基于單片機的LED漢字顯示屏設計與制作

昵稱29273511 2015-12-03

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1 引言

　　在大型商場,、車站、碼頭,、地鐵站以及各類辦事窗口等越來越多的場所需要用LED點陣顯示圖形和漢字,。LED行業(yè)已成為一個快速發(fā)展的新興產業(yè)，市場空間巨大,，前景廣闊,。隨著信息產業(yè)的高速發(fā)展，LED顯示作為信息傳播的一種重要手段,，已廣泛應用于室內外需要進行服務內容和服務宗旨宣傳的公眾場所,，例如戶內外公共場所廣告宣傳,、機場車站旅客引導信息,、公交車輛報站系統(tǒng),、證券與銀行信息顯示,、餐館報價信息豆示,、高速公路可變情報板,、體育場館比賽轉播、樓宇燈飾,、交通信號燈,、景觀照明等。顯然,，LED顯示已成為城市亮化、現(xiàn)代化和信息化社會的一個重要標志。

2 硬件電路組成及工作原理

　　本產品擬采用以AT89C51單片機為核心芯片的電路來實現(xiàn),，主要由AT89C51芯片、時鐘電路,、復位電路、列掃描驅動電路(74HC154)、16×16 LED點陣5部分組成,，如圖1所示,。

　　其中，AT89C51是一種帶4 kB閃爍可編程可擦除只讀存儲器(Falsh Programmable and Erasable Read OnlyMemory,，F(xiàn)PEROM)的低電壓,、高性能CMOS型8位微處理器,，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造,，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,，能夠進行1 000次寫／擦循環(huán)，數(shù)據(jù)保留時間為10年,。他是一種高效微控制器,，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。因此,，在智能化電子設計與制作過程中經常用到AT89C51芯片,。

　　時鐘電路由AT89C51的18,，19腳的時鐘端(XTALl及XTAL2)以及12 MHz晶振X1、電容C2,，C3組成,，采用片內振蕩方式。

　　復位電路采用簡易的上電復位電路,，主要由電阻R1,，R2，電容C1,，開關K1組成,，分別接至AT89C51的RST復位輸入端。

　　LED點陣顯示屏采用16×16共256個象素的點陣,，通過萬用表檢測發(fā)光二極管的方法測試判斷出該點陣的引腳分布,，如圖2所示。

　　我們把行列總線接在單片機的IO口,，然后把上面分析到的掃描代碼送人總線,，就可以得到顯示的漢字了。但是若將LED點陣的行列端口全部直接接入89S51單片機,，則需要使用32條IO口,，這樣會造成IO資源的耗盡，系統(tǒng)也再無擴充的余地,。因此,，我們在實際應用中只是將LED點陣的16條行線直接接在P0口和P2口，至于列選掃描信號則是由4-16線譯碼器74HC154來選擇控制,，這樣一來列選控制只使用了單片機的4個IO口,，節(jié)約了很多IO資源，為單片機系統(tǒng)擴充使用功能提供了條件,?？紤]到P0口必需設置上拉電阻，我們采用4.7 kΩ排電阻作為上拉電阻,。

　　漢字掃描顯示的基本過程是這樣的：通電后由于電阻R1,，電容C1的作用，使單片機的RST復位腳電平先高后低,，從而達到復位；之后,，在C2,，C3，X1以及單片機內部時鐘電路的作用下,，單片機89C51按照設定的程序在P0和P2接口輸出與內部漢字對應的代碼電平送至LED點陣的行選線(高電平驅動),，同時在P1.1,，P1.2，P1.3,，P1.4接口輸出列選掃描信號(低電平驅動),，從而選中相應的象素LCD發(fā)光，并利用人眼的視覺暫留特性合成整個漢字的顯示,。

3 漢字的點陣顯示原理及字庫代碼獲取方法

　　我們以UCDOS中文宋體字庫為例,，每一個字由16行16列的點陣組成顯示。即國標漢字庫中的每一個字均由256點陣來表示,。我們可以把每一個點理解為一個象素,，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個漢字屏不僅可以顯示漢字,，也可以顯示在256象素范圍內的任何圖形,。如查用8位的AT89C51單片機控制，由于單片機的總線為8位,，一個字需要拆分為2個部分,，如圖3所示。

