OLED显示屏，行驱动电路设计，单片机AT89C51与和显示屏的硬件接线

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随着科学技术与电子业技术的不断发展更迭，有机发光二极管如何简易并且有效的实现显示均匀、大面积发光、高亮度高分辨率发光、以及延长有机发光二极管寿命等当前亟需解决的问题，是我们未来要面对的技术挑战。今天小编给大家带来几个平日里做有源、无源oled显示驱动设计的例子，以供大家作为电子设计参考。

一、驱动控制SSD1303实现96x64点阵PM-OLED

本例子使用Solomon公司的OLED显示驱动电路SSD1303，结合AT89C51单片机实现驱动OLED显示屏的方法。SSD1303是一款集控制器、行驱动器和列驱动器于一体的专用于OLED显示控制驱动电路。

实验中OLED结构阳极材料，采用ITO（铟锡氧化物），阴极则使用Mg与其他稳定金属合金的办法Mg:Ag做阴极，以提高器件量子效率和稳定性，并可以在有机膜上形成稳定坚固的金属薄膜。

PM-OLED使用普通的矩阵交叉屏， OLED位于交叉排列的阳极和阴极中间，通过对阳极和阴极组合的选通，可以控制每一个OLED的点亮。

SSD1303芯片内部电路框图如下图1所示：

SSD1303芯片主要由MCU接口、命令译码器、振荡器、显示时序发生器、电压控制与电流控制、区颜色译码器、和图形显示数据存储器（GDDRAM）、行驱动和列驱动组成。这种IC的专用OLED驱动方案使OLED显示性能最佳，降低了功耗。该器件采用TCP/TAB封装。具有驱动最大132×64点阵的图形显示、提供的逻辑电源为2.4～3.5V、供给OLED屏的电源为7.0～16V、列输出的最大电流为 320μA、行输入的最大电流为45mA、低电流睡眠模式小于5μA、256级对比度控制，可编程帧频、具有几个MCU接口，如68/80并行总线和串行的周边接口、132×65bit显示缓冲器、可以垂直滚动、支持部分显示、工作温度：-40 oC～ 85 oC。

整个系统由单片机、控制驱动电路SSD1303和OLED显示屏三部分组成.SSD1303与单片机接口的引脚有：DO～D7为与单片机接口的数据总线，R/W（RW#）为读写选择信号，D/C为数据/命令选择信号，CS#为片选信号，低电平有效，E（RD#）为使能信号，RES#为复位信号。单片机采用ATMEL 公司生产的低功耗、高性能的AT89C51， AT89C51与SSD1303和显示屏的硬件接线如图2所示，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分别与SSD1303的 R/W（RW#）、D/C、CS#、E（RD#）、RES#相连，P0口与SSD1303的数据总线相连。其它引脚的连线VCC接12V，VDD接 2.7V，VSS接地等。下面通过程序来控制这些引脚，从而使OLED显示需要的汉字或图形。主程序软件流程图如图3所示。

图2 单片机AT89C51与SSD1303和显示屏的硬件接线

图3 主程序软件流程图

二、台湾普诚PT6807/PT6808无源矩阵驱动方式

本案例采用ISL97702便携式产品的DC/DC直流升压电源电路，输入电压2.3～5.5V，输出电压根据负载轻重在2～30V范围内可调;OLED显示驱动采用PT6807和PT6808构建的无源矩阵驱动方式，适用于单色小尺寸OLED的显示驱动。

只所以选择ISL97702作为电源IC，需要考虑器件运行在最高效率的同时，尽可能的降低功耗并延长电池工作时间。ISL97702具有一种突发模式以及双输出电压选择功能，用以在轻载电流下保持转换器的效率和电源的节约。并且ISL97702还具有浪涌电流限制、短路保护和关机期间负载隔离等功能。ISL97702的DC/DC直流升压电源电路图，如下图所示：

