LED点阵屏显示单元的设计与驱动控制*

2010-12-21王浩然秦会斌

电子器件 2010年5期

王浩然，秦会斌

(杭州电子科技大学电子信息学院，杭州 310018)

LED点阵显示屏由于其控制方便，使用寿命长，易于搭建且搭建成本低，广泛应用于商场，火车站，商业广告和信号指示牌之中。一定尺寸的LED点阵屏都是由多个显示单元拼接构成，本文详细介绍了一种通用的LED点阵屏显示单元的设计及其驱动控制。

1 系统整体设计概述

系统原理框图如图1所示。由图1可知， PC机从上位机软件发送指令和数据，通过串口RS232将数据传输到单片机，单片机对行驱动和列驱动发出控制命令，对LED点阵屏进行相应的控制。外部时钟电路可以用来读取显示的时间，外部存期器件用于存储LED点阵屏的输出数据，在进行控制操作时，单片机可直接从此读取数据，可脱机进行显示控制。通过按键不需经过PC机可对LED点阵屏进行简单的人机交互。

图1 系统整体方框图

2 系统硬件电路设计

系统硬件主要划分为两大部分：LED点阵屏接口电路，构建显示单元及其驱动电路；基于单片机mega16的控制系统，用于完成数据接收和控制LED点阵屏。

2.1 LED点阵屏接口电路

图2是8×8 LED点阵显示屏的内部结构图，四个8×8点阵可以构成一个16×16的点阵屏，用于显示汉字。8×8点阵屏显示原理是利用行列导通其中的LED的而控制64个LED的亮灭。图2中所示，如果想要行1和列1 的LED亮，只需要行1通高电平，列1低电平即可。 LED显示屏幕就是依靠这样的选取行列进行各类图形文字的变换。

图2 行共阳8x8LED点阵内部结构图

图4 为LED点阵条屏的连接方式，上下半屏8×8点阵的行线各自连接在一起构成一个系统。此系统采用行扫描方式，使用两个3线-8线译码器74HC138来分别驱动点阵的上8行和下8行。在点阵屏幕不大的情况下，一般的单片机可以直接驱动点阵LED的亮灭，但是考虑扩展为大屏幕尺寸时，那么单片机的I/O口不足以提供足够的驱动电流，如图 3 所示，可在74HC138和点阵的行接口接上一个PNP型8550三极管开关电路用来提供足够的电流，当74HC138发出低电平时，三极管Q导通， LED_H输出高电平。此时I/O口只需要提供几毫安的灌入电流即可控制其通断，如果需要扩展屏幕，只需要将扩展的上下半屏LED点阵的行各自共联到74HC138即可。

图3 外接PNP三极管8550图

图4 LED点阵接口图

本系统采用74HC595锁存器来对列线进行驱动控制，其带有2级锁存移位输出功能。如图3所示， LED点阵的列线接到74HC595的8位并行输出口上，由单片机控制数据的输出，利用74HC595 的锁存输出功能，电路共用同一个移位时钟SCK和数据锁存时钟RCK，可级联多片74HC595以构成更大LED点阵屏的列驱动电路。此结构还可在75HC595的使能端通过PWM波进行灰度调节。

2.2 Mega16控制电路

主控制器主要是采用8 bit AVR单片机Mega16及其外围电路来进行控制，主要器件接口如图5所示。 Mega16带有四组32个I/O口，它的时钟频率可跑到16 MHz，可满足系统控制的数据处理速度。控制电路的主要功能就是对LED接口进行扫描控制，发出移位SCK时钟信号和数据锁存RCK时钟信号到74HC595上，依照相应的时序对74HC595发送汉字数据，同时对74HC138进行行选控制。电路外加一个74HC245芯片用以提高单片机对负载的驱动能力。PC机通过串口和Mega16 进行通信，外部存储器选用 Microchip公司的24C256 串行存储器， 256 K容量方便以后将汉字库固化在里面，需要显示的字只需要查询存储器就能提取相应的字模数据。同时加上DS1302时钟芯片，可以提取2100年前的年月日等时间数值，以提供需要。

图5 控制器电路图

3 程序设计

程序设计主要包括三部分：主程序，串口中断程序，显示子程序。首先进入主程序，初始化单片机，如果串口有数据输入，则会进入串口中断程序接收数据。单片机在接收完数据后会进入显示子程序，输出相应的数据到LED的行列驱动。图6为三部分的程序流程图。

图6 程序流程图

4 总结

图7中的显示部分就是10个16×16点阵级联而成的显示屏。此结构通用性强，依靠软件可以实现汉字上下左右移动等功能，而不需在LED显示单元的硬件上做任何改动。在显示效果上，可根据需求更改单片机上的控制程序即可，大大加强了系统的稳定性和实用性。经实践测试，此种结构，用一片8位单片机，在16MHz下，至少能驱动32 ×160个点，没有抖屏现象。如果程序使用汇编语言，速度将得到很大的提升，能驱动更多点。