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51單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣掃描顯示C語(yǔ)言程序

 快樂讀書法 2015-12-18
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
圖1-1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,，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)是需要采用專門的譯碼器,，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開發(fā)板對(duì)于LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)基本都沒有采用譯碼器，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,，最大驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)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(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)格書估為0.2v,，故Rb = 2k即可。

圖2-1 8X8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)涉及到畫點(diǎn),、畫線、畫圖等復(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1 bit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，沒有必要實(shí)現(xiàn)畫線、畫圖等復(fù)雜操作,，筆者此處僅對(duì)點(diǎn)陣屏畫點(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：
  1. #include"reg52.h"
  2. #include"Matrix.h"
  3. // 每個(gè)LED點(diǎn)需1位保存,8X8點(diǎn)陣需8字節(jié)顯存
  4. static unsigned char FrameBuffer[8];
  5. // 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
  6. unsigned char *MatrixGetBuffer()
  7. {
  8.     return FrameBuffer;
  9. }

  11. // 點(diǎn)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(diǎn)陣數(shù)據(jù)端口
  16.     MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
  17.     // 掃描信號(hào)輸出到點(diǎn)陣掃描選擇端口
  18.     MatrixOutputSelect(Select);
  19.     Select++; // 進(jìn)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(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
  26. voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)
  27. {
  28.     if (x>7 || y>7) { // 位置保證在點(diǎn)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(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
  47. voidMatrixClearScreen()
  48. {
  49.     unsigned char i;
  50.     for (i=0; i<8; i++) {
  51.         FrameBuffer[i] = 0xff;
  52.     }
  53. }

  55. // 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
  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(dāng)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(dāng)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(fù)制代碼

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：
  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(duì)應(yīng)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(yīng)用通過(guò)引入點(diǎn)陣屏的模塊頭文件Matrix.h來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)用點(diǎn)陣屏驅(qū)動(dòng)函數(shù),，簡(jiǎn)單測(cè)試調(diào)用(心形在點(diǎn)陣屏內(nèi)隨機(jī)平移)實(shí)現(xiàn)如下：
  27. #include"reg52.h"
  28. #include"Matrix.h"
  29. // 心形坐標(biāo)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(shí)器時(shí)間為計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn),，記錄時(shí)間間隔
  36. static volatileunsigned int SystemTick = 0;
  37. // 定時(shí)器1.5ms中斷處理進(jìn)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(shí)間間隔
  43.     MatrixScan(); // 刷新數(shù)碼管
  44. }

  46. void T0_Init()
  47. {
  48.     TMOD = 0x01; // 定時(shí)器0工作方式1
  49.     // 1.5ms計(jì)時(shí)中斷(12M)
  50.     TH0 = (65536-1500) / 256;
  51.     TL0 = (65536-1500) % 256;
  52.     ET0 = 1; // 定時(shí)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(shí)器初始化
  65.     T0_Init();
  66.     // 獲得點(diǎn)陣顯存，以作數(shù)據(jù)處理
  67.     pBuffer = MatrixGetBuffer();
  68.     // 點(diǎn)陣屏清屏
  69.     MatrixClearScreen();
  70.     // 開啟定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)以及點(diǎn)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(diǎn)打出心形
  76.            if (SystemTick > 334) { // 500ms打心形的一個(gè)點(diǎn)
  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(jìn)入狀態(tài)1,是否到邊界判斷
  82.                   Direction = TL0& 0x3; // 隨機(jī)得出心形的移動(dòng)方向
  83.               }               
  84.            }
  85.            break;
  86.        case 1:    // 狀態(tài)1為心形是否移動(dòng)到點(diǎn)陣屏邊界的判斷
  87.            switch (Direction) { // 移動(dòng)方向判斷是否到相應(yīng)方向的邊界
  88.            case 0:    // 左邊界判斷
  89.               // 第一列的點(diǎn)有一個(gè)亮,則認(rèn)為圖形到了左邊界
  90.               if (pBuffer[0] !=0xff) {
  91.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動(dòng)方向
  92.               } else {
  93.                   State = 2; // 未到左邊界,進(jìn)入狀態(tài)2進(jìn)行左平移
  94.               }
  95.               break;
  96.            case 1:    // 右邊界判斷
  97.               // 第八列的點(diǎn)有一個(gè)亮,則認(rèn)為圖形到了右邊界
  98.               if (pBuffer[7] !=0xff) {
  99.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動(dòng)方向
  100.               } else {
  101.                   State = 2; // 未到右邊界,進(jìn)入狀態(tài)2進(jìn)行右平移
  102.               }
  103.               break;
  104.            case 2:    // 上邊界判斷
  105.               // 所有列的第一行點(diǎn)有一個(gè)亮,則認(rèn)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(jìn)入狀態(tài)2進(jìn)行上平移                           
  112.               } else {
  113.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動(dòng)方向
  114.               }
  115.               break;
  116.            case 3:    // 下邊界判斷
  117.               // 所有列的第八行點(diǎn)有一個(gè)亮,則認(rèn)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(jìn)入狀態(tài)2進(jìn)行下平移                           
  124.               } else {
  125.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新選擇移動(dòng)方向
  126.               }
  127.               break;
  128.            default:
  129.               break;
  130.            }
  131.            break;
  132.        case 2:    // 狀態(tài)2為對(duì)點(diǎn)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(jìn)入狀態(tài)1進(jìn)行邊界檢測(cè)
  154.            break;
  155.        default:
  156.            break;
  157.        }  
  158.     }
  159. }
復(fù)制代碼

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