基于avr单片机的双色led显示屏控制系统设计

基于avr单片机的双色led显示屏控制系统设计内容摘要：

其是在单红 LED条屏，以及伪彩色 LED显示屏中的到了大量的应用。 无论是组模屏还是直插屏，在实际生产中一般将其以 64 32点阵为单位做成单元板，并加上驱动电路 ，留出标准化接口（ 08接口或 12接口），方便连接控制卡以及级联成更大的屏幕。 本课题中使用的控制对象是组模屏，由两块双色 96 32点阵模块级联而成。 C. 按 LED显示屏 的使用环境分类，可分为： 室内显示 屏 、半户外显示屏、户外显示屏。 室内屏 发光点 直径 较小，一般 为 3mm8mm， 发光点间距也不大，显示面积一般 为 零点几至十几平方米。 室内屏由于对显示亮度要求不高，所以控制上一般以 1/16扫描为主。 半户外屏一般以单红条屏为主，主要置于商铺屋檐下，用于显示店铺信息。 半户外屏对防水、防风、防腐蚀有一定的要求，显示亮度要求也较高 ，一般采用 1/16扫描或 1/8扫描。 户外屏 面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。 发光点直径 一般为基于 AVR 单片机的双色 LED 显示屏控制系统设计 4 10mm26mm，为保证亮度，常采用 1/4扫描或 1/8扫描方式控制。 本课题中使用的控制对象为室内屏，发光点间距为 ，采用 1/16扫描方式。 LED 显示屏显示原理及驱动方式 LED 显示屏显示原理 LED 显示屏的 显示 原理与 LED8 段数码管的显示原理类似， 有静态和动态显示两种。 静态显示原理简单 ，就是通过相应的驱动电路根据需要独立控制 LED 显 示屏中每一个发光点的亮灭，从而实现显示文字、图形的目的。 静态显示控制容易，亮度高，不闪烁，但静态显示 硬件接线 极为 复杂， 每个 LED 发光点都需要一个控制端，占用控制端口较多。 动态显示 采用 了扫描驱动 的 方式 工作， 由峰值较大的窄脉冲电压 驱动 ，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的列数据信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。 LED 显示屏显示控制系统中 绝大部分是采用动态扫描显示方式，这种显示方式巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。 将连续的 行 画面高速的循环显示，只要行扫 描 高于 55Hz(约 18ms)，人眼看起来就是一个完整的，相对静止的画面。 动态显示方式极大的缩减了发光单元的信号线数量， 节省 了 驱动器，简化 了 电路。 下面以 88 单色 LED 模块为例，说明一下 动态显示的控制方法和过程。 图 21 88 LED 模块内部电路 在图 21 中 红色水平线 Y0、 Y1……Y7 叫做行线，接内部发光二极管的阳极，每一行 8 个 LED 的阳极都接在本行的行线上。 相邻两行线间绝缘。 同样，蓝色竖直线 X0、 X1……X7 叫做列线， 分别接 每列 8 个 LED 的阴极，相邻两列线间绝缘。 这时 若在某行线上施加高电平（用 “1”表示），在某列线上施加低电平（用 “0”表示）。 则行线和列线的交叉点处的 LED 就会有电流流过而发光。 比如，Y7 为 1， X0 为 0,则右下角的 LED 点亮。 再如 Y0 为 1， X0 到 X7 均为 0，则最上面一行 8 个 LED 全点亮。 盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2020） 5 现 假设 X,Y 为两个 8 位宽的字节型数据， X 的每位对应 LED 模块的 8 根列线 X7X0，同样 Y 的每位对应 LED 模块的 8 根行线 Y7Y0。 Y 叫行扫描线，行扫描线在每个时刻只有一根线为 “1”即有效行选通电平， X 叫列数据线，其内容就是 LED 显示屏的显示数据。 如果按照合适的时间间隔，在 X,Y 上分别输出相应的数据 ，如图 22 所示。 只要间隔时间够短， 由于视觉暂留 ， LED 显示屏上将呈现出一个完整的 图形“ B”， 这就是动态扫描的原理。 图 22 用动态扫描显示字符 “ B” 的过程 在 实际运用的时候，行线通常不止 8 位， 如 果 N 行 LED 共用一列数据， 就称其为 1/N 扫描方式， N 常取 16。 上面所演示的动态显示过程采用了 1/8的扫描方式。 N 越小，扫描的速度越快，显示越亮，闪烁越不明显。 当 N 为一时，就变成了静态显示方式。 对于实际应用的 LED 显示屏， 一般室内屏采用 1/16扫描方式 ， 户外屏采用 1/4 扫描方式。 本项目所 使 用的 LED 显示 屏采用 1/16 扫描方式。 LED 显示屏驱动方式 LED 显示屏的驱动方式有串行控制驱动、并行控制驱动和集成专用芯片驱动三种。 所谓串行控制驱动方式，就是将显示的数据通过串行方式送入点（列）驱动电路。 而并行控制驱动方式就是显示的数据是通过并行方式送入点（列）驱动电路的，每送入一个字节就完成一个模块的单行数据输入。 集成专用芯片驱动使用了专门的控制芯片，类似液晶屏上的控制器，使用更为简单高效。 由于成本问题， 现在市面上的 LED 显示屏多以串行驱动方式为主，本项目使用的 LED 显示屏就是采用的串行控制方式。 所以下 面具体介绍下串行控制驱动方式。 串行控制驱动方式的特点是相邻显示模块之间的线路连接简单，这给印刷电路板的设计带来了方便，同时也降低了印刷电路板的布线密度，从而为生产和调试带来了有利得一面，当然，单元模块的可靠性也相应提高了。 串行控制驱动方式可选用的芯片有： MC409 74HC59 74LS595 等等。 但是由于其驱动能力有限，只能驱动一个发光二极管，在实际使用过程中只用于列驱动电路，而使用基于 AVR 单片机的双色 LED 显示屏控制系统设计 6 功率驱动芯片作为行驱动。 以前多采用 TIP127+(ULN2803+74HC595)进行驱动，现在普遍采用 4953+74HC595 作为驱动。 