【文章內(nèi)容簡介】 標(biāo)志、廣播、電視、因特網(wǎng)、電話等。其中，比較有效的手段是交通廣播和安裝在道路上的交通誘導(dǎo)室外 LED 顯示屏及可變交通標(biāo)志，這也是目前廣為發(fā)展和普遍采用的交通誘導(dǎo)信息對外發(fā)布的主要方式。面向公眾的交通誘導(dǎo)信息一般是在室外環(huán)境下發(fā)布的。由于 LED 顯示 的高亮度特點，因此成為交誘導(dǎo)信息的主要發(fā)布載體。常見的交通誘導(dǎo) LED顯示方式有交通誘導(dǎo) LED顯示屏（可變情報板）、交通誘導(dǎo)路徑顯示牌、停車指示牌、可變標(biāo)識標(biāo)志等。 材料技術(shù)的不斷提升，拓寬了 LED 的應(yīng)用范圍。交通領(lǐng)域 LED 顯示的應(yīng)用，有以下幾個方面。 (1) 交通信號燈市場需求旺盛。超高亮、大功率的 LED 器件，在城市交通信號燈中已得到廣泛應(yīng)用。 LED 信號燈以其高亮度、高可靠性、低使用成本、長壽命等特點，得到城市交通管理部門的青睞。隨著城市化進(jìn)程和道路市政建設(shè)的發(fā)展，新建交通路口數(shù)量不斷增加，目前使用的傳統(tǒng)交通信號燈正在被 LED 信號燈替換。預(yù)測國內(nèi)道路交通 LED 信號燈市場約有幾十億元。另外，公路車道指示燈、機(jī)場、鐵路、航運等領(lǐng)域的信號、標(biāo)識類用燈，也有很大的市場潛力。 (2) 公路 LED 可變情報板、可變限速標(biāo)志等產(chǎn)品已發(fā)展成為公路建設(shè)中的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品?，F(xiàn)有的道路需要補(bǔ)充完善，新建的道路有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，相關(guān)產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也已正式發(fā)布實施。預(yù)計每年公 路可變情報板、可變限速標(biāo)志等顯示類產(chǎn)品的市場在 35億元左右。 (3) 汽車領(lǐng)域應(yīng)用。據(jù)研究統(tǒng)計， LED 用作汽車主剎車燈時的響應(yīng)時間比傳統(tǒng)的白熾燈要快 80ns，在高速公路上行駛會增加 4~6m的安全距離。由于 LED具有良好的抗震性能、節(jié)電、綠色環(huán)保等特點，汽車照明、燈飾等方面的應(yīng)用前景看好。目前國內(nèi)外許多品牌的汽車制造商已經(jīng)在開始采用 LED 剎車燈、儀表燈和照明燈。 (4) 城市道路交通誘導(dǎo)、標(biāo)識標(biāo)志等在逐步擴(kuò)大。道路交通誘導(dǎo) LED 顯示在各個城市都在迅速增長，產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展迅速。在產(chǎn)品類型方面，交通誘導(dǎo) LED 顯示 屏目前仍為主流 3 產(chǎn)品，但各種簡單、經(jīng)濟(jì)、實用的可變交通信息標(biāo)識標(biāo)志類產(chǎn)品將會發(fā)展普及并形成主導(dǎo)。 (5) 北京 20xx 奧運會、上海 20xx 世博會帶來發(fā)展的契機(jī)。 20xx 年北京奧運會和 20xx年上海世博會的舉辦，為 LED 顯示帶來巨大商機(jī)。 在城市交通領(lǐng)域， LED 顯示的市場將會有顯著擴(kuò)大。同時，半導(dǎo)體照明的發(fā)展，也將為ＬＥＤ顯示產(chǎn)業(yè)的總體提升帶來新的發(fā)展機(jī)遇 。 [2] 課題研究內(nèi)容 本設(shè)計是 1 個 16*16 點陣 LED 電子顯示屏的設(shè)計。 利用單片機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行總體控制，進(jìn)行顯示所要顯示的漢字和字符。其中顯示字模數(shù)據(jù)有單片機(jī)輸入顯存，點陣的點亮過程有程序控制，由驅(qū)動電路完成。點陣采用單色顯示，該顯示器電路的特點是：點陣的動態(tài)顯示過程占用時間比較短，亮度均勻。 整體電路 以美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 40 腳單片機(jī) AT89C52 為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的 LED 點陣電子顯示屏的動態(tài)設(shè)計和開發(fā)過程。