专题讲座资料（2021-2022年）单片机控制的LED显示屏控制系统分析与研究.doc

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1、单片机控制的 LED 显示屏控制系统分析与研究摘 要：LED 显示屏应用日益广泛，文章分析了基于单片机控制的 LED 显示屏控制系统，采用硬件电路分析、软件仿真调试的方法，通过上位机改变显示内容，实现了 16128 LED 显示屏右移，左移，三种状态循环，静态显示，介绍了使用 Altium Designer Release 10.0 软件制作 LED 显示屏的基本方法。关键词：LED 显示屏；控制系统；仿真；研究LED 显示屏以其亮度高、动态影像显示效果好、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富、性价比高等优点，广泛应用于广告窗、银行、物流通道等。LED 显示屏发展历经三个阶段，199

2、0 年以前的成长形成期，1990-1995 期间的迅速发展期，1995 年以来的稳步提高期。1近年来，LED 显示屏更趋向于高密度小间距、采用风光互补技术、可移动式技术方向发展。为方便信息发布、广告宣传，进一步改善人群密集场所的传统信息传递方式，设计了基于单片机控制的 LED 显示屏控制系统，实现显示内容的左移，右移、静态等显示效果，方便更新显示内容。1 LED 显示屏硬件控制部分设计以单片机为控制核心，由按键控制电路、点阵数据存储器、列驱动电路、行驱动电路、移位寄存器、88 LED 点阵模块、MAX232 电平转换电路及 PC 机实现 16128 的 LED点阵显示屏，控制系统框图如图 1

3、所示。选择有足够ROM/EPROM 存储空间的 STC 系列单片机，用以存放程序、一些原始数据和表格。上位机（PC 机）把所需显示的点阵数据通过 COM 端传给单片机并存入缓冲区，实现了 PC 机即时控制 LED 显示屏的显示内容。系统硬件设计主要是单片机显示控制部分、上位机与单片机显示通讯控制部分，选择接口为标准 RS232 方式。1.1 LED 驱动电路的设计LED 显示屏驱动电路主要由移位寄存器 CD4094、行驱动电路 TIP122、列驱动电路 ULN2803 构成。CD4094 是 8位移位/存储总线寄存器，带输出锁存和三态控制的串入/并出高速转换器，具有驱动能力强、功耗低、方便控制

4、等优点。STR 是锁存端口、DATA 是串行数据输入、QS、QS是串行数据输出端。单片机的 P1.6、P1.5 引脚各接一片 CD4094，第一片 CD4094 的 QS 端数据送第二片的 D 端。共阴极ULN2803 是八 NPN 达林顿晶体管阵列，其驱动负载电流为500mA、驱动电压为 50V，其设计与标准 TTL 系列兼容。一片 ULN2803 芯片驱动 8 列点阵，所以系统需要 16 片ULN2803；TIP122 是中等功率线性开关器件，设计选择“NPN+NPN”组合主要是增大系统放大倍数，驱动 16 行则需要 16 片 TIP122。CD4094 输出口接 TIP122 三极管作为

5、开关口使用，驱动 LED 显示屏的行线；选用带锁存输出的 8位移位寄存器 CD4094 和 ULN2803 作为 LED 显示屏的列线驱动输入。21.2 单片机与 PC 机之间的串行通信根据串行通信协议，合理设定单片机和 PC 机串口的通信速率、传输数据的位数、起始位、停止位等信息即可实现双方通信。单片机的 P3.1（TXD）、P3.2（RXD）端口完成与 PC 机的串行通信，并接收 PC 机发送来的信息保存在存储器 6264 中。选用串行通信工作模式 1，定时器 1 作为波特率发生器，且工作在模式 2。通过 RS232 电平转换电路可实现单片机的 TTL 电平转换为 PC 机的 232 电平