基于ISL97702的DC/DC直流升压电源电路图

OLED显示屏像素点，按行、列排成矩阵，显示图像时，按行扫描或按列扫描，无源矩阵的基本结构框图，如下所示：

无源矩阵基本结构框图

其中“行”是由公共驱动器PT6807依次选通，“列”则是由列选择器PT6808根据图形要求来开通。例如，图中假如第一行只有第一个OLED导通就只有大约0.3mA，而假如第二行是所有OLLED都选通，而每一行一共有100个OLED，则其总电流大约为33mA。也就是说，其总电流是由每一行中的OLED数，就是其象素数决定。因为OLED的亮度是由其电流决定的，所以保持电流的稳定是很重要的。列驱动通常采用P沟道器件作为电流源。为保证其工作于饱和区，至少需要有2伏电压，这样其输出电流随VDS的变化将会小于1%每伏。当某一行有很多OLED导通时，它的总电流就比较大。这时在连接电极上就会有较大压降，从而使VDS降低。而这种压降又取决于显示的图形，而且是不可避免的。所以必须将电流受VDS的变化而变化的灵敏度降至最低。同时输出电流的不均匀性也受到驱动器件的不一致性的影响，这种不均匀性可以靠提高VGS工作电压和版图匹配技术来减小。

128×128点阵模块驱动接口，如下图所示：

128×128点阵模块驱动接口图

1. 行驱动电路设计

PT6807是点阵OLED图形显示系统64路行驱动器，它利用CMOS技术，提供64个移位寄存器和64路输出驱动，PT6807自己产生时钟信号用来控制PT6808列驱动器。

PT6807可以设计为主，从两种模式，为OLED驱动显示提供方便;主/从模式选择由控制脚MS来控制，在主模式下，选择MS脚为高电平，输入/输出脚DIO1，DIO2，CL2只作为输出脚来用;在从模式下，MS脚被置为低电平，输入/输出脚CL2作为输入来用，而DIO1，DIO2的状态由SHL脚来决定。

晶振电路：主模式下，可由R、C、CR端来决定时钟频率;在从模式下，晶振电路的R，C端为悬空状态，CR端接高电平。

显示占空比选择：显示占空比靠输入脚DS1，DS2的状态来决定;在主模式下根据DS1，DS2脚的设置来选择占空比，有四种占空比1/48，1/64，1/96，1/128可供选择;在从模式下，DS1，DS2脚与电源VDD相连。

移位时钟和相位选择：PCLK2用来选择移位数据是在CL2时钟信号的上升沿，还是下降沿移出;数据移位方向的选择由MS，SHL脚来控制。

2. 列驱动电路设计

PT6808是点阵OLED图形显示系统64路列驱动器，它也利用CMOS技术，并提供显示RAM、64位数据锁存、64位驱动和解码逻辑，内部显示RAM用来存储由八位微处理器传来的显示数据，它根据存储数据产生点阵OLED驱动信号，与PT6807（行驱动器）配合使用。

输入缓存用来允许和禁止PT6808，当输入输出数据和指令被执行时，CS1B和CS3必须处于工作状态，不论CS1B和CS3处于任何状态，RSTB和ADC都可以正常操作，并且内部状态不会改变。

输入寄存器用来与MPU接口，并临时存储要写入显示RAM的数据，当CS1B和CS3处于工作状态时，输入寄存器通过R/W和RS来选定，数据通过MPU被写入输入寄存器，然后写入显示RAM中，数据在E信号的下降沿被锁入，通过内部操作自动写入显示RAM中。

输出寄存器：当CS1B和CS3处于工作状态，并且R/W和RS为高电平时，输出寄存器用来临时存储显示数据RAM，也即显示数据RAM中的存储数据被锁存到输出寄存器。当CS1B和CS3处于工作状态，R/W为高，RS为低时，状态数据（忙检测）可以被读出。

为了读出显示数据RAM中的内容，需要访问读指令两次，在第一次访问中，显示数据RAM中的数据被锁存到输出寄存器中，在第二次访问中，MPU读锁存数据。这就是说，在读显示数据RAM时需要一次假读，但是，在读状态数据时不需要假读。

为了克服在工作过程中当OLED亮度较高时的自动关屏问题，在写入数据之前应该查看该项，若关屏，则将其打开，以保证OLED屏的正常工作。其中判断是否关屏，若关闭则将其自动打开子程序如下：

