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6.3布线工艺与准则16

7总结17

谢辞18

参考文献19

附录20

LED点阵电子显示屏系统的设计

xxx

摘要：

本设计使用STC系列高速单片机作为主控制模块，利用简单的外围电路来驱动16×

64的点阵LED显示屏。

本LED显示屏能够以动态扫描的方式同时显示特定的四个16×

16点阵汉字。

本文从LED的显示原理入手，详细阐述了LED动态显示的过程，以及硬件电路的设计、计算和软件的算法。

关键词：

LED；

单片机；

点阵；

DesignofLEDDotMatrixElectronicDisplaySystem

SONDJian-lei

Abstract:

ThisdesignusesSTCseriesMCUasamaincontrolleranddependsonasimpleexternalcircuittodrive16×

64thelatticeLEDdisplay.TheLEDDisplaydynamicscancanshowthewayatthesametimesix16×

16dotmatrixChinesecharacters.ThisarticlefromthestartLEDdisplayprinciple,elaboratedontheLEDdisplaydynamicprocess,aswellashardwarecircuitdesign,computingandsoftwarealgorithms.

Keywords:

LED；

SingleChipMicrocomputer；

DotMatrix

前言

LED（LightEmittingDiode，LED）电子显示屏是随着计算机及相关的微电子、光电子技术的迅速发展而形成的一种新型信息显示媒体。

LED电子显示屏是由几百--几十万个半导体发光二极管构成的像素点，按矩阵均匀排列组成。

利用不同的半导体材料可以制造不同色彩的LED像素点[1]。

目前应用最广的是红色、绿色、黄色。

而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和条幅显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；

而条幅显示屏则适用于小容量的字符信息显示。

LED显示屏因为其像素单元是主动发光的，具有亮度高，视角广、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击和性能稳定等优点。

因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

LED显示屏的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高气候耐受性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展[2]。

1概述

1.1LED电子显示屏的分类

LED电子显示屏分类有很多种方法。

按颜色分类，可以分为单基色显示屏、双基色显示屏、全彩色显示屏；

按显示器件分类，可以分为LED数码显示屏、LED点阵图文显示屏；

按使用场合分类，可以分为室内显示屏、室外显示屏。

1.2LED显示屏的应用示例

LED点阵显示屏在实际生活中应用十分广泛，如图1-1就是LED电子显示屏的应用实例。

图1-1LED电子显示屏应用示例

其中的LED点阵单色图文动态条幅屏（下文中简称条屏），因为成本低廉、可靠性高、显示效果优良，所以成为点阵式LED汉字广告屏中的主流产品[3]。

1.3设计任务

本设计旨在设计一种用于值班室外等场合的公告牌的LED点阵电子显示屏。

公告内容随时可以更新，能够实施显示温度和日期时间。

考虑到所需器件的已购买，本设计使用8*8的点阵发光管模块，组成16*64发光点阵，显示特定的中文、字符以及数字。

2显示原理及控制方式分析

2.1LED点阵模块结构

八十年代以来出现了组合型LED点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。

这种一体化封装的点阵LED模块，具有高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。

LED点阵规模常见的有4×

4、4×

8、5×

7、5×

8、8×

8、16×

16等等。

根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。

像素颜色不同，所显示的文字、图象等内容的颜色也不同。

单色点阵只能显示固定色彩如红、绿、黄等单色，双基色和三基色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现256或更高级灰度显示，即可实现真彩色显示[4]。

图2-1示出最常见的8×

8单色LED点阵显示器的内部电路结构和外型规格，其它型号点阵的结构与引脚可试验获得。

图2-18×

8单色LED模块内部电路

LED点阵显示器单块使用时，既可代替数码管显示数字，也可显示各种中西文字及符号．如5x7点阵显示器用于显示西文字母．5×

8点阵显示器用于显示中西文，8x8点阵可以用于显示简单的中文文字，也可用于简单图形显示。

用多块点阵显示器组合则可构成大屏幕显示器，但这类实用装置常通过PC机或单片机控制驱动。

2.2LED动态显示原理

LED点阵显示系统中各模块的显示方式：

有静态和动态显示两种。

静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲电压驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。

点阵式LED汉字广告屏绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。

将连续的几帧画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面[5]。

最典型的例子就是电影放映机。

在电子领域中，因为这种动态扫描显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量，因此在LED显示技术中被广泛使用。

