基于AVR单片机LED显示屏的灰度设计与实现

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                    　　led点阵块具有亮度高、发光均匀、可靠性好、拼装方便等优点，能构成各种尺寸的显示屏。目前，led显示屏已被广泛应用于文字显示并取得了很好的效果，但是大部分仅能显示滚动的文字信息而不能显示图像，并且还存在系统复杂等缺点。本文提出了一种主从式单片机的led显示屏解决方案，该设计方案利用AVR单片机自身的FLASHROM和RAM，外部无需任何存储电路，电路结构简单。该系统实现了图像的16阶灰度显示，可广泛用于商场、车站等公共场合。
1 AVR单片机简介
　　AVR单片机是增强型内置FLASH的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机，硬件采用哈佛(Harward)结构，达到一个时钟周期可以执行一条指令，绝大部分指令都为单周期指令。支持在系统编程ISP，其中MEGA系列还支持在应用编程IAP。内置的FLASH程序存储器可擦写1000次以上，给用户的开发生产和维护带来方便。可擦写10万次的E2PROM，为掉电后数据的保存带来方便。AVR单片机有丰富的片内资源，如RTC，WATCHDOG，AD转换器，PWM，USART，SPI，TWI接口等，I／O口功能强、驱动能力强。
2 系统整体设计方案
　　LED显示系统主要由3部分构成：PC上位机图像文字转换与数据发送单元、主控单元以及显示子模块。



4 系统软件设计
系统软件设计包括上位机软件的设计、主机板AT-mega32程序设计、显示子模块ATmega8程序设计3部分。
　　上位机软件完成图像和文字的编辑，通过计算机串行接口把显示数据传送到主机板上。主机板接收上位机的数据并通过内部BootLoader区的程序进行FLASHROM内显示数据的自更新。主机板把显示数据进行分割处理后发送给每个子模块，并且完成显示数据的上下、左右滚屏处理。子模块通过软件调制脉冲占空比的方法，实现16阶灰度图像显示。
　　4.1 上位机软件设计
　　上位机软件使用VB开发，主要完成图像的取点、线性补偿和点阵数据生成。首先将图像文件转换为96×64分辨率、256阶色深的单色灰度图像，由于使用占空比驱动的LED其占空比／亮度为对数特性，所以需加入指数特性调整为线性之后才能交付显示系统进行显示。其计算公式为Dout=15×(Din／255)n。n为比例系数，经实际显示校对后确定为1.35，同时通过该公式完成从256阶灰度到16阶灰度的转换。通过MSComm控件实现PC机与主机板的通信。
　　4.2 主机板ATmega32程序设计
　　主机部分软件主要分为按键响应处理，显示数据分割和分割后的数据发送3部分。其中显示数据的分割占最主要的地位，同时显示内容的滚屏移动也包括在这部分中。按键响应使用外中断响应，配合定时器TO进行去抖处理后置位按键有效标志，在主程序中检查该按键有效标志并进行响应处理。



4.3 显示子模块程序设计
　　显示子模块的软件分为数据接收和动态刷新显示2部分。由于子模块要实现16阶灰度的表现，而且还需要实现足够高的刷新速率以避免产生闪烁现象，所以对刷新显示部分的速度要求较高。本设计采用的方案为：全屏(每个子模块为16行×16点／行)刷新分为16份时间片，每份时间片实现一行的扫描。而每行的时间片又分为15个子时间片，其中灰度为最暗的点点亮0个子时间片，灰度为最亮的点点亮15个时间片，由此实现占空比为0／15～15／15共16个级别的平均电流控制，从而实现16阶的灰度显示。通过：MEGA8片内定时器T2，每个子时间片取得52μs的扫描时间，15个子时间片构成一个单行扫描的时间片(52μs×15=780μs)，16个单行扫描时间片又构成一次全屏的扫描(780μs×16=12.48ms)，则刷新频率约为80Hz，在最高亮度下也可以保证不出现行闪的现象。
5 结语
　　本文提出的基于AVR单片机的LED显示屏已应用于现场，AVR单片机的看门狗功能使得系统稳定可靠。由于本设计是主从式的解决方案，具有可扩展性，并且采用ISP功能给电路板的调试和系统的维护带来了很大的方便。实践证明，本系统可以方便地显示各种字体的文字信息及16阶灰度的图像，画面清晰、性能稳定、操作简便，具有很好的应用价值。