6、。1.3 字模软件的提取采用 PCtoLCD2002 软件能非常方便地实现对文字信息的输入和编辑并捉取字模点阵。PCtoLCD2002 是一款无需安装的绿色软件，该软件提供的模式有字符格式、图像格式两种，能完成汉字、字母、图片以及自定义图片的取模。通过设置界面相关菜单，可分别完成字符格式、图像格式下待显示对象字模的提取。另外，使用 PCtoLCD2002 完美版能生成自己需要的各种小字库，也能生成自定义的国标一二级汉字库。生成汉字库结构是按照输入汉字的顺序依次排列各汉字的点阵数据。1.4Altium Designer Release 10.0 软件设计使用 Altium Designer Re

7、lease 10.0 软件绘制 LED 显示屏控制系统原理图。主要分四步完成：（1）选择器件库。包括微处理器、移位寄存器以及逻辑门原理图元器件库，加载到当前库窗口中。3（2）选择器件。将要放置的器件鼠标左键单击，然后点击 Place，鼠标移动到图纸的合适位置，单击鼠标左键，放置需要的器件。（3）电气连接。电路的连接不仅可以用导线连接，还可以使用网络标号，网络标号相同的引脚，电气上是连接在一起的。（4）检查电气规则。检查是否有错误，出现错误改正后，继续检查，直到无误即可完成 LED 显示屏硬件电路图的绘制。LED 显示屏系统电路图见图 2。2 LED 显示屏程序设计设计以单片机为核心，设计时采用

8、 Keil uVision 4 进行 C语言程序的设计，硬件部分在 Proteus 8 Professional 环境下进行仿真，使仿真软件与编程软件连接，并反复验证和调试完全符合设计要求后，再用 Altium Designer Release 10.0 软件绘制 LED 显示屏电路图并制作印制电路板。2.1 LED 显示屏软件部分工作原理系统设计有四个按键 S0、S1、S2、S3，分别控制 LED显示屏实现 16*16 的 8 个中文汉字、字符的右移，左移，三种状态循环，静态显示。显示驱动程序由定时器 T0 中断程序实现，负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号，配合完成 LED 显示屏的

9、扫描显示工作。4系统软件主要包括主程序（流程图见图 3）、读键子程序、串行接收子程序、右移子程序、左移子程序、静态子程序（流程图见图 4）、显示子程序以及存储器读写子程序。主程序实现初始化及对各子程序的调用，各子程序分别实现对应的功能。LED 显示屏上位机软件部分的设计，主要实现字模提取部分设计、串行口发送部分程序设计。2.2 LED 显示屏下位机LED 显示屏控制系统下位机软件部分主要功能是从控制软件获取点阵信息，接收的点阵信息存储在 6264 芯片中，然后再读取 6264 中相应点阵信息并在 LED 显示屏上按规定要求进行显示。主要包括下位机主程序设计、单片机与 PC机串行通信模块的设计与

10、实现。3 结论基于单片机控制的 LED 显示屏，可以实现 8 个 1616点阵汉字、标点字符的右移，左移，三种状态循环，静态显示，并且通过上位机可即时修改显示内容，利用 AltiumDesigner Release 10 软件绘制 LED 显示屏电路原理图、制作印制电路板。借助标准的 RS232/485 转换模块还可以实现对显示系统的远程控制。5另外，考虑到 LED 显示屏系统稳定性和安全性，电源模块采用有源功率因数校正电路即APFC，减小对电网的干扰，适应电网的波动。6参考文献：1简明全.从LED显示屏发展趋势窥探行业发展J.中国公共安全，2014（13）.24何健.学校班级LED显示屏控制系统设计D.南昌大学专业学位研究生学位论文，2012.3郭金影.基于单片机的 LED 显示屏系统设计与PROTEUS 仿真D.大连交通大学硕士学位论文，2010.5樊梅香，崔琳.单片机控制的 LED 显示屏动态显示的设计J.河北工业科技，2011，28（05）.6林建伟，李震.LED 显示屏用电源的设计J.电源技术应用，2002（12）.基金项目：本文系陕西国防工业职业技术学院院级科研立项项目“LED 显示屏控制系统的研究与实践”的研究成果之一。（项目编号：Gfy13-19）作者简介：王海梅（1979），女，讲师，主要从事：控制理论与控制工程方面研究。