張波+丁樂

[摘 要]LED點(diǎn)陣屏諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用越來越廣，市場前景廣闊。文章深入研究分析了LED點(diǎn)陣屏的構(gòu)成及工作原理，以STC15F2K60S2單片機(jī)為控制核心，通過兩片74HC138芯片構(gòu)成4線-16譯碼器進(jìn)行行控制，通過八片74HC595串接以串入并出方式進(jìn)行列控制，設(shè)計(jì)制作出了16×64點(diǎn)陣屏，并指出了點(diǎn)陣屏擴(kuò)展方法和顯示內(nèi)容更新的方法。實(shí)踐證明本設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高，有很高的實(shí)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]點(diǎn)陣屏；掃描；串入并出；動(dòng)態(tài)顯示

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.15.290

1 引 言

LED點(diǎn)陣屏是一種文字符號(hào)與簡單圖形的顯示器，具有性價(jià)比高、壽命長、亮度高、易于控制、顯示靈活多樣、傳播距遠(yuǎn)[1]等許多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代社會(huì)被廣泛應(yīng)用。物流領(lǐng)域、商鋪、銀行、證券市場、學(xué)校、體育館、車站、碼頭、公交車、火車等很多地方均能經(jīng)常見到LED顯示屏，且隨著社會(huì)信息化的進(jìn)程，LED顯示屏應(yīng)用越來越廣。

2 LED點(diǎn)陣構(gòu)成及工作原理

LED點(diǎn)陣屏內(nèi)部是由發(fā)光二極管構(gòu)成。以簡單的8×8點(diǎn)陣屏為例。8×8點(diǎn)陣屏共有64個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，每行和每列的二極管數(shù)目者是8個(gè)，每個(gè)二極管都位于行和列的交叉處。每行的二極管共陽（或共陰）連接后用一個(gè)引腳引出，每列的二極管共陰（或共陽連接后也同樣用一個(gè)引腳引出。任意一個(gè)二極管要點(diǎn)亮，要它所在和行和列信號(hào)同時(shí)有效才行。8×8點(diǎn)陣屏是一種很簡單基礎(chǔ)的點(diǎn)陣屏，但用8×8點(diǎn)陣屏可很方便地組成其他類型的點(diǎn)陣屏。比如32×64點(diǎn)陣屏，每行用8個(gè)8×8點(diǎn)陣屏，每列用4個(gè)8×8點(diǎn)陣屏組合構(gòu)成即可。

要顯示一個(gè)符號(hào)，先分析出點(diǎn)陣上哪些二極管點(diǎn)亮可以顯示該符號(hào)。行信號(hào)控制：顯示時(shí)選中一行，使要顯示的那一行信號(hào)有效，其他的行信號(hào)無效，這樣只有選中的那一行的二極管才有可能被點(diǎn)亮；列信號(hào)控制方法：根據(jù)選中行需要點(diǎn)亮的二極管，配行行信號(hào)控制同進(jìn)送出列信號(hào)，需要點(diǎn)亮的二極管所在的列信號(hào)有效，不需要點(diǎn)亮的二極管列信號(hào)無效（即不能點(diǎn)亮二極管），這樣選中的那一行的需要點(diǎn)亮的二極管就會(huì)被點(diǎn)亮。比如要點(diǎn)亮第二行位于第一列和第三列的兩個(gè)二極管，行信號(hào)使第二行的信號(hào)有效，其他行信號(hào)無效，同時(shí)送出列信號(hào)，列信信號(hào)使第一列和第三列信號(hào)有效，其他的列信號(hào)無效，這樣第二行位于第一列和第三列的兩個(gè)二極管就被點(diǎn)亮了。選中某一行一小段時(shí)間后，接下來選中下一行，同樣的方法送出相應(yīng)的列信號(hào)，每行都如此依次顯示，最后一行顯示完了之后再顯示第一行，循環(huán)進(jìn)行。雖然實(shí)際上每行是不同時(shí)間點(diǎn)亮的，但每行點(diǎn)亮的時(shí)間都極短，比如每行點(diǎn)亮2毫秒，加上人眼視覺滯后現(xiàn)象，人們看上去會(huì)感覺到需要點(diǎn)亮的二極管時(shí)是同時(shí)點(diǎn)亮的。每行點(diǎn)亮的時(shí)間過長會(huì)有閃爍現(xiàn)象，點(diǎn)亮的時(shí)間過短亮度會(huì)影響發(fā)光亮度，所以要恰當(dāng)控制每行點(diǎn)亮的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)顯示內(nèi)空的移動(dòng)顯示，實(shí)際上是把顯示的內(nèi)容移動(dòng)的方向每移動(dòng)一列作為新的顯示內(nèi)容按照一定的時(shí)間間隔依次顯示出來。比如時(shí)間間隔1秒顯示。要顯示的內(nèi)容顯示1秒后，把顯示的內(nèi)容移動(dòng)一列作為新的顯示內(nèi)容下一秒顯示。顯示的內(nèi)容移動(dòng)一列后行的控制方式不變，列信號(hào)控制方式也一樣，只是每次送出的內(nèi)容和前一秒有所區(qū)別，是顯示內(nèi)容移動(dòng)一列后對(duì)應(yīng)的編碼。這種顯示方式稱之為行掃描，也就是任意時(shí)間段只有某一行的二極管可能被點(diǎn)亮，列控制是送出該行顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。[2]相應(yīng)地，還有列掃描，控制時(shí)行和列的控制方式和行掃描時(shí)對(duì)調(diào)一下。

