蔡湘云 惠州城市职业学院 广东惠州 516001
基于51单片机控制的小型LED屏设计
蔡湘云 惠州城市职业学院 广东惠州 516001
本文设计了一种51单片机直接控制的小型LED显示屏。采用动态显示，异步扫描，数据串行输入，占用较少的接口完成控制功能。能实现显示内容水平、垂直、对角线的移动，适用于小型展示，数据内容不常变更，在生产成本上优于高端的嵌入式系统，利于节省生产成本的需求。
51单片机；小型LED显示屏；08接口
随着LED材料和工艺的不断更新， LED显示屏在短短十年内得到越来越广泛的应用，其以丰富多彩的形式在广告、证券交易、展览、交通指示等方面起到信息展示的作用。针对不同的应用场合，LED显示屏的种类繁多，大到户外播放的巨幅LED屏，小到几厘米的胸牌指示牌，他们的数据传输和电路控制的方式多样。
而伴随着LED显示屏的出现，对应的控制系统也不断更新发展，层出不穷。 LED显示屏的控制系统是基于嵌入式微处理器开发，所以单片机占有重要的一席之地。由于显示屏本身从色彩上有单色、双色、全彩等形式，在使用上还有户外、室内、大型屏、小型屏的区别，在显示上还有循环移动、覆盖、霓虹灯等效果。针对这些不同的类型需求，对控制器的运算速度、执行效率、存储容量都有不同的要求。目前，很多控制卡生产厂家采用高端嵌入式系统进行设计，这样虽然能较好的提高产品的数据处理能力，但是开发和产品成本也随之成倍的增加。
目前，单片机正在朝着高性能和多品种方向发展，而它本身具有的体积小、成本低的重要特点使它嵌入式微处理器的舞台仍受到厂家的青睐。特别在LED的小型屏上仍有广泛的应用。本文主要设计了一款基于51单片机直接控制的控制系统，主要控制对象为双基色单元板构成的LED显示屏并能实现一般的水平和垂直滚动显示。
1 LED点阵及单元板
图一 8*8LED点阵
一般的LED点阵模块由8*8个LED发光二极管方阵组成，其实物图和原理图如图一所示。只要使点阵处于正偏导通，如图即让ROW为正， COL为负则能控制对应的LED发光，通过控制对应的不同LED发光来完成各种字符和图形的显示。
显示屏一般要完成汉字符号的显示，至少需要16*16的点阵，如要完成更美观的图形文字，则可以使用更多点数的点阵。由于直接使用8*8点阵模块组合成大型显示屏，所用到的模块数量庞大，难以组装，也存在安全问题，所以LED厂商推出了组装LED显示屏的基本单元——LED单元板。通过多块单元板拼接，可以组装成不同尺寸的LED屏。本电路选用的是4块双基色64*32单元板拼接而成。
图二 单元板电路结构
2 硬件电路结构
2.1双基色单元板电路
本小型LED屏为双基色的64*32点阵，由四块单元板构成，在实际中如还需要更大的显示区域，可以在考虑单片机接口和存储空间的前提下，通过08接口扩展。一块单元板电路模块主要由32块个8*8的LED点阵、 32 块74HC595、8片4953、2片74HC138 和74HC245组成。如图二所示，图中的接口采用08接口。
在电路中，控制信号和数据信号从右端的08接口输入，在信号输入后，为了防止数据线过长，信号被衰减，所以在08接口后使用了一片用于增强信号驱动能力的芯片74HC245。电路采用的是异步显示，因此信号之后分为两部分进入控制电路。一部分是列数据信号，有RCK、 SCK、 R1、 R2，另一部分是行数据信号，有A、B、C、D、EN进入行扫描电路。如果有级联的下一个单元板，信号将再次汇入输出08接口，以供下一级联单元板使用。
2.2单元板电路原理和数据处理
本电路采用扫描方式进行显示，行信号由74HC138译码器经译码提供，但由于该芯片驱动力不足以驱动一组发光二极管，因此在输出端接上了8片4953来增强驱动能力。74HC138将A、B、 C、 D译码后产生16位输出信号，每次选通一片4953并选中其中对应的一行，如此时列信号已经送达，则此时对应行的二极管发光，显示数据。当一行显示结束后，又以同样的方法扫描下一行，全部各行都扫描一遍，就是一个扫描周期。在电路设计要考虑扫描时间要比人眼视觉暂留的临界时间短，一般要求少于18ms，就不那幺容易感觉到数据的闪烁或更替。
在列扫描中，由于单片机的接口有限，选择使用串行传输方法，利用两根信号线R和G，将列数据一位一位的传往列驱动器74HC595。数据在单片机中先由并转串，按顺序传给列驱动器，直到全部列数据传输到位，这一行的各列才能进行并行显示。由此来看，显示必须是在列数据传输完毕后才能进行，而采用串行传输的列数据准备的时间较长，有可能会拖长整个扫描周期。因此针对这一问题，采用的是重叠处理的方法，即在这一行显示的时候，下一行的列数据开始传输，因此本电路中选择了具有锁存功能的列驱动74HC595，如图三所示。
