51單片機(jī)開發(fā)系列四_LED點(diǎn)陣掃描顯示

LED點(diǎn)陣屏發(fā)光亮度強(qiáng)，指示效果好，可以制作運(yùn)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(diǎn)陣屏動態(tài)掃描顯示作一個簡單的介紹。

圖1-1為一種8x8的LED點(diǎn)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(dāng)某一行線為高電平而某一列線為低時，其行列交叉的點(diǎn)就被點(diǎn)亮，當(dāng)某一行線為低電平時，無論列線如何，對應(yīng)的這一行的點(diǎn)全部為暗。LED點(diǎn)陣屏顯示就是通過一定的頻率進(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

微控制器的IO口均不能流過過大的電流，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)過一個緩沖器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)動電流為ID=15ma，這個電流點(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(qū)動電壓，估為1.7v，根據(jù)上式可算出限流電阻為R = 200R。

LED點(diǎn)陣屏需接收逐個掃描信號，掃描到相應(yīng)列(或行)，對應(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(diǎn)陣屏的設(shè)計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，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。

當(dāng)某一列(或一行)LED點(diǎn)均點(diǎn)亮?xí)r，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(qū)動這個電流，需加三極管驅(qū)動，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。三極管基極電流設(shè)為2ma即可讓三極管飽和，最大驅(qū)動電流遠(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

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(diǎn)亮?xí)r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(jìn)行點(diǎn)陣屏刷新。

顯示屏顯示往往會涉及到畫點(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，筆者此處僅對點(diǎn)陣屏畫點(diǎn)、文字上下左右移動進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。

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

#include"reg52.h"

#include"Matrix.h"

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

static unsigned char FrameBuffer[8];

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

unsigned char *MatrixGetBuffer()

{

return FrameBuffer;

}

// 點(diǎn)陣刷新,保證以一定周期調(diào)用刷新

void MatrixScan()

{

static unsigned char Select =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，回到第一行再次開始掃描

}

}

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

voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)

{

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

return;

}

switch (Operation) {

case SET: // (x, y)位置置位,燈滅

FrameBuffer[x] |= 1<< y;

break;

case CLEAR: // (x, y)位置清零,燈亮

FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);

break;

case NEGATE: // (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,顯存對應(yīng)1的位置,燈滅,0相應(yīng)的燈才點(diǎn)亮

voidMatrixClearScreen()

{

unsigned char i;

for (i=0; i<8; i++) {

FrameBuffer[i] = 0xff;

}

}

// 點(diǎn)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

void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)

{

unsigned char i;

switch (Direction) { // 判斷平衡的方向

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

for (i=0; i<8; i++) {

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

}

break;

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

for (i=0; i<8; i++) {

FrameBuffer[i]= (FrameBuffer[i]<<1) | ((Filling>>i)&0x01);

}

break;

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

for (i=0; i<7; i++) {

FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i+1];

}

FrameBuffer[i] = Filling;

break;

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

for (i=7; i>=1; i--) {

FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];

}

FrameBuffer[i] = Filling;

break;

default:

break;

}

}

我們在點(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

#define SET 0x1 //置1操作

#define CLEAR 0x2 // 清0操作

#define NEGATE 0x3 //取反操作

#defineMOVE_UP 0x1 // 向上平移1

#defineMOVE_DOWN 0x2 // 向下平移1

#defineMOVE_LEFT 0x3 // 向左平移1

#defineMOVE_RIGHT 0x4 // 向右平移1

// 列數(shù)據(jù)輸出到P0口

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

// P2口輸出對應(yīng)列的掃描選擇線,低有效

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

voidMatrixClearScreen(void);

voidMatrixMove(unsigned char Direction, unsigned char Filling);

unsigned char*MatrixGetBuffer(void);

voidMatrixScan(void);

voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation);

#ifdef__cplusplus

}

#endif

#endif/*__Matrix_H__*/

外部應(yīng)用通過引入點(diǎn)陣屏的模塊頭文件Matrix.h來實(shí)現(xiàn)調(diào)用點(diǎn)陣屏驅(qū)動函數(shù)，簡單測試調(diào)用(心形在點(diǎn)陣屏內(nèi)隨機(jī)平移)實(shí)現(xiàn)如下：

#include"reg52.h"

#include"Matrix.h"

// 心形坐標(biāo)數(shù)據(jù)

static unsigned charcode HeartShape[][2] = {

{3, 3}, {4, 2}, {5,3}, {5, 4}, {4, 5},

{3, 6}, {2,