摘要：設計一種基于單片機的大屏幕LED顯示屏控制系統(tǒng)，由單片機、串行通信電路、存儲器電路、顯示屏及行列驅動電路組成。廣泛應用于商場、學校、銀行、郵局、機場、車站、碼頭、金融證券市場、文化中心等公共場所進行廣告、新聞和信息發(fā)布，可顯示M行N列漢字、字符、數字和圖片，可實現(xiàn)上下、左右移動等顯示方式。采用模塊化結構設計，擴展容易，操作方便、使用靈活。詳細介紹了控制系統(tǒng)設計方法，并給出了系統(tǒng)仿真運行結果。經實際應用表明，穩(wěn)定可靠，效果良好。
關鍵詞：大屏幕LED顯示屏；點陣模塊；控制電路設計；模塊化結構

0 引言
    LED顯示屏以其可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強、性價比高、操作方便靈活、用戶可隨時自行修改顯示內容、顯示方式圖文并茂等優(yōu)點，迅速成為平板顯示的主流產品，廣泛應用于商場、學校、銀行、郵局、機場、車站、碼頭、金融證券市場、文化中心等公共場所進行廣告、新聞和信息發(fā)布。
    本文設計一種顯示M行N列漢字的LED顯示屏控制系統(tǒng)，以51單片機為控制器，可顯示漢字、字符、數字和圖片。用PC機編輯漢字、字符等顯示信息，并轉換為相應的點陣顯示數據，送給單片機存儲并顯示。

1 系統(tǒng)組成
    本LED顯示系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)和顯示屏組成，控制系統(tǒng)主要由單片機、串行通信電路、存儲器、顯示屏及行列驅動電路組成，顯示屏由M行N列組成，每行和每列由16個LED組成，整個顯示屏由(M×16)×(N×16)個LED組成。顯示屏系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 控制電路設計
    本控制電路以AT89S51單片機為控制器，顯示M行N列字符，每個字符由1個16×16 LED點陣模塊顯示，顯示屏共由M×N個16×16 LED點陣模塊組成。行驅動電路由2塊74HC595級聯(lián)和2塊ULN2803組成，每行字符的LED點陣模塊列驅動電路由2×N塊74HC595級聯(lián)組成，M行共M×2×N塊74HC595。各行字符的16行LED分別并聯(lián)，由P0．1串行輸出行掃描碼，經2塊級聯(lián)74HC595串／并轉換，再由ULN2803驅動放大后，送到各行字符的16×16LED點陣模塊的行線端。各行字符的LED點陣模塊列驅動電路分別由2×N塊74HC595級聯(lián)組成，獨立控制，各行LED點陣模塊的列數據由P0．6，P0．7，…分別輸出，經級聯(lián)的2×N塊74HC595完成串／并轉換，待各行字符對應的LED點陣模塊列數據存入74HC595后，把所有列驅動電路M×2×N塊74HC595的輸出使能端置為低電平，則各行字符的2×N×16列數據一起輸出，顯示屏顯示各行字符的16行中的某一行。依次掃描各行字符的16行的每一行，實現(xiàn)整屏字符的顯示功能。顯示字符由上位PC機編輯并轉換為點陣數據，經串口串行發(fā)送至單片機，由單片機接收后存儲在存儲器中并顯示。
2．1 行驅動電路
    使用2塊74HC595和2塊ULN2803作為行驅動器。74HC595是一個8位串行輸入三態(tài)并行輸出移位寄存器，其內部的移位寄存器和存儲寄存器分別有各自的時鐘輸入，控制各自獨立，這樣數據的準備和數據的顯示可同時進行，2塊74HC595串行級聯(lián)。74HC595芯片各引腳功能為：DS為串行數據輸入端，Q0…Q7為并行數據輸出端，Q7’為串行數據輸出端，用于級聯(lián)；為移位寄存器清零端，低電平時將移位寄存器的數據清零；SH_CP為移位寄存器時鐘輸入端，上升沿時移位寄存器的數據移位，下降沿時移位寄存器數據不變；ST_CP為存儲寄存器時鐘輸入端，上升沿時移位寄存器的數據進入存儲寄存器，下降沿時存儲寄存器數據不變；為輸出使能端，低電平時允許數據輸出，高電平時禁止數據輸出。
    ULN2803為高電壓、大電流的8路達林頓驅動器，最大工作電壓50 V，驅動電流可達500 mA，作為顯示屏的行驅動電路。ULN2803芯片各引腳功能為：1B～8B為8路輸入端，TTL電平驅動；1C～8C為對應的8路集電極開路輸出端，外接負載；10腳為COM端，當外接電阻性負載時COM端開路，當外接電感性負載時COM端接負載電源，構成在每個感性負載兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管以防止反電勢擊穿器件。
    各行字符的16行LED分別并聯(lián)，這樣當進行行掃描時，各行字符對應的LED行同時掃描、同時點亮，設LED顯示屏有M行字符，這樣比分別對每行字符16行LED逐行進行掃描快M倍，實現(xiàn)了高速顯示控制。行驅動電路如圖2所示。由于51單片機的P0口為漏極開路輸出，ULN2803為集電極開路輸出，所以均需外接上拉電阻。

