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LED点阵书写显示屏

LED点阵显示屏的设计

宝华

摘要

本设计是基于16×16点阵LED电子显示屏的设计。

设计以STC15w4k32s4为核心，介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。

本设计主要模块组成：

主控CPU模块、按键输入模块，光笔检测电路，LCD信息显示器，16×16点阵LED点阵显示与驱动模块。

设计中16×16点阵LED点阵显示与驱动模块中，CPU输出信号先经74HC245进行锁存，再输出信号经由38译码器74HC138译码选通APM4953驱动行，由移位寄存器74HC595作为列驱动，单片机控制系统程序采用C语言进行模块化编程，控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平，就可以有效的控制各显示点的亮灭。

文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计，以及使用说明等。

所显示字符的点阵数据可以自行编写（即直接点阵画图），也可从标准字库中提取。

经实践证明，该系统显示误差小，性能稳定，结构合理，扩展能力强。

关键词：

STC14w4k32s4单片机；LED；点阵书写显示；动态显示；C语言。

第一章前言

1.1系统背景

1.1.1设计意义

LED显示屏是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

本设计基于LED点阵的普通显示效果加上光笔检测模块，实现自由书写显示功能。

它的优点：

亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

1．1.2功能实现

（1）在“点亮”功能下，当光笔接触屏上某点LED时，能即时点亮该点LED，并在控制器上同步显示该点LED的行列坐标值（左上角定为行列坐标原点）。

（2）在“划亮”功能下，当光笔在屏上快速划过时，能同步点亮划过的各点LED，其速度要求2s能划过并点亮20点LED。

（3）在“反显”功能下，能对屏上显示的信息实现反相显示（即：

字体笔画处不亮，无笔画处高亮）。

（4）在“整屏擦除”功能下，能实现对屏上所显示信息的整屏擦除。

（5）自定义显示字符。

1．2系统概述

1.2.1主控CPU的选择与比较

1、STM32（STM32F103VCT6）：

具有多功能定时器，低功耗，速度高，256KHz嵌入式闪存寄存器，稳定性强等特点，具有最高72MHz的CPU工作频率和很强的控制和运算能力，能够实现点阵屏的高速扫描的一些复杂的控制和运算功能。

但相比于STC89C58其功能实现复杂。

2、CPLD（EPM240T100C5）：

具有丰富的I/O口、部逻辑和连线资源、运行速度快、能够显示大量的信息，但CPLD实现运算功能复杂，在该系统中，需要显示的信息量较少，但是控制和运算功能较多，用CPLD实现一些运算功能复杂。

3、STC15w1k32s4：

CPU采用低成本、多功能的STC15W4K32S4单片机。

STC15W4K32S4是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KBEEPROM，MAX810复位电路，含可调节晶振电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

该单片机性价比很高，且相对容易控制，基本能够实现所需功能。

经比较，选择STC15w4k32s4作为主控芯片。

1.2.2光笔检测的选择与比较

1、光敏电阻：

光谱响应围宽，体积小，但灵敏度低，响应速度慢，受温度影响大，很难确定点亮点坐标。

2、光敏二极管（2CU2B）：

光电流小，响应时间短，使用于要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高的电路，但其灵敏度较低，光电流较小，不易判断所在处LED在点阵屏中的坐标。

3、光敏三极管（3DU35C）：

光电流大，响应时间短，且其灵敏度非常高，易判断所在处LED在点阵屏中的坐标。

经比较，选择光敏三极管作为光笔检测敏感器件。

1.2.3LCD显示屏的选择

考虑到有系统低功耗的要求，采用价格低廉的1602液晶作为显示。

LCD功耗比较低，不需要循环扫描，且信息量大，能灵活多变的显示多种信息。

1.2.4键盘输入模块的选择

键盘采用4×4标准矩阵键盘，用8个I/O口控制16个键，4个I/O口接4行，另外4个接4列，通过行列扫描获得按键值。

1.2.516×16点阵屏模块的选择

由4块8×8单色LED点阵（红色）模块组合成16×16的LED点阵屏。

用红外光电三极管自制光笔。

在检测时依次点亮红色LED，当点亮到某个LED时，如果此时光笔放在该LED时，这时红外光电三极管的阻值会发生变化，通过相应的检测电路可以得出一个高低电平的变化，单片机检测到信号变化时就可以判断光笔的当前位置。

