張波 徐傳旭 高舉 周暢

摘? 要：雙色LED點(diǎn)陣屏相對(duì)于單色LED點(diǎn)陣屏來(lái)說(shuō)色彩豐富很多，動(dòng)態(tài)顯示更加能吸引人眼球。本文深入研究了雙色LED點(diǎn)陣屏的工作原理，以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，每種基色都用8片74HC595串接進(jìn)行列控制，2片74HC138組成4-16線譯碼器掃描來(lái)控制，設(shè)計(jì)制作出了16*64雙色LED點(diǎn)陣屏。雙色LED點(diǎn)陣屏能以三種不同的顏色滾動(dòng)顯示，設(shè)計(jì)的電路安全可靠，性價(jià)比高。

關(guān)鍵詞：雙色點(diǎn)陣屏;LED;STC12C5A60S2單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273.5;TN873? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0038-03

0? 引? 言

LED點(diǎn)陣屏作為一種新型的文字信息和圖形顯示的載體，具有可視距離遠(yuǎn)、視角廣、亮度高、顯示靈活多樣、壽命長(zhǎng)等很多優(yōu)點(diǎn)。目前，銀行、車站、商業(yè)中心、展覽場(chǎng)館、娛樂(lè)場(chǎng)所、公交車、碼頭、商鋪和物流領(lǐng)域等等很多場(chǎng)所都能經(jīng)?？吹絃ED點(diǎn)陣屏的身影。LED點(diǎn)陣屏自20世紀(jì)80年代后期迅速發(fā)展起來(lái)之后，在現(xiàn)代信息化社會(huì)中應(yīng)用越來(lái)越廣[1]。

1? 雙色LED點(diǎn)陣屏工作原理

LED點(diǎn)陣屏由發(fā)光二極管（LED）構(gòu)成，通過(guò)發(fā)光二極管亮滅來(lái)顯示圖形文字、動(dòng)畫甚至視頻等。性能好些的點(diǎn)陣屏中的發(fā)光二極管不僅能夠控制其亮滅，還能控制亮度。點(diǎn)陣有4*4、5*7、5*8、6*8、8*8等類型。LED點(diǎn)陣屏按發(fā)光顏色分可分為單色、雙色和全彩三類。單色LED點(diǎn)陣屏只能顯示一種顏色，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)上只有一個(gè)LED。雙色LED點(diǎn)陣屏每個(gè)發(fā)光點(diǎn)上相當(dāng)于有兩個(gè)不同顏色LED，共用陽(yáng)極或共用陰極，所用發(fā)光點(diǎn)上LED都是同一類型。而全彩LED屏每個(gè)發(fā)光點(diǎn)上相當(dāng)于有三個(gè)不同顏色LED，共用陽(yáng)極或共用陰極，所用發(fā)光點(diǎn)上LED都是同一類型。全彩LED屏又分為真全彩和偽全彩兩種。真全彩任意發(fā)光點(diǎn)上任意LED不僅能控制其亮滅，還能控制其亮度等級(jí)，比如256亮度等級(jí)或更多。偽全彩對(duì)任意一個(gè)LED只能控制其亮和滅，不能控制其亮度等級(jí)。

1.1? 單色LED點(diǎn)陣屏工作原理

以常用的8*8點(diǎn)陣屏為例。8*8點(diǎn)陣任意一行或任意一列的LED數(shù)都是8個(gè)，每個(gè)LED都位于行和列交叉的位置，共64個(gè)LED。每一行LED的陽(yáng)極連在一起，每一列的陰極連在一起。8*8點(diǎn)陣屏可以很方便地組成其他類型的點(diǎn)陣屏。比如用8個(gè)8*8點(diǎn)陣屏可以構(gòu)成8*64（或64*8）點(diǎn)陣屏，也可以組成16*32（或32*16）點(diǎn)陣屏，組成的點(diǎn)陣屏每一行的LED陽(yáng)極（或陰極）接在一起連至同一引腳，每一列二極管的陰極（或陽(yáng)極）接在一起連至同一引腳。

要顯示某一字符，就先確定顯示該字符需要點(diǎn)亮哪些位置上的二極管。確定需要點(diǎn)亮的二極管可以在屏幕上清晰地看出，再推理出每行需要的列信號(hào)，也可以由取模軟件直接得出。每行陽(yáng)極連在一起的點(diǎn)陣屏，選中某一行使該行為高電位，其余各行都為低電位，顯示字符需要該行上哪些列的二極管需要點(diǎn)亮，就在此時(shí)給對(duì)應(yīng)的列引腳送出低電平信號(hào)，該行上不需要點(diǎn)亮的列的二極管給對(duì)應(yīng)的列引腳送出高電平信號(hào)，此時(shí)可以點(diǎn)亮列需要顯示的一行。間隔很短的時(shí)間，選中下一行使其為高電位，其余的行都為低電位，列的控制和點(diǎn)亮上行的方式相同，該行上需要點(diǎn)亮的列送出低電平信號(hào)，不需要點(diǎn)亮的列送出高電平信號(hào)，此時(shí)可以點(diǎn)亮列需要顯示的另一行。同樣的方法，間隔很短的時(shí)間依次循環(huán)點(diǎn)亮所有行需要點(diǎn)亮的二極管。雖然二極管是逐行點(diǎn)亮的，但是每行點(diǎn)亮間隔時(shí)間很短，比如2ms左右，由于人眼的視覺(jué)滯后效應(yīng)，人眼看到的點(diǎn)陣屏各行是同時(shí)點(diǎn)亮的，就看到了所要顯示的字符。同樣的方法也可顯示圖形。這種顯示方式稱之為行掃描，對(duì)應(yīng)的也有通過(guò)列掃描進(jìn)行顯示。

