光控LED灯阵列控制系统设计_LED电子显示屏控制系统设计
时间：2019-05-19 03:25:52 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：文章论述了LED点阵显示控制系统设计，讨论了单片机控制系统中关键的数据处理以及发送问题，设计采用AT89C51为主控制器，74HC595为列驱动，74HC138为行扫描及同步时钟输出等专用电路来实现点阵的滚动、停止，以及切换显示。 摘要：文章论述了LED点阵显示控制系统设计，讨论了单片机控制系统中关键的数据处理以及发送问题，设计采用AT89C51为主控制器，74HC595为列驱动，74HC138为行扫描及同步时钟输出等专用电路来实现点阵的滚动、停止，以及切换显示。
关键词：LED；单片机；显示屏；行驱动电路；行选信号输出电路
关键词：LED；单片机；显示屏；行驱动电路；行选信号输出电路
中图分类号：TP339 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）14-0046-04
中图分类号：TP339 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）14-0046-04
1概述
1概述
由于单片机技术的不断发展和高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子广告屏成为可能，与传统的霓虹灯广告在显示效果以及可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。
由于单片机技术的不断发展和高亮度LED发光管的出现使得大屏幕高亮度LED电子广告屏成为可能，与传统的霓虹灯广告在显示效果以及可修改性上都有着无法比拟的优势，而且单片机的日益平民化以及LED技术的不断创新，使得高亮度高清晰的LED点阵广告牌与传统霓虹灯广告牌的成本日益接近。
本系统要求设计一个AT89C51单片机控制的8*128点阵LED单色图文显示控制系统。要求设计的控制系统线路简单，稳定性好，功能齐全。由其控制的LED显示屏将会各点亮度均匀，充足，可显示图形和文字，显示图形或文字稳定、清晰无串扰。
本系统要求设计一个AT89C51单片机控制的8*128点阵LED单色图文显示控制系统。要求设计的控制系统线路简单，稳定性好，功能齐全。由其控制的LED显示屏将会各点亮度均匀，充足，可显示图形和文字，显示图形或文字稳定、清晰无串扰。
2方案论证
2方案论证
2.1控制系统的方案论证
2.1控制系统的方案论证
LED点阵电子显示屏的设计一般有两种方案：
LED点阵电子显示屏的设计一般有两种方案：
2.1.1采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号
2.1.1采用可编程逻辑器件作为核心控制器产生LED点阵的行、列驱动信号
由于该系统需要用到中大规模的PLD，设计多个接口电路，开发周期长，不易进一步扩展，同时系统的成本会急剧上升（相对于第二种方案）。
由于该系统需要用到中大规模的PLD，设计多个接口电路，开发周期长，不易进一步扩展，同时系统的成本会急剧上升（相对于第二种方案）。
2.1.2采用单片机系统来实现
2.1.2采用单片机系统来实现
传统的51系列8位单片机具有丰富的资源，而且数据处理速度快，同时单片机最小系统电路外还包括有电源电路、复位电路等，体积小，可靠性高。
传统的51系列8位单片机具有丰富的资源，而且数据处理速度快，同时单片机最小系统电路外还包括有电源电路、复位电路等，体积小，可靠性高。
通过比较，本设计将采用方案二。
通过比较，本设计将采用方案二。
2.2显示驱动模块的方案论证
2.2显示驱动模块的方案论证
常用的显示驱动方式有三种：
常用的显示驱动方式有三种：
第一，串行控制驱动，这种方式的好处是单元内的线路连接简单，给印刷电路板的设计带来方便，减少了布线的密度，方便以后的制作与调试，而且相对提高了每个单元的可靠性；
第一，串行控制驱动，这种方式的好处是单元内的线路连接简单，给印刷电路板的设计带来方便，减少了布线的密度，方便以后的制作与调试，而且相对提高了每个单元的可靠性；
第二，并行控制驱动，将显示数据通过并行（一般为8位）方式送入驱动电路，它的好处是：相对于串行控制而言，数据的刷新速度快，在处理同等数量的数据时，对处理速度要求可以大大降低，从而提高了系统的稳定性，但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂，布线后的排错难度大大增加；
第二，并行控制驱动，将显示数据通过并行（一般为8位）方式送入驱动电路，它的好处是：相对于串行控制而言，数据的刷新速度快，在处理同等数量的数据时，对处理速度要求可以大大降低，从而提高了系统的稳定性，但也正因为“并行”使单元内的数据线路的连接更加复杂，布线后的排错难度大大增加；
