胡蓉

摘要：LED點(diǎn)陣廣告屏作為信息的發(fā)布顯示工具，在各種公共場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。文章介紹了一種利用嵌入式單片機(jī)作為控制核心的LED點(diǎn)陣廣告屏實(shí)訓(xùn)裝置的設(shè)計(jì)，旨在提升高職學(xué)生掌握點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)與組裝能力。該裝置為可上下左右級(jí)聯(lián)的16×16 LED點(diǎn)陣模組，將移位寄存器74HC595作為行列驅(qū)動(dòng)模塊，可實(shí)現(xiàn)積木式擴(kuò)展連接。該裝置在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：LED點(diǎn)陣；74HC595；模塊化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273+.5? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

LED點(diǎn)陣廣告屏是將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的顯示設(shè)備，既可以顯示靜態(tài)文字、圖像，也可以顯示動(dòng)態(tài)的視頻信息。LED點(diǎn)陣廣告屏作為信息的發(fā)布顯示工具，在政府機(jī)關(guān)、銀行、學(xué)校等各種公共場(chǎng)所得到了廣泛應(yīng)用。在高職單片機(jī)與嵌入式項(xiàng)目化教學(xué)中，LED點(diǎn)陣廣告屏是一個(gè)非常重要的實(shí)踐項(xiàng)目。常規(guī)的LED點(diǎn)陣屏實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往是只有一個(gè)固定的小型點(diǎn)陣模塊，顯示的內(nèi)容受到局限，而且連線占用單片機(jī)IO口較多，靈活性較差，與實(shí)際的應(yīng)用脫節(jié)。本項(xiàng)目基于模塊化設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)了一款在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中既可單獨(dú)使用顯示漢字字符，又可上下左右級(jí)聯(lián)擴(kuò)展的16×16LED點(diǎn)陣廣告屏實(shí)訓(xùn)裝置，彌補(bǔ)了常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。

1 模組硬件電路設(shè)計(jì)

LED點(diǎn)陣廣告屏由于顯示的內(nèi)容為大多數(shù)為文字圖片，需要主控設(shè)備較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間以及較快的刷新速率，在不增加外部存儲(chǔ)器的前提下，可選用高速、大容量1 T的單片機(jī)——STC8系列單片機(jī)作為主控芯片，同時(shí)為了節(jié)約IO口，采用串行通信技術(shù)，利用單片機(jī)的串行通信口與串并轉(zhuǎn)換芯片控制LED點(diǎn)陣行列端口。LED點(diǎn)陣廣告屏模組的硬件基本結(jié)構(gòu)由點(diǎn)陣顯示屏、驅(qū)動(dòng)控制器、模組接口三大部分組成，可根據(jù)實(shí)際實(shí)訓(xùn)需求將若干個(gè)模組進(jìn)行級(jí)聯(lián)后接入嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)。整體模組硬件設(shè)計(jì)電路如圖1所示。

1.1 點(diǎn)陣顯示屏

LED點(diǎn)陣屏最小單元是由一組高亮度發(fā)光二極管按統(tǒng)一的極性方向順序連接，形成行列二維結(jié)構(gòu)，按照行線上連接的極性，分為共陽(yáng)和共陰兩種方式［1］。

LED點(diǎn)陣屏常見(jiàn)的最小單元根據(jù)發(fā)光二極管的數(shù)量有5×7，5×8和8×8 3種點(diǎn)陣，在型號(hào)規(guī)格上有尺寸（mm）、點(diǎn)距、分辨率、亮度、功率等參數(shù)要進(jìn)行考慮。室外屏一般要求尺寸和點(diǎn)距較大，高亮度，適合遠(yuǎn)距離觀看；室內(nèi)屏對(duì)尺寸尤其是點(diǎn)距的要求較低，點(diǎn)間距越小，所呈現(xiàn)出來(lái)的畫(huà)質(zhì)越清晰，視覺(jué)效果就越好。本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置是為了滿(mǎn)足嵌入式單片機(jī)教學(xué)實(shí)訓(xùn)使用，要求裝置材料易于采購(gòu)，價(jià)格合理，滿(mǎn)足室內(nèi)場(chǎng)所近距離觀看。綜上考慮，設(shè)計(jì)采用了3.75 mm共陽(yáng)點(diǎn)陣最小單元1588BPG。1588BPG是由8行8列共64個(gè)LED封裝而成，行為陽(yáng)極，列為陰極，當(dāng)行控制線加正電壓，而列控制線加低電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)行列上的LED正向?qū)òl(fā)光。模組點(diǎn)陣屏共有4組1588BPG最小單元，行列依次相應(yīng)連接形成16行16列，為了顯示各種圖文信息，在實(shí)際應(yīng)用中采用動(dòng)態(tài)掃描的方式工作，由峰值較大的窄脈沖驅(qū)動(dòng)，從上到下（或從左到右）逐行（列）進(jìn)行掃描導(dǎo)通，同時(shí)又向各列（行）送出表示圖形或文字信息的脈沖信號(hào)，利用人眼視覺(jué)惰性和視覺(jué)暫留特性就可以在LED屏上看到完整穩(wěn)定的圖形。