使顯示的內(nèi)容向左移動(dòng)或向右移動(dòng)。仍以行掃描為例進(jìn)行。行控制方式和靜態(tài)時(shí)相同，仍然是間隔很短的時(shí)間依次循環(huán)選中各行，列控制有所變化。列控制的各列在選中行每次先發(fā)出和靜態(tài)顯示相同的列控制信號(hào)并顯示一小段時(shí)間，如1s，需要左移或需要右移時(shí)，在下一個(gè)1s行信號(hào)每選中一行時(shí)送出的列信號(hào)，是前1s選中相應(yīng)的行信號(hào)時(shí)列信號(hào)左移或右移一位得到的信號(hào)。再下1s，通過(guò)同樣的方法，使送出的列信號(hào)再左移或右移一位。如果有32列，按上述方法，32s是一個(gè)周期。周期性地重復(fù)，人眼看到LED點(diǎn)陣屏上得到的就是向左或向右滾動(dòng)顯示的字符。需要循環(huán)移動(dòng)時(shí)，送出的列信號(hào)向左或向右循環(huán)移位。

1.2? 雙色LED點(diǎn)陣屏工作原理

以共陽(yáng)極行掃描雙色LED為例，雙色LED點(diǎn)陣屏每一行LED陽(yáng)極連在一起接到同一個(gè)引腳上，每一列相同顏色的LED陰極都連在一起對(duì)外連到另一個(gè)引腳上。所以共陽(yáng)極行掃描雙色LED每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)引腳，每一列對(duì)應(yīng)兩個(gè)引腳。顏色相同的所有列引腳構(gòu)成一路列控制信號(hào)，共兩路列控制信號(hào)。兩路列控制信號(hào)和行控制信號(hào)一起工作，點(diǎn)亮LED點(diǎn)陣屏。工作原理和單色LED點(diǎn)陣屏相同，不同在于雙色LED點(diǎn)陣屏每選中一行時(shí)，同時(shí)送出兩路列信號(hào)。雙色LED點(diǎn)陣屏可以顯示三種顏色。每路列信號(hào)單獨(dú)點(diǎn)亮和行信號(hào)控制時(shí)分別顯示一種顏色，兩路列控信號(hào)同時(shí)工作時(shí)可得到第三種顏色[2]。顯然，雙色LED也可以同單色LED屏一樣滾動(dòng)顯示，且雙色LED點(diǎn)陣屏可以三種顏色分時(shí)交叉顯示，顯示色彩比單色豐富很多，更能吸引人的眼球。

2? 主要器件介紹

2.1? STC12C5A60S2單片機(jī)

STC12C5A60S2單片機(jī)是晶宏公司增強(qiáng)型51單片機(jī)，具有抗干擾能力強(qiáng)、高速低功耗的特點(diǎn)[3]，它的一個(gè)機(jī)器周期等于一個(gè)時(shí)鐘周期。STC12C5A60S2單片機(jī)也是40引腳，在引腳和指令上完全和普通8051單片機(jī)兼容，因此可以很方便地替換原來(lái)的普通8051單片機(jī)，也更方便熟悉普通8051單片機(jī)的技術(shù)人員上手。STC12C5A60S2單片機(jī)幾乎包括了數(shù)據(jù)采集和控制中所有常見(jiàn)的模塊，和普通8051單片機(jī)相比，除了可以單周期工作外，還有如下特點(diǎn)：時(shí)鐘頻率為0～35MHz，由于其單周期工作，這就相當(dāng)于普通單片機(jī)的0～420MHz;自身帶有8路10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)每秒25萬(wàn)次;外部有7路I/O中斷口;雙串口;自身可2路PWM信號(hào)輸出/2路PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列），也可實(shí)現(xiàn)2路數(shù)模轉(zhuǎn)換;4個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;片上集成1280字節(jié)RAM，內(nèi)部有多達(dá)60K FlashROM;支持串口程序燒寫。

