51單片機(jī)對(duì)LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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LED點(diǎn)陣屏發(fā)光亮度強(qiáng)，指示效果好，可以制作運(yùn)動(dòng)的發(fā)光圖文，更容易吸引人的注意力，信息量大，隨時(shí)更新，有著非常好的廣告和告示效果。筆者此處就LED點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)掃描顯示作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

1.LED點(diǎn)陣屏顯示原理概述

為一種8x8的LED點(diǎn)陣單色行共陽(yáng)模塊的內(nèi)部等效電路圖，對(duì)于紅光LED其工作正向電壓約為1.8v，其持續(xù)工作的正向電流一般10ma左右，峰值電流可以更大。如下圖，當(dāng)某一行線為高電平而某一列線為低時(shí)，其行列交叉的點(diǎn)就被點(diǎn)亮，當(dāng)某一行線為低電平時(shí)，無(wú)論列線如何，對(duì)應(yīng)的這一行的點(diǎn)全部為暗。LED點(diǎn)陣屏顯示就是通過(guò)一定的頻率進(jìn)行逐行掃描，數(shù)據(jù)端不斷輸入數(shù)據(jù)顯示，只要掃描頻率足夠高，由于人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，就可以看到完整的文字或圖案信息。通常有4、8、16線掃描方式，掃描行數(shù)越少，點(diǎn)陣的顯示亮度越好，但相應(yīng)硬件數(shù)據(jù)寄存器需求也越多。

圖1-1點(diǎn)陣內(nèi)部原理圖

2.硬件設(shè)計(jì)

微控制器的IO口均不能流過(guò)過(guò)大的電流，LED點(diǎn)亮?xí)r有約10ms的電流，因此LED點(diǎn)陣引腳不要直接接單片機(jī)IO口，應(yīng)先經(jīng)過(guò)一個(gè)緩沖器74HC573。單片機(jī)IO口只需很小的電流控制74HC573即可間接的控制LED點(diǎn)陣某一行（或某一列），而74HC573輸出也能負(fù)載約10ms的電流。設(shè)置LED每點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電流為ID=15ma，這個(gè)電流點(diǎn)亮度好，并且有一定的裕度，即使電源輸出電壓偏高也不會(huì)燒毀LED，限流電阻值

R=（VCC-VCE–VOL–VLED）/ID

VCC為5v供電，VCE為三極管C、E間飽和電壓，估為0.2v，VOL為74hc573輸出低電平時(shí)電壓，不同灌電流，此值不一樣，估為0.2v，具體查看規(guī)格書(shū)，VLED為紅光驅(qū)動(dòng)電壓，估為1.7v，根據(jù)上式可算出限流電阻為R=200R。

LED點(diǎn)陣屏需接收逐個(gè)掃描信號(hào)，掃描到相應(yīng)列（或行），對(duì)應(yīng)的列（或行）數(shù)據(jù)有效，即顯示這一列（或行）的信息。一般產(chǎn)生掃描信號(hào)是需要采用專(zhuān)門(mén)的譯碼器，如三線八線譯碼器74HC138，這樣可硬件保證任意時(shí)刻只有一列（或一行）正在掃描，并且可減少微控制器的IO口占用。市面上的51開(kāi)發(fā)板對(duì)于LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)基本都沒(méi)有采用譯碼器，直接用單片機(jī)IO產(chǎn)生掃描信號(hào)，為兼容軟件，筆者此處也不加譯碼器，軟件保證IO口產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)。

當(dāng)某一列（或一行）LED點(diǎn)均點(diǎn)亮?xí)r，電流約15max8=90ma流過(guò)這一列（或一行）公共端，微控制器IO口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)這個(gè)電流，需加三極管驅(qū)動(dòng)，由于51單片機(jī)低電平灌電流較大，因此適合采用PNP三極管作為驅(qū)動(dòng)。三極管基極電流設(shè)為2ma即可讓三極管飽和，驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)大于90ma?；鶚O偏置電阻阻值

Rb=（VCC-VEB–VOL）/IB

VCC為5v供電，VEB為三極管E、B間的導(dǎo)通電壓0.7v，VOL為單片機(jī)IO口輸出低電平時(shí)電壓，可根據(jù)規(guī)格書(shū)估為0.2v，故Rb=2k即可。

圖2-18X8共陰LED點(diǎn)陣原理圖

3.驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

LED點(diǎn)陣數(shù)據(jù)口接P0口，掃描選擇線接P2口的0~7位。對(duì)于動(dòng)態(tài)掃描，都是有一個(gè)掃描頻率的，LED屏掃描頻率下限為50HZ，低于一定的掃描頻率，顯示會(huì)閃爍。頻率過(guò)高，則亮度較差且占用cpu資源。一般整個(gè)屏掃描一遍時(shí)間為約10ms較合適（即掃描頻率100HZ），我們采用的是8線掃描方式，每一行點(diǎn)亮?xí)r間為1.5ms，掃描一遍為12ms。為保證這個(gè)刷新頻率，通常是通過(guò)定時(shí)器來(lái)周期性進(jìn)行點(diǎn)陣屏刷新。

顯示屏顯示往往會(huì)涉及到畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)圖等復(fù)雜的運(yùn)算，改變屏幕的信息，只需處理顯存中的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于顯示屏，是需要開(kāi)辟出一塊內(nèi)存空間作為顯存使用的。8X8點(diǎn)陣每個(gè)點(diǎn)可用1bit表示，一行1字節(jié)，顯存8字節(jié)即可。由于點(diǎn)陣屏像素點(diǎn)太少，沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)畫(huà)線、畫(huà)圖等復(fù)雜操作，筆者此處僅對(duì)點(diǎn)陣屏畫(huà)點(diǎn)、文字上下左右移動(dòng)進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。

