51单片机LED点阵屏显示设计

1 1 引言引言 点阵显示是集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体的新型显示方式。由于 其具有色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点。目前大 多数的公交车招牌都是采用固定的板块显示，显示的信息量少，内容固定，修改 站点信息比较麻烦，不能快速、便捷的更新站点信息。本文提出一种方案，采用 LED 点阵显示模块，克服了上述缺点，不仅可以静态的显示公交车站点信息，而 且也可以通过动态滚动，从而增加信息显示的容量。为了醒目，还可以产生诸如 闪动、滚动等显示效果。 1.1 车内显示器的发展现状 随着电子技术和计算机控制技术在客车上的日益广泛的应用， 客车内的路牌显示 器也经历了从灯光路牌、翻板式电子模块路牌、CRT 显示、LCD 液晶显示和 LED 点阵显示等几种发展类型； 显示信息也从固定内容发展到任意内容的多种显示方 式；对显示信息的编辑、修改，也由遥控键盘有线通讯模式发展到用计算机编辑 文字， 在经专用无线控制器将其发射到各站点的通讯模式。以后的发展趋势是卫 星定位系统站点显示器，客车内站牌显示器由天线、卫星定位模块、微处理器、 LED 点阵驱动电路、LED 点阵站牌和电可擦写存储器构成。 目前在客车内广泛的显示器由 LED 点阵显示器和 LCD 液晶显示器，还有部分 CRT 显示器，由于CRT 显示器耗电量多、体积较大，且本质量较重，与LED 点阵显示 器和 LCD 液晶显示器相比， 已处于下风， 目前 LED 和 LCD 显示器成为现代人们选 择之一，它们各有优缺点。LCD 液晶显示器具有图像清晰、体积小、功耗低等优 点，但它的成本高、亮度低、寿命短、可视距离和角度很有限。而LED 显示屏具 有亮度高、故障低、能耗少、使用寿命长、显示内容多样、显示方式丰富等优点。 1.2 LED 点阵显示系统 点阵显示是集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体的新型显示方式。由于 其具有色彩鲜艳，动态范围广，亮度高，寿命长，工作稳定可靠等优点。目前大 多数的公交车招牌都是采用固定的板块显示，显示的信息量少，内容固定，修改 站点信息比较麻烦，不能快速、便捷的更新站点信息。本文提出一种方案，采用 LED 点阵显示模块，克服了上述缺点，不仅可以静态的显示公交车站点信息，而 且也可以通过动态滚动，从而增加信息显示的容量。为了醒目，还可以产生诸如 闪动、滚动等显示效果。 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与室外屏， 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 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8×8LED 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，适合作为客车广告屏。 本文介绍的客车广告屏屏系统是智能交通系统的一部分，它是利用先进的显示、 及通信等技术手段，动态地、实时地显示公交车的站点信息，最大限度的提高公 交车站牌的信息显示量。本系统采用的 STC89C516RD+(宏晶科技)单片机是新一 代增强型 8051 单片机标准的制定者，致力于提供满足用户需求的世界级高性能 单片机技术，在业内处于领先地位，销售网络覆盖全国。在保证质量的基础上， 以极低的价格和完善的服务赢得了用户的长期信赖。在广受欢迎的 STC89C51 全 系列单片机的基础上，现全力推出“1 个时钟/机器周期”的单片机,全面提升 8051 单片机性能。用该单片机作为系统的中央控制单元，负责产生和控制扫描 信号、 读出显示缓冲区的数据送给扫描驱动电路，使 LED 点阵屏按照一定的要求 显示。根据设计要求，显示方式要具有掉电存储功能，因此，在单片机外围电路 加上 I2C 总线的 EEPROM，利用单片机外部中断功能检测出来所需要的显示方式， 并把它存储在该 EEPROM 内，这样，即使断电显示方式也仍然存储在该 EEPROM 里面，单片机再重新读取该 EEPROM 里面的内容，也就是断电前的显示方式。结 合 KEIL 软件编程，实现了 PC 机通信、控制界面以及安全措施，从而大大丰富了 系统功能，提高了系统的可操作性，使达到交互式与智能化，符合未来交通系统 智能化、网络化的发展方向。利用该系统，可以实现同一站牌不同方向客车站点 的静态显示、动态显示和定时显示控制，另外用来应对交通突发事件，作为应急 告示，达到疏散交通，保护人们安全的目的。 设计时考虑到系统的扩展加上升级模块，可以实现系统的远程升级；加上公交车 到站时间预测模块，可以预测到公交车到站的时间，方便行人；加上网络模块， 可以连接互联网，直接通过互联网进行控制，也为以后的智能交通打下基础。 2 LED 点阵显示的理论基础 LED 点阵显示的基础理论包括光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集 成电路、单片机及微机等各个方面，既有硬件又有软件。上述各个领域都有自成 体系，本文无法一一尽述，只能以显示屏为主线进行讨论，主要阐述了 LED 器件 的应用基础和工作原理，以及 LED 点阵模块的构成和工作原理。 2.1 LED 器件的应用基础 LED 器件种类繁多。 早期 LED 产品是单个的发光灯， 随着数字化设备的出现， LED 数码管和字符管得到了广泛的应用。 LED 发光灯可以分为单色发光灯、双色发光灯、三色发光灯、面发光灯、闪烁发 光灯、电压型发光灯等多种类型。按照发光灯强度又可以分为普通亮度发光灯、 高亮度发光灯等。 LED 发光灯的外形由 PN 结、阳极引脚、阴极引脚和环氧树脂封装外壳组成。其 核心部分是具有注入复合发光功能的 PN 结。环氧树脂封装外壳除具有保护芯片 的作用外，还具有透光聚光的能力，以增强显示效果。 LED 器件通常用砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）等半导体材料制成。当向 LED 器件施加正向电压时，器件内部的电子与空穴直接复合而产生能量，以光的形式 释放出来，产生半导体发光。因此 LED 的驱动就是如何使它的 PN 结处于正偏状 态，而且为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方 法可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等[2]。 2.2 LED 点阵模块 显示单元（Display unit）由电路及安装结构确定的并具有显示功能的器件组成 LED 显示屏的最小单元，也叫点阵显示模块。 点阵显示屏是由上万个或几十万个 LED 发光二极管组成， 每个发光二极管称为一 个像素。 为了取得良好的显示一致性并简化器件结构，八十年代以来出现了组合 型 LED 点阵显示器， 以发光二极管为像素， 它用高亮度发光二极管芯阵列组合后， 环氧树脂和塑模封装而成，即所谓的点阵模块。点阵模块具有高亮度、功耗低、 引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。按照颜色的不同分为 单基色、双基色和三基色三类，可显示红、黄、绿、蓝、橙等颜色。按照点阵规 模大小分有 4×4、4×8、5×7、5×8、