2.2? 74HC595

74HC595是一種漏極開(kāi)路的CMOS的8位串行輸入，并行輸出的位移緩存器[4]。輸出端為可控的三態(tài)輸出端。共有16個(gè)引腳、8個(gè)并行數(shù)據(jù)輸出引腳、1個(gè)串行數(shù)據(jù)輸入引腳、1個(gè)數(shù)據(jù)輸入時(shí)鐘引腳和1個(gè)串行數(shù)據(jù)輸出引腳。此外還有電源引腳、輸出使能端、寄存器清零端、輸出寄存器鎖存時(shí)鐘引腳等。輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘引腳上信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)輸入引腳上的1位數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)部的8位移位緩沖器，原緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)全部移位1位，最后1位從串行數(shù)據(jù)輸出引腳輸出。因此74HC595可以很方便地實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)。74HC595移位時(shí)鐘頻率高達(dá)25MHz以上。輸出寄存器鎖存時(shí)鐘引腳上信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)，輸出在輸出寄存器與鎖存移位寄存器中的狀態(tài)值，從并行引腳上輸出。

2.3? 74HC138

74HC138也是一種高速CMOS器件，是種3-8線譯碼器，引腳兼容肖特基TTL系列。74HC138共16個(gè)引腳，有3個(gè)使能端，兩個(gè)低電平有效，一個(gè)高電平有效。74HC138譯碼器接受3位二進(jìn)制地址加權(quán)輸入。3個(gè)使能端全部使能時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)，提供8個(gè)互斥低電平的有效輸出。三位輸入000～111，共8種狀態(tài)，每種狀態(tài)依次使一個(gè)輸出引腳為低電平。利用使能端，2片74HC138可很方便地構(gòu)成4-16線譯碼器，4片74HC138可以很方便地構(gòu)成5-32線譯碼器。

3? 雙色LED點(diǎn)陣屏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣屏由共陽(yáng)極的8個(gè)8*8雙色點(diǎn)陣屏構(gòu)成16*32點(diǎn)陣屏，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)以STC12C5A 60S2單片機(jī)為控制核心。2片74HC138構(gòu)成4-16線譯碼器。單片機(jī)通過(guò)4個(gè)I/O口送信號(hào)至由2片74HC138構(gòu)成的4-16線譯碼器，從而控制16行的行掃描。點(diǎn)亮一行32個(gè)LED需要一定的功率，因此要加上驅(qū)動(dòng)器件，這里選用APM4953，集成2個(gè)P溝道增強(qiáng)型MOS管。74HC 138輸出低電平有效，可方便驅(qū)動(dòng)P溝道增強(qiáng)型MOS管。74HC138的并行輸出端的一引腳連MOS管柵極，每個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)一行LED，共需8個(gè)APM4953。共陽(yáng)極的雙色LED點(diǎn)陣屏有兩路陰極控制電路，每路對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮一種顏色，兩路電路完全相同。每路級(jí)聯(lián)4片74HC595，共需要8片74HC595。每路未連接前一片串行輸出引腳的那片74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入引腳各自分別連接單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，接受單片機(jī)串行輸出的列信號(hào)。兩路所有的74HC595串行輸入時(shí)鐘信號(hào)引腳都連接在一起并連到單片機(jī)的同一個(gè)I/O引腳，兩路所有的74HC595輸出寄存器鎖存時(shí)鐘引腳都連接在一起并連到單片機(jī)的同一個(gè)I/O引腳?？刂茣r(shí)，單片機(jī)用4個(gè)I/O引腳通過(guò)2片74HC138和8個(gè)APM4953實(shí)現(xiàn)行掃描，通過(guò)另4個(gè)I/O引腳、8片74HC595和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)管配合行掃描信號(hào)送出列控制信號(hào)。STC12C5A60S2單片機(jī)行掃描選中一行時(shí)，兩列數(shù)據(jù)同時(shí)鎖定輸出，同時(shí)單片機(jī)快速移串行送出下一行32個(gè)所需的列信號(hào)，當(dāng)行掃描選中下一行時(shí)這些列信號(hào)就被鎖定輸送。由于行掃描和兩列數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，所以8個(gè)8*8點(diǎn)陣屏可同一時(shí)間顯示不同的顏色。

圖1? 雙色點(diǎn)陣屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)的雙色LED點(diǎn)陣屏系統(tǒng)顯示顏色更為豐富、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)，且依此方法可以很方便地設(shè)計(jì)制作出不同規(guī)格大小的雙色LED點(diǎn)陣屏，商用價(jià)值很高，同時(shí)也為研究全彩LED點(diǎn)陣屏打下了很好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張波，丁樂(lè).基于單片機(jī)的LED點(diǎn)陣屏的研究與設(shè)計(jì) [J].中國(guó)市場(chǎng)，2017（15）：290-291.

[2] 溫思歆，孫鵬，余曉銘，等.基于MSP430F5529的全彩LED點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì) [J].信息通信，2015（7）：60-61.

[3] 劉成惠.基于STC12C5A60S2單片機(jī)的LED點(diǎn)陣屏設(shè)計(jì) [J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2016（10）：35-37.

[4] 劉艷朋，郝英俊，萬(wàn)少松.雙色LED點(diǎn)陣控制器的設(shè)計(jì) [J].無(wú)線互聯(lián)科技，2015（6）：84-85.

作者簡(jiǎn)介：張波（1979-），男，漢族，湖北棗陽(yáng)人，副教授，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)。