【正文】 為廣闊。預(yù)計(jì)大型或超大型 LED 顯示屏的主流產(chǎn)品局面將會(huì)發(fā)生改變，適合于服務(wù)行業(yè)特點(diǎn)和專業(yè)性要求的小型 LED 顯示屏?xí)休^大提高，面向信息服務(wù)領(lǐng)域的 LED 顯示屏產(chǎn)品門類和品種體系將更加豐富，部分潛在市場(chǎng)需求和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)有所突破，如公共交通、停車場(chǎng)、餐飲、醫(yī)院等綜合服務(wù)方面的信息顯示屏需求量將有更大的提高，大批量、小型化的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)主要工作 本文基于單片機(jī) (AT89C51)講述了 LED 漢字點(diǎn)陣顯示的基本原理、硬件組成與設(shè)計(jì)、程序編譯 等基本環(huán)節(jié)和相關(guān)技術(shù)。 AT89C51 單片機(jī) ,它是 ATMEL 公司ＡＴ 89C 系列中性價(jià)比很高的一種 CMOS 8 位單片機(jī) ,它的指令集和引腳結(jié)構(gòu)與INTEL公司生產(chǎn)的 MCS 51系列單片機(jī)高度兼容 ,提供以下功能 :4K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (FLASH EEPROM)128 字節(jié) RAM 根可編程 I/O 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 ,1個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu) ,1個(gè)全雙工串行口 ,1個(gè)精密模擬比較器 ,兩級(jí)程序加密 ,直接 LED 驅(qū)動(dòng) ,掉電保護(hù)工作方式 ,以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。顯示單元是 LED 漢字顯示屏，由八 塊 8*8 雙色 LED 顯示點(diǎn)陣模塊組成。且顯示屏的驅(qū)動(dòng)模塊由四塊 74HC595 芯片組成 。 LED 漢字點(diǎn)陣顯示原理 LED 點(diǎn)陣顯示屏通常由若干塊 LED 點(diǎn)陣顯示模塊組成。例如顯示一個(gè)漢字的 16*16 顯示屏由四塊 8*8 的點(diǎn)陣顯示模塊組成。每個(gè)單色點(diǎn)陣顯示模塊又由 64 個(gè) LED 組成。而紅，綠雙色點(diǎn)陣模塊由 64 個(gè)紅色 LED 和 64 個(gè)綠色 LED 組成。通常為了硬件連接上的方便， LED 點(diǎn)陣顯示是行列交叉電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 掃描形式，即要一點(diǎn)亮必須讓其所在的行和列都被掃 描到。 系統(tǒng)程序編寫用的是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51系列兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng) keilc51， Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 仿真 工具 用的是 英國(guó) Labcenter electronics公司的 EDA工具軟件 Proteus，Proteus 軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它 EDA工具一樣的原理布圖、 PCB 自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果 。 第二章 LED點(diǎn)陣顯示屏的原理及特點(diǎn) 5 第二章 LED 點(diǎn)陣顯示屏的原理及特點(diǎn) LED 點(diǎn)陣式顯示模塊 LED 點(diǎn)陣模塊是組成顯示屏的基本單元，顯 示屏通常由若干塊 LED 點(diǎn)陣顯示模塊所組成，廣 泛應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合，并且可以按照各自的 需要設(shè)計(jì)成不同的大小、形狀。 例如顯示一個(gè)漢字的 16*16 顯示屏由四塊 8*8 的點(diǎn)陣顯示模塊組成。點(diǎn)陣顯示模塊的種類可分 5* 5* 6* 8*8 等幾種；按照 LED 發(fā)光變化 的顏色來(lái)分，又可以分為單色、雙色、三色等 。 而按照 LED 極性排列方式又可分共陽(yáng)極和共陰極。 一個(gè) 8*8 的單色點(diǎn)陣顯示模塊又由 64 個(gè) LED 組 成。而紅，綠雙色點(diǎn)陣模塊由 64 個(gè)紅色 LED 和 64 個(gè)綠色 LED 組成。圖 21 為一個(gè) 8*8 點(diǎn)陣顯示模 塊的示意圖。 