51单片机开发系列四_LED点阵扫描显示

51单片机开发系列四

LED点阵扫描显示

象棋小子    1048272975

LED点阵屏发光亮度强，指示效果好，可以制作运动的发光图文，更容易吸引人的注意力，信息量大，随时更新，有着非常好的广告和告示效果。笔者此处就LED点阵屏动态扫描显示作一个简单的介绍。

1. LED点阵屏显示原理概述

图1-1为一种8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部等效电路图，对于红光LED其工作正向电压约为1.8v，其持续工作的正向电流一般10ma左右，峰值电流可以更大。如下图，当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮，当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应的这一行的点全部为暗。LED点阵屏显示就是通过一定的频率进行逐行扫描，数据端不断输入数据显示，只要扫描频率足够高，由于人眼的视觉残留效应，就可以看到完整的文字或图案信息。通常有4、8、16线扫描方式，扫描行数越少，点阵的显示亮度越好，但相应硬件数据寄存器需求也越多。

图1-1 点阵内部原理图

2. 硬件设计

微控制器的IO口均不能流过过大的电流，LED点亮时有约10ms的电流，因此LED点阵引脚不要直接接单片机IO口，应先经过一个缓冲器74HC573。单片机IO口只需很小的电流控制74HC573即可间接的控制LED点阵某一行(或某一列)，而74HC573输出也能负载约10ms的电流。设置LED每点驱动电流为I_D =15ma，这个电流点亮度好，并且有一定的裕度，即使电源输出电压偏高也不会烧毁LED，限流电阻值

R = (V_CC- V_CE – V_OL – V_LED) / I_D

V_CC为5v供电，V_CE为三极管C、E间饱和电压，估为0.2v， V_OL为74hc573输出低电平时电压，不同灌电流，此值不一样，估为0.2v，具体查看规格书，V_LED为红光驱动电压，估为1.7v，根据上式可算出限流电阻为R = 200R。

LED点阵屏需接收逐个扫描信号，扫描到相应列(或行)，对应的列(或行)数据有效，即显示这一列(或行)的信息。一般产生扫描信号是需要采用专门的译码器，如三线八线译码器74HC138，这样可硬件保证任意时刻只有一列(或一行)正在扫描，并且可减少微控制器的IO口占用。市面上的51开发板对于LED点阵屏的设计基本都没有采用译码器，直接用单片机IO产生扫描信号，为兼容软件，笔者此处也不加译码器，软件保证IO口产生相应的扫描信号。

当某一列(或一行)LED点均点亮时，电流约15max8=90ma流过这一列(或一行)公共端，微控制器IO口无法直接驱动这个电流，需加三极管驱动，由于51单片机低电平灌电流较大，因此适合采用PNP三极管作为驱动。三极管基极电流设为2ma即可让三极管饱和，最大驱动电流远大于90ma。基极偏置电阻阻值

R_b =(V_CC - V_EB – V_OL) / I_B

V_CC为5v供电，V_EB为三极管E、B间的导通电压0.7v，V_OL为单片机IO口输出低电平时电压，可根据规格书估为0.2v，故R_b = 2k即可。

图2-1 8X8共阴LED点阵原理图

3. 驱动实现

LED点阵数据口接P0口，扫描选择线接P2口的0~7位。对于动态扫描，都是有一个扫描频率的，LED屏扫描频率下限为50HZ，低于一定的扫描频率，显示会闪烁。频率过高，则亮度较差且占用cpu资源。一般整个屏扫描一遍时间为约10ms较合适(即扫描频率100HZ)，我们采用的是8线扫描方式，每一行点亮时间为1.5ms，扫描一遍为12ms。为保证这个刷新频率，通常是通过定时器来周期性进行点阵屏刷新。

显示屏显示往往会涉及到画点、画线、画图等复杂的运算，改变屏幕的信息，只需处理显存中的数据，因此对于显示屏，是需要开辟出一块内存空间作为显存使用的。8X8点阵每个点可用1 bit表示，一行1字节，显存8字节即可。由于点阵屏像素点太少，没有必要实现画线、画图等复杂操作，笔者此处仅对点阵屏画点、文字上下左右移动进行代码实现。

点阵屏动态显示功能模块文件Matrix.c内容如下：

#include"reg52.h"

#include"Matrix.h"

 

// 每个LED点需1位保存,8X8点阵需8字节显存

static unsigned char FrameBuffer[8];

 

// 外部模块通过该函数获得显存内存位置进行处理

unsigned char *MatrixGetBuffer()

{

    return FrameBuffer;

}

 

// 点阵刷新,保证以一定周期调用刷新

void MatrixScan()

{

    static unsigned char Select =0; // 记录扫描的选择线

    // 列数据输出到点阵数据端口

    MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);

    // 扫描信号输出到点阵扫描选择端口

    MatrixOutputSelect(Select);

    Select++; // 进入到下一行扫描

    if (Select >= 8) {

        Select= 0; // 所有行已扫描，回到第一行再次开始扫描

    }

}

 

// LED点阵屏打点函数,对(x, y)位置进行亮,灭,状态取反

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

{

    if (x>7 || y>7) { // 位置保证在点阵屏区域内

        return;

    }

    switch (Operation) {

    case SET: // (x, y)位置置位,灯灭

        FrameBuffer[x] |= 1<< y;

        break;

    case CLEAR: // (x, y)位置清零,灯亮

        FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);

        break;

    case NEGATE: // (x, y)位置取反,灯状态改变

        FrameBuffer[x] ^= 1<< y;

        break;

    default:

        break;

    }

}

 

// LED点阵屏清屏,显存对应1的位置,灯灭,0相应的灯才点亮

voidMatrixClearScreen()

