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51單片機驅動LED點陣掃描顯示C語言程序

 快樂讀書法 2015-12-18
LED點陣屏發(fā)光亮度強，指示效果好，可以制作運動的發(fā)光圖文，更容易吸引人的注意力，信息量大，隨時更新，有著非常好的廣告和告示效果。筆者此處就LED點陣屏動態(tài)掃描顯示作一個簡單的介紹。

1、LED點陣屏顯示原理概述
圖1-1為一種8x8的LED點陣單色行共陽模塊的內(nèi)部等效電路圖，對于紅光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，當某一行線為高電平而某一列線為低時，其行列交叉的點就被點亮，當某一行線為低電平時，無論列線如何，對應的這一行的點全部為暗。LED點陣屏顯示就是通過一定的頻率進行逐行掃描，數(shù)據(jù)端不斷輸入數(shù)據(jù)顯示，只要掃描頻率足夠高，由于人眼的視覺殘留效應，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，點陣的顯示亮度越好，但相應硬件數(shù)據(jù)寄存器需求也越多。

圖1-1 點陣內(nèi)部原理圖



2、硬件設計
微控制器的IO口均不能流過過大的電流，LED點亮時有約10ms的電流，因此LED點陣引腳不要直接接單片機IO口，應先經(jīng)過一個緩沖器74HC573。單片機IO口只需很小的電流控制74HC573即可間接的控制LED點陣某一行(或某一列)，而74HC573輸出也能負載約10ms的電流。設置LED每點驅動電流為ID =15ma，這個電流點亮度好，并且有一定的裕度，即使電源輸出電壓偏高也不會燒毀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輸出低電平時電壓，不同灌電流，此值不一樣，估為0.2v，具體查看規(guī)格書，VLED為紅光驅動電壓，估為1.7v，根據(jù)上式可算出限流電阻為R = 200R。


LED點陣屏需接收逐個掃描信號，掃描到相應列(或行)，對應的列(或行)數(shù)據(jù)有效，即顯示這一列(或行)的信息。一般產(chǎn)生掃描信號是需要采用專門的譯碼器，如三線八線譯碼器74HC138，這樣可硬件保證任意時刻只有一列(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開發(fā)板對于LED點陣屏的設計基本都沒有采用譯碼器，直接用單片機IO產(chǎn)生掃描信號，為兼容軟件，筆者此處也不加譯碼器，軟件保證IO口產(chǎn)生相應的掃描信號。


當某一列(或一行)LED點均點亮時，電流約15max8=90ma流過這一列(或一行)公共端，微控制器IO口無法直接驅動這個電流，需加三極管驅動，由于51單片機低電平灌電流較大，因此適合采用PNP三極管作為驅動。三極管基極電流設為2ma即可讓三極管飽和，最大驅動電流遠大于90ma。基極偏置電阻阻值


Rb =(VCC - VEB – VOL) / IB


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

圖2-1 8X8共陰LED點陣原理圖



3、 驅動實現(xiàn)
LED點陣數(shù)據(jù)口接P0口，掃描選擇線接P2口的0~7位。對于動態(tài)掃描，都是有一個掃描頻率的，LED屏掃描頻率下限為50HZ，低于一定的掃描頻率，顯示會閃爍。頻率過高，則亮度較差且占用cpu資源。一般整個屏掃描一遍時間為約10ms較合適(即掃描頻率100HZ)，我們采用的是8線掃描方式，每一行點亮時間為1.5ms，掃描一遍為12ms。為保證這個刷新頻率，通常是通過定時器來周期性進行點陣屏刷新。


顯示屏顯示往往會涉及到畫點、畫線、畫圖等復雜的運算，改變屏幕的信息，只需處理顯存中的數(shù)據(jù)，因此對于顯示屏，是需要開辟出一塊內(nèi)存空間作為顯存使用的。8X8點陣每個點可用1 bit表示，一行1字節(jié)，顯存8字節(jié)即可。由于點陣屏像素點太少，沒有必要實現(xiàn)畫線、畫圖等復雜操作，筆者此處僅對點陣屏畫點、文字上下左右移動進行代碼實現(xiàn)。


點陣屏動態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.c內(nèi)容如下：
  1. #include"reg52.h"
  2. #include"Matrix.h"
  3. // 每個LED點需1位保存,8X8點陣需8字節(jié)顯存
  4. static unsigned char FrameBuffer[8];
  5. // 外部模塊通過該函數(shù)獲得顯存內(nèi)存位置進行處理
  6. unsigned char *MatrixGetBuffer()
  7. {
  8.     return FrameBuffer;
  9. }

  11. // 點陣刷新,保證以一定周期調(diào)用刷新
  12. void MatrixScan()
  13. {
  14.     static unsigned char Select =0; // 記錄掃描的選擇線
  15.     // 列數(shù)據(jù)輸出到點陣數(shù)據(jù)端口
  16.     MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
  17.     // 掃描信號輸出到點陣掃描選擇端口
  18.     MatrixOutputSelect(Select);
  19.     Select++; // 進入到下一行掃描
  20.     if (Select >= 8) {
  21.         Select= 0; // 所有行已掃描，回到第一行再次開始掃描
  22.     }
  23. }