2.3电路整体设计和构成
本电路单片机采用SST89C58，工作频率为12MHz，通过08接口控制LED显示屏，如图四所示。电路结构简洁，没有扩展存储器，适用于小型的LED显示系统。显示效果丰富、成本低廉、易于控制。
3 程序数据处理和设计
本电路采用单片机直接驱动小型LED屏，为了能实现垂直、水平、对角线滚动，设定了显示区域是显示屏的4倍。如图五所示，在所示的显示区域中，以XL、YL为LED显示屏左上角原点坐标，宽度和高度分别为LW、LH，假设显示数据的起始地址为DATA_BEGIN。则可以确定坐标XL、 YL对应于扫描线Y0起始存储单元的地址L0为：
L0=DATA_BEGIN+（DH+YL）［DH］*DW+XL
此时L0存储单元中BW位分别对应于显示区域的（XL，YL）、（XL，YL+1*SW），……（XL，YL+（BW-1）*SW）共BW个点。而L0对应BW个Y，需要将LW个数据输出。其中DW：显示区域的宽度。 DH：显示区域的高度。LW：LED显示屏的宽度。LH：LED显示屏的高度。 SW：LED显示屏的扫描宽度，这里SW=16。BW：扫描线数。
部分程序设计如下：
#include＜REG51.H＞
#include＜Test_Data.c＞
#define DW 128
#define DH 64
#define LW 64
#define LH 32
#define SW 16
#define EN_ON 1
#define EN_OFF 0
sfr CTRL_PORT=0xa0；
sfr DATA_PORT0=0x80；
sbit E=P2^5；
sbit RCK=P2^6；
sbit SCK=P2^7；
//XL：数据起始地址的x坐标
YL：数据起始地址的y坐标
Display_count：每屏显示次数，可以控制移动速度，数字越大单屏显示时间越长，移动速度越慢//
void display（unsigned int XL，unsigned int YL，unsigned int display_count）
｛unsigned char line；
unsign4ed char col；
unsigned char code*ram_point；
unsigned ink k ，data_begin_addr；
for（k=0；k＜display_count；k++）
｛for（line=0；line＜SW；line++）
｛data_begian addr=Display_Font；
r a m_p o i n t=d a t a_b e g i n_ addr+YL*DW+XL+line*DW；
E=EN_ON；
for（col=LW；col＞0；col--）
｛DATA_PORT0=*ram_point；
ram_point++；
SCK=0；sck=1；
E=EN_OFF；
RCK=0；RCK=1；
CTRL_PORT=CTRL_PORT&0xe0；
CTRL_PORT=CTRL_PORT1line；｝｝｝
void main（void）
｛unsigned int XL，YL，count=80；
display（0，0，3000）；
while（1）
｛for（XL=0；XL＜DW/2；XL++）
display （XL，0，count）； //水平右移
for（XL=DW/2；XL＞0；XL--）
display （XL，0，count）； //水平左移
for（YL=0；YL＜DH/2；YL++）
display （0，YL， count）； //垂直移动
for（YL=DH/2；YL＞0；YL--）
display （0，YL， count）； //垂直移动
for（XL=0；XL＜LH；XL++）
display （XL*2，XL，count）； //对角线移动
for（XL=LH；XL＞0；XL--）
display （XL*2，XL，count）； //对角线移动
for（XL=LH；XL＞0；XL--）
display （XL*2，LH-XL，count）； //对角线移动
for（XL=0；XL＜32；XL++）
display （XL*2，LH-XL，count）； ｝ //对角线移动
//数据文件＜Test_Data.c＞//
unsigned char code Display_Font［128］［48］=｛数据省略｝
图三 74HC595锁存列数据
图四 电路总体结构
图五 LED显示屏显示区域
［1］王守中.51单片机开发入门与典型实例.人民邮电出版社
［2］邬宽明.单片机外围器件实用手册：数据传输接口器件分册.北京航空航天大学出版社
