LED點陣屏顯示單元的設計與驅動控制

　　1 系統整體設計概述

　　系統原理框圖如圖1所示。由圖1可知, PC 機從上位機軟件發送指令和數據, 通過串口RS232將數據傳輸到單片機, 單片機對行驅動和列驅動發出控制命令, 對LED點陣屏進行相應的控制。外部時鐘電路可以用來讀取顯示的時間, 外部存期器件用于存儲LED點陣屏的輸出數據, 在進行控制操作時, 單片機可直接從此讀取數據, 可脫機進行顯示控制。通過按鍵不需經過PC機可對LED點陣屏進行簡單的人機交互。

　　2 系統硬件電路設計

　　系統硬件主要劃分為兩大部分: LED點陣屏接口電路, 構建顯示單元及其驅動電路; 基于單片機mega16的控制系統, 用于完成數據接收和控制LED點陣屏。

　　2. 1 LED點陣屏接口電路

　　圖2是8*8 LED點陣顯示屏的內部結構圖, 四個8*8點陣可以構成一個16*16的點陣屏, 用于顯示漢字。8*8點陣屏顯示原理是利用行列導通其中的LED的而控制64個LED的亮滅。圖2中所示, 如果想要行1和列1 的LED 亮, 只需要行1通高電平, 列1低電平即可。LED 顯示屏幕就是依靠這樣的選取行列進行各類圖形文字的變換。

　　圖4為LED點陣條屏的連接方式, 上下半屏8 ??8點陣的行線各自連接在一起構成一個系統。此系統采用行掃描方式, 使用兩個3線8線譯碼器74HC138來分別驅動點陣的上8行和下8行。在點陣屏幕不大的情況下, 一般的單片機可以直接驅動點陣LED的亮滅,但是考慮擴展為大屏幕尺寸時, 那么單片機的I/O 口不足以提供足夠的驅動電流, 如圖3 所示, 可在74HC138和點陣的行接口接上一個PNP型8550三極管開關電路用來提供足夠的電流, 當74HC138發出低電平時, 三極管Q導通, LED_H輸出高電平。此時I/O口只需要提供幾毫安的灌入電流即可控制其通斷, 如果需要擴展屏幕, 只需要將擴展的上下半屏LED 點陣的行各自共聯到74HC138即可。

　　本系統采用74HC595鎖存器來對列線進行驅動控制, 其帶有2級鎖存移位輸出功能。如圖3所示, LED 點陣的列線接到74HC595的8位并行輸出口上, 由單片機控制數據的輸出, 利用74HC595 的鎖存輸出功能, 電路共用同一個移位時鐘SCK 和數據鎖存時鐘RCK, 可級聯多片74HC595以構成更大LED 點陣屏的列驅動電路。此結構還可在75HC595的使能端通過PWM 波進行灰度調節。

. 2 Mega16控制電路

　　主控制器主要是采用8 bitAVR單片機M ega16及其外圍電路來進行控制, 主要器件接口如圖5所示。Mega1帶有四組32個I/O 口, 它的時鐘頻率可跑到16MH z, 可滿足系統控制的數據處理速度。控制電路的主要功能就是對LED 接口進行掃描控制, 發出移位SCK 時鐘信號和數據鎖存RCK 時鐘信號到74HC595上, 依照相應的時序對74HC595發送漢字數據, 同時對74HC138進行行選控制。電路外加一個74HC245芯片用以提高單片機對負載的驅動能力。PC 機通過串口和M ega16 進行通信, 外部存儲器選用M icrochip公司的24C256 串行存儲器, 256 K 容量方便以后將漢字庫固化在里面, 需要顯示的字只需要查詢存儲器就能提取相應的字模數據。同時加上DS1302時鐘芯片, 可以提取2100年前的年月日等時間數值, 以提供需要。

　　3 程序設計

　　程序設計主要包括三部分: 主程序, 串口中斷程序, 顯示子程序。首先進入主程序, 初始化單片機,如果串口有數據輸入, 則會進入串口中斷程序接收數據。單片機在接收完數據后會進入顯示子程序,輸出相應的數據到LED 的行列驅動。圖6為三部分的程序流程圖。

　　4 總結

　　圖7中的顯示部分就是10個16*16點陣級聯而成的顯示屏。此結構通用性強, 依靠軟件可以實現漢字上下左右移動等功能, 而不需在LED 顯示單元的硬件上做任何改動。在顯示效果上, 可根據需求更改單片機上的控制程序即可, 大大加強了系統的穩定性和實用性。經實踐測試, 此種結構, 用一片8位單片機, 在16MH z下, 至少能驅動32*160個點, 沒有抖屏現象。如果程序使用匯編語言, 速度將得到很大的提升, 能驅動更多點。

　　本文以高性能的Mega16芯片為硬件基礎, 設計了LED顯示單元的硬件電路和控制電路, 實現了對單片機的控制、LED 屏幕的顯示等。下一步是完善其漢字的顯示特效, 以及上位機與單片機的實時通信等功能。根據此系統的結構還可以進一步擴展成雙色, 全彩的LED點陣屏。