  25. // LED點陣屏打點函數(shù),對(x, y)位置進行亮,滅,狀態(tài)取反
  26. voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)
  27. {
  28.     if (x>7 || y>7) { // 位置保證在點陣屏區(qū)域內(nèi)
  29.         return;
  30.     }
  31.     switch (Operation) {
  32.     case SET: // (x, y)位置置位,燈滅
  33.         FrameBuffer[x] |= 1<< y;
  34.         break;
  35.     case CLEAR: // (x, y)位置清零,燈亮
  36.         FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);
  37.         break;
  38.     case NEGATE: // (x, y)位置取反,燈狀態(tài)改變
  39.         FrameBuffer[x] ^= 1<< y;
  40.         break;
  41.     default:
  42.         break;
  43.     }
  44. }

  46. // LED點陣屏清屏,顯存對應1的位置,燈滅,0相應的燈才點亮
  47. voidMatrixClearScreen()
  48. {
  49.     unsigned char i;
  50.     for (i=0; i<8; i++) {
  51.         FrameBuffer[i] = 0xff;
  52.     }
  53. }

  55. // 點陣平移,上下左右四個方向平移1,平移空缺位置用數(shù)據(jù)Filling填充
  56. void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)
  57. {
  58.     unsigned char i;
  59.     switch (Direction) { // 判斷平衡的方向
  60.     case MOVE_UP: // 向上平移1,每列數(shù)據(jù)第7位移到第6位,如此類推
  61.         for (i=0; i<8; i++) {
  62.             FrameBuffer[i] =(FrameBuffer[i]>>1) | ((Filling<<(7-i))&0x80);
  63.         }
  64.         break;
  65.     case MOVE_DOWN: // 向下平移1,每列數(shù)據(jù)第0位移到第1位,如此類推
  66.         for (i=0; i<8; i++) {
  67.             FrameBuffer[i]= (FrameBuffer[i]<<1) | ((Filling>>i)&0x01);
  68.         }
  69.         break;
  70.     case MOVE_LEFT: // 向左平移1,右一列的數(shù)據(jù)移到當前列中,如此類推
  71.         for (i=0; i<7; i++) {
  72.             FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i+1];
  73.         }
  74.         FrameBuffer[i] = Filling;
  75.         break;
  76.     case MOVE_RIGHT: // 向右平移1,左一列的數(shù)據(jù)移到當前列中,如此類推
  77.         for (i=7; i>=1; i--) {
  78.             FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];
  79.         }
  80.         FrameBuffer[i] = Filling;
  81.         break;
  82.     default:
  83.         break;
  84.     }
  85. }
復制代碼

我們在點陣屏模塊頭文件Matrix.h中實現(xiàn)模塊的宏定義及接口訪問宏實現(xiàn)，使之方便移植及修改接口配置。模塊頭文件同時也引出模塊的接口函數(shù)，如MatrixScan()為點陣屏刷新函數(shù)，需周期性調(diào)用刷新點陣屏顯示。點陣屏動態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.h內(nèi)容如下：
  1. #ifndef__Matrix_H__
  2. #define__Matrix_H__
  3. #ifdef__cplusplus
  4. extern"C" {
  5. #endif
  6. #define SET         0x1 //置1操作
  7. #define CLEAR           0x2 // 清0操作
  8. #define NEGATE      0x3 //取反操作
  9. #defineMOVE_UP     0x1 // 向上平移1
  10. #defineMOVE_DOWN   0x2 // 向下平移1
  11. #defineMOVE_LEFT   0x3 // 向左平移1
  12. #defineMOVE_RIGHT 0x4 // 向右平移1
  13. // 列數(shù)據(jù)輸出到P0口
  14. #defineMatrixOutputData(Dat) {P0 = (Dat);}
  15. // P2口輸出對應列的掃描選擇線,低有效
  16. #defineMatrixOutputSelect(Select) {P2 = ~(1<<(Select));}
  17. void MatrixClearScreen(void);
  18. void MatrixMove(unsigned char Direction, unsigned char Filling);
  19. unsigned char*MatrixGetBuffer(void);
  20. void MatrixScan(void);
  21. void MatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation);
  22. #ifdef__cplusplus
  23. }
  24. #endif
  25. #endif/*__Matrix_H__*/
  26. 外部應用通過引入點陣屏的模塊頭文件Matrix.h來實現(xiàn)調(diào)用點陣屏驅動函數(shù)，簡單測試調(diào)用(心形在點陣屏內(nèi)隨機平移)實現(xiàn)如下：
  27. #include"reg52.h"
  28. #include"Matrix.h"
  29. // 心形坐標數(shù)據(jù)
  30. static unsigned charcode HeartShape[][2] = {
  31. {3, 3}, {4, 2}, {5,3}, {5, 4}, {4, 5},
  32. {3, 6}, {2, 5}, {1,4}, {1, 3}, {2, 2},
  33. };