本课题所使用的 LED 显示屏就是采用4953+74HC595 作为驱动，电路如 图 23 所示。 7 4 H C 5 9 54 9 5 3功 率 驱 动 图 23 LED 显示屏串行控制电路 行的逻辑控制可选用三 八译码方式，直接行线控制由于占用 CPU 的 I/O 口资源较多，一般不采用。 对于 1/16 扫描方式的 LED 显示屏，一般采用两片74HC138 构成四 十六译码器的方式或直接使用 74HC154 芯片。 在应用串行控制驱动系统时，尽管串行移位芯片具有级联功能，但设计时还要考虑时钟信号、锁存信号、行控制 信号的级联驱动问题。 考虑到每个信号的传输延迟，为保证控制时序的正确运行，一般在信号接口后面接 74HC245 芯片，以增强信号驱动能力。 LED 显示屏 单元板结构及其电路介绍 LED 显示屏单元板的基本结构 8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模8 8组 模4 5 m m1 5 m m 24 Φ 双色 192 32 点阵 LED 单元板模块排列 示意图 LED 单元板的基本组成单位是 8 8 LED 模块，一般采用 8 4 的排列方式，即高四块，长 8 块， 64 32 点阵大小。 本课题采用的是 96 32 点阵大小的 LED单元板， 故 采用的是 12 4 的排列方式， 单元板上 LED 模块的排列示意图如图24 所示。 由于 LED 显示屏最终是用很多块这样的单元板拼接而成的，所以在单元板两端分别预留级联接口。 最初这种接口为 20 针插座，现在都改为 16 针插座，一盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2020） 7 般有 08 接口和 12 接口，具体引脚定义如 图 25 所示。 1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1612 接口1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1608 接口ABCDG1G2R1R20ERCKSCKOE ABCDSCKRCKR1G1GNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGNDGND 图 25 0 12 接口示意图 其中 A、 B、 C、 D 为行扫描信号线，决定 16 行中的哪一行点亮。 R R2 为红色 LED 列数据线。 G G2 为绿色 LED 列数据线。 SCK 为 74HC595 串行数据移位信号，上升沿将数据锁存入驱动模块中的串行寄存器。 RCK 为 74HC595 数据锁存信号，上升沿将串行数据锁存入并行寄存器，同时屏体显示更新。 OE 为74HC138 片选信号线，有效时屏体点亮，无效时屏体熄灭。 本课题所使用的 LED显示屏为两块 08 接口的 96 32 点阵 LED 单元板级联而成。 LED 单元板上的元件及其电路介绍 LED 单元板 除了 LED 模块外，还有印刷电路板和电子元件两部分。 以本次课题所使用到的 96 32 点阵 LED 单元板为例，其电路板上除了 48 块 8 8LED模块外， 共有 48 片 74HC595 ， 4 片 74HC138 ， 4 片 74HC245，以及 16 片 4953。 其电路结构图如 图 26 所示。 显 示 点 阵 （ 上 半 屏 ）9 6 1 6 点 阵显 示 点 阵 （ 下 半 屏 ）9 6 1 6 点 阵行 驱 动（ 4 9 5 3 8 ）行 驱 动（ 4 9 5 3 8 ）译 码 电 路7 4 H C 1 3 8 A译 码 电 路7 4 H C 1 3 8 B信 号 驱 动 电 路7 4 H C 2 4 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 57 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 5 7 4 H C 5 9 5G N DG N DG N DG N DR 1R 2G N DO EABR C KS C KG 1G 2CD0 8 接 口 （ i n ）G N DG N DG N DG N DR 1R 2G N DO EABR C KS C KG 1G 2CD0 8 接 口 （ o u t ）ABCDG 2R 2G 1R 1R C KS C KO EL 0L 1L 1 5L 0L 1L 1 5R C kS C KR 1G 1R C kS C KR 2G 2图 26 双色 96 32LED 显示屏单元板结构框图 每块单元板之间通过 08 接口用数据线连接起来，而数据和控制信号由控制卡从第一块单元板的输入接口送入。 为了防止数据线过长，信号衰减，在 08 接口后面加入一片增强信号驱动能力的芯片 74HC245。 所有信号经过再次驱动后，基于 AVR 单片机的双色 LED 显示屏控制系统设计 8 分为两部分进入控制电路： RCK、 SCK、 R R G G2 进入列数据电路； A、B、 C、 D、 OE 进入扫描电路。 最后所有信号汇入输出 08 接口端，以供级联 的下一个单元板级联使用。 盐城工学院本科生毕业设计说明书（ 2020） 9 3 系统的方案设计 设计内容及要求 近年来， LED 显示屏的应用得到了迅速发展，越来越多的人都在关注 LED显示屏控制系统的研制。 市场上的 LED 显示屏控制器也是种类繁多，采用了很多种不同的设计方案。 这些方案中要么是售价便宜但控制显示的字数有限，要么是显示控制性能很好，但售价过高，而性价比高的控制 器 并不多。 本课题就是在这种背景下提出的，针对 LED 条屏异步控制系统，通过使用性价比极高的 AVR单片机作为主控芯片，设计出了一种高性价比且能支持更多字数显示的 LED 条屏控制 器。 该控制 器 采 用 ATmega16+74HC165 的解决方案，配合 相应的上位机软件，可以满足以下要求： A. 可以至少实现 192。