LED點(diǎn)陣電子顯示屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣電子顯示屏制作簡(jiǎn)單，安裝方便，被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)合，如汽車報(bào)站器、廣告屏以及公告牌等。本文介紹的是一種可用在值班室外等場(chǎng)合的公告牌的LED點(diǎn)陣電子顯示屏設(shè)計(jì)。公告內(nèi)容隨時(shí)可以更新，能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度和日期時(shí)間，并具有自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能。考慮到所需元器件的易購(gòu)性，本設(shè)計(jì)使用了8×8的點(diǎn)陣發(fā)光管模塊，組成16×64發(fā)光點(diǎn)陣，顯示待定的中文、字符以及數(shù)字。

方案論證
1 點(diǎn)陣顯示屏部分
方案一：串行方式顯示。這種方式可同時(shí)顯示4個(gè)16×l6點(diǎn)陣漢字或8個(gè)16×8點(diǎn)陣的漢字、字符或數(shù)字。點(diǎn)陣顯示屏每個(gè)單元由16個(gè)8×8點(diǎn)陣LED顯示模塊、行信號(hào)選擇譯碼器74HC138、驅(qū)動(dòng)器74HC245、數(shù)據(jù)移位寄存器74HC595和行驅(qū)動(dòng)器組成，如圖1所示。單元顯示屏可以接收控制器(主控制電路板)或上一級(jí)顯示單元模塊傳輸下來的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示屏可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的內(nèi)容。

圖1 串行方式顯示邏輯結(jié)構(gòu)框圖

此方案為點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)中比較常用的，所用器件也比較常用，容易買到。但是它存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是刷新速度不夠快。如果要驅(qū)動(dòng)64列點(diǎn)陣顯示，通用51單片機(jī)會(huì)比較吃力，出現(xiàn)比較嚴(yán)重的閃爍停滯現(xiàn)象。此外，要實(shí)現(xiàn)文字的左右移動(dòng)和調(diào)整移動(dòng)速度等功能，都會(huì)給軟件設(shè)計(jì)帶來較多困難。

方案二：并行方式顯示。可以通過鎖存器芯片來擴(kuò)展IO口，達(dá)到控制LED點(diǎn)陣的64個(gè)列線的目的。方案中運(yùn)用16片鎖存器74HC573來組成8組雙緩沖寄存器，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣的8組列線，用4/16譯碼器74HC595對(duì)LED點(diǎn)陣的16行進(jìn)行掃描。在送每一行的數(shù)據(jù)到LED點(diǎn)陣前，先把數(shù)據(jù)分別送到第一級(jí)的8個(gè)74HC573，然后再給第二級(jí)的8個(gè)74HC573送鎖脈沖，數(shù)據(jù)一起輸出到LED點(diǎn)陣列中，這樣就避免了各行數(shù)據(jù)顯示不同步問題。由于并行數(shù)據(jù)傳輸速度比串行快，所以字符閃爍的問題得到較好地解決，文字左右移動(dòng)也比較容易控制。綜上所述，本設(shè)計(jì)最終選擇了這個(gè)方案。

2 顯示屏控制部分
方案一：?jiǎn)螜C(jī)工作模式。采用一個(gè)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)所有功能，其中包括LED點(diǎn)陣顯示屏的刷新顯示、模式設(shè)定、時(shí)間讀取、溫度檢測(cè)，以及與上位機(jī)的通信等。只用一個(gè)單片機(jī)控制點(diǎn)陣顯示屏可以使電路大大減化，軟件設(shè)計(jì)方面也容易實(shí)現(xiàn)。但是，將所有功能集成在一起，一片AT89S52單片機(jī)處理能力是不夠的。此時(shí)，單片機(jī)的CPU內(nèi)部資源已顯不足，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功能欠佳，達(dá)不到較好的性能。

