基于单片机的LED点阵屏的研究与设计

电子商务　中国市场２０１７年第１５期（总第９３４期）　基于单片机的ＬＥＤ点阵屏的研究与设计　张波，丁乐　（苏州市职业大学　电子信息工程学院，江苏　苏州　２１５１０４）　［摘要］ＬＥＤ点阵屏诸多优点，在＂３今社会应用越来越广，市场前景广阔。文章深入研究分析了ＬＥＤ点阵屏的构成及　－工作原理，以ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２单片机为控制核心，通过两片７４ＨＣ１３８芯片构成４线一１６译码器进行行控制，通过八片　７４ＨＣ５９５串接以串入并出方式进行列控制，设计制作出了１６×６４点阵屏，并指出了点阵屏扩展方法和显示内容更新的方法。　实践证明本设计稳定可靠，性价比高，有很高的实用价值。　［关键词］点阵屏；扫描；串入并出；动态显示　『ＤＯＩ］１０．１３９３９／ｉ．ｃｎｋｉ．ｚｇｓｃ．２０１７．１５．２９０　１　引　言　ＬＥＤ点阵屏是一种文字符号与简单图形的显示器，具　有性价比高、寿命长、亮度高、易于控制、显示灵活多样、　传播距远…等许多优点，在现代社会被广泛应用。物流领　域、商铺、银行、证券市场、学校、体育馆、车站、码头、　公交车、火车等很多地方均能经常见到ＬＥＤ显示屏，且随　着社会信息化的进程，ＬＥＤ显示屏应用越来越广。　２　ＬＥＤ点阵构成及工作原理　ＬＥＤ点阵屏内部是由发光二极管构成。以简单的８×８　点阵屏为例。８　Ｘ　８点阵屏共有６４个发光二极管构成，每行　和每列的二极管数目者是８个，每个二极管都位于行和列的　交叉处。每行的二极管共阳（或共阴）连接后用一个引脚　引出，每列的二极管共阴（或共阳连接后也同样用一个引　脚引出。任意一个二极管要点亮，要它所在和行和列信号同　时有效才行。８×８点阵屏是一种很简单基础的点阵屏，但　用８×８点阵屏可很方便地组成其他类型的点阵屏　比如３２　×６４点阵屏，每行用８个８×８点阵屏，每列用４个８×８点　阵屏组合构成即可。　要显示一个符号，先分析出点阵上哪些二极管点亮可以　显示该符号。行信号控制：显示时选中一行，使要显示的那　－行信号有效，其他的行信号无效，这样只有选中的那一行　的二极管才有可能被点亮；列信号控制方法：根据选中行需　要点亮的二极管，配行行信号控制同进送出列信号，需要点　亮的二极管所在的列信号有效，不需要点亮的二极管列信号　无效（即不能点亮二极管），这样选中的那一行的需要点亮　的二极管就会被点亮。比如要点亮第二行位于第一列和第三　列的两个二极管，行信号使第二行的信号有效，其他行信号　无效，同时送出列信号，列信信号使第一列和第三列信号有　效，其他的列信号无效，这样第二行位于第一列和第三列的　两个二极管就被点亮了。选中某一行一－ｄ＂段时问后，接下来　选中下一行，同样的方法送出相应的列信号，每行都如此依　次显示，最后一行显示完了之后再显示第一行，循环进行。　虽然实际上每行是不同时间点亮的，但每行点亮的时间都极　短，比如每行点亮２毫秒，加上人眼视觉滞后现象，人们看　上去会感觉到需要点亮的二极管时是同时点亮的。每行点亮　的时间过长会有闪烁现象，点亮的时间过短亮度会影响发光　２０１７　５　亮度，所以要恰当控制每行点亮的时间。实现显示内空的移　动显示，实际上是把显示的内容移动的方向每移动ｔ－７，１作为　新的显示内容按照一定的时间间隔依次显示出来。比如时间　间隔１秒显示。