基于单片机的LED汉字显示屏的设计

摘要：文中详细介绍了由STC89C52RC单片机、74HC154芯片、晶振电路、复位电路、驱动电路、16×16 LED点阵构成的LED汉字显示屏系统。设计采用STC89C52RC单片机为微控制器，74HC154为译码器、PNP型三极管8550构成行驱动电路，NPN型三极管8050构成列驱动电路，采用4个8x8LED显示器级联构成16×16的点阵汉字显示屏。软、硬件设计结果表明所设计的LED汉字显示屏可以实现汉字的滚动显示，且汉字清晰，无串扰，无重影。
关键词：STC89C52RC；LED点阵；汉字显示屏；动态扫描

    LED点阵是一种简单的汉字显示器件，具有价廉、易于控制实现、使用寿命长的特点。本次LED汉字显示屏的设计使用STC89C52单片机对4片8x8LED点阵进行控制，采用上移显示方式，可以连续显示多个汉字。

1 硬件设计
1．1 系统的硬件组成框图
    系统硬件组成框图如图1所示。

    1)选用STC89C52单片机作为微控制器。
    2)由74HC154构成译码器，该译码器是4线-16线译码器，输入端有4条数据线，共有6种输出，分别对应控制LED点阵显示器的0-15行。译码器输入端接单片机P0口。
    3)驱动电路：由PNP型三极管8550和NPN型三极管8050构成，分别控制行和列。为显示器提供足够的驱动电流。列驱动高八位接单片机P2口，低八位接单片机P1口。行驱动接译码器芯片输出端。
    4)显示模块：由4个8x8LED显示器级联而成作为输出终端；4块显示器的连接方法为；上下排列对应列引脚相连，左右排列对应行引脚相连。
1．2 硬件模块设计
1．2．1 STC89C52RC单片机
    STC89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，STC89C52单片机在电子行业中有广泛的应用，管脚分布如图2所示。

    1)主电源引脚(2根)：VCC(Pin40)电源输入，接+5V电源；GND(Pin20)接地线。
    2)外接晶振引脚(2根)：XTAL1(Pin19)片内振荡电路的输入端；XTAL2(Pin20)片内振荡电路的输出端。
    3)控制引脚(4根)：RST／VPP(Pin9)复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；ALE／PROG(Pin30)地址锁存允许信号；PSEN(Pin29)外部存储器读选通信号EA／VPP(Pin31)程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高则从内部程序存储器读指令。
    4)可编程输入／输出引脚(32根)：AT89S51单片机有4组8位的可编程I／O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根。每一根引脚都可以编程。
1．2．2 74HC154芯片
    74HC154是一款高速CMOS器件，74HC154引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列，管脚分布如图3所示。

    74HC154译码器可接受4位高有效二进制地址输入，并提供16个互斥的低有效输出。74HC154的两个输入能门门电路用于译码器选通，以消除输出端上的通常译码“假信号”，也可用于译码器扩展。门电路包含两个“逻辑与”输入，必须置为低以便使能输出端。任选一个使能输入端作为数据输入，74HC154可充当一个1-16的多路分配器。当其余的使能输入端置低时，地址输出将会跟随应用的状态。
    在本设计中，需要定时对16x16LED的行进行动态扫描，共有16种状态，故选择了4线-16线译码器，该译码器只用输出4位有效数据，就可控制16种状态，大大简化了软件的编写，同时节省了单片机的硬件资源。
1．2．3 复位电路设计
    复位电路如图4所示，其基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。采用简易的上电复位电路，主要由电阻R1，R2，电容C1，开关K1组成，分别接至AT89C51的RST复位输入端。

1．2．4 晶振电路设计
    晶振电路如图5所示，其基本功能是：为单片机提供一个稳定的参考时钟，使单片机能够可靠的工作。晶振的频率常用的有6MHz、11．0 592 MHz、12 MHz等。晶振电路的接法比较同定，本设计采用的11．059 2 MHz晶振电路为晶振两端接2个20～30 pF的起振电容后接地，然后两端接单片机XTAL引脚即可，各单片机说明手册中附有不同频率的晶振的晶振电路的接法。

1．2．5 驱动电路设计
    驱动电路原理图如图6所示，行、列驱动部分均用16个小功率普通三极管来控制。由于选用的LED显示器为共阴接法，即同名列共阳，同名行共阴，为使加入驱动后与原显示屏控制方式保持一致(列高电位接通，行低电位接通)，故行驱动选用PNP型三极管8550，对应的列驱动选择NPN型三极管8050。驱动电路原理图如图6所示。

1．2．6 LED点阵汉字显示
    要显示一个汉字，必然要用到汉字的点阵字形信息，也叫做汉字的字模。得到汉字字模的过程称为汉字的取模，汉字的取模是汉字显示的逆过程。根据汉字的不同字体，汉字字模可分为宋体字模、楷体字模、黑体字模等。根据汉字的显示清晰度，又可分为16×16点阵字模、32×32点阵字模等等。汉字的字模是汉字字形的数字化。本设计中，汉字的字模是以16进制数字形式记录的显示一个具体的汉字时每一行需要点亮的LED的信息。如图7所示：以汉字“你”为例，每一行中数字“0”代表未点亮该行对应列位置上的LED，而数字“1”则代表该行对应列位置上的LED被点亮。这样，每一行由数字“0”和数字“1”组成的汉字信息叫做位代码，将每行16位位代码转换成2个字节的16进制代码，就是我们需要的汉字字模信息。

