基于单片机89C51和89C2051点阵LED图文显示

1 LED点阵显示系统简介

    随着图形点阵LED显示模块在各行各业的逐步使用，使得人机界面变得越来越直观形象，尤其对于国内大多数需要有汉字和图形显示的用户来说，显示界面的友好与否，将直接影响到其产品的形象和市场竞争力。

    本文所介绍的点阵LED显示屏，显示汉字和各种常见字符等信息，可广泛应用于各种场所。具有结构简单、安装方便、字型美观、图案清析。采用高性能单片机控 制，性能稳定，可靠性高，具有掉电保护功能，可完全脱机运行，可以显示约2000个文字。经过一条RS-232串口线与电脑连接更换信息，操作简单，使用 方便。

2 LED点阵显示系统的硬件设计

    LED点阵显示系统由计算机、RS-232通讯电路、控制电路和LED点阵显示电路构成，结构框图如图1所示。

 
图1 LED点阵显示电路构成结构框图

    上位计算机可选择工业控制计算机或者普通个人计算机。单块条屏由控制电路和驱动显示电路组成。控制电路负责与上位机通信，可根据通信距离的远近选用RS- 232或RS-485标准总线接口。本电路采用RS-232接口的3脚（TXD）和5脚（GND），计算机向控制电路发送汉字或字符内码；控制电路存储该 内码并在字库中对应汉字或字符点阵，向驱动电路发送行列选通信号；显示驱动电路负责根据行列选通信号，向指定LED发光器件提供驱动电流。

2.1 显示控制电路

    控制部分以单片机89C51为核心，辅以外围电路，完成串行通信、外部存储器读取、行列选通信号输出等任务。

    为使计算机与控制电路能够随时通信，需要单片机89C51与89C2051与其它器件之间可以通信。当89C2051接收到计算机发送的数据信号时，通过 P3.2脚向89C51发送中断信号，此时该脚作为I/O口。而后89C51响应该中断，并通过P1口接收来自89C2051P1口的数据。
在PC 机内部，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占两个字节。单片机89C51将采集来的数据放到串行E2PROM（24LS32）中，P3.3接SDA和 P3.4接SCL。所以在没有与计算机通信的时候也可以读取串行E2PROM（24LS32）中存储的汉字或字符内码并最终显示。89C51的串口接收由 E2PROM（24LS32）存储的汉字内码，并将其换算成汉字首地址，从4Mbit的EPROM(M27C4001、并行口)的字库中提取相应的汉字 (一组32字节的数据)，对应于显示屏排列好存贮到片外RAM（CY6264，64Kbit）中，重复上述过程将所有的汉字都提取出并排列存储好，最后由 89C51将RAM中的数据经P1口和P3口输出给显示驱动电路。

    汉字库的制备与普通程序存储器的烧录并无区别。将汉字库文件以二进制形式打开，通过编程器烧录到M27C4001中即可[1]。M27C4001的19位地 址和CY6264的13位地址信号分别由P0口（经D锁存器74HC573输出作为地址线）、P2口、P1口(P1.5～P1.7复用)产生 。串行E2PROM（24LS32）、EPROM(M27C4001)、RAM（CY6264）与单片机的接口如图2[2]所示。  

 
图2 单片机控制电路原理框图

    在显示功能中，有一种是显示年月日的。如果不与计算机时间同步，则显示实时时钟芯片DS12887的时间。我们还可以通过与计算机通信来获得计算机当前时间。当读取或写入时钟芯片时间数据时，单片机89C51通过AD0～AD7地址数据复用引脚来选通地址并读写数据。

2.2 显示驱动部分[3]

    LED点阵选用2×4模块，每4块排列成一个16×16的点阵，用于显示一个汉字。点阵每一行的所有LED共阳极，每一列的所有LED共阴极。系统由单片机控制。

    单片机89C51的P0.0～P0.3口（D0～D3）通过一个通用逻辑阵列GAL16V8D和三态收发器74HC245输出用于行选通信号(OIA～OID)，P3.0和P3.1经74HC245输出用于列选通信号，如图3所示。

 
图3 行选通信号产生原理图

    行驱动部分用两个74HC138译码，将行选通信号作为两个译码器地址输入，可以得到16行的行值信号。考虑到74HC138的驱动能力有限，故LED阳极 通过三极管TIP127与电源相连，可提供2A左右的电流，74HC138输出引脚仅需要提供几个毫安的灌入电流即可控制其通断。

    列输入驱动由八个8位串行输入，串行或并行输出三态移位寄存器74HC595实现。该芯片具有串行输入、并行输出两个独立的时钟信号。输入数据在串行移位时 钟SRCLK上升沿由串行输入端SER 输入到芯片内部串行移位寄存器中，同时, SQH端串行输出；在锁存时钟信号RCLK上升沿到来时，芯片将内部串行移位寄存器8位数据并行输出。正常工作时，应将复位端SRCLR与使能端RCLK 分别接高电平、低电平。单片机输出信号直接与串入并出移位寄存器74HC595的锁存器输出端连接。列驱动电路原理图如图4所示。  

 
图4  列驱动电路原理图

3 软件系统

    程序可以实现与计算机的通信，可非常方便地任意修改所要显示的汉字；并使显示屏可固定、平移地显示汉字。程序中将数据存储器分为三个区：显示缓冲区，数据存 储区和接收缓冲区[4]。单片机通过串口接收PC机传来的数据（包括显示内容，显示方式和显示状态）暂时放在接收缓冲区，处理后放入数据存储区保存，然后 再根据显示方式从数据存储区中读出数据放入显示缓冲区用于显示。显示方式的实现取决于数据放入显示缓冲区的顺序，左移是从数据存储区取出一位数放入显示缓 冲区，上移是每次取出一行数据放到缓冲区，时间显示是先把实时时钟的数据放到显示缓冲区。显示时并不识别显示缓冲区的数据，只是依次从显示缓冲区提取数据 向显示屏发送并送入相应的锁存消隐和行值信号，完成扫描。程序功能框图如图5所示。

 
图5  程序功能框图

    软件系统采用模块化结构，包括主程序、显示子程序和串口中断服务程序。主程序为顺序结构，完成堆栈、中断、串口的初始化设置后，循环调用显示子程序，以及响 应串行接收或发送中断；显示子程序从显示缓冲区取出字模，输出行选通信号至P0口并通过一个通用逻辑阵列GAL16V8D输出，配合列扫描信号，进行动态 扫描显示；中断服务程序串口接收PC机发送的汉字机内码数据，实现与计算机实时通信。程序各部分的功能，由各个模块分别实现。程序模块有: 串口初始化模块、数据输入模块、汉字首地址计算模块、取字模块、显示模块和移动模块。

4 结束语

    本文的点阵LED显示系统以单片机89C51为基础，加以外围电路，利用RS-232接口实现与计算机实时通信，可实现汉字、数字及各种字符的多种方式和速 度的显示。经实际应用验证，本条屏作为信息显示屏，工作稳定，字符清晰，字体美观，亮度适中，根据需要可选择多种显示字幕效果，并具有分布灵活、扩展方便 等优点。