要显示的内容显示１秒后，把显示的内容移　动一列作为新的显示内容下一秒显示。显示的内容移动一列　后行的控制方式不变，列信号控制方式也一样，只是每次送　出的内容和前一秒有所区别，是显示内容移动一列后对应的　编码。这种显示方式称之为行扫描，也就是任意时间段只有　某一行的二极管可能被点亮，列控制是送出该行显示对应的　数据。＿２　相应地，还有列扫描，控制时行和列的控制方式和　行扫描时对调一下。　３　ＳＴＣ１　５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２单片机及其他主要器件介绍　单片机种类很多，其中常用的８０Ｃ５１系列单片机都是在　Ｉｎｔｅｌ公司ＭＣＳ一５１基础上发展起来的。晶宏ＳＴＣＩ５Ｆ２Ｋ６０￥２　单片机是其ＳＴＣ１５系列单片机中的一种，是新一代的增强　型５１单片机。　ＳＴＣ１５单片机主要特点有：增强型５１内核，　单时钟机器周期，比传统的５１单片机快７～ｌ２倍；３个可　自动重载的１６位定时／计数器；两个全双工异步串行口　（ＵＡＲＴ）；３通道ＰＷＭ／可骗程计数器阵列／捕获／比较单元；　６０ＫＢ　Ｆｌａｓｈ程序存储器，１　ＫＢ　Ｆｌａｓｈ数据存储器，２０４８字节　的ＳＲＡＭ；８通信１Ｏ位ＡＤＣ；１个高速同步通信端Ｅｌ　ＳＰＩ；　最多达４２根Ｉ／Ｏ口线（看类型）；可编程时钟输出功能；　集成高可靠的硬件看门狗和上电复位电路；内部集成高精度　Ｒ／Ｃ电路，常温工作时不需要外接晶振。ＳＴＣＩ５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２单　片机为ＤＩＰ一４０封装，和普通双列直插的单片机一样也是　４０个引脚，但引脚分布和传统的５１单片机不同，不能直接　替换传统的５１单片机，替代时需按引脚功能外围重新布线。　７４ＨＣ５９５是８位串行输入，并行输出的芯片，８位并行　输出为三态输出，其传递延迟时间很短，支持高速串行连　接。在串行输入时钟信号ＳＣＫ上升延时，数据从串行数据　口输入一位到内部的八位位移缓存器，原来位移缓存器的最　后一位由串行数据输出端输出，这样设计可以很方便地实现　级联；平行输出缓存器的数据读取时钟信号ＬＣＫ上升延时，　八位平行输出缓存器会读取八位位移缓存器上的数据，从并　行输出端输出。　７４ＨＣ１３８是３线一８线译码器，输入端数据从Ｏ００—１１１　变化，八输出端中对应输出端低电平输出，其余为高电平，　张波，等：基于单片机的ＬＥＤ点阵屏的研究与设计　完成变量译码。利用使能端两片７４ＨＣ１３８可构成４线一１６　线译码器。Ｄ４９５３是驱动芯片，内部包括两个独立的、Ｐ沟　道金属氧化物场效应管，具有超低的导通电阻，适合用ＬＥＤ　显示屏和ＬＥＤ显示器驱动，也可用来做负载开关或者ＰＷＭ　开关。　电子商务　的代码），字模通常有专用的软件生成，也可人工编制，得　到的字模后存放到单片机内即可。要改变ＬＥＤ点阵显示的　内容，只需改变单片机读取到的字模就可以了。ＬＥＤ点阵　屏工作原理过程前面已叙述过。单片机４根Ｉ／Ｏ口线通过两　片７４ＨＣ１３８构成的４线一１６线译码器依次送行扫描信号，　经驱动芯片Ｄ４９５３加到点阵屏相应的行上，选中某一行时，　单片机控制八片７４ＨＣ５９５同时把对应的６４列信号并出，６４　４　１６　ｘ６４　ＬＥＤ点阵屏系统的设计　本文设计一个１６　ｘ　６４　ＬＥＤ可移动显示的点阵屏。