3 STC15F2K60S2單片機(jī)及其他主要器件介紹

單片機(jī)種類很多，其中常用的80C51系列單片機(jī)都是在Intel公司MCS-51基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。晶宏STC15F2K60S2單片機(jī)是其STC15系列單片機(jī)中的一種，是新一代的增強(qiáng)型51單片機(jī)。[3]STC15單片機(jī)主要特點(diǎn)有：增強(qiáng)型51內(nèi)核，單時(shí)鐘機(jī)器周期，比傳統(tǒng)的51單片機(jī)快7～12倍；3個(gè)可自動(dòng)重載的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；兩個(gè)全雙工異步串行口（UART）；3通道PWM/可騙程計(jì)數(shù)器陣列/捕獲/比較單元；60KB Flash程序存儲(chǔ)器，1KB Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2048字節(jié)的SRAM；8通信10位ADC；1個(gè)高速同步通信端口SPI；最多達(dá)42根I/O口線（看類型）；可編程時(shí)鐘輸出功能；集成高可靠的硬件看門狗和上電復(fù)位電路；內(nèi)部集成高精度R/C電路，常溫工作時(shí)不需要外接晶振。STC15F2K60S2單片機(jī)為DIP-40封裝，和普通雙列直插的單片機(jī)一樣也是40個(gè)引腳，但引腳分布和傳統(tǒng)的51單片機(jī)不同，不能直接替換傳統(tǒng)的51單片機(jī)，替代時(shí)需按引腳功能外圍重新布線。

74HC595是8位串行輸入，并行輸出的芯片，8位并行輸出為三態(tài)輸出，其傳遞延遲時(shí)間很短，支持高速串行連接。在串行輸入時(shí)鐘信號(hào)SCK上升延時(shí)，數(shù)據(jù)從串行數(shù)據(jù)口輸入一位到內(nèi)部的八位位移緩存器，原來位移緩存器的最后一位由串行數(shù)據(jù)輸出端輸出，這樣設(shè)計(jì)可以很方便地實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)；平行輸出緩存器的數(shù)據(jù)讀取時(shí)鐘信號(hào)LCK上升延時(shí)，八位平行輸出緩存器會(huì)讀取八位位移緩存器上的數(shù)據(jù)，從并行輸出端輸出。

74HC138是3線-8線譯碼器，輸入端數(shù)據(jù)從000—111變化，八輸出端中對(duì)應(yīng)輸出端低電平輸出，其余為高電平，完成變量譯碼。利用使能端兩片74HC138可構(gòu)成4線-16線譯碼器。D4953是驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包括兩個(gè)獨(dú)立的、P溝道金屬氧化物場效應(yīng)管，具有超低的導(dǎo)通電阻，適合用LED顯示屏和LED顯示器驅(qū)動(dòng)，也可用來做負(fù)載開關(guān)或者PWM開關(guān)。

