陳萬(wàn)疆

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 鹽城 224000）

0 引言

伴隨著社會(huì)的迅猛發(fā)展，LED技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，基于LED的顯示戶(hù)外廣告逐步成為人們宣傳品牌、推銷(xiāo)產(chǎn)品的常用方式。LED顯示所具有的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為清晰易懂、應(yīng)用周期長(zhǎng)，并且不會(huì)產(chǎn)生較高的功耗。廣告內(nèi)容的多元化及個(gè)性化對(duì)LED顯示提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)及更多需求。在LED顯示中，數(shù)碼管顯示是最基本、最常用的一項(xiàng)功能，通常只適合純數(shù)字顯示。LED顯示屏簡(jiǎn)單來(lái)講是由若干個(gè)發(fā)光二極管共同構(gòu)成的顯示屏，在實(shí)際應(yīng)用中，利用調(diào)控二極管的亮滅的方式準(zhǔn)確清晰地展示圖文等相關(guān)內(nèi)容。為更好地滿足不同用戶(hù)群體的多元化、個(gè)性化需求，本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入探討和不懈努力，研發(fā)了一款能夠清晰直觀顯示溫度、文字等多類(lèi)不同信息的LED顯示系統(tǒng)。

1 顯示屏控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀態(tài)高度依賴(lài)于兩大工具：一是上位機(jī)，即PC機(jī)，二是下位機(jī)，也就是我們通常所講的單片機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行中，用戶(hù)能夠直接利用上位機(jī)高效便捷地編輯顯示需求，而后將相關(guān)信息及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送至下位機(jī)。下位機(jī)部分采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)靈敏且功能強(qiáng)大的單片機(jī)，由于LED顯示模塊的數(shù)量比較少，功能比較簡(jiǎn)單，所以單片機(jī)能夠獨(dú)立勝任。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[1]。

2 單片機(jī)選型

單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占據(jù)著舉足輕重地位，它是不可或缺的控制核心。所以，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求選取合適的單片機(jī)，以期以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。在綜合考慮各方面因素之后，本文決定選取AVR系列單片機(jī)中的ATmegal6，其優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、功耗小，并且提供了多個(gè)便于功能擴(kuò)展的I/O口。概括來(lái)講，本文采用ATmegal6單片機(jī)的主要原因如下：

①性能可靠，功耗較小。ATmegal6的高速數(shù)據(jù)吞吐率妥善處理了功耗與效率之間的沖突，對(duì)于綠色環(huán)保的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)而言，由于電能的產(chǎn)生實(shí)屬不易，所以，采用功耗較低的控制器既符合我國(guó)乃至全球大力倡導(dǎo)的綠色發(fā)展理念，也能夠減少資源的消耗，降低運(yùn)行成本。

②I/O口數(shù)量比較多，且功能豐富。ATmegal6設(shè)置了32個(gè)I/O口，在現(xiàn)有的各種I/O口中，其中，PA口擁有10位精度的ADC，能夠高效精準(zhǔn)地采集單端輸入電壓。本系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，需要及時(shí)準(zhǔn)確地搜集多路模擬信號(hào)，而ATmegal6則能夠非常便捷高效地完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，無(wú)需引入其他電路，有助于簡(jiǎn)化電路，降低設(shè)計(jì)工作量。

③可依托對(duì)定時(shí)器的合理設(shè)置，完成對(duì)PWM波信號(hào)的及時(shí)獲取及高效調(diào)控。ATmegal6包含了2個(gè)8位和1個(gè)16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器，能夠利用下達(dá)指令的方式獲取相應(yīng)的PWM信號(hào)，另外，存在多種不同的PWM信號(hào)模式，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況選取合適的模式。

④能夠和Protues軟件高度兼容。ATmegal6具有較強(qiáng)的通用性，能夠與編譯后的程序進(jìn)行有效對(duì)接，為系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行提供了極大便利[2]。

3 LED顯示屏行列顯示原理

關(guān)于基礎(chǔ)模塊這一部分，本系統(tǒng)在綜合考慮各方面因素之后，最終選取了經(jīng)典的16*32點(diǎn)陣，顯示屏采用了兩塊大小16*64的基礎(chǔ)模塊。LED點(diǎn)陣屏采用了多個(gè)發(fā)光二極管，每顆LED產(chǎn)生的像素以矩陣的形式進(jìn)行連接，如果a行和電源一極接通，b列和電源的另一極接通，那么a,b像素點(diǎn)就會(huì)發(fā)光。