该方案简单易行，对光笔位置判断的灵敏度较高，抗外界干扰能力强。

采用红色点阵和红外光电三极管能够有效地减少环境可见光对光笔中光电三极管的干扰。

第二章硬件电路设计

本设计主要模块组成：

主控CPU模块、按键输入模块，光笔检测电路，LCD信息显示器，16×16点阵LED点阵显示与驱动模块。

使用具有价廉易购的STC15W4K32S4单片机编程控制，通过修改程序可方便实现系统升级。

系统的框图结构如下：

图1系统原理框图

系统主要部件包括8×8的LED点阵屏、STC15W4K32S4单片机、方向可控的八路缓冲器74HC245、38译码器74HC138、P沟道的增强型场效应管APM4953、移位寄存器74HC595、液晶显示器1602，双电压比较器LM393，光敏三极管3DU5C。

辅助元件包括电阻、电容、晶振、电源、按键等。

2．1系统各器件简介

2.1.1STC15W4K32S4单片机

STC15W4K32S4单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

图STC15W4K32S4引脚图

STC15W4K32S4引脚功能说明

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。

此时，P0口部上拉电阻有效。

在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流（

）。

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：

P2口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。

P2作为输入口使用时，因为有部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（

）。

在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3是一个带部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3做输入口使用时，因为有部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（

）。

在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。

P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：

P3口引脚复用功能

引脚号

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

2.1.2方向可控的八路缓冲器74HC245

总线收发器，典型的CMOS型三态缓冲门电路。

由于单片机或CPU的数据/地址/控制总线端口都有一定的负载能力，如果负载超过其负载能力，一般应加驱动器。

主要用于实现数据总线的双向异步通信。

为了保护脆弱的主控芯片，通常在主控芯片的并行接口与外部受控设备的并行接口间添加缓冲器。

当主控芯片与受控设备之间需要实现双向异步通信时，自然就得选用双向的八路缓冲器了，245就是面向这种需求的。

常见于同并口液晶屏、并口打印机、并口传感器或通讯模块等设备的接口上。

图374HC245引脚图

引脚定义：

第1脚DIR，为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

第2~9脚“A”信号输入输出端，A0=B0，A7=B7，A0与B0是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入B1输出，其它类同。

如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入A1输出，其它类同。

第11~18脚“B”信号输入输出端，功能与“A”端一样，不再描述。

　第19脚OE，使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。

　第10脚GND，电源地。

　第20脚VCC，电源正极。

真值表

控制输入

运行

DIR

B数据到A总线

A数据到B总线

隔开

H=高电平L=低电平×=不定

2.1.338译码器74HC138

74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。

74HC138特有3个使能输入端：

两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。

除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。

图474HC138引脚图

2.1.4P沟道的增强型场效应管APM4953

行驱动管，功率管。

每一显示行需要的电流是比较大的，要使用行驱动管，每片4953可以驱动2个显示行。

其部是两个CMOS管，1、3脚VCC，2、4脚控制脚，2脚控制7、8脚的输出，4脚控制5、6脚的输出，只有当2、4脚为“0”时，7、8、5、6才会输出，否则输出为高阻状态。

图54953引脚图及部结构

2.1.5移位寄存器74HC595

74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路。

具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。

移位寄存器和存储器是分别的时钟。

数据在SHcp的上升沿输入到移位寄存器中，在STcp的上升沿输入到存储寄存器中去。

如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。

移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7’）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。

8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断三态。

图674HC595引脚图

表274HC595功能表

输入

输出

功能

SHCP

STCP

Q7’

↓

MR为低电平时仅仅影响移位寄存器

↑

空移位寄存器到输出寄存器

清空移位寄存器，并行输出为高阻状态

↑

逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态移入

↑

Qn’

移位寄存器的容到达保持寄存器并从并口输出

↑

Q6’

Qn’

移位寄存器容移入，先前的移位寄存器的容到达保持寄存器并出

2.1.7双电压比较器LM393

LM393是双电压比较器集成电路。

该电路的特点如下：

工作温度围:

0°C--+70°C；工作电源电压围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源：

±1～±18V；消耗电流小，ICC=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；共模输入电压围宽，VIC=0～VCC-1.5V；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门。