第三，采用专用集成电路（ASIC）直接驱动，由于这种专用集成电路是集行控制、列控制和外围驱动于一体，使系统的稳定性更为可靠，特别适合户外的大型或者超大型显示屏。
第三，采用专用集成电路（ASIC）直接驱动，由于这种专用集成电路是集行控制、列控制和外围驱动于一体，使系统的稳定性更为可靠，特别适合户外的大型或者超大型显示屏。
本次设计的显示屏仅为8行*128列，更适合采用串行控制这种方式，这样做既省去了并行控制驱动在制版过程中十分复杂的布线，又因为没有采用专用集成电路在一定程度上降低了整个系统的
本次设计的显示屏仅为8行*128列，更适合采用串行控制这种方式，这样做既省去了并行控制驱动在制版过程中十分复杂的布线，又因为没有采用专用集成电路在一定程度上降低了整个系统的
成本。
成本。
2.3接口方式选择
2.3接口方式选择
我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。在这个例子里，由于一共用到16行，16列，如果将其全部接入89C51单片机，一共使用32条I/O口，这样造成了I/O资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。
我们把行列总线接在单片机的I/O口，然后把扫描代码送入总线，就可以得到显示的汉字了。在这个例子里，由于一共用到16行，16列，如果将其全部接入89C51单片机，一共使用32条I/O口，这样造成了I/O资源的耗尽，系统也再无扩充的余地。
实际应用中我们使用74LS138译码器来完成控制行选信号，而每个8*8LED列信号8条线则接在74HC595上，再通过三极管的驱动来达到显示效果。这样节省了I/O口，电路也变简单。实际应用更广泛。
实际应用中我们使用74LS138译码器来完成控制行选信号，而每个8*8LED列信号8条线则接在74HC595上，再通过三极管的驱动来达到显示效果。这样节省了I/O口，电路也变简单。实际应用更广泛。
8*128点阵屏有128列信号端口，所以设计将采用方案二。
8*128点阵屏有128列信号端口，所以设计将采用方案二。
3系统设计
3系统设计
3.1总体结构设计
3.1总体结构设计
从制作的目的：体积小，成本低，线路简单，高稳定性等方面及几个方案论证的考虑，总结出设计单片机AT89C51控制的8*128点阵显示系统的总体结构图，如图1所示：
从制作的目的：体积小，成本低，线路简单，高稳定性等方面及几个方案论证的考虑，总结出设计单片机AT89C51控制的8*128点阵显示系统的总体结构图，如图1所示：
3.2系统硬件设计
3.2系统硬件设计
AT89C51控制的8*128点阵显示的硬件系统是用AT89C51单片机作为主控制器，74HC595为列信号发送器，74HC138芯片进行行扫描，用TIP122三极管来驱动点亮屏幕。
AT89C51控制的8*128点阵显示的硬件系统是用AT89C51单片机作为主控制器，74HC595为列信号发送器，74HC138芯片进行行扫描，用TIP122三极管来驱动点亮屏幕。
3.2.1单片机控制电路
3.2.1单片机控制电路
如图部分电路主要包含了单片机复位电路，复位按键S1。显示停止按键S2，显示切换按键S3，时钟电路和一个运行指示灯。剩下的就是输出给点阵屏的控制信号了：A0、A1、A2、EN、DATA1、DATA0、SRCLK、RCLK。其中A0、A1、A2、EN分别是138的三个译码输入信号和一个138输出允许信号。而DATA1、DATA0、SRCLK、RCLK则是输出给595芯片的控制信号。
如图部分电路主要包含了单片机复位电路，复位按键S1。显示停止按键S2，显示切换按键S3，时钟电路和一个运行指示灯。剩下的就是输出给点阵屏的控制信号了：A0、A1、A2、EN、DATA1、DATA0、SRCLK、RCLK。其中A0、A1、A2、EN分别是138的三个译码输入信号和一个138输出允许信号。而DATA1、DATA0、SRCLK、RCLK则是输出给595芯片的控制信号。
3.2.2列信号输出电路
3.2.2列信号输出电路
图3是16个点阵模块，模块的行线都接到一起了，从R1到R8，列线则都是分开的，为128根，分别是C01_1～C01_8（01表示第一个模块，“_”后的数据表示模块8条列线中的一条），C02_1～C02_8，……，C16_1～C16_8。
图3是16个点阵模块，模块的行线都接到一起了，从R1到R8，列线则都是分开的，为128根，分别是C01_1～C01_8（01表示第一个模块，“_”后的数据表示模块8条列线中的一条），C02_1～C02_8，……，C16_1～C16_8。
