【摘要】LED顯示作為一種重要的數(shù)字化顯示方式，從起初的純數(shù)字顯示功能發(fā)展到目前的圖像、視頻等多種媒體顯示功能，給人們帶來了完美的視覺享受。本文在對單片機選型的基礎上，闡述了LED顯示的原理，并且針對LED點陣顯示屏，設計了以ATmega16單片機為核心的LED顯示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要的優(yōu)點是功耗小、成本低且工作速率快，非常適合室外多媒體和產業(yè)化的要求。

【關鍵詞】LED顯示；ATmega16；單片機

引言

隨著社會的發(fā)展，LED顯示戶外廣告是目前一種重要的廣告形式。LED顯示具有功耗低、壽命長、清晰度高的特點，隨著廣告內容的多樣化，對LED顯示的要求也越來越高。數(shù)碼管顯示是LED顯示的最基本功能，但是其只能通過各個段位來實現(xiàn)10位數(shù)字和少量字母的顯示，一般適用于純數(shù)字顯示領域。LED顯示屏是由多個發(fā)光二極管組成顯示屏幕，通過控制二極管的亮滅來對內容進行顯示，能夠實現(xiàn)對圖形、文字、視頻等多種信息的顯示。

一、單片機的選擇

單片機又被稱作單片微控制器，它是系統(tǒng)控制和設計的核心。單片機的選擇非常重要，選擇合適的單片機不僅能夠提高所設計系統(tǒng)的性能、簡化外圍電路和程序的設計，而且能夠降低設計的成本，使所設計的系統(tǒng)更具有實際意義。本文采用功耗低、I/O口資源豐富、價格便宜的AVR系列單片機中的ATmega16作為顯示系統(tǒng)控制的核心。針對LED顯示系統(tǒng)的特點，本文選擇ATmega16單片機的原因主要有：

（1）性能高，功耗低。ATmega16的高速數(shù)據(jù)吞吐率很好的解決了功耗和處理速度之間的矛盾，對于太陽能光伏系統(tǒng)來說，因為產生的電能非常寶貴，因此功耗小的控制器能為系統(tǒng)節(jié)省更多的能源。

（2）I/O口資源豐富，且功能多樣。ATmega16具有三十二個I/O口，在這些I/O口中，PA口具有10位精度的ADC，可對單端輸入電壓進行采集。本系統(tǒng)需要對多路模擬信號進行采集，利用ATmega16可以方便的進行數(shù)據(jù)采集，不必再進行另外的電路設計，簡化了電路。

（3）能夠通過對相關定時器的簡便的設置實現(xiàn)PWM波信號的產生和調節(jié)。ATmega16有兩個8位和一個16位的定時計數(shù)器，可以通過簡單的指令產生頻率、相位和占空比可調的PWM信號，且具有多種PWM信號模式，能夠滿足不同的需求。

（4）與Protues硬件仿真軟件具有很好的兼容性。通過Code Vision AVR編譯的應用在Protues中的程序，能夠通過編譯器直接下載的單片機中使用，方便了系統(tǒng)的調試。

二、LED顯示原理

LED數(shù)碼管和點陣顯示屏顯示的基本原理都是通過控制發(fā)光二極管的亮滅，來形成不同的字形或者圖案。對于點陣顯示屏來說，因為其彩色顯示的需要，有時候需要對發(fā)光二極管的顏色進行控制。點陣顯示屏的發(fā)光二極管數(shù)量較多，因此顯示原理也比較復雜，如圖1所示是共陽極LED顯示屏的內部結構圖。點陣顯示屏一般具有多個LED發(fā)光二極管，不能直接通過單片機的I/O口來控制其亮滅，一般都采用動態(tài)掃描的方法，對點陣進行逐行或者逐列的控制。對于共陽型的點陣來說，根據(jù)要顯示的字形，設置每一行和每一列的數(shù)據(jù)，從第一行第一列開始，先對應第一行二極管的亮滅送出列數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第一行，送行數(shù)據(jù)，延遲一段時間后送行數(shù)據(jù)00H；然后選通第二行，采取相同的方法來控制二極管亮滅，直至8行掃描結束，然后重復掃描。因為掃描的速度非?？?，由于人眼的余輝效應，就可以再顯示屏上看到穩(wěn)定顯示的字形。

