据／地址／控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器另外，也可以使用74HC244等其他电路，74HC244比74HC245多了锁存器。

三态门74HC245引脚图如图4-6所示。

图4-6 74HC245引脚图
第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入。