74HC595芯片是串行输入，并行输出的芯片，在此芯片中，有两个数据输入端点：SER_DATA0（U24的第14脚）和SER_DATA1（U32的第14脚），SER_DATA0用来为上屏的64条列线（C01_1～C08_8）加载显示数据，而SER_DATA1则是为下屏的64条列线（C09_1～C16_8）加载显示数据，这两个输入点都是每次都移位输出64个电平信号（用来作为8个并行输出），正好组成了128个列信号。
74HC595芯片是串行输入，并行输出的芯片，在此芯片中，有两个数据输入端点：SER_DATA0（U24的第14脚）和SER_DATA1（U32的第14脚），SER_DATA0用来为上屏的64条列线（C01_1～C08_8）加载显示数据，而SER_DATA1则是为下屏的64条列线（C09_1～C16_8）加载显示数据，这两个输入点都是每次都移位输出64个电平信号（用来作为8个并行输出），正好组成了128个列信号。
3.2.3行选信号输出电路
3.2.3行选信号输出电路
每次只有一行是高电平，也就是在这8种状态之间不停地切换：10000000->01000000->00100000->00010000->00001000->00000100->00000010->00000001，每次都输出不同的列数据，快速扫描的时候就能看到连续的显示了。行选信号电路如图4所示：
每次只有一行是高电平，也就是在这8种状态之间不停地切换：10000000->01000000->00100000->00010000->00001000->00000100->00000010->00000001，每次都输出不同的列数据，快速扫描的时候就能看到连续的显示了。行选信号电路如图4所示：
图4中，最左边的P2是个信号接入口，在板子上的实体是一个双排的插针，信号被引入74HC244芯片，244芯片实际上常用作缓冲器件，也就是信号隔离整形的作用，按照点阵屏上电路的设置，信号从A端输入，从对应的B端输出，信号不反相，也就是输入是高电平输出就是高电平，输入是低电平输出就是低电平。
图4中，最左边的P2是个信号接入口，在板子上的实体是一个双排的插针，信号被引入74HC244芯片，244芯片实际上常用作缓冲器件，也就是信号隔离整形的作用，按照点阵屏上电路的设置，信号从A端输入，从对应的B端输出，信号不反相，也就是输入是高电平输出就是高电平，输入是低电平输出就是低电平。
输入的信号经过244芯片后就给了74HC138芯片，138芯片是一个3-8译码芯片，Y0～Y7在译码的过程中每次只有一个输出低电平，其余输出信号都是高电平。138的译码信号经过DM7406芯片后，就被反相了。7406芯片是一个非门芯片，输入的信号被反相后再输出。也就是138输出的行选信号经过7406芯片反相后，得到的选通信号就是每次只有一个是高电平，其余都是低电平，也就是我们想要的信号了：10000000、01000000、00100000、00010000、00001000、00000100、00000010、00000001。
输入的信号经过244芯片后就给了74HC138芯片，138芯片是一个3-8译码芯片，Y0～Y7在译码的过程中每次只有一个输出低电平，其余输出信号都是高电平。138的译码信号经过DM7406芯片后，就被反相了。7406芯片是一个非门芯片，输入的信号被反相后再输出。也就是138输出的行选信号经过7406芯片反相后，得到的选通信号就是每次只有一个是高电平，其余都是低电平，也就是我们想要的信号了：10000000、01000000、00100000、00010000、00001000、00000100、00000010、00000001。
因为7406输出的高电平信号驱动能力有限，而我们需要加在点阵模块上的行选高电平 有较强的电流驱动能力，所以，在7406输出的行选信号与点阵屏的行信号之间加入了一个NPN型的达林顿管，用来放大驱动电流。
因为7406输出的高电平信号驱动能力有限，而我们需要加在点阵模块上的行选高电平 有较强的电流驱动能力，所以，在7406输出的行选信号与点阵屏的行信号之间加入了一个NPN型的达林顿管，用来放大驱动电流。
NPN型的达林顿管其原理与NPN型的三极管差不多，只是电流放大能力更强。如图５所示，NPN管的集电极接的是3.3V的电源（点阵屏上标识的是3.2V，用3.3V一样），发射集分别接到点阵屏的8根行线上（R1到R8），而基极则接到了经过7406反相的行选信号上。经过TIP122，行线上的电流就可以驱动点阵屏点亮了。
NPN型的达林顿管其原理与NPN型的三极管差不多，只是电流放大能力更强。如图５所示，NPN管的集电极接的是3.3V的电源（点阵屏上标识的是3.2V，用3.3V一样），发射集分别接到点阵屏的8根行线上（R1到R8），而基极则接到了经过7406反相的行选信号上。经过TIP122，行线上的电流就可以驱动点阵屏点亮了。
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