1.2 驅(qū)動(dòng)控制器

本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置選用高速1 T的STC8系列單片機(jī)為主控制器，最大有64 K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器（ROM），具有4個(gè)全雙工異步串行通信接口，每個(gè)通信接口均有不同工作模式。串口1有4種工作模式，工作方式0為同步移位串行方式，可與串并轉(zhuǎn)換芯片結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)端口擴(kuò)展。為了不和單片機(jī)的ISP下載端口P3.0和P3.1沖突，可通過(guò)P_SW1寄存器中的B7、B6位設(shè)置切換到不同端口。例如B7B6設(shè)置為01，串行口1的RXD切換到P3.6、TXD切換到P3.7，分別作為串行數(shù)據(jù)輸出端和串行移位脈沖輸出端。

串并轉(zhuǎn)換芯片常用的是74HC595，其最大的優(yōu)點(diǎn)是有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，在串行移位的過(guò)程中，輸出端的并行數(shù)據(jù)可以保持不變。輸出電流約為35 mA，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，可以省略三極管等放大電路，有利于簡(jiǎn)化電路。74HC595有兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘控制信號(hào)，串行移位時(shí)鐘信號(hào)SHIFT_CLK控制從串行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)進(jìn)行移位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)從QA～QH依次串行移位，數(shù)據(jù)鎖存時(shí)鐘信號(hào)ST_CLK的上升沿到來(lái)實(shí)現(xiàn)8位并行輸出數(shù)據(jù)鎖存［2］。

用戶(hù)可以利用74HC595的QH-串行移位輸出端與下一級(jí)74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入端DS的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上下級(jí)傳輸。本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組16行和16列的驅(qū)動(dòng)控制由4塊74HC595實(shí)現(xiàn)，點(diǎn)陣屏的16行和16列依次與驅(qū)動(dòng)芯片的8位并行數(shù)據(jù)輸出端連接，在行驅(qū)動(dòng)輸出端口連接100 Ω的限流電阻，兩片行驅(qū)動(dòng)芯片作為前級(jí)，兩片列驅(qū)動(dòng)芯片為后級(jí)。