Rs=0; // rs为数据/指令选择脚

r_w=1; // r_w为读/写输入脚

e =1; // e为允许信号输入脚

busy = P3; // P3接数据线端口

e = 0;

if（busy&0x20==0x00） // 若为真，表示已关屏

{com=0x3f; // com为形参

wr_command（com）;} // wr_command是写命令子程序

三、TFT-OLED模拟像素单元驱动/控制电路

AM-OLED驱动实现方案包括模拟和数字两种。在数字驱动方案中，每一像素与一开关相连，TFT仅作模拟开关使用，灰度级产生方法包括时间比率灰度和面积比率灰度，或者两者的结合。目前，模拟像素电路仍占主流，但在灰度级实现上，模拟技术与时间比率灰度和面积比率灰度理论相结合将会是将来的一个发展趋势。在模拟方案中，根据输入数据信号的类型不同，单元像素电路可分为电压控制型和电流控制型。

电压控制型像素电路

1.两管TFT结构

电压控制型单元像素电路以数据电压作为视频信号。最简单的电压控制型两管TFT单元像素电路如图1所示。

图1 两管TFT驱动电路

其工作原理如下：当扫描线被选中时，开关管T1开启，数据电压通过T1管对存储电容CS充电，CS的电压控制驱动管T2的漏极电流;当扫描线未被选中时，T1截止，储存在CS上的电荷继续维持T2的栅极电压，T2保持导通状态，故在整个帧周期中，OLED处于恒流控制。

其中（a），（b）被分别称为恒流源结构与源极跟随结构，前者OLED处于驱动管T2的漏端，克服了OLED开启电压的变化对T2管电流的影响;后者在工艺上更容易实现。两管电路结构的不足之处在于驱动管T2阈值电压的不一致将导致逐个显示屏的亮度的不均匀，OLED的电流和数据电压呈非线性关系，不利于灰度的调节。

2.三管TFT结构

基于第二代电流传输器原理的电压控制型像素单元电路如图2所示，虚线左边可视为外部驱动电路，右边为单元像素电路。

图2 基于第二代电流传输器原理的像素电路

在控制模式下，T2和T3开启，T1和运算放大器构成第二代电流传输器，由于运算放大器的放大倍数可以取得很大，T1管的阈值电压对电流的影响变得不敏感，此时，流经T1的电流：

IT1=Vin/Rin

并且T1管源极电压应低于OLED的开启电压，防止OLED开启。在保持模式下，T2和T3关断，存储电容Cs维持T1管的栅极电压，电流经T1进入OLED。其中放大器由COMS电路实现，所有同行像素可共用一个运算放大器。

仿真结果表明，尽管T3管存在电荷注入与时钟馈漏效应，使得OLED电流略小于控制电流;在OLED标称电流为1μA，阈值电压漂移超过5V时，控制电流、OLED电流相对误差分别为-0.18%、5.2%，成功补偿了TFT的空间不均性和不稳定性。

虽然电压控制型电路具有响应速度快的特点，但由于不能准确地调节显示的灰度，难以满足显示的需求，于是人们提出电流驱动方案。电流控制型单元像素电路是以数据电流作为视频信号的。

3管电流控制型TFT像素电路

4-TFT电流控制电流镜像素电路

目前，全球已经有多家公司在从事OLED驱动IC的研究，到目前为止，还没有完全商业化的AM-OLED的驱动IC。但NextSierra公司已推出了分别集成的TFT-OLED行列驱动NXS1008、NXS1009和控制芯片NXS1010，张志伟等人采用该系列芯片，通过MCS-51单片机的控制来驱动240×320×3点阵的TFT-OLED屏，实现了大信息量的动态图形显示。

由于液晶显示器件的配套驱动芯片功能比较完善，且价格低廉，所以将此类芯片移用于有源矩阵显示屏（AM-OLED）成为了国内外当前的研究焦点。显示驱动IC是目前TFT-OLED的薄弱环节，开发通用或者专用的驱动IC，并集成控制电路，是提高OLED在平板及显示领域竞争力的重要动力。

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基于STC12c5a60s2单片机的3D显示屏设计

摘 要 ： 为解决二维LED显示单调与立体感差的问题，提出了以STC12c5a60s2为核心芯片，辅以ULN2803芯片和74HC573芯片对大功率的512个LED灯驱动来实现3D显示的设计方案。通过对3D显示屏原理分析，结合硬件电路设计与软件编程，完成了8×8×8的显示屏光立方制作，并给出了最终的交替变换动态效果。该设计不仅产生了一种良好的视觉效果，而且为其他三维效果广告设计提供了重要的参考价值。