三、系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)采用ATmega16單片機作為顯示控制的核心，采用8×8點陣單色點陣顯示屏來進行顯示，同時系統(tǒng)還包括行驅動器、列驅動器以及相關電源電路。系統(tǒng)的整體框圖如圖2所示。

1.ATmega16單片機最小系統(tǒng)設計

單獨的一個單片機是不能發(fā)揮其控制作用的，只有通過相關輔助電路的設計，使其構成一個最小系統(tǒng)，才能發(fā)揮其強大的微控制器功能。

（1）晶振電路的設計

ATmega16單片機內部具有RC振蕩電路，可實現(xiàn)四種振蕩頻率。但是內置振蕩電路產生的振蕩信號不是很準確，因此在某些對振蕩頻率要求比較高的情況下，例如定時器準確定時等情況，一般都采用外部振蕩電路為單片機提供振蕩頻率。一般在外部晶振電路設計中，都要求接22pF左右的電容。其電路圖如圖3所示。

（2）復位電路設計

對于ATmega16單片機來說，其內部已經設置了上電復位，通過對相應熔絲位的控制，可以實現(xiàn)對復位時間長短的控制，因此單片機外部的復位電路設計就簡化了許多，具體做法是在外部接一個上拉電阻R0到VCC，本文選擇10K的上拉電阻。

本文設計的復位電路圖如圖4，在設計的過程中，為了增加電路的可靠性，一般會增加一個濾波電容來實現(xiàn)消除雜波和干擾的功能，本文采用增加一個0.1uF的電容。電路中的二極管D3（1N4148）的主要有兩個主要功能：功能一是當系統(tǒng)突然斷電后，將上拉電阻短路，同時使濾波電容C0實現(xiàn)快速放電，當系統(tǒng)再次通電時，保證復位的有效性；功能二是系統(tǒng)在復位時將其輸入電壓限制在VCC±0.5V之間。本課題采用按鍵方式進行復位，當單片機正常工作時，按下復位開關，由于電路的設計復位腳輸入相應的低電平信號，對系統(tǒng)進行復位。

（3）電源電路設計

AVR單片機最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線路以開關切換兩種電壓，并且以雙色二極管指示（5V時為綠燈，3.3V時為紅燈）。二極管D1防止用戶插錯電源極性。D2可以允許用戶將電壓倒灌入此電路內，不會損壞1117-ADJ，系統(tǒng)電源電路如圖5所示。

1117-ADJ的特性為1腳會有50uA的電流輸出，1-2腳會有1.25V電壓。利用這個特點，可以計算出要求得出輸出電壓：

當SW開關打向左邊時，R6上的電流為1.25/0.33=3.78ma。R8上的電流為1117-ADJ1腳電流加上R6上的電流，即0.05+3.78=3.83ma?？梢杂嬎愕肦8上的電壓為3.84V。于是得出VCC=1.25+3.83=5.08V。誤差在2%以內。

當SW開關打向右邊時，R6上的電流為1.25/0.62=2.02ma。R8上的電流為1117-ADJ1腳電流加上R6上的電流，即0.05+2.02=2.07ma。可以計算得R8上的電壓為2.07V。于是得出VCC=1.25+2.07=3.32V。誤差在1%以內。

使用1%精度的電阻，可以控制整個輸出電壓誤差在3%以內。

2.LED顯示硬件設計

本系統(tǒng)采用單色的共陽型8×8點陣顯示模塊，一共有16個引腳，通過74HC138譯碼器對LED顯示模塊的進行控制，使其采用共陽極掃描。在74HC138芯片和LED顯示模塊之間接入8個PNP三極管來達到擴流的目的。在設計的過程中通過S8550的放大，增強了輸出電流的驅動能力，使LED的亮度得到了提高，電路設計圖如圖6所示。