點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.c內(nèi)容如下：

#include“reg52.h”

#include“Matrix.h”

//每個(gè)LED點(diǎn)需1位保存，8X8點(diǎn)陣需8字節(jié)顯存

staticunsignedcharFrameBuffer［8］;

//外部模塊通過(guò)該函數(shù)獲得顯存內(nèi)存位置進(jìn)行處理

unsignedchar*MatrixGetBuffer（）

{

returnFrameBuffer;

}

//點(diǎn)陣刷新，保證以一定周期調(diào)用刷新

voidMatrixScan（）

{

staTIcunsignedcharSelect=0;//記錄掃描的選擇線

//列數(shù)據(jù)輸出到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)端口

MatrixOutputData（FrameBuffer［Select］）;

//掃描信號(hào)輸出到點(diǎn)陣掃描選擇端口

MatrixOutputSelect（Select）;

Select++;//進(jìn)入到下一行掃描

if（Select》=8）{

Select=0;//所有行已掃描，回到行再次開(kāi)始掃描

}

}

//LED點(diǎn)陣屏打點(diǎn)函數(shù)，對(duì)（x，y）位置進(jìn)行亮，滅，狀態(tài)取反

voidMatrixSetPoint（unsignedcharx，unsignedchary，unsignedcharOperaTIon）

{

if（x》7“|y》7）{//位置保證在點(diǎn)陣屏區(qū)域內(nèi)

return;

}

switch（OperaTIon）{

caseSET：//（x，y）位置置位，燈滅

FrameBuffer［x］|=1《《y;

break;

caseCLEAR：//（x，y）位置清零，燈亮

FrameBuffer［x］&=~（1《《y）;

break;

caseNEGATE：//（x，y）位置取反，燈狀態(tài)改變

FrameBuffer［x］^=1《《y;

break;

default：

break;

}

}

//LED點(diǎn)陣屏清屏，顯存對(duì)應(yīng)1的位置，燈滅，0相應(yīng)的燈才點(diǎn)亮

voidMatrixClearScreen（）

{

unsignedchari;

for（i=0;i《8;i++）{

FrameBuffer［i］=0xff;

}

}

//點(diǎn)陣平移，上下左右四個(gè)方向平移1，平移空缺位置用數(shù)據(jù)Filling填充

voidMatrixMove（unsignedcharDirecTIon，unsignedcharFilling）

{

unsignedchari;

switch（Direction）{//判斷平衡的方向

caseMOVE_UP：//向上平移1，每列數(shù)據(jù)第7位移到第6位，如此類(lèi)推

for（i=0;i《8;i++）{

FrameBuffer［i］=（FrameBuffer［i］》》1）|（（Filling《《（7-i））&0x80）;

}

break;

caseMOVE_DOWN：//向下平移1，每列數(shù)據(jù)第0位移到第1位，如此類(lèi)推

for（i=0;i《8;i++）{

FrameBuffer［i］=（FrameBuffer［i］《《1）|（（Filling》》i）&0x01）;

}

break;

caseMOVE_LEFT：//向左平移1，右一列的數(shù)據(jù)移到當(dāng)前列中，如此類(lèi)推

for（i=0;i《7;i++）{

FrameBuffer［i］=FrameBuffer［i+1］;

}

FrameBuffer［i］=Filling;

break;

caseMOVE_RIGHT：//向右平移1，左一列的數(shù)據(jù)移到當(dāng)前列中，如此類(lèi)推

for（i=7;i》=1;i--）{

FrameBuffer［i］=FrameBuffer［i-1］;

}

FrameBuffer［i］=Filling;

break;

default：

break;

}

}

我們?cè)邳c(diǎn)陣屏模塊頭文件Matrix.h中實(shí)現(xiàn)模塊的宏定義及接口訪問(wèn)宏實(shí)現(xiàn)，使之方便移植及修改接口配置。模塊頭文件同時(shí)也引出模塊的接口函數(shù)，如MatrixScan（）為點(diǎn)陣屏刷新函數(shù)，需周期性調(diào)用刷新點(diǎn)陣屏顯示。點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.h內(nèi)容如下：

#ifndef__Matrix_H__

#define__Matrix_H__

#ifdef__cplusplus

extern”C“{

#endif

#defineSET0x1//置1操作

#defineCLEAR0x2//清0操作

#defineNEGATE0x3//取反操作

#defineMOVE_UP0x1//向上平移1

#defineMOVE_DOWN0x2//向下平移1

#defineMOVE_LEFT0x3//向左平移1

#defineMOVE_RIGHT0x4//向右平移1

//列數(shù)據(jù)輸出到P0口

#defineMatrixOutputData（Dat）{P0=（Dat）;}

//P2口輸出對(duì)應(yīng)列的掃描選擇線，低有效

#defineMatrixOutputSelect（Select）{P2=~（1《《（Select））;}

voidMatrixClearScreen（void）;

voidMatrixMove（unsignedcharDirection，unsignedcharFilling）;

unsignedchar*MatrixGetBuffer（void）;

voidMatrixScan（void）;

voidMatrixSetPoint（unsignedcharx，unsignedchary，unsignedcharOperation）;

#ifdef__cplusplus

}

#endif

#endif/*__M