LED 器件的參數(shù) LED 器件的參數(shù)在工程應(yīng)用中非常重要，正確掌握和理解 LED器件的參數(shù)是成功設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 LED 器件的參數(shù)可以 分為電參數(shù)、光參數(shù)等。 LED 電參數(shù)包括： 正向工作電流 If：正向工作電流的變化可以引起耗散功率的變化和發(fā)光強(qiáng)度的變化，它可作為發(fā)光強(qiáng)度的一種間接表示。 正向工作電壓 Vf:一般指在一定的正向工作電流條件下的正向壓降，它隨著正向工作電流的變化而稍有變化，也與溫度有關(guān)，隨著溫度的上升 Vf 下降。 Vf 值視 LED 器件所用半導(dǎo)體材料的不同而不同，一般在 之間。 圖 2 1 8 * 8 LED 模塊電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 反向漏電流 Ir：是指 LED 器件處于反便置時(shí)的漏電流。 PN 結(jié)電容 Cj：是指 PN 結(jié)電容與管殼、引腳電容之和。 導(dǎo)通時(shí)間 Ton：是指當(dāng)器件在 脈沖電流驅(qū)動(dòng)下工作時(shí)，在脈沖的上升沿從受激輻射開始到達(dá)到發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定值的 90%為止所需要的時(shí)間。 截止時(shí)間 Tct：是指當(dāng)器件在脈沖電流驅(qū)動(dòng)下工作時(shí)，在脈沖的下降沿從受激輻射結(jié)束到發(fā)光強(qiáng)度下降到穩(wěn)定值的 10%為止所需要的時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間與截止時(shí)間對(duì) 工作在脈沖驅(qū)動(dòng)特別是高速脈沖驅(qū)動(dòng)方式下的 LED 器件有比較大的影響。 LED 光參數(shù)包括： 法線發(fā)光強(qiáng)度 Iv：它是指沿 LED 發(fā)光器件發(fā)光面法線方向的發(fā)光強(qiáng)度，用坎德拉（ cd） 作為單位。 發(fā)光峰值波長(zhǎng)λ p：普通 LED 器件所發(fā)出的光，其光譜在一個(gè)較窄的波長(zhǎng)范圍內(nèi)變 化，對(duì)于不同波長(zhǎng)所發(fā)出的光強(qiáng)有所不同，其中發(fā)光強(qiáng)度最大處（值）所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就是發(fā)光峰值波長(zhǎng)λ p。它表明一個(gè) LED 器件發(fā)光的顏色，與 LED 器件所用半導(dǎo)體有關(guān)。 光譜半寬度Δλ：在上面的講述中，在不同 波長(zhǎng) 下 LED 器件的發(fā)光強(qiáng)度有所不同，當(dāng)λ從小到大變化時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度相應(yīng)的變化規(guī)律是先從小到大，達(dá)到峰值之后又從大到小。從峰值波長(zhǎng)λ p 兩側(cè)達(dá)到 1/2 峰值發(fā)光強(qiáng)度處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)之差即為光譜半寬度 Δλ。它說(shuō)明了 LED 器件發(fā)光顏色的純度，其值越小，發(fā)光顏色越純。 半值角 ： LED 發(fā)光器件一般沿其發(fā)光軸線方向的發(fā)光強(qiáng)度最大，而 發(fā)光軸線兩側(cè)方向上的發(fā)光強(qiáng)度，隨偏離軸線角度的增加而下降。當(dāng)發(fā)光強(qiáng)度下降到軸線發(fā)光強(qiáng)度的一半時(shí)，所張開的角度就是 半值角，或稱為視角。半值角說(shuō)明了 LED 器件發(fā)光的指向特性。 主波長(zhǎng)λ o：它是說(shuō)明了 LED 器件發(fā)光顏色的另一個(gè)參數(shù)。當(dāng)發(fā)光光譜形狀為不對(duì)稱時(shí)，發(fā)光峰值波長(zhǎng)λ p 說(shuō)明了發(fā)光最強(qiáng)的光線的顏色，但是不能從總體上說(shuō)明發(fā)光的顏色，因?yàn)橄虿ㄩL(zhǎng)更長(zhǎng)和波長(zhǎng)更短兩個(gè)方向上發(fā)光強(qiáng)度的下降情況有所不同。這時(shí)常用主波長(zhǎng)λ o 來(lái)描述器件發(fā)光的顏色。主波長(zhǎng)λ o 定義為在光譜特性曲線上兩側(cè)所包圍的面積相等時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。 第二章 LED點(diǎn)陣顯示屏的原理及特點(diǎn) 7 LED 器件的驅(qū)動(dòng) LED 器件施加正向電壓時(shí)，流過(guò)器件的正向電流使其發(fā)光， LED的驅(qū)動(dòng)就是使它的 PN 結(jié)處于正偏置使器件正常工作。