方案二：主從工作模式。采用主從單片機(jī)工作方式來控制整個(gè)系統(tǒng)。其中一個(gè)單片機(jī)用于控制LED點(diǎn)陣顯示，另外一個(gè)單片機(jī)用于擴(kuò)展鍵盤、串口與上位機(jī)通信、溫度測(cè)量、時(shí)間讀取等工作。相對(duì)單機(jī)工作方式，主從工作模式的處理能力大大提高，并且分工明確，執(zhí)行速度得到很大的提高。雖然硬件電路以及軟件設(shè)計(jì)方面要求相對(duì)高了一些，更涉及到主從單片機(jī)通信問題。但是，為了更好地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)，本設(shè)計(jì)采用了這種方案。

硬件電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的整體框圖如圖2所示。

圖2 LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)主控器電路
系統(tǒng)主控器電路如圖3所示，即為一單片機(jī)最小系統(tǒng)，外加擴(kuò)展槽與一些功能電路，通過鍵盤掃描來確定工作模式以及完成相關(guān)操作。還包括了時(shí)間芯片電路和溫度檢測(cè)電路，以及與上位機(jī)RS-232接口電路。

圖3 主控器電路

本設(shè)計(jì)采用的DS1302是具有涓細(xì)電流充電能力的電路，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃；測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使其非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

2 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)與控制電路
該電路主要將單片機(jī)發(fā)送來的輸出點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，通過鎖存器芯片擴(kuò)展的I0口，來控制LED點(diǎn)陣的64個(gè)列線端。本設(shè)計(jì)中用的是16片鎖存器74HC573來組成8組雙緩沖寄存器，驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣的8組列線，用4/16譯碼器74HC595對(duì)LED點(diǎn)陣的16行進(jìn)行掃描。在送每一行的數(shù)據(jù)到LED點(diǎn)陣前，先把數(shù)據(jù)分別送到第一級(jí)的8個(gè)74HC573，然后再給第二級(jí)的8個(gè)74HC573送一個(gè)鎖脈沖，將數(shù)據(jù)一起送到LED點(diǎn)陣的各列。

軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的軟件流程如圖4所示。

圖4 LED點(diǎn)陣顯示屏軟件流程

電路仿真與測(cè)試
1 點(diǎn)陣顯示屏的仿真與程序調(diào)試
Proteus7.2是一款比較常用的單片機(jī)仿真軟件，許多仿真實(shí)例與實(shí)際電路非常相似。為了盡可能確保實(shí)際電路能達(dá)到預(yù)期的效果，減少無用功，對(duì)許多電路模塊的方案進(jìn)行了仿真。對(duì)點(diǎn)陣顯示的處理與相應(yīng)程序設(shè)計(jì)，配合使用Proteus與Keil uvision2進(jìn)行仿真，旨在改善提高整機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件方案，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。

在點(diǎn)陣顯示方式的方案選擇上，通過不斷修改程序與串行電路接法后發(fā)現(xiàn)串行方式很難實(shí)現(xiàn)字幕的右移功能，調(diào)整字幕移動(dòng)的速度也不方便。經(jīng)過分析，決定試用并行方式顯示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種方式電路不算復(fù)雜，并且給程序設(shè)計(jì)帶來很多便利，特別是便于實(shí)現(xiàn)字幕的左右移動(dòng)與移動(dòng)速度的設(shè)定。本系統(tǒng)仿真電路如圖5所示。

圖5 Proteus仿真電路圖

2 整機(jī)測(cè)試
把編譯器生成的代碼HEX文件下載到單片機(jī)Flash中，連接好各個(gè)模塊，將LED點(diǎn)陣顯示屏的功能逐一測(cè)試實(shí)現(xiàn)。

結(jié)束語
本設(shè)計(jì)所要求的顯示漢字、字母和數(shù)字均已實(shí)現(xiàn)，并能控制文字的左右移動(dòng)及速度。同時(shí)，溫度與日期時(shí)間可以實(shí)時(shí)顯示，并且與上位機(jī)聯(lián)機(jī)通信成功。整機(jī)系統(tǒng)的硬件制作簡(jiǎn)便，難點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用并行方式顯示，并且采用主從單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)，這樣能夠大大減化軟件的編寫難度，容易實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能指標(biāo)。