通過該芯片控制一個行驅(qū)動器74HC164 和 2 個列驅(qū)動器 74HC595 來驅(qū)動顯示屏顯示。該電子顯示屏可以顯示各種文字或單色圖像，全屏顯示 1 個漢字，采用 4 塊 8 * 8 點陣 LED 顯示模塊來組成 1 個 16x16 點陣顯示模式。顯示采用動態(tài)顯示，使得圖形或文字能夠?qū)崿F(xiàn)靜止、移入移出等多種顯示方式。文中詳細(xì)介紹了 LED 點陣顯示的硬件設(shè)計思路、硬件電路各個部分的功能及原理、相應(yīng)軟件的程序設(shè)計，以及使用說明等。 4 2 系統(tǒng)要求及方案論證 本方案設(shè)計一個電子顯示屏，具體要求滿足以下條件： (1) 設(shè)計并制作一個基于單片機(jī)的 簡易 16 *16 點陣顯示的 LED 電子顯示屏。 (2) 利用串口通訊可以實現(xiàn)從電腦上發(fā)送漢字和字符，并在點陣屏上顯示出來。 (3) 在目測條件下 LED 顯示屏各點亮度均勻、充足、穩(wěn)定、清晰無串?dāng)_。 (4) 能顯示一組特定漢字組成的句子，通過控制器切換顯示內(nèi)容， 并具有掉電保護(hù)功能。 電路大致上可以分成單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路三部分。 設(shè)計主框圖 設(shè)計主要框圖如圖 1 所示。 圖 1 硬件設(shè)計主框圖 本設(shè)計是一個用 LED 點陣顯示 16*16 點陣漢字，顯示屏長 和高均 為一個漢字。總共顯示“ 當(dāng)前時間、溫度、可見度”等 漢字從 左到右 或者從下到上 。設(shè)計思路，實現(xiàn) 漢字朝固定方向 滾動顯示這一動作而且給人以連續(xù)顯示不閃爍的感覺，就必須要求每幀的頻率大于25HZ。 將點陣顯示屏逐行顯示，由于人眼惰性，在很短的時間下從上到下將點陣逐行 點亮，就會使人感覺一整屏在顯示。采用的是 8*8 的 LED 點陣， 8 個共陽極 COM 端（ A1～ A8），每一個公共 端都對應(yīng)一列的 LED 共 8 只 。本設(shè)計的屏幕需要 4 塊的 LED 點陣 。 用單片機(jī) STC89C52 單片機(jī)作為本系統(tǒng)的控制模塊。單片機(jī)可把由 按鍵 讀來的數(shù)據(jù)利用軟件來進(jìn)行解碼處理，從而把數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?qū)動模塊（列驅(qū)動器和行驅(qū)動器），實現(xiàn)文字的顯示。點陣電子顯示屏為主要的顯示模塊，把單片機(jī)傳來的數(shù)據(jù)顯示出來 ,并且可以實現(xiàn)滾動顯示。在顯示過程中，可以 根據(jù) 要求用 按鍵 來對顯示屏實時的選擇與切換。 單 片 機(jī) 列驅(qū)動器 行 驅(qū) 動 器 LED 點陣 5 顯示模塊方案論證 顯示 模塊 是本次設(shè)計最核心的部分，對于 8*8LED 點陣顯示有以下兩種方案： 方案一：靜態(tài)顯示， 從理論上說，不論顯示圖形還是文字，只要控制與組成這些圖形或文字的各個點所在的位置相對應(yīng)的 LED 器件發(fā)光，就可以得到我們想要的顯示結(jié)果。 將一幀圖像中的每一個二極管的狀態(tài)分別用 0 和 1 表示 ， 若為 0 ， 則表示 LED 無電流 ， 即暗狀態(tài) ； 若為 1 則表示二極管被點亮。若給每一個發(fā)光二極管一個驅(qū)動電路 ， 一幅畫面輸入以后 ， 所有 LED 的狀態(tài)保持到下一幅畫。 16*16 的點陣共有 256 個發(fā)光二極管，顯然單片機(jī)沒有這么多的端口，如果我采用鎖存器來擴(kuò)展端口，按 8 位的鎖存器來計算， 16*16的點陣需要 256/8=32 個鎖存器。這個數(shù)字很龐大 ，因為我們僅僅是 16*16 的點陣，在實際應(yīng)用中的顯示屏往往要大得多，這樣在鎖存器上花的成本將是一個很龐大的數(shù)字 。 方案二：動態(tài)顯示，對一幅畫面進(jìn)行分割 ， 對組成畫面的各部分分別顯示 ,是動態(tài)顯示方式。動態(tài)顯示方式 ， 可以避免靜態(tài)顯示的問題。但設(shè)計上如果處理不當(dāng) ， 易造成亮度低 ，閃爍問題。因此合理的設(shè)計既應(yīng)保證驅(qū)動電路易實現(xiàn) ， 又要保證圖像穩(wěn)定 ， 無閃爍。 