16x16LED汉字显示电路的原理、组成及设计分析

LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成在面积显示屏幕，有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点。在短短的几十年中，技术、产业都取得了长足的进步，已经发展成为重要的现代信息发布媒体手段，在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域得到广泛应用，随着社会信息化的进程，LED显示屏在信息显示领域的应用愈加宽广。

目前LED显示屏的种类越来越多，从使用场合及亮度考虑可分为室内和室外屏，从扫描方式可分为动态扫描显示屏和静态扫描显示屏。室外使用的交通诱导屏，通常采用计算机同步控制的静态扫描显示，每个像素由几个高亮的LED发光管组成，可做成多色或全色。其优点在于播放的内容信息量大，实时性强，且由于采用静态显示，亮度高；其缺点是硬件电路复杂，成本高。室内使用的由8x8LED点阵拼成的显示屏也有同步和异步之分，同步控制显示屏由计算机作为主控器，异步控制显示屏的主控器可采用单片机。单片机控制的单色显示屏由于结构简单，成本低廉，深受人们的喜爱。设计一个室内用16x16点阵LED图纹显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。

1 汉字显示的基本原理

16x16的点阵共有256个发光二极管，用各个位的亮暗来表示一个字，凡是笔画经过的地方都为1（亮），没有笔画的地方都为0（暗），这样就可以表示不同的汉字。从理论上说，不论显示图像还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动方式。在计算机中，所有的数据都是以0和1保存的，按不同的数据操作，可以得到不同的结果。而对于中文显示操作，就是将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表示汉字，即汉字的内码。这样就可以用一组数字来表示汉字的内码，数字的各位信息来记载汉字的形状，即：字模。只要将汉字的相应字模信息文件存入ROM,形成汉字编码；在使用时，先根据汉字编码组成语句，添加到程序的相应位置，即可显示相应的汉字。

2 硬件电路组成及工作原理

该LED汉字条屏采用以AT89C51单片机为核心芯片的电路来实现，主要由AT89C51芯片、时钟电路、复位电路、列扫描驱动电路（74HC154）、16x16LED点阵5部分组成。其中，AT89C51是一种带4 kB闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS型8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，能够进行1 000次写/擦循环，数据保留时间为10年。它是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到AT89C51芯片。

2.1 列驱动电路设计

列驱动电路由集成电路74HC595构成。它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且一位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。

列驱动电路如图1所示。一个模块有4片74HC595,8块LED点阵，每一片74HC595限流电阻后接2块LED点阵，图中只画出了部分电路。DATA IN和DATA OUT分别为模块的数据输入和数据输出，RCLR为74HC595移位寄存器信号索入输出所存器的时钟信号，CLK为同步时钟。将模块中前一片8位移位寄存器74HC595的数据输出（07）与下一片的输入（SER）相连接组成32位的串行数据链，每一位控制一列发光管，若显示方式为1/16占空比的动态扫描方式，则每一列控制16个方光管。当74HC595的某一输出引脚为低电平时，该列上对应行扫描选中行的像素点亮。由于吸收电流的能力相对较强，且为动态扫描，因此在74HC595的输出脚上只需串接一个47 Ω的限流电阻而不需要再用列驱动也能得到满意的亮度效果。

图1 列驱动电路

2.2 行驱动电路设计

采用逐行扫描的方式，当全部列信号准备就绪后，控制信号锁存器输出，相应的行信号应同时跟上。由于采用点阵的行为共阳极，行选的作用就是为待点亮行提供电源。8位移位寄存器方法的行选电路如图2所示。该电路中LS为串行行选信号，MR为74HC164的清零信号，LCLK为行选同步时钟。74HC164的输出经反相后控制三机管的导通与截止，从而分别控制第1行LINE1至第16行LINE16与电源接通。从极端情况来看，驱动功率应满足1行全部32个LED点亮的要求，尽管LED点阵要求单点驱动电流在10~20 mA,但由于采用1/16占空比的动态扫描显示方式，单个LED的瞬时电流即使未100mA,实际平均电流不到7 mA,因此驱动电流大于3 A即可。供方部分应采用达林顿管或开关管。

图2 8位移位寄存器方法的行选电路

2.3 AT89C51单片机的外围电路

单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24 MHz或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，为了使显示更稳定。单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。P1口低四位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5~P1.7口则用来发送控制信号。P0和P2口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。

3 系统程序的设计

程序流程图如图3所示。

图3 程序流程图

根据软件分层次的系统应用程序。显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生扫描信号和其他控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。显示驱动程序由定时器T0中断程序实现。系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。

4 结论

LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，引脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。这个方案设计的16x16点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。