单片机控制LED显示屏系统设计

单片机控制LED显示屏系统设计

Design of Single-Chip Computer Controlled LED Display System

• 齐鲁工业大学山东省科学院 潘光良 Pan Guangliang

摘 要：LED显示屏由LED点阵和PC面板组成，通过各色LED灯的亮灭实时显示或循环播放文字、图像、视频信息。近年来LED显示屏技术迅速发展，在各行各业都应用比较广泛。本文研究的是STC12C5A60S2单片机控制LED显示屏的设计。LED显示屏采用STC12C系列单片机作为控制核心，分析了显示屏驱动电路的设计，应用74HC154芯片作为驱动、74HC595芯片作列驱动，配合PC机和LED显示屏实现显示功能。STC12C5A60S2驱动LED显示屏接线少、编程方便、使用简单，系统运行稳定。

关键词：STC12C5A60S2 LED 显示屏 驱动

Abstract: The LED display consists of an LED dot matrix and a PC panel. The text, image and video information are displayed in real time through the on and off of the LED lights. In recent years, LED display technology has developed rapidly and is widely used in various industries. This paper studies the design of the LED display screen controlled by STC12C5A60S2 microcontroller. The LED display adopts STC12C series single-chip microcomputer as the control core, analyzes the design of the display drive circuit, applies 74HC154 chip as the drive, 74HC595 chip as the column drive, and realizes the display function with PC and LED display. STC12C5A60S2 drives LED display with less wiring, convenient programming, simple use, and stable system operation.Key words: STC12C5A60S2 LED Display Drive

【中图分类号】TN7 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2019）04-0070-03

1 引言

LED显示屏的发展经历了三个阶段，第一阶段是1990年，国外以通讯控制，单点四级调灰的红、绿双基色LED显示屏为主；第二阶段是1990-1995年，LED的技术和材料方面不断提升，蓝色LED晶片研制成功引导全彩LED显示屏出现，视频控制技术使显示屏的动态显示效果得到迅速的发展；第三阶段是1995年以后，逐步深化标准化等新问题。LED显示屏正向全色彩、多媒体化的方向发展，系统制造业向集体化、智能化、网络化方向发展[1]。

（屏幕）、上位机（PC）、下位机（单片机）、电源等组成。单基色LED显示屏的主控制器是单片机，并扩展有数据存储器、汉字库、实时日历时钟以及通信接口等[2]。主控制器的主要功能是接受来自计算机发送来的命令和数据，将命令和数据传送给相应的显示单元，实现显示单元的同步显示。LED显示屏的基本结构如图1所示。

2 LED显示屏系统构成

LED显示屏系统主要由行列驱动器、LED显示点阵单元

图1 LED显示屏基本结构

下位机为系统的主控制器，LED显示屏系统主要由单片机作为核心控制器，控制器位数也由8位发展到16位、32位；行列驱动器及LED显示点阵单元构成了LED显示屏屏体，其主要部分是显示点阵和行列驱动电路，显示点阵多采用8*8单色或双色显示单元拼接而成，智能点阵显示单元是独立完成显示任务的小系统，或是整个LED显示屏系统的某一局部，它可以显示文字、线条或简单图形。上位机及相应的应用软件主要完成发送更新后的显示数据到主控制器，给主控制器发送改变显示模式的相应命令，给主控制器传送实时显示数据等功能[3]。

3 LED显示屏关键技术

RS-232标准的全称是EIA-RS-232C，其对电气特性和逻辑电平做了规定，用正负电压来表示逻辑状态。单片机的串口是TTL电平，+5V代表逻辑1，－5V代表逻辑0，而PC机的串口是RS-232接口标准，-3V~-15V表示逻辑1，+3V~+15V表示逻辑0。为了能让二者进行数据及控制的通信，必须实现RS-232与TTL电路的电平转换。通常，采用MAX232芯片构成的接口电路实现单片机与PC机的电平转换。要经过串口初始化、串口助手调试软件，还有串口发送和串口接受都正确的情况下才能实现串口通信[4]。

点阵LED一般采用扫描式显示，分为三种方式：点扫描、行扫描、列扫描。要符合视觉暂留要求，点扫描时其扫描频率必须大于1024HZ，周期小于1ms；行扫描和列扫描的频率必须大于128HZ，周期小于7.8ms。要同时驱动一列或一行时需外加驱动电路以提高电流，不然LED亮度不足。

传统的LED显示屏控制系统一般采用由单片机、闪存以及静态随机存取存储器芯片构成最小系统。LED显示屏功能需求日益增加，嵌入式技术不断发展，基于单片机的LED显示屏控制系统已无法满足市场需求，可以使用功能强大的ARM和FPGA作为LED显示屏系统的核心部分，其中LED显示屏控制系统与上位机之间的通信部分利用ARM实现，上位机与LED显示屏控制系统之间的通信可以采用标准的计算机数据串行通信方式以及以太网通信方式，在通讯方式上包括RS232、RS485、LAN、光纤传输与无线传输[5]。

