51单片机STC 89C52RC进阶 – 自制8x8点阵、点亮单颗LED、显示点阵汉字

电路及驱动原理

上图是CS1088B的8x8
LED点阵的部分技术文档截图，最下面就是这个点阵模块的基本电路图。

其实很简单，每一横行控制LED的一极，每一竖列又控制LED的另一极。又因为是一个矩阵，所以每一个LED都有一个控制其单独发光的一个二进制值，能控制8x8坐标轴上任意一个LED的亮灭。

举个例子，假设每一横行我都接LED的正极，即基本电路图中的位置9、14、8、12、1、7、2、5位置，都接主机（如第一片74HC595D）的正极（如第一片74HC595D的8个并出口QA~QH），每一列我都接LED的负极即基本电路中
的位置13、3、4、10、6、11、15、16，都接主机（如第二片）的负极（如第二片74HC595D的8个并出口QA~QH）。

连接好以后，等于构成了完全控制LED正负极电平的能力，在程序中给8x8坐标轴内对应的LED点发送指定的高低电平信号就可以灵活控制其的亮灭。

电路图

以上为两片74HC595D串联后和8x8点阵连接的电路图，单片机和74HC595D连接省略。

注意：

• 控制LED点阵行（正极）的，第一片的QA要从LED点阵的正向的从上往下数，第一行开始连接，一直连接到第一片的QH结束

• 控制LED点阵列（负极）的，第二片的QA要从LED点阵正向从左往右数，第一列开始连接，一直连接到第二片的QH结束

这里的连接开始和结束顺序直接决定了后面程序中向74HC595D芯片送入的16位数据中，每个二进制位对应控制的行和列，所以一定要连接正确

• 规律：每颗LED的正极都接横行，每颗LED的负极都接竖列

• 规律：第一片74HC595D控制LED点阵的横行，第二片74HC595D控制LED点阵的竖列

电路图和实物电路对照

对应实际焊接完成的电路，方向、位置对应如下图：

此电路板是7cmx9cm的，底部标有“7CM*9CM”字样的，就是将来显示汉字的底边，对应的一边就是汉字的顶边。这幅图就是字体正确的显示方向。

红色字标出的位置分别接第一片74HC595D的8个并出口，来控制ELD点阵的正极；蓝色字标出的位置分别接第二片74HC595D的8个并出口，来控制ELD点阵的负极。

电路图和实物电路对照：

这样将实物和电路图对照一下，就很清晰了。在焊接上为了方便和美观，接第二片的负极（列）做了个右侧的走向。

理解74HC595D工作原理

常规情况下，电路中使用单颗74HC595D芯片，从串行数据的输入到并行数据的输出，要经历以下3个步骤：

1. 向74HC595D的SI引脚输送一个数据并向SCK引脚做上升沿后，数据将会进入移位寄存器中，数据依次从QH引脚逐个向QA引脚方向移动，直到8位数据全部输入完毕
2. 输入完毕后，向RCK引脚做上升沿，将移位寄存器中的8位数据拷贝到锁存器中固化、锁定
3. 如果OE引脚一直是输出使能的，则会立即并行输出8位数据到QA~QH引脚上

注意：

1. 第1步中向SI输送8位串行数据时，最先送入的数据在最高位，即QH引脚对应的移位寄存器中，而不是QA引脚。第二送入的数据在次高位，即QH引脚对应的以为寄存器中。最后送入的一位数据在最低位，即QA引脚对应的移位寄存器中。
   74HC595D的串行数据移位遵循“先送高位，再送低位，由高位至低位输送”的原则。
   这一点一定要理解清楚，这对后面理解16位数据每一位如何控制LED点阵的行和列至关重要

16位二进制数控制点阵的行与列

刚才有提到，后面写程序控制点阵时，要向74HC595D发送16位二进制数据。
两片74HC595D串联后，就有16个并出引脚，正好对应这16位二进制数据。其中的8位数据控制行，另外8位数据控制列。

下面来看一个示意图，看看16位二进制数中的每一位是如何控制行和列的：

再次回顾电路图：

1. 第一片74HC595D的8个并出引脚，分别连接LED点阵每一行的正极位置，即：第一片74HC595D控制行

2. 第二片74HC595D的8个并出引脚，分别连接LED点阵每一列的负极位置，即：第二片74HC595D控制列

注意：

1. 由于两片74HC595D是串联的，也就是说，如果先发送了一个8位数据，那么是先会进到第一片74HC595D的锁存器中的。**同时遵循“先送高位，再送低位，由高位至低位输送”的原则，最先送入的数据在最高位（QH引脚对应的移位寄存器中），最后送入的数据再最低位（QA引脚对应的移位寄存器中）。