本系統(tǒng)選取了當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的行掃描列驅(qū)動(dòng)模式，其原理是掃描周期短于肉眼暫留，那么，肉眼就無(wú)法看到閃爍的情況，相關(guān)內(nèi)容信息就如同在眼前。以第一行起，嚴(yán)格按照次序?qū)γ恳恍羞M(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范地掃描，結(jié)合每列鎖存的數(shù)據(jù)信息，檢查此列有無(wú)與電源的另一極相通，沒(méi)有成功接通的列所對(duì)應(yīng)的LED均不會(huì)被點(diǎn)亮，反之則處于發(fā)光狀態(tài)。在一行掃描完結(jié)束后，再掃描下一行，將所有行嚴(yán)格規(guī)范地掃描完后即表示1個(gè)掃描周期結(jié)束。因掃描周期比較短，所以，肉眼能夠看清全屏顯示。關(guān)于點(diǎn)陣的掃描流程見(jiàn)圖2[3]。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在綜合考慮各方面因素后決定，將ATmegal6單片機(jī)選擇為控制核心，通過(guò)兩塊16×32點(diǎn)陣單色點(diǎn)陣顯示屏清晰直觀地顯示相關(guān)信息，不僅如此，還采用了行驅(qū)動(dòng)器等相關(guān)部件，其具體構(gòu)成見(jiàn)圖3。

4.1 ATmegal6單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)本身不具有控制功能，唯有與相關(guān)電路安全規(guī)范地連接在一起，共同構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，方可實(shí)現(xiàn)其特定的控制作用。

4.1.1 晶振電路設(shè)計(jì)

ATmegal6單片機(jī)內(nèi)置了一個(gè)規(guī)范合理的RC振蕩電路，支持四種不同的振蕩頻率。不過(guò)需要認(rèn)識(shí)到，基于該電路而釋放出來(lái)的振蕩信號(hào)精度不高，所以在比較嚴(yán)格的長(zhǎng)河下，人們通常會(huì)選取外部振蕩電路，以此提供精度較高的振蕩頻率。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，多連接22pF的電容。關(guān)于其電路設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖4。

4.1.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

ATmegal6單片機(jī)本身包含了上電復(fù)位，在實(shí)際應(yīng)用中，可利用對(duì)相應(yīng)熔絲位的精準(zhǔn)調(diào)控，完成對(duì)復(fù)位周期的高效化、便捷化控制，而這即使在很大程度上簡(jiǎn)化了外部復(fù)位電路設(shè)計(jì)工作，一般只需要將一個(gè)上拉電阻R0連接至VCC即可。本文在全面深入地分析后，最終決定采用規(guī)格為10K的上拉電阻。

此次制作的復(fù)位電路具體見(jiàn)圖5。旨在增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性和安全性，通常會(huì)額外增設(shè)一個(gè)濾波電容，由此完成對(duì)雜波的有效濾除，盡量減少各種干擾，本文為此增設(shè)了一個(gè)大小為0.1uF的電容。二極管D3（IN4148）所具有的作用主要表現(xiàn)為下述兩個(gè)方面：一方面是在系統(tǒng)斷電后，能夠快速及時(shí)地上拉電阻短路，促進(jìn)濾波電容C0快速放電，在系統(tǒng)連通電源后，能夠正確復(fù)位；另一方面，在復(fù)位的過(guò)程中，將系統(tǒng)輸入電壓調(diào)控在VCC±0.5V范圍內(nèi)。本系統(tǒng)決定通過(guò)按鍵這一操作便捷、成本較低的方式進(jìn)行復(fù)位，在單片機(jī)保持穩(wěn)定可靠的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，直接手動(dòng)按下復(fù)位開(kāi)關(guān)鍵，以此實(shí)現(xiàn)有效復(fù)位[4]。

4.1.3 電源電路設(shè)計(jì)

關(guān)于AVR單片機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行中，多連接5V、33V電壓。本線路操作簡(jiǎn)單，直接通過(guò)開(kāi)關(guān)完成對(duì)兩種電壓的高效化、便捷化切換，同時(shí)利用雙色二極管進(jìn)行清晰直觀地指示（若連接5V電壓，則發(fā)綠光，若連接33V電壓，則發(fā)紅光）。二極管D1的主要作用是避免用戶(hù)在操作過(guò)程中出現(xiàn)插錯(cuò)電源極性的現(xiàn)象。D2的主要功能是支持用戶(hù)將電壓倒灌于該電路之中，并且不會(huì)對(duì)1117-ADJ造成任何不良影響，關(guān)于電源電路設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖6。

