LED显示屏控制系统的设计与整体分析

杨雄

[摘 要]LED电子显示屏是一种通过单片机控制发光二极管点阵模块明亮，用来显示文字、图像、视频等的新型平面式显示屏幕。由于其顯示效果好，工作环境多样，如今已逐渐替代了投影机，使用率逐渐提升。本文主要介绍了一款以AT89C52单片机为控制核心的16×16LED电子的多功能显示屏的基本组成、工作原理以及相关的显示方式设计。

[关键词]LED显示屏；AT89C52：单片机；动态扫描；控制系统：

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0104-01

市场上所出售的LED显示屏都是由一个个小的8*8的LED点阵面板组成的，因此，为了方便研究LED显示屏的控制系统原理，本文采用简单的由4个8*8LED点阵所组成的16*16的LED显示屏进行控制实验。

1 系统基本组成及工作原理

根据以上我们所选用的16*16点阵LED显示屏显示原理，文字以及图像的显示需要靠控制显示屏上的每一个发光二极管去完成。该种显示屏上的发光二极管可以任意排列组合，可以说非常灵活多变，这就降低了显示文字以及图片的难度。在控制时，只需要按照文字图形，设置好每一个二极管的亮暗状态，再通过电脑软件对其进行二进制编译，（则“1”控制二极管亮，“0”控制二极管灭），最后将编译好的程序传输到规定型号的单片机中，由单片机控制LED显示屏即可简单完成所需显示效果。

与显示多变且色彩丰富的图片比较起来，文字不需要颜色变换且文字样式固定，所以LED显示屏显示文字是比较容易的。另外，针对文字样式固定的特点，可以采用计算机进行文字提取，合成对应的LED点阵大小的文字模型。如今，已经可以实现多字体显示，如宋体、新宋体、楷体、微软雅黑等；多尺寸显示，针对8*8、16*16、24*24、48*48等不同大小的LED显示屏可任意改变文字大小；多颜色显示，基于发光二极管的设计原理，一般的发光二极管有红、黄、绿三种颜色，多以文字显示也通常采用这三种颜色，其中红色最多。

这里值的一提的是在文字显示控制中所用到的动态扫描法。动态扫描就是对控制器所控制的二极管依次点亮，这样就可以实现一个控制器可以控制多行LED，节约了成本降低了控制系统的复杂性。具体来说就是，将同行二极管的阳极接在一起，采用共阳极接法；将同列二极管的阴极接在一起，采用共阴极的接法。在控制其显示时，控制器首先对第一行进行亮暗操作，使第一行工作一定的时间，令其熄灭。以同样的方式控制第二行二极管的工作，以此类推，完成16行的控制后，再次对第一行进行控制，反复不间断工作，完成动态扫描。由于扫描时间很快（每行4ms），人眼在观察中，视觉上会存在短暂的留像现象，所以人就能够看出LED显示屏上所显示的文字，完成显示效果。

在解决了控制方法后，还有一个问题是需要重点考虑的，就是数据传输问题。在本项目中，汉字数据通常是储存在单片机中的CPU里的，在进行文字显示时，需要把每一行二极管亮暗的数据传送到对应的驱动器中，这是我们可以考虑并联和串联两种数据传送方式。显然，并联传送的方式，需要配置庞大的连接线路以及对应的驱动器，需要的硬件数量较多，并会随着列数的增长成倍增长，所以，当列数较多时，从设计成本以及设计思路的复杂性方面，这种方法显然是不可取的。

这时，我们只能采用串联传输的方式，这就使得整个控制线路只有一条信号线，所有的数据都需要从这条线路上传输。从经济角度去考虑，这样的做法是非常经济有效的。但是传输的效率的大大降低，因为只有一条传输线路，传送的数据需要一位一位的被传输到驱动器中，等该行的数据全部传送完成后，才能进行对该行的控制，完成显示。这样，由于数据的准备时间过长，就会导致整行的显示时间较长增加扫描周期的时间。由于人眼的留像规律限制，扫描周期过长可能会影响整个显示的亮度以及稳定性，所以该方案还需要进一步改进。

针对上述传输中存在的问题，解决问题首要任务就是减少扫描周期，压缩传输时间。这样，我们可以把整个显示分为两个部分，一个是数据准备阶段，一个是数据显示阶段。这样如果能够实现在显示某一行数据的同时，对下一行显示的数据进行传输，将会大大缩减扫描周期的时间，这也就是我们常常提到的重叠处理法。另外，为了能够达到重叠处理的效果，在数据显示时必须要设置锁存的功能，只有这样，才能真正做到一边显示，一边传输的重叠处理。这里就对我们的硬件选择就有了实质性的要求。控制系统中的单片机，主要实现存储数据，传输数据、控制数据顺序、控制驱动工作顺序及时间等。另外，在驱动器的选择中，其必须具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器，只有这样，才能实现上述的重叠处理功能，满足显示所需。

2 显示方式设计

以上，我们已经简单的提到一部分LED显示屏的显示方式，下面对其显示方式设计做具体分析。一般来说，LED显示屏的显示方式可以分为静态显示和动态显示两种方式。

静态显示就是投屏显示后是静态的，显示内容不做任何变化。其原理简单、控制方便，但硬件接线相对复杂。一旦显示成功后，其更改显示内容也是比较困难的。这里需要全部重新输出新的点阵数据，当进行大屏显示时，静态显示就会暴露出成本高，线路复杂以及可靠性低等缺陷，因此，在实际应用中一般采用动态显示方式。

动态显示主要就是上述提到的采用动态扫描的方式工作，其工作原理就是按照发光二极管的排布方式把整个LED屏幕分为若干部分，每一个部分依次进行显示，重复循环进行。这种动态扫描巧妙地利用了人眼的视觉暂留特性。在扫描周期足够短的情况下，画面高速的循环显示，只要帧速率高于24帧/秒，人眼看到的就是一个完整的、相对静止的、稳定的显示画面。这种显示方式每一次都只显示一个显示模块，其显示驱动器以及相关的驱动模块就可以多次重复利用，大大减少了驱动器的数量以及引线分布，不仅大大降低了生产成本，同时简化电路连接，方便大型LED显示屏的设计、制造，维修，增加LED显示屏的可靠性。另外，在动态显示时还需增加文字的移动处理功能，即完成文字逐点向左移动的算法处理。

3 结论

总而言之，本项目在探讨LED电子显示屏的工作原理基础上，结合平时的工作实际，以一款AT89C52单片机为控制核心的16×16LED电子的多功能显示屏为例，解释介绍了LED显示屏的基本组成、工作原理以及相关的显示方式设计。为LED电子显示屏的学习和设计提供了动态扫描法，重叠处理法等一些基础的设计方法，方便更多的人去了解和探索LED电子显示屏这个行业以及这门学科。

参考文献

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[2] 陈云锦，李昌贤，吴文斌，等.基于KW01的单行LED显示屏控制系统设计[J].福建电脑，2017，33（4）：40-41.

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