2. 此时第一片74HC595D中已有8位数据了。再继续发送8位数据，那么在第一片74HC595D中的8位数据，会被逐次挤到第二片74HC595D中。也就是说，第一片74HC595D移位寄存器中的8位数据是第二次发送的新的8位数据。

实验分析：让LED点阵第二行第二列的LED单独亮起

再来分析一下这个电路图。

1. 第一片74HC595D的8个并行输出引脚，分别连接LED点阵每一行的正极位置。
   即：第一片74HC595D控制行。那么想要某个LED亮，这个LED所在行必须要输入高电平

2. 第二片74HC595D的8个并行输出引脚，分别连接LED点阵每一列的负极位置。
   即：第二片74HC595D控制列。那么想要某个LED亮，这个LED所在行必须要输入低电平
   上面两个条件必须同时成立，某个LED才会因为两端有电位差而亮起。

再回顾上图，总结如下：

• 16位二进制数中的第1~第8位，依次控制LED点阵的列。
• 16位二进制数中的第9~第16位，依次控制LED点阵的行。
• 因为两片74HC595D串联后，第一次8位串行数据输入完毕后，再输入另外8位串行数据，第一次输入的8位穿行数据会被挤进第二片74HC595D的移位寄存器中。再结合电路图中，LED点阵的每一横行接第一片74HC595D，LED点阵的每一竖列接第二片74HC595D，所以，在16位二进制数中，我们要先把前8位先输入进去，就能控制列（因为先输入8位数据会挤进第二片74HC595D中，第二片74HC595D连着每颗LED的负极），再把后8位输入进去，就能控制行（因为后输入的8位数据会进到第一片74HC595D中，第一片74HC595D连着每颗LED的正极）。
• 再根据电路图，先绘制一下如果要单独点亮第二行第二列的LED，每行每列二进制的值是多少：
  上面提到过，LED接正极的位置，提供高电平，并且LED接负极的位置提供低电平，两个条件都满足，才能使LED点亮。那么可以得出：

行（从上到下）（对应第一片74HC595D）值依次为：0 1 0 0 0 0 0 0
列（从左到右）（对应第二片74HC595D）值依次为：1 0 1 1 1 1 1 1

以上16位值就是单独点亮第二行第二列的LED的正确值。但是顺序还需要验证一下，要和电路图对应。

按照“先输入列，后输入行”的规律，先要输入第二片74HC595D的8位串行数据。那么每一次输入到芯片内的原理释义如下：

第二片74HC595D – 第1次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	空	空	空	空	空	空	空
第二片74HC595D – 第2次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	空	空	空	空	空	空
第二片74HC595D – 第3次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	空	空	空	空	空
第二片74HC595D – 第4次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	1	空	空	空	空
第二片74HC595D – 第5次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	1	1	空	空	空
第二片74HC595D – 第6次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	1	1	1	空	空
第二片74HC595D – 第7次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	1	1	1	1	空
第二片74HC595D – 第8次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	1	0	1	1	1	1	1	1

可以看到上面8次输入串行数据，每一次输入进去的新数据用红色加粗字体表示。确实是由高向低位逐个送入的。

按照“先输入列，后输入行”的规律，再输入第一片74HC595D的8位串行数据。那么每一次输入到芯片内的原理释义如下：

第一片74HC595D – 第9次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	空	空	空	空	空	空	空
第一片74HC595D – 第10次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	0	空	空	空	空	空	空
第一片74HC595D – 第11次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	空	空	空	空	空
第一片74HC595D – 第12次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	0	空	空	空	空
第一片74HC595D – 第13次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	0	0	空	空	空
第一片74HC595D – 第14次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	0	0	0	空	空
第一片74HC595D – 第15次输入串行数据：1
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	0	0	0	1	空
第一片74HC595D – 第16次输入串行数据：0
并出引脚符号	QH	QG	QF	QE	QD	QC	QB	QA
锁存器（存储寄存器）
移位寄存器
SI串行输入数据	0	1	0	0	0	0	0	0