2 软件设计
2．1 主程序流程图
    主程序流程图如图8所示。主程序调用了2个重要子函数，即显示子函数和移位子函数。显示子函数的功能是让LED显示器显示指针所指向的字模数组的数据，而移位子函数的功能是让指针所指的地址加2，以实现汉字整体上移一行的效果。整个主程序运行后，先初始化指针p所指向的地址，让指针指向字模数组的起始处，并且设定变量I的初值为0，用I的值来控制显示函数的重复次数，达到调整显示汉字移动速度的目的。当I值未达到设定值时，不断重复显示子函数，此时屏幕上显示的是一个静止不动的汉字，直到I达到设定值，调用移位子函数，将指针地址加2，使指针的起始位置指向第二行，然后重新从I的初始化开始执行，这样，屏幕上就呈现出汉字不断上移的结果。

2．2 显示子程序流程图
    显示子程序流程图如图9所示，显示子程序的运行过程主要是单片机I／O口对外发送数据的过程。程序首先设定了一个局部变量I，并定义其值为0。设定该变量的主要目的是为了确定扫描的行数，以控制I／O口发送相应行的字模数据。经过判断，如果I值小于15，说明正在扫描显示器上的某一行，则P0口送出相应的行扫描命令到74HC154芯片，经译码后控制显示器接通相应的行，然后P2、P1送出相应的高、低八位列字模数据，最后关闭列控制以防止残影，对I值自加1就完成了一个循环。当I>15时，说明全部的16行扫描进行完成，此时显示器整屏已经出现了需要的图像，程序执行完成。

2．3 移位子程序流程图
    位移子程序就是让地址指针自动加2，这样，当湿示函数执行时，第一行显示的就是原本第二行要显示的内容，依次类推，整个字形就好像上移了一行一样。所以程序运行过程是这样的：首先让地址指针自加2，以实现地址指针的移动，然后削定地址指针所指向的地址的值，如果地址指针指向了字模数组的最后一位地址，就要令地址指针归0，否则，指针顺序移动下去，当移出字模数组的范围后，后面的存储空间存储的数据是未知的，就会出现非预期的图形，例如乱码或空白。

3 硬件调试与改进
3．1 驱动电路的调试与改进
    最初设计方案没有使用驱动电路，软件仿真正常。在面包板上依原理图建立物理连接后，调试中发现LED忽明忽暗，汉字显示不稳定。经万用表测量，LED显示器中单个发光二极管中通过的电流不足1．5 mA，达不到额定的工作电流。确定问题的原因是单片机的驱动电流不足。为解决这一问题，本次设计采用一套利用三级管控制的驱动电路，经试验，加入到电路中效果良好，上述缺陷得到解决。
3．2 限流电阻的调试与改进
    当确定要加驱动电路之后，怎样用三极管来控制这个电流大小是一个问题。起初通过三极管直接加5 V电压。一个LED被烧坏，这就需要加要加限流电阻，但是这电阻要加多大呢?分析如下：正常点亮一个LED的电流大约是5～15 mA左右，动态扫描电路，每次每列最多只点亮1个LED，故每个驱动三极管流过的电流按10 mA的电流大小算。通过加不同阻值的电阻，用万用表测量后发现用4．7 kΩ的限流电阻与8550(PNP型)三极管串联控制行，用47 kΩ的电阻与8050(NPN型)三极管串联控制列便可以满足要求。
3．3 译码器的调试与改进
    最初设计方案采用软件编程来实现扫描时的换行控制，虽然硬件电路相对现在的有少许简单，但是软件程序确实相当的复杂，后发现只用一个译码器就可以大大简化程序。
3．4 上拉电阻的选择
    设计之处初用单片机的P0口通过译码器控制显示屏的行，插好线后发现单片机不能正常工作，原因是单片机的P0口是比较特殊的。P0口在不接片外存储器与不扩展I／O口时，可作为准双向输入／输出口。在接有片外存储器或扩展I／O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。所以P0口的带负载能力是比较低的，一般情况下要接一个上拉电阻，所以最后在P0口接了一个10千欧的排阻之后解决了问题。
3．5 消影调试
    当所有的线路都连接好后，显示却不清晰、有串扰，每行有上一行的重影。在源程序中加入消影程序后可以清晰稳定的显示。

4 结束语
    文中给出了LED汉字显示屏的系统框图，各单元硬件电路、软件设计流程图及硬件电路的调试流程；详细阐述了由STC89C52RC芯片、74H C154芯片、晶振电路、复位电路、驱动电路、16x16 LED点阵构成的LED汉字显示屏系统。所设计的显示屏可以实现汉字的滚动显示，显示的汉字清晰，无串扰，无重影。