  35. // 以定時器時間為計時標準，記錄時間間隔
  36. static volatileunsigned int SystemTick = 0;
  37. // 定時器1.5ms中斷處理進行數(shù)碼管刷新
  38. void T0_Interrupt()interrupt 1
  39. {
  40.     TH0 = (65536-1500) / 256;
  41.     TL0 = (65536-1500) % 256;
  42.     SystemTick++; // 記錄時間間隔
  43.     MatrixScan(); // 刷新數(shù)碼管
  44. }

  46. void T0_Init()
  47. {
  48.     TMOD = 0x01; // 定時器0工作方式1
  49.     // 1.5ms計時中斷(12M)
  50.     TH0 = (65536-1500) / 256;
  51.     TL0 = (65536-1500) % 256;
  52.     ET0 = 1; // 定時器T0中斷允許
  53.     EA = 1; // 總中斷允許
  54. }

  56. void main()
  57. {
  58.     unsigned char *pBuffer;
  59.     unsigned char State = 0;
  60.     unsigned char Point;
  61.     unsigned char Direction;
  62.     unsigned char DataAnd;
  63.     unsigned char i;
  64.     // 定時器初始化
  65.     T0_Init();
  66.     // 獲得點陣顯存，以作數(shù)據(jù)處理
  67.     pBuffer = MatrixGetBuffer();
  68.     // 點陣屏清屏
  69.     MatrixClearScreen();
  70.     // 開啟定時器進行計時以及點陣掃描
  71.     TR0 = 1;
  72.     Point = 0;
  73.     while(1) {
  74.        switch (State) {
  75.        case 0:    //狀態(tài)0為逐點打出心形
  76.            if (SystemTick > 334) { // 500ms打心形的一個點
  77.               SystemTick = 0;
  78.            MatrixSetPoint(HeartShape[Point][0],HeartShape[Point][1], CLEAR);
  79.               Point++;
  80.               if (Point >sizeof(HeartShape)/sizeof(HeartShape[0])) {
  81.                   State = 1; // 心形打完,進入狀態(tài)1,是否到邊界判斷
  82.                   Direction = TL0& 0x3; // 隨機得出心形的移動方向
  83.               }               
  84.            }
  85.            break;
  86.        case 1:    // 狀態(tài)1為心形是否移動到點陣屏邊界的判斷
  87.            switch (Direction) { // 移動方向判斷是否到相應方向的邊界
  88.            case 0:    // 左邊界判斷
  89.               // 第一列的點有一個亮,則認為圖形到了左邊界
  90.               if (pBuffer[0] !=0xff) {
  91.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動方向
  92.               } else {
  93.                   State = 2; // 未到左邊界,進入狀態(tài)2進行左平移
  94.               }
  95.               break;
  96.            case 1:    // 右邊界判斷
  97.               // 第八列的點有一個亮,則認為圖形到了右邊界
  98.               if (pBuffer[7] !=0xff) {
  99.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動方向
  100.               } else {
  101.                   State = 2; // 未到右邊界,進入狀態(tài)2進行右平移
  102.               }
  103.               break;
  104.            case 2:    // 上邊界判斷
  105.               // 所有列的第一行點有一個亮,則認為圖形到了上邊界
  106.               DataAnd = 0xff;
  107.               for (i=0; i<8; i++) {
  108.                  DataAnd &= pBuffer[i];
  109.               }
  110.               if (DataAnd & 0x1) {
  111.                   State = 2; // 未到上邊界,進入狀態(tài)2進行上平移                           
  112.               } else {
  113.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動方向
  114.               }
  115.               break;
  116.            case 3:    // 下邊界判斷
  117.               // 所有列的第八行點有一個亮,則認為圖形到了下邊界
  118.               DataAnd = 0xff;
  119.               for (i=0; i<8; i++) {
  120.                  DataAnd &= pBuffer[i];
  121.               }
  122.               if (DataAnd & 0x80) {
  123.                   State = 2; // 未到下邊界,進入狀態(tài)2進行下平移                           
  124.               } else {
  125.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動方向
  126.               }
  127.               break;
  128.            default:
  129.               break;
  130.            }
  131.            break;
  132.        case 2:    // 狀態(tài)2為對點陣屏平移
  133.            if (SystemTick < 667){  // 1s平移1次
  134.               continue;
  135.            }
  136.            SystemTick = 0;
  137.            switch (Direction) {
  138.            case 0:    // 左平移,平移后的空缺位置滅
  139.               MatrixMove(MOVE_LEFT, 0xff);
  140.               break;
  141.            case 1: // 右平移,平移后的空缺位置滅
  142.               MatrixMove(MOVE_RIGHT,0xff);
  143.               break;
  144.            case 2:    // 上平移,平移后的空缺位置滅
  145.               MatrixMove(MOVE_UP, 0xff);
  146.               break;
  147.            case 3:    // 下平移,平移后的空缺位置滅
  148.               MatrixMove(MOVE_DOWN, 0xff);
  149.               break;
  150.            default:
  151.               break;
  152.            }
  153.            State = 1; // 平移后再進入狀態(tài)1進行邊界檢測
  154.            break;
  155.        default:
  156.            break;
  157.        }  
  158.     }
  159. }
復制代碼

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