图7LM393部结构图

2.1.8硅光敏三极管3DU5C

结构：

NPN扩散型光敏三极管是具有放大能力的光电转换三极管，广泛应用与各种高空电路中。

在无光照射时，光敏三极管处于截止状态，无电信号输出。

当有光信号照射其基极（受光窗口）时，光敏三极管导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。

其主要技术参数为：

反向击穿电压：

15V;

最高工作电压：

10V;

暗电流：

0.3uA;

光电流：

0.5—1mA；

功耗：

30mW；

峰值波长：

880nm。

图8光敏三极管等效电路

2.2各部分电路设计

2.2.1主控模块

主控模块包括LCD液晶显示，键盘扫描模块及CPU控制模块。

通过通过编程，当按下相应按键时，LCD模块实现相应功能及LED扫描点坐标的显示。

控制模块有晶振电路及复位电路构成。

图9

2.2.2LED点阵显示模块

LED模块为本设计的主要模块。

由锁存器、行驱动及列驱动组成。

其中，所有了LED灯驱动信号由控制模块P2口送出，经锁存器74HC245锁存再送至4块移位寄存器74HC595的4个公共控制端，驱动列；锁存器的另外三个输出接至38译码器74HC138，经译码后的信号通过P沟道的增强型场效应管APM4953驱动相应的行。

图10

2.2.3光笔模块

光笔模块主要由光敏三极管3DU5C及电压比较器LM393组成。

用红外光电三极管自制光笔，光笔检测电路如图所示。

图中Q1是用红外光电三极管，用来完成对16×16点阵红色LED灯点亮或熄灭的检测；R4、R6用于对Q2进行限流，另外还可以调节R6来提高或减小输出的电压值；R1、R3是用于给U1（比较器）的同相端提供基准电压值，通过它跟采集信息输出来的电压值进行比较（U2>U3，Uout=Umin），R2是U1的输出上拉电阻。

工作原理如下：

当红光照到红外光电三极管上时，红外光电三极管的电阻变小，其射极电压升高，此时2脚电压比3脚电压高，比较器1端输出为低电平。

当电容C1充电一段时间之后，比较器2脚电压比3脚电压低，比较器1端输出为高电平。

由此，当检测到光信号时，该电路将产生一个脉冲信号。

由于在电路中加了耦合电容，可有效地防止环境对光笔的影响。

图11

第三章软件设计

程序采用模块化编程方式，分为主程序，按键扫描程序，LED扫描程序，延时程序，点亮模式程序，反显模式程序，整屏擦除及显示自定义字符程序。

3.1主程序

主程序中主要执行键盘扫描程序。

3.2键盘扫描程序

在键盘扫描程序中进行键盘扫描，当键盘扫描到某个按键按下时，1602显示相应功能模式，同时对应模式的LED点阵执行相应功能。

3.31602液晶显示程序

主要为液晶的初始化，及定义相关模式显示。

3.4延时程序

将所有全局变量及数组的定义全都放在这个.h文件中，同时定义50us延时和50ms延时。

3.5点亮模式程序

按行逐列扫描（即点亮），当光笔检测到信号时，停止扫描，根据具体功能将此时的点延时显示相应时间（控制扫描速度），并将此点的行列值赋给全局变量x1、x2，用于1602中的坐标显示。

3.6画线模式程序

检测信号方式同点亮模式。

此模式中点显示为50ms，实现快速扫描的要求。

先定义4个全局数组liea[]，lieb[]，liec[]，lied[]保存列值，初值全设为0xff（即相应列灭），当扫描到信号时，将扫描到的点赋给相应的全局数组（即检测到的信号保存在这四个数值中）。

此程序用用定时器中断来计时检测光笔信号，进入中断时开始计时count0，当光笔检测到信号时，计时count0清零（即光笔画线为完成），否则当count0计时到100（即5秒，表明光笔已完成画线）时显示检测到的信号，延时显示3s，只有当键盘检测到整屏擦除功能按键按下时才结束并清除检测到的信号以便下一次的画线。

3.7整屏擦除模式程序

当键盘检测到整屏擦除功能按键按下时清除画线模式下检测检测到的信号并显示“NO”。

3.8反显模式程序

在画线模式下，将检测到的信号点反显。

3.9自定义字符显示程序

相应键按下时显示相应字符。

附录1程序流程图

图12主程序流程图

参考文献

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