本文主要介紹了LED顯示的工作原理、硬件電路組成以及對單片機控制系統的要求等,利用C8051F040的特有優勢實現對LED的有效控制，可以直接驅動LED，不需要在控制板上再加一級總線驅動器，節約系統資源。本文還給出了具體部分軟件流程圖和源程序代碼，可根據硬件連接圖連接后正常顯示運行。本文在LED顯示屏的應用中具有一定的參考和應用價值。
1 高速SoC單片機C8051F040特征
C8051F040系列器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有64個數字I/O引腳,片內集成了1個CAN2.0B控制器。其主要特性有：(1)高速流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25 MIPS);(2)全速非侵入式的在系統調試接口(片內)64 KB(C8051F040/1/2/3/4/5)可在系統編程的Flash存儲器，(4K 256)B的片內RAM，尋址空間為64 KB的外部數據存儲器接口和硬件實現的SPI、SMBus/I2C和兩個UART串行通信接口，片內集成看門狗定時器和VDD監視器和溫度傳感器，具有時鐘振蕩器的C8051F04x系列器件,是真正能獨立工作的片上系統。所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash存儲器還具有在系統重新編程能力,可用于非易失性數據存儲,并允許現場更新8051固件。每個MCU都可在工業溫度范圍(-45℃~ 85℃)工作, 工作電壓為2.7 V~3.6 V。端口I/O、RST和JTAG引腳都允許5 V的輸入信號電壓。
2 LED硬件電路及顯示工作原理
2.1 驅動方式
當向LED器件施加正向電壓時，流過的電流使其發光。因此,LED的驅動問題就轉化為如何使PN結處于正向偏置的問題。為了控制它的發光強度,還要解決其正向電流的調節問題。驅動方法分為直流驅動、恒流驅動和脈沖驅動。
2.1.1直流驅動
直流驅動是最簡單的驅動方法。LED的工作點由電源電壓、串聯電阻和LED器件的伏安特性共同決定。這種驅動方式適合LED器件較少、發光強度恒定的情況。
2.1.2 恒流驅動
LED器件的正向特性較陡,加上器件的分散性，使得在同樣電源電壓和同樣限流電阻的情況下，各器件的正向電流并不相同，從而引起發光強度的差異。若對LED器件進行恒流驅動，只要恒流值相同，發光強度就比較接近。晶體管的輸出特性具有恒流特性，因此可用晶體管驅動LED。
2.1.3 脈沖驅動
利用人眼的視覺惰性，采用LED器件重復通斷電的方式使之點亮，就是脈沖驅動方式。脈沖驅動主要應用于掃描驅動和占空比驅動兩個方面。掃描驅動主要目的是節約驅動，簡化電路。占空比控制的目的是調節器件的發光強度，用于圖像顯示中的灰度控制。在實際應用中往往是兩方面組合在一起使用。
2.1.4 常用LED顯示屏驅動
目前普遍采用的是串行控制驅動方式,就是將顯示的數據通過串行方式送入點驅動電路,多采用4953 74HC595作為驅動。
2.2 LED硬件電路介紹
256 B雙色LED屏主要由32塊8x8 LED模塊、32片74HC595、8片4953、2片74HC245和2片74HC138組成。LED屏按其電路分為接口電路、驅動電路、譯碼電路和列數據電路。現對接口電路數據線作介紹。
A、B、C、D：行掃描信號線，決定16行中的哪一行點亮;
R1、R2：紅色LED列數據;
G1、G2：綠色LED列數據;
CK：74HC595串行數據移位信號,上升沿將數據存入驅動模塊中的串行寄存器;
ST：74HC595數據鎖存信號,上升沿將串行數據存入并行數據寄存器，同時屏體顯示更新;
EN：74HC138片選信號，有效時屏體點亮。
2.3 LED工作原理介紹
2.3.1 LED列數據電路分析
LED屏主要由顯示點陣以及行列驅動電路組成，顯示點陣多采用64×32板組成。由于LED發光器件數目較多，通常采用掃描驅動方式。掃描驅動電路通常采用多行的同名列共用一套列驅動器。行驅動器的行連到電源的一端，列驅動器的列連到電源的另外一端，當行驅動選擇第i行，列驅動器選擇第j列時,相應的LED就點亮。控制電路主要負責有序地選通各行，在選通每一行之前還要把該行各列的數據準備好。采用掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。行譯碼器給出行有效信號，從第一行開始，按順序依次對各行進行掃描。根據列鎖存器的數據確定該列是否接通，接通的列就在該行點亮。當一行的持續掃描時間結束后，下一行又以同樣的方法進行顯示。每行都掃描一遍后，又從第一行開始下一個周期的掃描。只要掃描周期的時間比人眼閃爍臨界時間短，就感覺不出數據的更替，這是編寫軟件的重要思想步驟。