以8×

8点阵模块为例，说明一下其使用方法及控制过程。

图2.1中，红色水平线Y0、Y1……Y7叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行8个LED的阳极都接在本行的行线上。

相邻两行线间绝缘。

同样，蓝色竖直线X0、X1……X7叫做列线，接内部每列8个LED的阴极，相邻两列线间绝缘。

在这种形式的LED点阵模块中，若在某行线上施加高电平（用“1”表示），在某列线上施加低电平（用“0”表示）。

则行线和列线的交叉点处的LED就会有电流流过而发光。

比如，Y7为1，X0为0,则右下角的LED点亮。

再如Y0为1，X0到X7均为0，则最上面一行8个LED全点亮。

现描述一下用动态扫描显示的方式，显示字符“B”的过程。

其过程如图2-2

图2-2用动态扫描显示字符“B”的过程

假设X,Y为两个8位宽的字节型数据，X的每位对应LED模块的8根列线X7-X0，同样Y的每位对应LED模块的8根行线Y7-Y0。

在这个示例中，Y叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为“1”即有效行选通电平，X叫列数据线，其内容就是点阵化的字模数据的体现。

下面用伪代码描述动态显示的过程。

（1）．Y=0x01,X=0xFF，如图2.2第一帧；

（2）．Y=0x02,X=0x87，如图2.2第二帧；

（3）．Y=0x04,X=0xBB，如图2.2第三帧；

（4）．Y=0x08,X=0xBB，如图2.2第四帧；

（5）．Y=0x10,X=0x87，如图2.2第五帧；

（6）．Y=0x20,X=0xBB，如图2.2第六帧；

（7）．Y=0x40,X=0xBB，如图2.2第七帧；

（8）．Y=0x80,X=0x87，如图2.2第八帧；

（9）．跳到第

（1）步循环。

如果高速地进行

（1）到（9）的循环，且两个步骤间的间隔时间小于1/24秒，由于视觉暂留。

LED显示屏上将呈现出一个完整的“B”字符。

这就是动态扫描的原理。

只不过实际运用的时候，列线和行线通常不止8位，还要根据列线和行线的数量来决定是用行线或列线来做扫描线。

例如0601条屏（每行6个汉字，共1行），行线有16根，列线有96根。

如果用列线来做扫描线，则每列LED在每96次循环扫描中只可能亮一次，则其发光视觉平均亮度为直流亮度的1/96。

如果用行线来做扫描线，则每16次循环，每行LED就能亮一次，其发光视觉平均亮度为直流情况下的1/16。

可见，用行线做扫描线，因为其发光周期的占空比较大，其视觉亮度是用列线做扫描线的6倍。

因而发光效率比前者高。

在实际运用的时候，还要在每两帧之间加上合适的延时，以使人眼能清晰的看见发光。

在帧切换的时候还要加入余辉消除处理。

比如先将扫描线全部设置为无效电平，送下一行的列数据后再选通扫描线，避免出现尾影。

2.3LED常见的控制方式

目前常见的是并行传输方式（见附录1.1），通过8位锁存器将8位总线上的列数据进行锁存显示，各8位锁存器的片选信号由译码器提供。

此种方式的优点是传输速度快，对微控制器（MCU）的通信速度要求较低。

但是这种方案最大的缺点是不便于随意扩展显示单元的数目。

每增加一个16×

16点阵的全角汉字显示单元，就需要在之前的电路上多增加两根地址线，这就要求在PCB布线的时候要留有充足的地址线冗余量。

再一个缺点是，每个单元的PCB随着安放位置的不同，布线结构也不相同，不利于厂家批量生产。

并行传输需要的芯片较多，因此市场上已经出现用FPGA,CPLD等高密度可编程逻辑器件（PLD）来取代传统锁存器IC的方案。

成本有所下降，但可扩展性仍旧较差。

因此，并行传输方式适用于显示单元数目确定的条屏[6]。

随着广告屏显示内容的多媒体化，对控制器传输速度，运算能力的要求越来越高。

因此控制器的种类也在不断发展以适应要求，从最初的8051单片机，到PIC单片机，又到FPGA，直到现在的ARM处理器。

不同功能档次的广告屏对应着不同的处理器。