以　位列信号在显示上一行时由单片机控制依次串入。移动显示　时，单片机控制把前一时间段显示的列信号内容移位后再以　同样的方法送出。　ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２单片机为控制核心。１６×６４　ＬＥＤ点阵屏，需　要行信号１６个，列信号６４个，显然单片机满足不了这个要　求，必须对Ｉ／Ｏ　１２１进行扩展。具体方法是，用两片７４ＨＣ１３８　构成４线一１６线译码器作为行控制信号，如图所示，这样　本例设计的是１６×６４　ＬＥＤ点阵屏，硬件电路不改动的　情况下，两个１６　ｘ　６４　ＬＥＤ点阵屏级联就可得到１６×１２８　ＬＥＤ点阵屏。要改变只是单片机每次要串出１２８个列信号。　行控制信号只需占用单片机４根Ｉ／Ｏ　Ｅｌ线。如果同时点亮　６４个发光二极管，需要的电流还是比较大的，７４Ｈ１３８的输　理论上能级联很多点阵屏，但实际级联的点阵屏受单片机串　出数据速度和串人并出芯片传送速度影响。级联多，单片机　出显然不能满足要求，引入驱动芯片Ｉ）４９５３解决这一问题。　列信号控制用７４ＨＣ５９５串入并出芯片，每个芯片控制８列，　６辱列需要８片７４ＨＣ５９５芯片。前一个７４ＨＣ５９５芯片的数据　串出数据速度可能跟不上，这也是本例选择ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２　的原因，当然也可选更好的处理器。改变变单片机字内字模　可让单片机读Ｕ盘、存储卡，也可通过Ｗｉ—Ｆｉ和蓝牙实现。　这样ＬＥＤ点阵屏显示内容更加丰富多彩，适用性更广。｜４　Ｊ　串行输出信号作为下一个７４ＨＣ５９５芯片的数据串行输入信　号，第一个７４ＨＣ５９５芯片的串行输入信号由单片机提供，　最后一芯片的串行输出可供给下一个级联用。所有的　７４ＨＣ５９５芯片串行输入时钟信号ＳＣＫ连在一起，平行输出　缓存器的数据撷取时钟信号ＬＣＫ也都连在一起，均有单片　机控制实现芯片同步动作。如下图引入八片７４ＨＣ５９５芯片　不考虑控制信号线时，单片机用１根Ｉ／Ｏ口线就可送６４列　５　结论　ＬＥＤ点阵屏性价比高，市场广阔，本设计性能可靠，　通用性强，实用价值高。研究内容为研究ＬＥＤ全彩屏打了　一个坚实的基础。　参考文献：　［１］陈亚男，田嘉欣，杜佳慧．基于单片机的ＬＥＤ电子显示屏　信号。　控制系统的设计［Ｊ］．中国市场，２０１６（６）：５６—５７．　［２］黄桂梅，刘永立．小型ＬＥＤ点阵屏实用软件设计与实现　［Ｊ］．计算机测量与控制，２０１ｌ，１９（１２）：３１６５—３１６８．　［３］刘成惠．基于ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机的ＬＥＤ点阵屏设计　［Ｊ］．科技经济市场，２０１６，２０（２）：３５—３７．　［４］卢超，徐安娜，曹煜琪，等．基于蓝牙技术的ＬＥＤ阵屏显　示系统的设计与实现［Ｊ］．陕西理工学院学：自然科学版，２０１５，　３１（１）：３１—３６．　［基金项目】苏州市科技计划项目（项目编号：ＳＳ２０１５２０）；苏　７４ＨＣ５９５串接串入并出实现列控制　州市职业大学研究性课程教改项目（项目编号：ＳＺＤＫＹＣ１６０７０１）。　［作者简介］张波（１９７９一），男，汉族，湖北枣阳人，硕士，　ＳＴＣ１５Ｆ２Ｋ６０Ｓ２单片机负责读取字模（显示字符所需要　副教授。研究方向：智能控制技术。　２０］７．５脑