0 引言

常见的LED显示以平面（二维）显示为主，这种显示技术相当成熟，宾馆、饭店、公司及娱乐场所都可看到各式各样的二维广告流水灯。然而这种平面效果的显示设计因单调性和立体感差已不能满足人们对LED效果的观赏性要求，因此在二维显示屏基础上，开发设计三维（3D）LED显示屏非常有必要。3D显示屏是以LED发光二极管为基本单元组成的显示器，因其画面鲜艳逼真、立体感强等特点逐渐进入人们的视野[1-2]，被人们接受和认可。

本文建立三维立体模型，利用X、Y、Z三轴，采用STC12c5a60s2核心芯片，辅以ULN2803芯片和74HC573芯片实现大功率的512个LED驱动，达到3D显示的目的。该设计具有以下特点：（1）外观设计简单美观；（2）实现图形的动静态效果显示，稳定性好，抗干扰性强；（3）程序灵活可变，可局域性更改，实现画面的自定义，使得图形在数字、字母、三维立体图形之间任意交替动态变换；（4）此设计可为其他三维效果设计开拓思路，提供实践依据。

1 总体方案设计

3D显示屏由512个LED灯构建的三维LED点阵模块及相应的控制系统构成[3-4]。其外观规格为18 cm×18 cm×18 cm，各相邻两灯间距约为25.6 mm。系统通过二维8×8的LED驱动电路控制XY基面，依次沿Z轴方向实现8次扫描，恰好完成一次整体的8×8×8 LED从底面到最高面的扫描。整体模型用X、Y、Z三轴模拟，其X轴控制锁存器使能端，Y轴控制锁存器数据端，X、Y轴控制XY基面，Z轴控制层面，如图1所示。利用人眼的视觉暂留效应，分时段刷新每一层面数据就可达到立体显示的动静态效果。

本设计采用STC12c5a60s2单片机为核心芯片，该芯片不仅具有运算速度快、功率损耗低、抗干扰能力强等优点，而且内部功能完全兼并8051；同时集成了MAX810专用的复位电路，简化了传统的电路设计；其内部还具有8路高速10位A/D转换和2路PWM，能适应电机控制以及干扰性较强的场合。ULN2803作为整体LED的8位共阴极驱动芯片以增强驱动电流的能力。采用8片规格完全相同的锁存器74HC573对LED阳极端口控制，可实现图形稳定显示、动态快速变换、亮度逐级可调等功能。系统的总体框图如图2所示。

2 硬件设计

2.1 MCU主控模块

本系统采用STC12c5a60s2单片机为核心芯片，内部自带高达60 KB的Flash ROM和1 280 B RAM数据储存器，4组8 bit的I/O口。其中P0端口与74HC573数据输入端口相连，发送阳极数据，对应Y轴；P1口与ULN2803数据输入端口相连，发送阴极数据，对应Z轴；P2口与74HC573使能端口相连，发送片选信号数据，对应X轴。XTAL1和XTAL2分别连接12 MHz晶振两端，串连30 pF电容C1、C2后接地，其晶振可满足运行速度的要求。由于STC12c5a60s2芯片自带复位电路，因此忽略了电路中复位电路环节，简化了电路设计。主控电路如图3所示。

2.2 驱动模块设计

2.2.1 模块ULN2803设计

由于本设计中LED较多，单片机本身的驱动能力显得不足，考虑到ULN2803模块具有较强的灌电流能力，因此作为共阴极（Z轴）驱动，其中com端口接地，1C~8C分别对应主控器的P1.0~P1.7端口，输出端口1B~8B分别对应LED点阵的8个共阴极端口[5]。最初实验中采用ULN2803模块，电流还是未能满足设计要求，因此增加了图4所示的外部灌电流驱动电路，实验效果明显改善。

2.2.2 74HC573模块设计

本设计采用74HC573模块对阳极束（Y轴）进行并行输入并行输出控制。其具有以下优点：（1）具备高阻态功能，输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗状态，在这种状态下，可将多个芯片并联输出，同时控制；（2）具备数据锁存功能，当输入的数据消失时，在芯片的输出端数据仍然保持；（3）具备数据缓冲功能，可加强电路的驱动能力。