LED顯示屏采用74HC595作為列驅動電路，該芯片具備以下功能：具有8 bit的串入并出的移位寄存器和一個8 bit輸出鎖存器,移位寄存器和輸出鎖存器的控制各自獨立,因此當第一行數據鎖存到行線上時，其內部同時通過移位寄存器組織第二行數據，這使得行數據準備與顯示可以同時進行。對于列準備數據，它具有串入并出的移位功能,對于列顯示數據具有并行鎖存的功能。
2.3.2 LED行掃描電路分析
行掃描電路選用74HC138譯碼器，但由于該芯片驅動能力有限，因此在它的輸出端再接上8片4953(每片可以驅動兩行)以增強行驅動能力。138譯碼器ABC 3條信號線可產生8 bit輸出信號,每次選通一片4953即可對應其中一行，如果此時對應列鎖存輸出數據到線上,則該行二極管導通，顯示數據。
本文LED雙色板采用16線掃描方式，用ABCD 4條掃描線結合2片74HC138產生16線掃描信號。
3 LED顯示屏對單片機控制系統的要求
對于一個可正常顯示且不閃爍的LED顯示屏，其正常刷新頻率理論上至少不能少于50場/s。但實測表明只有大于55場/s(一場掃描時間大約18 ms)時,人眼才不會感覺到閃爍。對于64×32 LED來說,處理1 B的時間為70.3 ?滋s,平均指令條數為Tb/1.5=70.3/1.5=47條。C8051F040晶振頻率為22.118 4 MHz，時鐘周期為0.045 ?滋s，C8051F040 70%的指令執行周期為1~2個時鐘周期，故平均指令執行時間為2×0.045 ?滋s=0.9 ?滋s，滿足LED顯示控制要求。
4 C8051F040與LED硬件電路
C8051F040與LED連接圖如圖1所示。
本電路采用C8051F040的P2口和P3口的高3位控制LED顯示，其中P2口的高4位連接138譯碼器的4根地址信號線(ABCD),分別是P2.7接A、P2.6接B、P2.5接C、P2.4接D、P2.3接G1、P2.2接G2、P2.1接CK、 P2.0接ST、P3.7接EN、 P3.6接R1、P3.5接R2。時鐘顯示電路選用PCF8563P芯片，采用I2C總線控制方式，SDA和SCL分別接P1.3、P1.2。溫度電路采用18B20芯片，采用單總線控制方式，SDA接P0.3。
5 C8051F040控制LED軟件介紹
5.1 功能介紹
這顯主要介紹C8051F040控制LED分屏顯示日期、時間和溫度。按照圖1所示的硬件連接，行掃描軟件地址可分配為0x00、0x80、0x40、0xc0、0x20、0xa0、0x60、0xe0、0x10、0x20、0x90、0x50、0xd0、0x30、0xb0、0x70、0xf0,編寫程序時將根據以上地址進行行掃描。
5.2 軟件流程圖
C8051F040控制LED的主程序流程圖如圖2所示，顯示程序流程圖如圖3所示。
5.3 C8051F040源程序
C8051F040的源程序如下。
(1) 系統時鐘配置
void SYSCLK_Init (void)
{ int i = 0;
SFRPAGE = CONFIG_PAGE;
OSCXCN = 0x67;
for (i = 0; i < 3000; i );
// Wait 1ms for initialization
while ((OSCXCN & 0x80) == 0);
CLKSEL = 0x01;
OSCICN = 0x00; }
(2) 系統端口配置
void PORT_Init()
{ SFRPAGE = CONFIG_PAGE;
//st SFR page before writing to XBR0 = 0x04
//允許UART0、RX、TX連到2個端口引腳XBR0=00000100 P1MDOUT = 0xf0; //推挽輸出
P2MDOUT = 0xff;
P3MDOUT=0xff;
P4MDOUT=0x00; //漏極開漏輸出
P4 |= 0xff; //寫1禁止低端輸出驅動器
P0MDOUT |= 0x01; //使能TX0作為推挽輸出
XBR2 = 0x42;
}
(3) PCF8563與C8051F040的連接
PCF8563與C8051F040之間的硬件連接圖如圖4所示。
(4) PCF8563初始化流程
PCF8563初始化流程圖如圖5所示。
(5) DS18B20與C8051F040的連接
DS18B20與C8051F040之間的硬件連接圖如圖6所示。
(6) DS18B20測溫系統
DS18B20測溫系統流程圖7所示。