2．2 列驅動電路
    使用74HC595作為列驅動電路，每個字符用2塊74HC595驅動，設LED顯示屏有M行N列字符，則每行字符需2×N塊74HC595，M行共需M×2× N塊74HC595，本設計顯示屏以顯示2行4列字符為例，每行用8塊74HC595，2行共16塊74HC595。擴展時，如每行需增加1個字符顯示，則每行再級聯(lián)2塊74HC595，如需增加1行字符顯示，則增加2×N塊74HC595級聯(lián)電路。每行字符的列驅動是獨立的，即每行字符的2×N塊74HC595級聯(lián)，分別由單片機的一個I／O引腳輸出該行字符的點陣顯示數據，這樣在行驅動電路的配合下實現(xiàn)了各行字符對應的LED行同時顯示，顯示控制速度提高了M倍。每行字符的點陣顯示數據通過模擬串口P0．3～P0．5及P0．6或P0．7…串行輸出給移位寄存器74HC595，經串／并轉換后由74H C595并行輸出至LED顯示屏的各列。2行4列字符顯示列驅動電路如圖3所示。

2．3 PC機與單片機串行通信電路
    采用MAX232完成RS 232電平與TTL電平的轉換，實現(xiàn)PC機與單片機信息交換。如傳輸距離較遠，可在兩者之間增加RS 232-RS 485轉換器，傳輸距離可達1 000 m以上。串行通信電路如圖4所示。

2．4 點陣顯示數據存儲電路
    要顯示的漢字和字符信息在PC機上編輯并轉換為點陣顯示數據后，經串口傳輸給單片機，由單片機存儲在存儲器中。本存儲器采用I2C總線接口串行E2PROM存儲器AT24C1024，其容量為128 KB，一個16×16點陣漢字為32 B，可存儲4K個漢字。通過一根數據線(SDA)和一根時鐘線(SCL)與單片機相連，其接口電路如圖5所示。

2．5 顯示屏電路
    本設計顯示屏以顯示2行4列字符為例，每個字符由1個16×16 LED點陣模塊顯示，每行由4個16×16LED點陣模塊組成，共8個16×16 LED點陣模塊。擴展時，如每行需增加1個字符顯示，則每行增加1個16×16 LED點陣模塊；如需增加1行字符顯示，則增加1行N個16×16 LED點陣模塊；并與擴展的列驅動相應電路連接。2行4列字符顯示屏如圖6所示。

3 程序設計
    整個系統(tǒng)程序主要由顯示程序和通信程序組成。顯示程序采用動態(tài)掃描方式，實現(xiàn)漢字、字符、數字、圖像等信息的控制及顯示功能。顯示程序設計方法：
    (1)從P0．1輸出行掃描信號；
    (2)從P0．6串行輸出第1行漢字16行LED中某行點陣數據，從P0．7串行輸出第2行漢字16行LED中某行點陣數據，從P0．3輸出移位脈沖，從P0．4輸出鎖存脈沖，點陣數據串行輸入74HC595，并經串／并轉換后的并行數據鎖存于74HC595中；
    (3)從P0．5輸出列數據輸出使能信號，顯示字符的點陣數據并行輸出到顯示屏各行字符16×16 LED點陣模塊的2×N×16列，形成列驅動信號，與行掃描信號一起點亮各行字符相應LED行的有關LED；
    (4)延時1～2 ms，此時間受閃爍頻率的限制，不能太大，應保證掃描1行字符所有16行LED(即一幀數據)所用時間之和在40 ms以內；
    (5)重復上述操作，輸出各行字符的下一行LED點陣數據，直到所有16行LED全部掃描顯示一次，即完成一幀數據的顯示；
    (6)重新掃描顯示各行字符的第1行LED，開始下一幀數據的掃描顯示，如此不斷地循環(huán)，即可完成相應的畫面顯示；
    (7)要更新畫面時，只須將新畫面的點陣數據由PC機串口送到單片機存儲在存儲器中即可；
    (8)可實現(xiàn)上下、左右移動等多種顯示方式。
    通信程序中的上位機軟件采用VB或VC編程，利用通信控件MSComm通過串口發(fā)送和接收數據，實現(xiàn)PC機與單片機間的串行通信。MSComm控件屏蔽了大部分串行通信的底層操作，使用非常方便，而且在VB，VC，Delphi等中均可使用。

4 系統(tǒng)仿真
    用Proteus軟件繪制出大屏幕LED顯示屏控制電路原理圖，將系統(tǒng)控制程序目標代碼文件加入到單片機中，電路仿真運行，運行結果如圖7所示。

5 結語
    本文設計的大屏幕LED顯示屏控制系統(tǒng)以AT89S51單片機為控制器，以I2C總線接口串行E2PROM AT24C1024為點陣顯示數據存儲器，通過串行口將PC機編輯并轉換得到的顯示信息點陣數據傳輸給單片機，可實現(xiàn)M行N列漢字、字符、數字及圖表的顯示，并可隨時更新顯示內容。擴展容易，如屏幕每行需增加一個字符顯示，則在LED顯示屏每行增加一個16×16 LED點陣模塊，對應在每行字符的列驅動電路增加2塊74HC 595即可；如屏幕需增加一行字符顯示，則在LED顯示屏增加一行N個16×16 LED點陣模塊，對應增加一行字符的列驅動電路2×N塊74HC595即可?？刂旗`活，使用方便，可實現(xiàn)上下、左右移動等顯示方式。經實際應用表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效果良好。