16x16LED漢字顯示電路的原理、組成及設(shè)計(jì)分析

LED顯示屏是八十年代后期在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素單元組成在面積顯示屏幕，有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、價(jià)格性能比高、使用成本低等特點(diǎn)。在短短的幾十年中，技術(shù)、產(chǎn)業(yè)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展成為重要的現(xiàn)代信息發(fā)布媒體手段，在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著社會(huì)信息化的進(jìn)程，LED顯示屏在信息顯示領(lǐng)域的應(yīng)用愈加寬廣。

目前LED顯示屏的種類越來越多，從使用場(chǎng)合及亮度考慮可分為室內(nèi)和室外屏，從掃描方式可分為動(dòng)態(tài)掃描顯示屏和靜態(tài)掃描顯示屏。室外使用的交通誘導(dǎo)屏，通常采用計(jì)算機(jī)同步控制的靜態(tài)掃描顯示，每個(gè)像素由幾個(gè)高亮的LED發(fā)光管組成，可做成多色或全色。其優(yōu)點(diǎn)在于播放的內(nèi)容信息量大，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，且由于采用靜態(tài)顯示，亮度高；其缺點(diǎn)是硬件電路復(fù)雜，成本高。室內(nèi)使用的由8x8LED點(diǎn)陣拼成的顯示屏也有同步和異步之分，同步控制顯示屏由計(jì)算機(jī)作為主控器，異步控制顯示屏的主控器可采用單片機(jī)。單片機(jī)控制的單色顯示屏由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，深受人們的喜愛。設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)用16x16點(diǎn)陣LED圖紋顯示屏，要求在目測(cè)條件下LED顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足，可顯示圖形和文字，顯示圖形或文字應(yīng)穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_。圖形或文字顯示有靜止、移入移出等顯示方式。

1 漢字顯示的基本原理

16x16的點(diǎn)陣共有256個(gè)發(fā)光二極管，用各個(gè)位的亮暗來表示一個(gè)字，凡是筆畫經(jīng)過的地方都為1（亮），沒有筆畫的地方都為0（暗），這樣就可以表示不同的漢字。從理論上說，不論顯示圖像還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個(gè)點(diǎn)所在位置相對(duì)應(yīng)的LED器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果，這種同時(shí)控制各個(gè)發(fā)光點(diǎn)亮滅的方法稱為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。在計(jì)算機(jī)中，所有的數(shù)據(jù)都是以0和1保存的，按不同的數(shù)據(jù)操作，可以得到不同的結(jié)果。而對(duì)于中文顯示操作，就是將ASCII表的高128個(gè)很少用到的數(shù)值以兩個(gè)為一組來表示漢字，即漢字的內(nèi)碼。這樣就可以用一組數(shù)字來表示漢字的內(nèi)碼，數(shù)字的各位信息來記載漢字的形狀，即：字模。只要將漢字的相應(yīng)字模信息文件存入ROM,形成漢字編碼；在使用時(shí)，先根據(jù)漢字編碼組成語(yǔ)句，添加到程序的相應(yīng)位置，即可顯示相應(yīng)的漢字。

2 硬件電路組成及工作原理

該LED漢字條屏采用以AT89C51單片機(jī)為核心芯片的電路來實(shí)現(xiàn)，主要由AT89C51芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、列掃描驅(qū)動(dòng)電路（74HC154）、16x16LED點(diǎn)陣5部分組成。其中，AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS型8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，能夠進(jìn)行1 000次寫/擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時(shí)間為10年。它是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。因此，在智能化電子設(shè)計(jì)與制作過程中經(jīng)常用到AT89C51芯片。

2.1 列驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

列驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595構(gòu)成。它具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)，而且一位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。

列驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。一個(gè)模塊有4片74HC595,8塊LED點(diǎn)陣，每一片74HC595限流電阻后接2塊LED點(diǎn)陣，圖中只畫出了部分電路。DATA IN和DATA OUT分別為模塊的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出，RCLR為74HC595移位寄存器信號(hào)索入輸出所存器的時(shí)鐘信號(hào)，CLK為同步時(shí)鐘。將模塊中前一片8位移位寄存器74HC595的數(shù)據(jù)輸出（07）與下一片的輸入（SER）相連接組成32位的串行數(shù)據(jù)鏈，每一位控制一列發(fā)光管，若顯示方式為1/16占空比的動(dòng)態(tài)掃描方式，則每一列控制16個(gè)方光管。當(dāng)74HC595的某一輸出引腳為低電平時(shí)，該列上對(duì)應(yīng)行掃描選中行的像素點(diǎn)亮。由于吸收電流的能力相對(duì)較強(qiáng)，且為動(dòng)態(tài)掃描，因此在74HC595的輸出腳上只需串接一個(gè)47 Ω的限流電阻而不需要再用列驅(qū)動(dòng)也能得到滿意的亮度效果。

圖1 列驅(qū)動(dòng)電路

2.2 行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用逐行掃描的方式，當(dāng)全部列信號(hào)準(zhǔn)備就緒后，控制信號(hào)鎖存器輸出，相應(yīng)的行信號(hào)應(yīng)同時(shí)跟上。由于采用點(diǎn)陣的行為共陽(yáng)極，行選的作用就是為待點(diǎn)亮行提供電源。8位移位寄存器方法的行選電路如圖2所示。該電路中LS為串行行選信號(hào)，MR為74HC164的清零信號(hào)，LCLK為行選同步時(shí)鐘。74HC164的輸出經(jīng)反相后控制三機(jī)管的導(dǎo)通與截止，從而分別控制第1行LINE1至第16行LINE16與電源接通。從極端情況來看，驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)滿足1行全部32個(gè)LED點(diǎn)亮的要求，盡管LED點(diǎn)陣要求單點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電流在10~20 mA,但由于采用1/16占空比的動(dòng)態(tài)掃描顯示方式，單個(gè)LED的瞬時(shí)電流即使未100mA,實(shí)際平均電流不到7 mA,因此驅(qū)動(dòng)電流大于3 A即可。供方部分應(yīng)采用達(dá)林頓管或開關(guān)管。

圖2 8位移位寄存器方法的行選電路

2.3 AT89C51單片機(jī)的外圍電路

單片機(jī)采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24 MHz或更高頻率的晶振，以獲得較高的刷新頻率，為了使顯示更穩(wěn)定。單片機(jī)的串口與列驅(qū)動(dòng)器相連，用來送顯示數(shù)據(jù)。P1口低四位與行驅(qū)動(dòng)器相連，送出行選信號(hào)；P1.5~P1.7口則用來發(fā)送控制信號(hào)。P0和P2口空著，在有必要時(shí)可以擴(kuò)展系統(tǒng)的ROM和RAM。

3 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

根據(jù)軟件分層次的系統(tǒng)應(yīng)用程序。顯示驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)向屏體送顯示數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)產(chǎn)生掃描信號(hào)和其他控制信號(hào)，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅(qū)動(dòng)程序由定時(shí)器T0中斷程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用程序完成系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置（初始化）、顯示效果處理等工作，由主程序來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

LED顯示屏硬件電路只要器件質(zhì)量可靠，引腳焊接正確，一般無(wú)需調(diào)試即可正常工作。軟件部分需要調(diào)試的主要有顯示屏刷新頻率及顯示效果兩部分。這個(gè)方案設(shè)計(jì)的16x16點(diǎn)陣LED圖文顯示屏，電路簡(jiǎn)單，成本較低，且較容易擴(kuò)展成更大的顯示屏；顯示屏各點(diǎn)亮度均勻、充足；顯示圖形或文字穩(wěn)定、清晰無(wú)串?dāng)_；可用靜止、移入移出等多種顯示方式顯示圖形或文字。