本設計列驅動由74HC595來實現(xiàn)。每個74HC595能驅動8列，所以控制64列的LED點陣需要8個595。8個74HC595通過級聯(lián)方式來對列進行驅動。74HC595是串入并出的移位寄存器，單片機采用串口傳輸數(shù)據(jù)，由RXD 輸出數(shù)據(jù)到SER，由TXD 輸出同步數(shù)據(jù)移位脈沖到SRCK，由單片機的PA7口輸出74HC595的數(shù)據(jù)鎖存信號。只有當鎖存信號有效，即鎖存信號的時鐘上升沿到來時，595才輸出列控制的數(shù)據(jù)。由于發(fā)送的是8位數(shù)據(jù)，則可以利用單片機的串口進行數(shù)據(jù)發(fā)送。讓串口工作在方式0，在方式0下，8位數(shù)據(jù)通過RXD輸出，低位在前高位在后。同時在RXD輸出數(shù)據(jù)時，TXD輸出同步的移位時鐘脈沖。

列信號是由74HC595產生的，數(shù)據(jù)由單片機的串口產生，從74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入端SER輸入，由QA～QH并行輸出。需要注意的是，74HC595的數(shù)據(jù)是從低位向高位移位的，而單片機串口發(fā)送數(shù)據(jù)是先發(fā)低位，再發(fā)高位。所以要注意數(shù)據(jù)的對應，使74HC595輸出的數(shù)據(jù)與相應的列對應正確，這樣方便軟件的調試。

四、系統(tǒng)軟件部分設計

本系統(tǒng)主要是通過單片機的控制，來實現(xiàn)LED點陣顯示屏的顯示。采用共陽極逐行動態(tài)掃描的方法，行控制信號由74HC138為主的驅動電路產生，列驅動信號由74HC595通過級聯(lián)方式來對列進行驅動。

系統(tǒng)軟件設計的主要目的是點陣顯示屏能夠根據(jù)需要，通過產生相應的控制信號來使屏幕按照設計的要求進行顯示。顯示驅動程序負責向點陣屏傳送特定組合的顯示數(shù)據(jù)，并負責產生行掃描信號和其它控制信號，配合完成LED顯示屏的掃描顯示工作。顯示驅動程序由顯示子程序實現(xiàn)；系統(tǒng)環(huán)境設置（初始化）由系統(tǒng)初始化程序完成；顯示效果處理等工作，則由主程序通過調用子程序來實現(xiàn)。

然后顯示驅動程序查詢當前燃亮的行號，從顯示緩存區(qū)內讀取下一行的顯示數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給移位寄存器。為消除在切換行顯示數(shù)據(jù)的時候產生拖尾現(xiàn)象，驅動程序先要關閉顯示屏，即消隱，等數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后輸出74HC595的鎖存信號，將顯示數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器并鎖存，然后再輸出新的行號，并打開顯示。如圖7所示為顯示驅動程序流程圖。

五、結語

通過設計系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的需求，通過單片機的控制在8×8點陣顯示屏上顯示文字、圖形、數(shù)字等信息，且系統(tǒng)單片機采用功耗低的AVR單片機，不僅提高了系統(tǒng)整體運行速率，而且非常適合對功耗要求高的室外顯示系統(tǒng)使用。

參考文獻

[1]張明波.基于單片機的點陣LED顯示系統(tǒng)的設計[J].單片機開發(fā)與應用，2007（02）：85-86.

[2]景向偉，李娣娜，邵思飛.基于單片機的LED點陣顯示系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，3420）：153-155.

作者簡介：李威（1975—），男，廣東中山人，中山市技師學院電氣應用系講師，研究方向：電子技術。