可以看到上面8次输入串行数据，每一次输入进去的新数据用红色加粗字体表示。确实是由高向低位逐个送入的。

注意：

• 要深刻理解为什么会这样变化，并且这样位移后是怎么对应到下图的LED点阵中的

以上规律，如下图所示：

• 图中，游泳圈位置就是要单独点亮的第二行第二列的LED。
• 图中，底部和右侧分别写着“行 rows”和“列
  cols”箭头指向的顺序，就是行和列上二进制数字排列的顺序，以此构成16位二进制数。
• 每一位对应控制的行和列都用彩色线条对应连接表示。

实验验证，编写程序：让LED点阵右上角的LED单独亮起

源代码：

/**
 * 单文件实验程序
 * 两片74HC595D串联后，控制5*6LED点阵
 *
 * Created by SteveJrong on 2019/12/22.
 * Version: 1.0
 *
 * Copyright 2019 SteveJrong. All rights reserved.
 */

#include

// 定义STC89C52RC给74HC595D输入串行数据的引脚（物理编号：14）
sbit SI_DS = P1 ^2;

// 定义STC89C52RC连接74HC595D存储寄存器的引脚（物理编号：12）
sbit RCK_STCP = P1 ^3;

// 定义STC89C52RC连接74HC595D移位寄存器的引脚（物理编号：11）
sbit SCK_SHCP = P1 ^4;

// 定义STC89C52RC连接74HC595D移位寄存器清零输入的引脚（物理编号：10）
sbit SCLR_MR = P1 ^5;

// 定义STC89C52RC连接74HC595D输出使能控制端的引脚（物理编号：13）
sbit G_OE_SHCP = P1 ^6;

void delay(unsigned int n) {
    int i, j;
    for (i = n; i > 0; i--)
        for (j = 110; j > 0; j--);
}

/**
 * 并行输出数据
 * 向74HC595D的锁存器（存储寄存器）时钟输入引脚发送高低电平信号，通知74HC959D将存在锁存器内的数据并行输出到QA~QH引脚上
 */
void lighting() {
    RCK_STCP = 1;
    delay(1);
    RCK_STCP = 0;
}

void disable_output() {
    G_OE_SHCP = 1;
}

void enable_output() {
    G_OE_SHCP = 0;
}

/**
 * 发送串行数据到74HC595D
 *
 * @param inputData 要传入的数据
 */
void send_data(int binaryArray[]) {
    int i = 0;

    for (; i < 16; i++) {
        SI_DS = binaryArray[i];

        SCK_SHCP = 0;
        SCK_SHCP = 1;
    }
}

/**
 * 主入口
 */
void main() {
    int i = 0, j = 0, binaryArray[1][16] = {
            {1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0},
    };

    // 初始时，存储寄存器置为低电平
    RCK_STCP = 0;
    // 初始时，移位寄存器置为低电平
    SCK_SHCP = 0;
    enable_output();

    for (; i < 1; i++) {
        send_data(binaryArray[i]);
        lighting();
    }
}

实验验证，效果：让LED点阵右上角的LED单独亮起

可以看到，程序预期执行，点亮了第二行第二列的LED。

汉字程序

项目仓库地址：

https://gitee.com/stevejrong1024/festive-lantern.git

文件：

labs / lab5.c

另外在以下位置增加了一个8x8点阵的16位二进制数生成器，就不用一个个对着电路图去手写了。网页上勾选好checkbox以后，直接粘贴进ten这个三维数组中即可。注意要改三维数组中一维和二维的数组总长度：

labs / lab5-led-font-generator / led-font-generator.html

已知问题：

1. 如果同时显示的LED点较多，整体显示时的闪烁频率会稍慢一些，不知道是什么原因，STC
   89C52RC性能不足？
2. STC 89C52RC RAM太小，显示的文字多了会造成编译后的文件过大，写不进单片机中，提示空间不足。后期计划使用STC89C516替换之。
3. 直接写二进制的办法挺笨的。原来想着直接写16进制数，写一些方法转换成二进制数，就不用写这么多0和1了，但是试了很多种方法，在电脑的IDE上跑的没毛病，但是烧录进单片机后，就不是IDE中的结果了。可能单片机还是有局限性吧，有些功能不能被很好的支持？！

总结

1. 想要循环显示汉字，不能用任何延时函数，延时可以用空循环。
2. 原先看到网上的一个74HC595D的位移原理，理解成了先送低位再送高位，这也符合正常人的理解逻辑。但后来在写文档的时候总发现16进制数和引脚的接法对不上，但是LED确实又亮起了。后来正确的是先送高位再送低位，这样才对的上。
3. 焊功差，焊接51最小系统时出了不少问题，需要多焊接。
4. 脑子想不出来时，纸上画一画，什么都有了。