　　為了弄清楚漢字的點陣組成規(guī)律,，首先通過列掃描方法獲取漢字的代碼,。漢字可拆分為上部和下部，上部由8×16點陣組成,，下部也由8×16點陣組成,。本例通過列掃描方法首先顯示左上角的第一列的上半部分，即第0列的P00～P07口,，方向為P00到P07,，顯示漢字“大”時，P05點亮,，由上往下排列,，為：P0.0滅，P0.1滅,，P0.2滅P0.3滅,，P0.4滅，P0.5亮,，P0.6滅,，P0.7滅。即二進制00000100,，轉換為十六進制為04h,。上半部第一列完成后，繼續(xù)掃描下半部的第一列,，為了接線的方便,，我們仍設計成由上往下掃描,，即從P27向P20方向掃描，從圖3可以看到,，這一列全部為不亮,，即為00000000，十六進制則為00h,。依照這個方法轉向第二列,、第三列，…,，直至第十六列的掃描,，一共掃描32個8位，可以得出漢字“大”的掃描代碼為：

由這個原理可以看出,，無論顯示何種字體或圖像,，都可以用這個方法來分析出他的掃描代碼從而顯示在屏幕上。

　　上述方法雖然能夠讓我們弄清楚漢字點陣代碼的獲取過程,，但是依靠人工方法獲取漢字代碼是一件非常繁瑣的事情,。為此，我們經常采用字庫軟件查找字符代碼,，軟件打開后輸入漢字,，點“檢取”，十六進制數(shù)據(jù)的漢字代碼即可自動生成,，把我們所需要的豎排數(shù)據(jù)復制到程序中即可,，如圖4所示。

　　可見,，漢字點陣顯示一般有點掃描,、行掃描和列掃描3種。為了符合視覺暫留要求,，點掃描方法的掃描頻率必須大于16×64=1 024 Hz,，周期小于1 ms即可。行掃描和列掃描方法的掃描頻率必須大于16×8=128 Hz,，周期小于7.8 ms即可,，但是一次驅動一列或一行(8顆LED)時需外加驅動電路提高電流，否則LED亮度會不足,。

4 元器件選擇

　　本設計所需元器件如表1所示,。

5 PCB設計與元件裝配

　　本作品采用通用的Protel 99SE板級EDA軟件完成PCB圖的設計，詳細設計過程略,?？紤]到本設計用到的元件數(shù)量不多，我們基本采用單面布線策略，只使用了少量的頂層跨接導線,，以便于業(yè)余設計制作。已設計好的PCB圖見圖5所示,。

　　本電路對元件參數(shù)沒有苛刻要求,，只要元器件選擇正確，無損壞,，電路板制作工藝良好,，把所有電子元件正確焊接裝配后即可進入程序下載和調試工作階段。制作與調試時,，在AT89C2051的位置應安裝20腳的IC座,，以便使單片機可以從電路板中拿下去燒寫程序。

6 程序設計,、燒錄與調試

　　軟件程序主要由開始,、初始化、主程序,、字庫組成,。其中主程序和子程序的流程圖如圖6和圖7所示。

　　下面的程序能夠用來實現(xiàn)“為中華之崛起而學習”等漢字的顯示,。程序清單如下：

在完成編寫程序的編譯和仿真之后,，準備一臺可以燒寫AT89C51的編程器并與電腦主機硬件連接后即可對AT89C51芯片進行程序燒錄下載，然后,，將燒錄好程序的AT89C51單片機裝入到40腳的IC座上,，通電即可調試和運行，由于本例電路對元件參數(shù)的要求不是很高,，只要元件較好,，參數(shù)基本符合要求，焊接裝配后即可正常工作,。

7 結語

　　雖然本設計只使用了一塊16×16 LED點陣,，電路簡單，但是已經包涵了LED顯示屏的電路基本原理和基本程序,，只要擴展單片機的IO接口,，并增加一些LED點陣和相關芯片，就能設計出更大面積,、更多花樣的LED顯示屏,。因此本文對同類設計具有一定的理論和實踐參考價值。