（1）以传统8051单片机为控制器的LED显示屏。

因受到单片机运算速度及通信速率的限制，LED动态显示的刷新率不可能做得太高。

对显示效果和移动算法的处理也比较吃力，在实际显示效果上有比较明显的闪烁感。

除此之外，传统8051单片机的内部资源贫乏，仅128字节的数据存储器，几K字节的程序存储器，无E2PROM，SPI。

这就需要对单片机扩展外设，无疑增加了硬件成本。

因此，8051控制的条屏只能用于显示内容及其简单，不需要经常更改显示内容的场合。

（2）以PIC单片机为控制器的LED显示屏。

因PIC单片机是RISC架构的工业专用单片机，处理指令的速度有所增加，抗干扰能力优秀，型号种类繁多。

作为条屏的控制器，可以明显的改善显示效果，同时PIC单片机内部的资源较丰富，可节省外部电路设计难度，同时降低了硬件成本。

因此，以PIC单片机为控制器的条屏目前仍是单色条屏市场的主流。

（3）以FPGA（复杂可编程逻辑门阵列）为控制器的LED显示屏。

FPGA以高速、并行著称。

是近年来新兴的可编程逻辑器件。

用他作为LED显示屏的控制器，能够高速的处理色阶PWM信号、高速的完成动态扫描逻辑、高速的完成字符移动算法。

因此被运用于双基色、三基色的显示系统。

但是其成本较高，开发难度较大。

（4）以ARM（32位RISC架构高性能微处理器）为控制器的LED显示屏。

ARM有着极高的指令效率，极高的时钟频率。

因此其运算能力非常强大，内部资源也十分丰富，极大的简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。

在条屏的运用中，能用ARM来实现花样繁多的显示方式，以及高色阶，多像素的全彩屏驱动。

ARM与FPGA的组合更是功能强大，除了海量存储技术，无线更新技术外，还能实时地显示视频信号。

因此，以ARM为控制器的显示屏常为视频全彩屏。

3总体方案设计与分析

3.1显示单元的考虑

显示一个简体汉字，至少需要16×

16点阵来描述。

为了在较远距离处获得清晰的视觉效果，本设计采用4个8×

8点阵，像素直径5mm的LED模块拼接成16×

16点阵的LED阵列。

这样每个16×

16汉字能够获得12×

12cm的显示尺寸，因此在50米处仍能清晰阅读。

本设计要求整个屏幕能同时显示四个汉字，则至少需要用16个8×

8的LED模块拼接成16×

64的矩阵。

3.2滚屏的实现

字符的位置在屏幕上实现移动，即术语“滚屏”。

可以用硬件实现，但无疑增加了额外的硬件成本及设计难度。

因此本设计采用软件算法实现左滚屏、左暂停、定格显示等常见滚屏方式。

用软件来完成滚屏算法，其最大的优点在于成本低廉，而且可维护性、可升级性大大增强。

3.3关于可扩展性

除了基本要求外，本设计还要实现显示单元数目的随意扩展。

在传统的并行传输方式中，因受到列数据锁存器地址线数目的制约，不能随意的增添显示单元，且每个显示单元的电路结构不同,PCB结构也不同，完全不符合模块化设计的要求。

因此摒弃了传统的并行传输方式，而采用独特的串行锁存技术，通过控制五根总线就能实现各显示单元之间的列数据锁存。

不仅板间连接简单，更是降低了PCB布局及布线的难度。

每个显示单元的PCB都是完全一样的，便于量产。

3.4微控制器的考虑

因本设计采用软件来实现滚屏，且传输方式为串行方式。

所以对微控制器单元的处理速度要求较高，可供选择的有ARM和高速8位单片机。

ARM的处理速度极快，但对于条屏的应用，ARM内部的资源浪费严重，且成本较高。

因此选择高速8位单片机作为控制器，常见的高速8位单片机有AVR系列单片机，C8051F系列单片机，STC系列单片机。

这几种单片机的处理速度均能达到1MIPS/MHz（在时钟频率为1MHz时处理能力为每秒100万条指令），但AVR系列单片机的极限时钟频率只能到16MHz，而C8051F系列SOC类似于ARM,时钟速度可到100MHz,但会浪费其内部丰富的资源，而且价格昂贵，用在单色条屏的控制中颇感浪费。