4 16×64 LED點(diǎn)陣屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)16×64 LED可移動(dòng)顯示的點(diǎn)陣屏。以STC15F2K60S2單片機(jī)為控制核心。16×64 LED點(diǎn)陣屏，需要行信號(hào)16個(gè)，列信號(hào)64個(gè)，顯然單片機(jī)滿足不了這個(gè)要求，必須對(duì)I/O口進(jìn)行擴(kuò)展。具體方法是，用兩片74HC138構(gòu)成4線-16線譯碼器作為行控制信號(hào)，如圖所示，這樣行控制信號(hào)只需占用單片機(jī)4根I/O口線。如果同時(shí)點(diǎn)亮64個(gè)發(fā)光二極管，需要的電流還是比較大的，74H138的輸出顯然不能滿足要求，引入驅(qū)動(dòng)芯片D4953解決這一問題。列信號(hào)控制用74HC595串入并出芯片，每個(gè)芯片控制8列，64列需要8片74HC595芯片。前一個(gè)74HC595芯片的數(shù)據(jù)串行輸出信號(hào)作為下一個(gè)74HC595芯片的數(shù)據(jù)串行輸入信號(hào)，第一個(gè)74HC595芯片的串行輸入信號(hào)由單片機(jī)提供，最后一芯片的串行輸出可供給下一個(gè)級(jí)聯(lián)用。所有的74HC595芯片串行輸入時(shí)鐘信號(hào)SCK連在一起，平行輸出緩存器的數(shù)據(jù)擷取時(shí)鐘信號(hào)LCK也都連在一起，均有單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)芯片同步動(dòng)作。如下圖引入八片74HC595芯片不考慮控制信號(hào)線時(shí)，單片機(jī)用1根I/O口線就可送64列信號(hào)。

74HC595串接串入并出實(shí)現(xiàn)列控制

STC15F2K60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取字模（顯示字符所需要的代碼），字模通常有專用的軟件生成，也可人工編制，得到的字模后存放到單片機(jī)內(nèi)即可。要改變LED點(diǎn)陣顯示的內(nèi)容，只需改變單片機(jī)讀取到的字模就可以了。LED點(diǎn)陣屏工作原理過程前面已敘述過。單片機(jī)4根I/O口線通過兩片74HC138構(gòu)成的4線-16線譯碼器依次送行掃描信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片D4953加到點(diǎn)陣屏相應(yīng)的行上，選中某一行時(shí)，單片機(jī)控制八片74HC595同時(shí)把對(duì)應(yīng)的64列信號(hào)并出，64位列信號(hào)在顯示上一行時(shí)由單片機(jī)控制依次串入。移動(dòng)顯示時(shí)，單片機(jī)控制把前一時(shí)間段顯示的列信號(hào)內(nèi)容移位后再以同樣的方法送出。

本例設(shè)計(jì)的是16×64 LED點(diǎn)陣屏，硬件電路不改動(dòng)的情況下，兩個(gè)16×64 LED點(diǎn)陣屏級(jí)聯(lián)就可得到16×128 LED點(diǎn)陣屏。要改變只是單片機(jī)每次要串出128個(gè)列信號(hào)。理論上能級(jí)聯(lián)很多點(diǎn)陣屏，但實(shí)際級(jí)聯(lián)的點(diǎn)陣屏受單片機(jī)串出數(shù)據(jù)速度和串入并出芯片傳送速度影響。級(jí)聯(lián)多，單片機(jī)串出數(shù)據(jù)速度可能跟不上，這也是本例選擇STC15F2K60S2的原因，當(dāng)然也可選更好的處理器。改變變單片機(jī)字內(nèi)字?？勺寙纹瑱C(jī)讀U盤、存儲(chǔ)卡，也可通過Wi-Fi和藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。這樣LED點(diǎn)陣屏顯示內(nèi)容更加豐富多彩，適用性更廣。[4]

5 結(jié) 論

LED點(diǎn)陣屏性價(jià)比高，市場廣闊，本設(shè)計(jì)性能可靠，通用性強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值高。研究內(nèi)容為研究LED全彩屏打了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]盧超，徐安娜，曹煜琪，等.基于藍(lán)牙技術(shù)的LED陣屏顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)：自然科學(xué)版，2015，31（1）：31-36.