111-ADJ的特性主要表現(xiàn)為：1腳會(huì)輸出50μA電流，1-2腳會(huì)連通1.25V電壓。由此即能夠準(zhǔn)確高效地推導(dǎo)出輸出電壓的值。

若SW開(kāi)關(guān)打向左邊，R6上流經(jīng)的電流為1.25/0.33= 3.78ma。R6上流經(jīng)的電流則為1117-ADJ腳電流與R6電流之和，即0.05+3.78=3.83ma。由此即能夠便捷高效地推導(dǎo)出R8電壓是3.84V，繼而可得VCC=1.25+3.83=5.08V，誤差一般不超過(guò)2%。

若SW開(kāi)關(guān)打向右邊，R6上流經(jīng)的電流為1.25/0.62= 2.02ma。R6上流經(jīng)的電流為1117-ADJ腳電流與R6電流之和，即0.05+2.02=2.07ma。由此即能夠便捷高效地推導(dǎo)出R8電壓是2.07V，繼而可得VCC=1.25+2.07=3.32V，誤差一般不超過(guò)1%[5]。

選擇1%精度的電阻，一般能夠令輸出電壓的誤差不超過(guò)3%。

4.2 LED顯示硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在全面細(xì)致的考慮之后，決定采用點(diǎn)陣顯示模塊，利用性能可靠、操作便捷的74HC138譯碼器完成對(duì)LED顯示模塊的實(shí)時(shí)化、高效化控制，由此實(shí)現(xiàn)共陽(yáng)級(jí)掃描。另外，引入并應(yīng)用PNP三極管可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流之效。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可借助S8550放大的方式，使得輸出電流的驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)一步提升，由此改善LED的亮度，關(guān)于行驅(qū)動(dòng)電路的連接情況見(jiàn)圖7[6]。

在本系統(tǒng)中，列驅(qū)動(dòng)采用了當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的74HC595移位寄存器。任何74HC595均可驅(qū)動(dòng)8列。單片機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中利用串口發(fā)送信息，詳細(xì)來(lái)講，首先需要通過(guò)RXD將相關(guān)信息發(fā)送至SER，再由TXD將同步數(shù)據(jù)移位脈沖發(fā)送至SRCK，在此過(guò)程中，通過(guò)PA7口完成對(duì)74HC595數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)的實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化傳送。唯有在鎖存信號(hào)有效的情況下，74HC595方可精準(zhǔn)及時(shí)地輸出列控制信息[7]。

列信號(hào)源于74HC595，數(shù)據(jù)信息則通過(guò)單片機(jī)的串口進(jìn)行傳輸與發(fā)送，一般來(lái)講，數(shù)據(jù)會(huì)按照由低位至高位的次序進(jìn)行傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，一定要確保數(shù)據(jù)和列之間精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，否則無(wú)法進(jìn)行便捷高效的軟件調(diào)試。

5 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的作用機(jī)制是利用性能可靠、操作便捷的單片機(jī)完成對(duì)LED點(diǎn)陣顯示屏的精準(zhǔn)化、高效化控制。選用了當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的共陽(yáng)極逐行動(dòng)態(tài)掃描的方法，其中，行、列驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別源于74HC138、74HC595。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的初衷在于點(diǎn)陣顯示屏可以利用及時(shí)生成相關(guān)信號(hào)的方式，按照用戶(hù)實(shí)際需求啟動(dòng)和運(yùn)行顯示屏。對(duì)于顯示驅(qū)動(dòng)程序來(lái)講，其主要作用是為點(diǎn)陣屏及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸指定數(shù)據(jù)，同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況高效生成相應(yīng)的信號(hào)，協(xié)助LED顯示屏清晰準(zhǔn)確地掃描顯示。該程序能否順利執(zhí)行主要取決于顯示子程序。

在顯示驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行過(guò)程中，第一步需要查詢(xún)當(dāng)前發(fā)光的行號(hào)，于顯示緩存區(qū)內(nèi)精準(zhǔn)高效地讀取下一行的顯示信息，并利用串口將其實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地傳輸至移位寄存器。關(guān)于該程序的運(yùn)行流程見(jiàn)圖8[8]。

6 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)選取了功耗小、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)且安全可靠的AVR單片機(jī)，既有助于改善系統(tǒng)運(yùn)行速率，也特別適用于室外顯示系統(tǒng)。本系統(tǒng)既能夠清晰直觀地顯示文字，也能夠精準(zhǔn)高效地顯示圖形、符號(hào)等，有助于滿足不同用戶(hù)的多元化、個(gè)性化需求，同時(shí)也為同類(lèi)相關(guān)設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。