于是最佳选择为STC系列单片机，其最高时钟能到48MHz，且有较丰富的接口及存储器资源，价格极其低廉，零售价仅为8元/片，大幅降低了产品成本[7]。

3.5总体电路结构及工作原理

3.5.1硬件电路框图

通过前面对各种方案的比较与分析，初步构建硬件系统框图如图3-1。

图3-1LED显示屏硬件框图

在图3-1中，X0、X1—Xn为显示单元。

每个显示单元由一个16×

16点阵的LED模块和一个16位宽的移位锁存器（串行—并行转换器）构成。

所有显示单元的16根行线均连接到公共的行扫描驱动电路。

而每个显示单元的列数据则由16位移位锁存器并行输出口提供。

中央微处理器MCU负责与所有外围设备的协调通信，以及各种算法的处理。

MCU用通用I/O口来驱动行扫描驱动电路。

用通用I/O口模拟同步串行接口以实现和列数据锁存器（移位锁存器）之间的单向通信。

电源则为各个模块提供稳定的电压以及足够的电流。

3.5.2工作原理

遵循结构化的程序设计思路。

把单片机的在显示模式的所有工作量分为以下两个任务：

（1）扫描显示任务：

扫描显示任务负责把BUFF中的数据依次发送到列驱动器74HC595，并按严格的时序高电平选通十六根行扫描线，使每一列数据对应着一个行线状态。

（2）移动处理任务：

移动处理任务负责完成显示字符逐点阵向左移动的算法处理，这是最基本的显示效果。

其它大部分显示效果是以逐位左移为基础。

对显示字符的移动，实质上是对显示缓冲区BUFF内数据的移动。

两个任务彼此独立，又相互联系，缺一不可。

4硬件电路设计

4.1显示单元电路设计

为了提高点阵LED的视觉亮度，本设计用行线做扫描线，列线做数据线。

每行的显示占空比为直流情况下的1/16。

为了再进一步的提高视觉亮度，选用了红色LED点阵模块。

4.1.1LED点阵模块的选择

本设计采用四个8×

8点阵绿色的LED模块拼接成一个16×

16的单色模块使用。

这样能获得较大的显示单元尺寸和发光亮度。

4.1.2列驱动电路设计

本设计中，每个16×

16点阵的列驱动电路由两个串联的8位移位锁存器74HC595构成。

74HC595，是为Motorola的SPI总线开发的一款串并转换芯片。

由于74HC595的输入输出电平兼容LSTTL,NMOS,CMOS电平，且具有较强的输出负载能力，而被广泛地运用于MCU（微控制器）、MPU（微处理器）的I/O口扩展。