74HC573模块驱动电路如图5所示。8片锁存器使能端OE口均接地，LE锁存端口P2.i分别与主控系统中P2对应的第i位端口相连，8位数据输入端口D0~D7分别与主控系统P0口并行连接，8位数据输出端口Q0~Q7分别与对应8列X轴即64位阳极束连接。

3 软件设计

本实验3D显示屏LED点阵模块是在二维的基础上通过层叠加原理实现的[6]，因此可将三维8×8×8模型看作是64×8的平面模型，即对应的XY面与Z面的相互作用模型。其中64看作阳极束，一片74HC573芯片输出端为8位，恰好设计8片74HC573芯片控制64位阳极束。8看作阴极束，用一片ULN2803芯片控制。因此64×8对应了全部的512位即512个LED灯。每一位采用状态0或1可对其进行亮或灭控制，实现三维LED灯的发光或熄灭。

此设计采用X、Y、Z三轴三维模型模拟，其中任意LED灯的坐标为LED（X，Y，Z），坐标范围均为0~7。当要（3，4，5）点坐标灯亮，控制其Z=4处平面灯全亮即输入端口为高电平1，其余为低电平0；Y=3处平面灯全亮即输入端口为高电平1，其余为低电平0；X=2处平面输入端口对Y=3处平面数据进行锁存即由高电平1变为低电平0，这样便可实现LED（3，4，5）坐标灯保持高亮，其余灯熄灭。由此通过点可实现线、面、体以及两两结合组成的各种三维立体动静态图形显示。由于动画显示只有大于15帧时人眼才可看到流畅的动态效果，因此在动态图形中扫描周期必须小于（1/15）s，即每层停留的时间t最多为（1/15）×（1/8）[7]。此效果的显示都是通过软件来实现的，这里显示一个简单的动态沙漏程序，代码如下：

void shalou

{ int i，j，d；

chushihua； //初始化函数

for （j=0；j<8；j++）

{

For （d=0；d<5*（8-j）；d++）

{

For （i=0；i<=j；i++）

{

CLEAR； //清屏函数

P0=SHALOU[i]； //Y轴扫描数据

P2=SHALOU[i]； //X轴存入高电平数据

P2=0x00； //X轴低电平锁存数据

P1=0x80>>i； //Z轴发送层扫描函数

Delayms（5）；

}

For （j=7；j>=0；j--）

CLEAR；

P1=0x01<<i； //Z轴发送层扫描函数

实现该代码的思路流程如图6所示。

4 仿真效果

本设计通过硬件电路设计与软件编程实现了3D效果显示，如图7所示。其中，图7（a）为动态沙漏的某一瞬间截取图；图7（b）为动态桃心的某一瞬间截取图；图7（c）为动态平面前后扫面的某一瞬间截取图；图7（d）为整体静态显示图。从图7（a）、（b）可明显看出图形的立体层次感；从图7（c）、（d）可看出，与平面二维效果相比，三维立体方位感更强、更真实。

5 结论

本文实现了从开始的硬件设计到最终的软件仿真，达到了以下目的：（1）该电路设计合理，不仅图形的稳定性好，而且观赏性强，为其他三维效果设计提供了一定的实践基础；（2）从仿真结果可看出三维效果比二维效果立体感更强、更真实，该设计方案是以后各立体效果图形设计采纳的主流趋势。然而，由于条件限制，通过A/D转换音频控制LED未能进一步设计，将在以后的工作中利用离散傅里叶光学变换展开研究。

参考文献

[1] 康志强，汪佳，汤勇明.基于FPGA的3D光立方设计[J].电子器件，2012，35（6）：683-686.

[2] 王欣，马青玉.基于Arduino的LED光立方设计[J].南京师范大学学报，2013，13（4）：24-28.

[3] 杨永刚.3D光立方的设计与制作[J].电子世界，2014（6）：129.

[4] 刘小平，李志远.单片机版光立方的制作[J].无线电，2012（10）：70-74.

[5] 杨清德.LED驱动电路设计与工程施工案例精讲[M].北京：化学工业出版社，2010.

[6] 杨富强，朱利强.基于单片机的LED点阵动态显示系统[J].工业控制计算机，2013，26（1）：101-102.

[7] 苏珊，肖英，李行杰.基于STC单片机的8×8×8 LED光立方系统设计[J].吉林大学学报，2013，34（6）：33-36.

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