具體的驅(qū)動(dòng)方法可以分為直流驅(qū)動(dòng)、恒流驅(qū)動(dòng)、脈沖驅(qū)動(dòng)和掃描驅(qū)動(dòng)等。 直流驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，如 圖 22 所示，由電阻 R 與發(fā)光二極管 LED 串聯(lián)后直接接到電源 Vcc 上。連接時(shí)令 LED 的陰極接電源的負(fù)極方向，陽(yáng)極接正 極方向。只要保證 LED 處于正偏置，發(fā)光 二極管與電阻的位置可以互換。直流驅(qū)動(dòng) 時(shí)， LED 的工作點(diǎn)由電源電壓、串聯(lián)電阻 和 LED 器件的伏安特性共同決定，驅(qū)動(dòng)電 路的電源電壓和電阻也要仔細(xì)選擇，以 便減少功耗。 LED 恒流驅(qū)動(dòng)是指用晶體管的恒流輸出特性驅(qū)動(dòng) LED，這種驅(qū)動(dòng)相對(duì)與直流驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)可以使 LED 器件的發(fā)光強(qiáng)度保持接近。圖 23為晶體管恒流驅(qū)動(dòng)。 RV c cLE DLE D 直流驅(qū)動(dòng)圖 2 2電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 V c cL E DRB J TV c cL E DB J T基極電流控制驅(qū)動(dòng)基極電壓控制驅(qū)動(dòng)圖 2 3 L E D 恒 流 驅(qū) 動(dòng) 利用人眼的視覺惰性，采用向 LED 器件重復(fù)通斷供電的方法使之電亮，這就是通常所說(shuō)的脈沖驅(qū)動(dòng)方式。脈沖驅(qū)動(dòng)的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：掃描驅(qū)動(dòng)和占空比控制。掃描動(dòng)的主要目的是節(jié)約驅(qū)動(dòng)器，簡(jiǎn)化電路；占空比控制的目的是調(diào)節(jié)器件的發(fā)光 強(qiáng)度，多用于圖象顯示中的灰度級(jí)控制。脈沖驅(qū)動(dòng)電路如圖 24 所示。 脈沖源RL E DL E D 的脈沖驅(qū)動(dòng)圖 2 4 掃描驅(qū)動(dòng)通過(guò)數(shù)字邏輯電路，使若干 LED 器件輪流導(dǎo)通，用以節(jié)省控制驅(qū)動(dòng)電路。參數(shù) 1/n 常用以說(shuō)明掃描驅(qū)動(dòng)的具體形式。電路如圖 25 所示。 第二章 LED點(diǎn)陣顯示屏的原理及特點(diǎn) 9 L E D 1 L E D n圖 2 5 掃 描 驅(qū) 動(dòng) 電 路 在設(shè)計(jì)掃描驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，一旦 n 值確定下來(lái)，就由電路保證按1/n 的方式使 LED 輪流導(dǎo)通，電路制成后 n 值不能再改變，也就是其 占 空 比 是 固定 的 。 這與 掃 描 驅(qū)動(dòng) 方 式 的目 的 是 減少 驅(qū) 動(dòng) 電路 有關(guān)。在需要進(jìn)行灰度級(jí)顯示的情況下，要求隨時(shí)調(diào)整占空比以使 LED達(dá)到相應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度。 組合驅(qū)動(dòng) 是將上 面講述 的各種 驅(qū)動(dòng)方 式組合一 起使用 ，在實(shí)際應(yīng)用的往往使用組合驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的驅(qū)動(dòng)。 LED 點(diǎn)陣顯示屏的工作原理 LED 點(diǎn)陣顯示屏不論是顯示圖文還是文字，都是控制組成這些圖形或文字模塊的各個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 LED 器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果。 LED 模塊是將發(fā)光管按行列布置的，驅(qū)動(dòng)時(shí)也按行列驅(qū)動(dòng)，在掃描驅(qū)動(dòng)方式下可以按行掃描按列控制，也可以按列掃描 按行控制。所謂掃描的就是指一行（列）一行（列）的循環(huán)接通整行（列）的 LED 器件，而不問這一行（列）的拿一列（行） LED器件是否應(yīng)該點(diǎn)亮。 如圖 26 所示為一個(gè) 8 行 8 列結(jié)構(gòu)的 LED 顯示模塊，當(dāng)采用行電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 掃描列控制的驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，從行 18 輪流將高電位接通各行線，使連接到各該行的全部 LED 器件接通正電源，但具體哪一個(gè) LED 點(diǎn)亮，還要看它的負(fù)電源是否接通，這就是列控制的任務(wù)了。