1.3 模組接口

本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組有上下左右共4組接口，模組之間可通過(guò)接插口逐一相連，無(wú)需額外接線，方便形成積木式擴(kuò)展。實(shí)訓(xùn)裝置左右接插形式的接口共有5個(gè)端口，分別是電源接口+VCC和GND、串行數(shù)據(jù)接口DS、串行移位時(shí)鐘信號(hào)SHIFT_CLK、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)ST_CLK；上下兩個(gè)接插形式的接口共有4個(gè)端口，與左右接口相比少了串行數(shù)據(jù)端口。LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組在進(jìn)行橫向擴(kuò)展級(jí)聯(lián)的時(shí)候，左右接插口依次進(jìn)行拼接級(jí)聯(lián)，在進(jìn)行縱向擴(kuò)展的時(shí)候上下接插口進(jìn)行拼接級(jí)聯(lián)；同時(shí)擴(kuò)展的DS數(shù)據(jù)端要單獨(dú)與單片機(jī)的IO數(shù)據(jù)輸出端進(jìn)行連接。由此，所有模組的+VCC，GND，SHIFT_CLK，ST_CLK均為并接同步信號(hào)，數(shù)據(jù)端DS接入單片機(jī)后由模組左側(cè)輸入，右側(cè)輸出，形成串行信號(hào)。按此連接方法，4塊LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組可級(jí)聯(lián)構(gòu)成16×64或32×32廣告屏。模組硬件設(shè)計(jì)采用方便點(diǎn)陣屏檢測(cè)與拆卸的上下雙層結(jié)構(gòu)，模組4個(gè)頂角設(shè)計(jì)了3 M銅柱進(jìn)行支撐，實(shí)物如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作于模式0時(shí)，由于波特率固定，無(wú)需定時(shí)器提供，直接由單片機(jī)的時(shí)鐘作為同步移位脈沖。當(dāng)主機(jī)執(zhí)行將數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送緩沖器SBUF指令時(shí)啟動(dòng)發(fā)送，串行口即將8位數(shù)據(jù)以SYSclk/12或SYSclk/2（由UART_MOx6確定是12分頻還是2分頻）的波特率從RxD管腳輸出（從低位到高位），發(fā)送完中斷標(biāo)志TI置1，TxD管腳輸出同步移位脈沖信號(hào)。當(dāng)寫(xiě)信號(hào)有效后，相隔一個(gè)時(shí)鐘，發(fā)送控制端SEND有效（高電平），允許RxD發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)允許TxD輸出同步移位脈沖［3］。

單片機(jī)一幀（8位）數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，各控制端均恢復(fù)原狀態(tài)，只有TI保持高電平，呈中斷申請(qǐng)狀態(tài)。在再次發(fā)送數(shù)據(jù)前，必須用軟件將TI清0。一個(gè)LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組有16行16列，需進(jìn)行4次行列數(shù)據(jù)的發(fā)送，如果使用級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，則根據(jù)擴(kuò)展的級(jí)數(shù)從最前端依次進(jìn)行模組數(shù)據(jù)發(fā)送，在所有模組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，鎖存信號(hào)有效，進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存到并行數(shù)據(jù)寄存器中。延時(shí)一段時(shí)間后，重復(fù)刷新，然后取下一幀數(shù)據(jù)。

當(dāng)用戶(hù)使用單片機(jī)的串口1、第2組管腳進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)16×64漢字流動(dòng)顯示的程序流程如圖3所示。

3 應(yīng)用效果

單個(gè)LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組就可以完成字符圖形等顯示，若要提高顯示面積可采用模組級(jí)連方式。以4塊LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置模組為例，可左右串行擴(kuò)展構(gòu)成16×64廣告屏或左右串行和上下并行擴(kuò)展32×32廣告屏，16×64廣告屏顯示效果如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置應(yīng)用在“嵌入式單片機(jī)”課程教學(xué)中，用戶(hù)能以積木式進(jìn)行級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，根據(jù)設(shè)計(jì)需要自由組合、快速搭建，從而解決了在點(diǎn)陣廣告屏教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)教具顯示內(nèi)容的形式單一、方法簡(jiǎn)陋的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，本LED點(diǎn)陣屏實(shí)訓(xùn)裝置易于維護(hù)，方便用戶(hù)使用，能滿(mǎn)足不同主控系統(tǒng)對(duì)LED點(diǎn)陣屏的顯示要求。

參考文獻(xiàn)

［1］曾昭獻(xiàn).一種LED顯示原理實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的研究與應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2021（7）：169-171.

［2］楊秀增.基于Proteus的單片機(jī)LED點(diǎn)陣顯示教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.廣西教育，2017（3）：104-106.

［3］于明軍.模塊化LED點(diǎn)陣顯示屏實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021（2）：129-135.

（編輯 王雪芬）

Design of modular LED dot matrix advertising screen training device

Hu? Rong

（Jiangxi Industry Polytechnic College， Nanchang 330095， China）

Abstract：? LED dot matrix advertising screen， as a tool for information release and display， has been widely used in various public places. In order to make higher vocational students master the assembly and design of the dot matrix screen， this paper introduces the design of an LED dot matrix advertising screen training device using the embedded microcontroller as the control core. The device is a 16×16 LED dot-matrix module that can be cascaded up， down， left and right. The shift register 74HC595 is used as the row and column drive module， which can realize the block-type expansion connection. The device has achieved good use effect.

Key words： LED dot matrix; 74HC595; modularization