動態(tài)掃描的意思簡單地說就是逐行輪流點亮，這樣掃描驅(qū)動電路就可以實現(xiàn)多行（比如 16 行）的同名列共用一套驅(qū)動器。具體就 16*16 的點陣來說，把所有同 一 行的發(fā)光管的陽極連在一起，把所有同 一 列的發(fā)光管的陰極連在一起（共陽極的接法），先送出對應(yīng)第一行發(fā)光管亮滅的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 一 行使其燃亮一定時間，然后熄滅；再送出第二行的數(shù)據(jù)并鎖存，然后選通第 二 行使其點亮相同的時間，然后熄滅；以此類推，第 十六 行之后，又重新燃亮第 一 行，反復(fù)輪回。當(dāng)這樣輪回的速度足夠快（每秒 24 次以上），由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，就能夠看到顯示屏上穩(wěn)定的圖形了。 我們通過實驗發(fā)現(xiàn) ， 當(dāng)掃描刷新頻率(發(fā)光二極管的停閃頻率 )為 50Hz， 發(fā)光二極管導(dǎo)通時間 ≥1ms 時 ， 顯示亮度較好 ， 無閃爍感。 鑒 于上述原因 , 我采用方案二 。 數(shù)據(jù)傳輸模塊 顯然，采用并行方式時，從控制電路到列驅(qū)動器的線路數(shù)量大，相應(yīng)的硬件 數(shù)目多。當(dāng)列數(shù)很多時，并列傳輸?shù)姆桨甘遣豢扇〉摹? 采用串行傳輸?shù)姆椒?，控制電路可以只用一根信號線，將列數(shù)據(jù)一位一位傳往列驅(qū)動器，在硬件方面無疑是十分經(jīng)濟(jì)的。但是，串行傳輸過程較長，數(shù)據(jù)按順序一位一位地輸出給列驅(qū)動器，只有當(dāng)一行的各列數(shù)據(jù)都以傳輸?shù)轿恢?，這一行的各列才能并行地進(jìn)行顯示。這樣，對于一行的顯示過程就可以分解成列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（傳輸）和列數(shù)據(jù)顯示兩部分。對于串行傳輸方 式來說，列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時間可能相當(dāng)長，在行掃描周期確定的情況下留給行顯示的時間就太少，以致影響到 LED 的亮度。 6 解決串行傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示的時間矛盾問題，可以采用重疊處理的方法。即在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一列數(shù)據(jù)。為了達(dá)到重疊處理的目的，列數(shù)據(jù)的顯示就需要具有所存功能。經(jīng)過上述分析，就可以歸納出列驅(qū)動器電路應(yīng)具有的功能。對于列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備來說，它應(yīng)能實現(xiàn)串入并處的移位功能；對于列數(shù)據(jù)顯示來說，應(yīng)具有并行鎖存的功能。這樣，本行已準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)打入并行鎖存器進(jìn)行顯示時，串并移位寄存器就可以準(zhǔn)備下一行的列 數(shù)據(jù)，而不會影響本行的顯示。 芯片的選擇 方案一 ：采用時分復(fù)用的方法，把橫引腳直接接到單片機(jī)的 I/O 口上，但如果做到點陣做得比較長時，用得比較多的 I/O 口 ，而且隨著點陣的長度增加而增加。 方案二：采用串口輸入并口輸出的方法，主要用到芯片是 74HC595 和 74HC164，此方案是由 74HC595 輸出字碼 74HC164 作選通。由于 74HC595 是串口輸入并口輸出而且可以多塊芯片級聯(lián)，所要的 I/O 線比較少并不隨便顯示長度的增長而增多。 基于以上分析，選用方案二。 7 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件設(shè)計以 40 引腳單片機(jī) STC89C52 為核心，介紹了以它為控制系統(tǒng)的 LED 點陣電子顯示屏的動態(tài)設(shè)計和開發(fā)過程。