1616点阵LED电子显示屏的方案设计书.docx
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1616点阵LED电子显示屏的方案设计书
作者：
PanHongliang
封面
仅供个人学习
三、16X16点阵LED电子显示屏的设计
1.功能要求
设计一个室内用16X16点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、淸晰无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
2.方案论证
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮火的方法称为静态驱动显示方式。
16X16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16X16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是16X16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同统列共用一套列驱动器。
具体就16X16的点阵来说，把所有同1行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送岀对应第1行发光管亮火的数据并锁存，然后选通第1行使其燃亮一立的时间，然后熄火：
再送岀第2行的数据并锁存，然后选通第2行使英燃亮相同的时间，然后熄火，……第16行之后，又重新燃亮第1行，反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能看到显示屏上稳泄的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方而无疑是十分经济的。
但是，串行传输过程较长，数据按顺序、一位一位地输岀给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。
这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。
对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以致影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说；它应能实现串入并出的移位功能：
对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
图3-1为显示屏电路实现的结构框图。
3.系统硬件电路的设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外用电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。
（1）单片机系统及外围电路
单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24MHz或更高频率的晶振，以获得较髙的刷新频率，使显示更稳泄。
单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。
P1口低4位与行驱动器相连，送岀行选信号：
P1.5〜P1.7口则用来发送控制信号。
P1和P2口空着,在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM.16X16点阵显示屏的硬件原理图如图3-2所示。
（2）列驱动电路
列驱动电路由集成电路74HC595构成。
它具有一个8位串入并岀的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。
74HC595的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输岀都连接一个输出锁存器。
引脚SER是串行数据的输入端。
引脚SCLK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SER的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输岀端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输岀锁存器。
引脚E是输岀三态门的开放信号，只有当英为低时锁存器的输岀才开放，否则为髙阻态。
SCLR信号是移位寄存器的淸。
输入端，当苴为低时移位寄存器的输出全部为0。
由于SCLK和RCLK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输岀端为Q0〜Q7,最高位Q7可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输岀。
但因Q7受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引岀了Q7',作为与移位寄存器完全同步的级联输岀。
（3）行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。
4.系统程序的设计
显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。
根据软件分层次设计的原理，可把显示屏的软件系统分成两大层：
第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。
显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和苴它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。
显示驱动程序由左时器T0中断程序实现。
系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。
从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。
（1）显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对泄时器T0重新赋初值，以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描显示屏的刷新率（帧频）计算公式如下：
刷新率（帧频）
英中.处为晶振频率，A）为迫时器T0初值（工作在16位立时器模式）。
然后显示驱动程序査询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数拯的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打人输岀锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图3-3为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。
（2）系统主程序
系统主程序开始以后，首先是对系统环境初始化，包括设置串口、泄时器、中断和端口：
然后以“卷帘出”效果显示一个图形（⑧），停留约3s：
接着向上滚动显示''我爱单片
机⑥”5个汉字及1个图形，停留约3s；再向左跑马显示“我爱单片机⑧”这5个汉字及1个图形，然后以'‘卷帘入”效果隐去图形（⑧）。
由于单片机没有停机指令，所以可以设苣系统程序不断地循环执行上述显示效果。
图3-4是系统主程序的流程图。
5.调试及性能分析
LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。
软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。
显示屏刷新率由泄时器TO的溢出率和单片机的晶振频率决泄，表3-1给岀了实验调试时采用的频率及其对应的怎时器TO初值。
从理论上来说，24Hz以上的刷新率就能看到连续稳左的显示，刷新率越高，显示越稳龙，同时刷新率越高，显示驱动程序占用的CPU时间也越多。
实验证明，在目测条件下刷新率40Hz以下的画面看起来闪烁较严重，刷新率50Hz以上的已基本觉察不出画面闪烁，刷新率达到85Hz以上时再增加画而闪烁将没有明显改善。
表3J显示屏刷新率（帧频）与TO初值关系表（24MHz晶振）
刷新率/Hz
25
50
62.5
75
85
100
120
TO初值
0xEC78
0xF63C
OxF83O
OxF97E
0xFA42
OxFBIE
OxFBEE
显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，英调试过程在此不作具体讨论，读者可对照源程序自行分析。
这个方案设计的16X16点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏：
显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳左、淸晰无串扰：
可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。
6.控制源程序淸单
以下是16X16点阵LED电子显示屏的源程序，分别采用C语言及汇编语言编写。
C程序在KeiltuVision2V2.30（C51.exeV7.O）环境下调试通过。
16X16点阵LED显示屏程序
#include
#defineBLKN2
sbitG=0x97o
sbitRCLK=0x96o
sbitSCLR=0x95ovoiddelay（unsignedini）。
unsignedchardispram[32]。
♦/
严列锁存器数引
/*P1.7为显示允许控制信号端口时
/*Pi.6为输出锁存器时钟信号端引
/*P1.5为移位寄存器清0端W
厂延时函数*/
〃显示缓存勺
主函数voidmain（void）
♦/
voidmain（void）{
unsignedcharcodeBmp[][32|={/*字模表时
{0xF9.0xB7.0xC7,OxAE0xF7,0xB7.0xF7,0xB7.0xF7?
OxBF.0x00,OxOL0xF7,OxBEOxF7,0xB7,OxFL0xD7.0xC7.OxCF.0x37,OxDEOxF7.OxAE0xF6.0x6D.0xF7,OxF5.0xD7.0xF9.OxEF.OxFD}/*^*/.
{OxFF.0x07.OxCO.0x6EOxED.OxEE0xF6.OxDEOxCO.0x01,OxDD.OxFD.OxBD.OxFF.OxCO.OxO3・OxFB.
OxFEOxF8.OxOEOxF3.OxDE0xF4.OxBF.OxEEOx3E0x9C.OxCE0x73.OxFLOxCEOxFB）/*爱臥
{0xF7.OxDF.0xF9.OxCEOxFB.OxBEOxCO.0x07.OxDE.OxF7・OxCO.0x07.OxDE.0xF7.OxDE.0xF7.0xC0.0x07.OxDE,0xF7.0xFE.OxFF.0x00.OxOLOxFE.OxFF,OxFE.OxFEOxFE.OxFEOxFE.OxFF}/*单
{OxFF.OxBEOxEEOxBEOxEEOxBEOxEEOxBB.OxEO.0x01,OxEF.OxFEOxEEOxFEOxEEOxFF.OxEO.OxOF.OxEEOxEEOxEEOxEEOxEEOxEEOxDEOxEEOxDEOxEEOxBEOxEEOx7EOxEF）/*片忆
{OxEF.OxFF.OxEE0x07.OxEE0x77.0x01,0x77.OxEEOx力.OxEE0x77.OxC7.0x77.OxCB.0x77.0xAB,0x77,OxAE0
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