74HC595在5V供电的时候能够达到30MHz的时钟速度，每个并行输出端口均能承受20mA的灌电流和拉电流。

这个特点保证了不用增加额外的扩流电路即可轻松的驱动LED。

它输入端允许500nS的上升（下降）时间，对严重畸形的时钟脉冲仍能检测。

这样就可以容纳较大的传输线对地电容，使本设计的抗干扰能力增强。

74HC595并行输出端与LED模块列线之间通过20Ω的电阻连接，这里电阻起到分压，去除红色LED的并联嵌位作用。

使红绿两组LED均能正常发光。

由于LED显示屏的工作电流时刻在变化，造成了系统电压的波动。

这种电压波动有高频成分，也有低频成分。

轻则对周围无线电环境造成电磁污染，重则使系统时钟紊乱，逻辑错误。

为避免此，在每个74HC595的电源VCC和GND旁边都并联了两个电容，用于滤波和退耦。

稳定系统电压，旁路掉电源中的高频脉动成份。

消除自激，减小对外杂散电磁辐射，提高EMI电磁兼容性。

74HC595的引脚及逻辑功能如图4-1

图4-1

（1）74HC595管脚图

（2）74HC595逻辑图

74HC595的管脚功能描述见表4-1：

表4-174HC595的管脚功能描述

管脚号

管脚名称

管脚功能描述

1

QB

锁存器输出，三态

2

QC

3

QD

4

QE

5

QF

6

QG

7

QH

8

GND

电源地

9

SQH

串行输出，用于级联。

无三态输出功能

10

Reset

低电平有效，当此管脚上出现低电平时，将复位内部的移位寄存器，但不影响8位锁存器的值

11

ShiftClk

移位寄存器时钟输入，上升沿将把A脚上的数据移入内部寄存器

12

LatchClk

锁存时钟输入，上升沿将把内部移位寄存器的值锁存起来

13

OutputEnable

低电平有效，将锁存器的输出映射到输出并行口（QA-QH）上。

当输入高电平时，高阻态，同时本芯片的串行输出无效

14

A

串行数据输入，数据从这个管脚移进内部的8位串行移位寄存器

15

QA

16

VCC

电源正，2-6VDC

4.1.3行驱动电路设计

因为本设计要求的行驱动电流较大，目前尚无合适的集成电路来胜任。

因此本设计的行驱动电路采用三极管扩流方式，如图4-2。

图4-2两种三极管扩流方式（共集，共射）

共集驱动方式，又称射极跟随器，当电源电压足够时，在负载上获得的电压始终等于基极对地电压Ub减去发射结压降Ube。

硅管的Ube一般为0.7V左右，因此在5V供电系统中，在负载上最多能获得4.3V的电压，若Ic=1A则在三极管上的管耗为1A×

0.7V=0.7W，管耗较大，需选用中功率的管子。

还有一个重要的特点，共集电路的基极是用高电平驱动，而单片机在复位期间，所有I/O口都呈现高电平。

这样的话，在开机上电复位的瞬间，在所有的行线上都会获得电压。

而造成开机瞬间全屏显示或造成巨大的浪涌电流冲击，使电源电压跌落，单片机工作异常。

而使用共射驱动方式的话，同样的电源电压下，负载端能获得4.7V的电压，Ic=1A时的管耗只有0.3W。

因此可选用小功率器件。

共射电路的基极驱动是用低电平，这就不会造成上述共集电路的浪涌电流影响。

同时，大部分单片机的I/O是弱上拉输出，也即是单片机能承受较大的灌电流，而只能提供微弱的拉电流。

因此，综合权衡利弊，本设计采用PNP管共射电路作为行扫描线驱动。

4.2单片机控制系统电路设计

4.2.1单片机的选型

根据方案论证的结果，本设计采用STC89C52作为主控芯片。

STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。

STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。

对于STC89C52，主要特性如下：

高速：

一个时钟/机器周期，增强型51内核，平均速度可达到1Mips/MHz。

宽电压：

5.5～3.8V。

宽温限：

-40℃～85℃。

高抗静电：

ESD保护，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT测试）。

低功耗：

有空闲模式（工作电流小于1.3mA），掉电模式（可由外部中断唤醒，工作电流小于0.1uA），正常模式（工作电流2.7～7mA）。

工作频率：

可从0到48MHz，相当于传统8051主频0～576MHz。

时钟：

可选择外部晶体或内部RC振荡器。

STC89C52是一种新型的51内核的单片机，它内部包含4KFLASHROM、1.2KRAM，具有超低功耗，正常工作模式下典型功耗为4～7mA，空闲模式下小于2mA。

STC89C52与传统的51单片机相比具有超强抗干扰能力，每个I/O口对VCC和GND均进行了二极管箝位保护，因此输入电压范围宽，不怕电源抖动。

芯片内置高抗静电（ESD保护）电路，可轻松抗过2000V的快速脉冲干扰，同时对单片机的电源、时钟、复位电路都进行了特殊处理，避免引人干扰[8]。

4.3对于系统电源及通信电缆的选择

本系统没有设置独立的5V稳压器件，因此要求外部能对其提供相对稳定的电压。

为保证单片机等集成电路的稳定工作，要求电源电压的最大波动范围在4.8～5.2V之间。

本系统的工作电流随着显示内容的不同有很大变化。

在LED全灭的状态下，耗电电流为60mA左右；

在LED全亮的情况下，工作电流可以达到1A；

在滚动显示汉字的时候，耗电约为500mA左右。

因此，要求供电电源在负载电流变化较大的情况下能保持相对稳定的电压输出。

考虑到上述因素，本设计采用功率容量10W，输出5V/1A的成品便携电源来为条屏系统供电。

1A的电流容量对于条屏系统500mA的满负荷电流仍有较大的余量。

这保证了长时间使用稳定性。

4.4其它元件的选择

为了使LED显示屏的功能实现最大化，