驅(qū)動部份由兩個移位存儲器的 74HC595 和兩個移位寄存器 74HC164 組成， 74HC595 負(fù)責(zé)列掃描數(shù)據(jù)， 74HC164 負(fù)責(zé)行掃描數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)硬件整體電路 整體電路大致上可以分成單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路、列驅(qū)動電路和行驅(qū)動電路三部分。整體電路 如下圖 2 所示。 圖 2 系統(tǒng)整體電路 通入 5V 的直流電，送到單片機(jī)、 74HC595 的電源端，單片機(jī)開始工作。單片機(jī)的P P3 口輸出低電平，輸?shù)近c陣的列信號就是高電平，這樣于 74HC595 相連的的輸入點必須有低電平輸出否則就不會有燈亮，單片機(jī)工作對點陣的掃描順序是先從 開始， 、 控制 74HC595 的 輸入端 ，先給左面的 74HC595 導(dǎo)通再控制 74HC595 導(dǎo)通，這樣從上到下從左到右依次掃描，根據(jù)程序中輸入的字型碼來顯示出所設(shè)定的字。 因為市場上買不到 16*16 的點陣顯示屏 ,所以在現(xiàn)實中，硬件部分采用了 4 塊 8*8 的點陣顯示屏來構(gòu)成 一 塊 16*6 LED 顯示屏 。 單片機(jī)系統(tǒng)及外圍電路 單片機(jī)采用 MSC51 或其兼容系列芯片，采用 24MHZ 或更高頻率晶振，以獲得較高的刷新頻率，時期顯示更穩(wěn)定。單片機(jī)的串口與列驅(qū)動器相連，用來顯示數(shù)據(jù)。 P3 口低 3位與 列 驅(qū)動器相連，送出 列 選信號； ～ 口則用來發(fā)送控制信號。 P0 口和 P1 口空 8 著，在有必要的時候可以擴(kuò)展系統(tǒng)的 ROM 和 RAM。 最小系統(tǒng)電路如下圖 3. 圖 3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)包括晶振電路和復(fù)位電路。 晶振電路是 單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會不能工作；假如振蕩器運行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時候就會出現(xiàn)時間上的誤差，這在通信中會體現(xiàn)的很明顯：電路將無法通信。他是由一個晶振和兩個瓷片電容組成的，晶振和瓷片電容是沒有正負(fù)的，注意兩個瓷片電容相連的那端一定要接地。 瓷片電容作用是濾波 ，防止雜波干擾晶振的正常工作 。 復(fù)位電路， 給單片機(jī)一個復(fù)位信號一個一定時間的低電平）使程序從頭開始執(zhí)行；一般有兩中復(fù)位方式：上電復(fù)位，在系統(tǒng)一上電時利用電容兩端電壓不能突變的原理給系統(tǒng)一個短時的低電平；手動復(fù)位，同過按鈕接通低 電平給系統(tǒng)復(fù)位，這時如果手按著一直不放，系統(tǒng)將一直復(fù)位，不能正常工作，在這里我們需要注意用的電容是電解電容，是有正負(fù)的，如果接反了，他就會爆炸 。 [3] 列 驅(qū)動模塊 列驅(qū)動電路 由 集成電路 74HC595 構(gòu)成。它 具有 8 位移位寄存器和一個存儲寄存器，三態(tài)輸出的功能。 而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，可以實現(xiàn)在顯示本 列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一 列數(shù)據(jù)，既達(dá)到重疊處理的目的。 數(shù)據(jù)在 SHcp 的上升沿輸入，在 STcp 的上升沿進(jìn)入存儲寄存器。移位寄存器有一個串行移位輸入（ Ds）和一個串行輸出（ Q739。）。存儲寄存器有一個并行 8 位的具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能 OE 時（低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。 74HC595 引腳功能如表 1 所示。 9 表 1 74HC595 引腳說明 符號 引腳 描述 Q0~Q7 GND Q7′ MR SHCP STCP OE DS VCC 1~7（其中 Q0為 15 腳） 8 9 10 11 12 13 14 16 8 位并行數(shù)據(jù)輸