例如在模塊上需要將左上角的發(fā)光管 LED11 點(diǎn)亮， LED12 不亮?xí)r，在掃描到第1 行時(shí)，第一列的電位就應(yīng)該為低；而掃描到第 2 行時(shí)，第一列的電位就應(yīng)該 為高。這樣行線上發(fā)光管一行一行的輪流導(dǎo)通，列線上進(jìn)行通斷控制，就實(shí)現(xiàn)了行掃描列控制的驅(qū)動(dòng)方式。 圖形或文字顯示過(guò)程是這樣的 :首先控制顯示的單片機(jī)接收 LCD屏主控微機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù) (按照通信協(xié)議組織的數(shù)據(jù) )；接著，主控程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成屏幕顯示的圖形，存儲(chǔ)到顯存；再按照掃描順序與屏幕對(duì)應(yīng)關(guān)系，將顯存內(nèi)容轉(zhuǎn)換成掃描內(nèi)容；再將數(shù)據(jù)輸出到控制單個(gè) LED 模塊的數(shù)據(jù)鎖存器；最后掃描鎖存器中的數(shù)據(jù)，刷新屏幕。 123456781 2 3 4 5 6 7 8圖 2 6 行 列 掃 描 控 制 原 理 LED 點(diǎn)陣顯示屏的特點(diǎn) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及 制造工藝的進(jìn)步， LED 顯示屏也在不斷的進(jìn)步和完善。高新技術(shù)使 LED 顯示系統(tǒng)與以前相比有了更為優(yōu)異的性能。當(dāng)前的 LED 顯示系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn) : 第二章 LED點(diǎn)陣顯示屏的原理及特點(diǎn) 11 電路設(shè)計(jì)按功能分成不同的模塊，每個(gè)模塊之間只需要極少的聯(lián)系，極大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。調(diào)試難度、維護(hù)難度大大降低。 顯示部分的掃描采用掃描控制技術(shù)，顯示部分被分成不同的單元，獨(dú)立進(jìn)行掃描。每個(gè)單元間的信號(hào)采用信號(hào)鎖存技術(shù)進(jìn)行同步控制，顯示的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。 采用高性能 LED 晶片構(gòu)成的顯示 屏具有高亮度、色彩鮮艷、視角大，壽命長(zhǎng) (不少于 50,000 小時(shí) )，穩(wěn)定性高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。 采用顯示單元板或顯示單元箱體，可根據(jù)用戶要求和應(yīng)用場(chǎng)所要求任意組裝成所需要的顯示屏尺寸，并且便于安裝和維護(hù)。 總之， LED 顯示技術(shù)作為一種電子信息顯示技術(shù)，它是建立在光學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、聲學(xué)等科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上的具有某種程度綜合性的技術(shù)。相信隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， LED 顯示系統(tǒng)以其優(yōu)異的性能將會(huì)有更為廣闊的發(fā)展前景。 LED 點(diǎn)陣顯示屏使用的注意事項(xiàng) 1．要安全使用 LED 點(diǎn)陣模塊 為了 LED點(diǎn)陣模塊在使用過(guò)程中不致?lián)p壞，應(yīng)該注意以下事項(xiàng)： 首先，運(yùn)用過(guò)程中期間的各種參數(shù)都不得超過(guò)其最大允許值。由于 LED 器件的反向擊穿電壓很低，所以連接時(shí)不能把它的陰極與陽(yáng)極接反。 其次， LED 器件的耗散功率有限，且隨環(huán)境溫度的上升而下降。因此在器件的安裝與布局時(shí)，應(yīng)該遠(yuǎn)離其他發(fā)熱元件，以保證 LED能夠發(fā)揮它的最大功率。在焊接時(shí)時(shí)間不宜過(guò)場(chǎng)，一般不要超過(guò) 35秒。 再次， LED 器件的表面封裝材料遇到丙酮等有機(jī)溶劑時(shí)可能會(huì)電子科技大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 被溶解，影響投光性能，在需要清洗器件表現(xiàn)時(shí)，應(yīng)按照器件生產(chǎn)說(shuō)明使用指定的清洗劑清洗。 最 后， LED 器件除電壓型器件外，其他器件在電壓源驅(qū)動(dòng)時(shí)，都需要串入限流電阻。 2．要正確選擇 LED 點(diǎn)陣模塊