MFC指微软基础类，是随微软VisualC++开发工具开发的一种应用框架。1992年的Microsoft 16位版的C++编译器中，MFC是作为一个扩展轻量Windows API面向对象的C++封装库而引入的。MFC是对API进行类封装，Windows API函数按功能大体分为以下：窗口管理函数WUI、图形设备管理函数GUI、系统服务函数SUI[6]。

《智慧工厂》Smart factory

April 2019

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4 单片机选择与电路设计

单基色LED显示屏采用ARM为核心的器件，虽然以单片机为核心控制的使用率越来越低，但是单片机所拥有的某些优势是其他器件无法替代的。

基于8051内核的增强型、单时钟1T的STC12C5A60S2单片机，其工作频率0~30MHz，相当于普通8051单片机的0~420MHz，运行速度要比传统8051快10倍左右。片上集成1280字节RAM，60Kb的内存，8K的EEPROM，有4个16位定时器，有独立的波特率发生器，3个时钟输出口，7路外部中断[7]。通用I/O口可设置成准双向口、弱上拉、强推挽、强上拉四种工作模式；不需要专用的编程器和仿真器，支持ISP和IAP，大大降低了设备成本和使用成本；8路A/D可做10位或8位A/D转换，转换速度可达每秒钟25万次；片上集成SPI接口；拥有双串口，通过设置特殊寄存器P1.2和P1.3可以扩展为RXD2和TXD2。内部集成MAX810专用复位电路，其工作电压范围是3.5~5.5V。单片机内部结构如图2所示。

图2 单片机内部结构图

按键电路采用四个独立按键，P1.4~P1.7接四个按键S0~S3分别控制LED显示屏实现汉字、字符的右移，左移，静态，从右移、左移到静态三种状态循环显示的切换各种状态[8]，按键电路如图3所示。

图3 按键电路图

72│MACHINE VISION│机器视觉

5 结束语

本文主要介绍的是单片机控制LED屏的系统设计，STC单片机控制的单基色LED显示屏系统具有体积小，结构简单，稳定性好，成本低，易于实现等优点。采用74HC154和74HC595芯片驱动点阵屏的行和列，点阵显示屏各点亮度均匀，清晰、稳定的显示文字、图形，具有静止显示、左移、右移显示功能。对于系统的总体结构、LED显示屏的关键技术、单片机选择与电路设计做了详细的介绍，但是还有许多地方不完善，如深化上位机中实现图像解码的研究，以后会继续深入研究解决。

[3] 王海梅. 单片机控制的LED显示屏的设计与应用[D].西安理工大学,2016.

[4] 王海梅,高敏.单片机控制的LED显示屏控制系统分析与研究[J].山东工业技术,2015(04):145-146.

[5] 马宏平. LED显示屏的计算机远程控制系统[D].重庆大学,2002.[6] 刘援琼. 基于AT89C51单片机的LED点阵显示系统设计[D].天津工业大学,2016.

[7] 潘光良.智慧水务监控系统技术研究[J].变频器世界,2018(11):105-107.

[8] 潘光良,李军.家庭巡视机器人环境感知系统设计[J].齐鲁工业大学学报,2018,32(05):55-58.

参考文献

[1] 潘光良.基于STC单片机的空调清理机器人设计[J].智能机器人,2018(05):68-70.

[2] 孙玉霖,李军,潘光良.现代建筑消防联动窗控系统通信设计[J].齐鲁工业大学学报,2018,32(05):63-67.

作者简介

潘光良（1994-） 男 工学硕士 研究方向：工业测控网络技术

（上接50页）

3.3 系统调试

交通灯程序调试采用PZ-ISP普中自动下载软件将程序下载到开发板上，开发板上电运行，结果如图3所示。

论灌输，极大地激发了学生学习单片机的兴趣，使学生感觉单片机课程原来离实践如此之近，产生一种创业成就感和企业中的社会身份。

参考文献

[1] 李冰.单片机课程的项目化教学改革与实践[J]. 实验室科学, 2014,17(1): 101-103.

[2] 莫莉,喻洪平, 何欣. 单片机课程教学体系改革与实践[J]. 教育与教学研究, 2016, 30(6): 105-110.

[3] 盛希宁. 基于 YL-236 型单片机竞赛装置实训教学项目的开发[J]. 中国教育技术装备, 2016 (6): 140-142.

[4] 顾海林. 技能大赛与单片机实践教学的整合[J].才智, 2016 (16): 127.

图3 交通灯运行结果

作者简介

王建菊（1987-） 女 武昌职业学院 工学硕士 研究方向：嵌入式

4 结束语

以项目设计为导向的单片机教学实践取得了良好的效果，在教学中以“用什么就教什么”的理念，摒弃繁琐的理