{

    unsigned char i;

    for (i=0; i<8; i++) {

        FrameBuffer[i] = 0xff;

    }

}

 

// 点阵平移,上下左右四个方向平移1,平移空缺位置用数据Filling填充

void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)

{

    unsigned char i;

    switch (Direction) { // 判断平衡的方向

    case MOVE_UP: // 向上平移1,每列数据第7位移到第6位,如此类推

        for (i=0; i<8; i++) {

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

        }

        break;

    case MOVE_DOWN: // 向下平移1,每列数据第0位移到第1位,如此类推

        for (i=0; i<8; i++) {

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

        }

        break;

    case MOVE_LEFT: // 向左平移1,右一列的数据移到当前列中,如此类推

        for (i=0; i<7; i++) {

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

        }

        FrameBuffer[i] = Filling;

        break;

    case MOVE_RIGHT: // 向右平移1,左一列的数据移到当前列中,如此类推

        for (i=7; i>=1; i--) {

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

        }

        FrameBuffer[i] = Filling;

        break;

    default:

        break;

    }

}

 

我们在点阵屏模块头文件Matrix.h中实现模块的宏定义及接口访问宏实现，使之方便移植及修改接口配置。模块头文件同时也引出模块的接口函数，如MatrixScan()为点阵屏刷新函数，需周期性调用刷新点阵屏显示。点阵屏动态显示功能模块文件Matrix.h内容如下：

#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

 

// 列数据输出到P0口

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

// P2口输出对应列的扫描选择线,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__*/

 

外部应用通过引入点阵屏的模块头文件Matrix.h来实现调用点阵屏驱动函数，简单测试调用(心形在点阵屏内随机平移)实现如下：

#include"reg52.h"

#include"Matrix.h"

 

// 心形坐标数据

static unsigned charcode HeartShape[][2] = {

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

{3, 6}, {2, 5}, {1,4}, {1, 3}, {2, 2},

};

 

// 以定时器时间为计时标准，记录时间间隔

static volatileunsigned int SystemTick = 0;

 

// 定时器1.5ms中断处理进行数码管刷新

void T0_Interrupt()interrupt 1

{

    TH0 = (65536-1500) / 256;

    TL0 = (65536-1500) % 256;

    SystemTick++; // 记录时间间隔

    MatrixScan(); // 刷新数码管

}

 

void T0_Init()

{

    TMOD = 0x01; // 定时器0工作方式1

    // 1.5ms计时中断(12M)

    TH0 = (65536-1500) / 256;

    TL0 = (65536-1500) % 256;

    ET0 = 1; // 定时器T0中断允许

    EA = 1; // 总中断允许

}

 

 

void main()

{

    unsigned char *pBuffer;

    unsigned char State = 0;

    unsigned char Point;

    unsigned char Direction;

    unsigned char DataAnd;

    unsigned char i;

    // 定时器初始化

    T0_Init();

    // 获得点阵显存，以作数据处理

    pBuffer = MatrixGetBuffer();

    // 点阵屏清屏

    MatrixClearScreen();

    // 开启定时器进行计时以及点阵扫描

    TR0 = 1;

 

    Point = 0;

    while(1) {

       switch (State) {

       case 0:    //状态0为逐点打出心形

           if (SystemTick > 334) { // 500ms打心形的一个点

              SystemTick = 0;

           MatrixSetPoint(HeartShape[Point][0],HeartShape[Point][1], CLEAR);

              Point++;

              if (Point >sizeof(HeartShape)/sizeof(HeartShape[0])) {

                  State = 1; // 心形打完,进入状态1,是否到边界判断

                  Direction = TL0& 0x3; // 随机得出心形的移动方向

              }                

           }

           break;

 

       case 1:    // 状态1为心形是否移动到点阵屏边界的判断

           switch (Direction) { // 移动方向判断是否到相应方向的边界

           case 0:    // 左边界判断

              // 第一列的点有一个亮,则认为图形到了左边界

              if (pBuffer[0] !=0xff) {

                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向

              } else {

                  State = 2; // 未到左边界,进入状态2进行左平移

              }

              break;

           case 1:    // 右边界判断

              // 第八列的点有一个亮,则认为图形到了右边界

              if (pBuffer[7] !=0xff) {

                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向

              } else {

                  State = 2; // 未到右边界,进入状态2进行右平移

              }

              break;

           case 2:    // 上边界判断

              // 所有列的第一行点有一个亮,则认为图形到了上边界

              DataAnd = 0xff;

              for (i=0; i<8; i++) {

                  DataAnd &= pBuffer[i];

              }

              if (DataAnd & 0x1) {

                  State = 2; // 未到上边界,进入状态2进行上平移                           

              } else {

                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向

              }

              break;

           case 3:    // 下边界判断

              // 所有列的第八行点有一个亮,则认为图形到了下边界

              DataAnd = 0xff;

              for (i=0; i<8; i++) {

                  DataAnd &= pBuffer[i];

              }

              if (DataAnd & 0x80) {

                  State = 2; // 未到下边界,进入状态2进行下平移                           

              } else {

                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向

              }

              break;

           default:

              break;

           }

           break;

 

       case 2:    // 状态2为对点阵屏平移

           if (SystemTick < 667){  // 1s平移1次

              continue;

           }

           SystemTick = 0;

           switch (Direction) {

           case 0:    // 左平移,平移后的空缺位置灭

              MatrixMove(MOVE_LEFT, 0xff);

              break;

           case 1: // 右平移,平移后的空缺位置灭

              MatrixMove(MOVE_RIGHT,0xff);

              break;

           case 2:    // 上平移,平移后的空缺位置灭

              MatrixMove(MOVE_UP, 0xff);

              break;

           case 3:    // 下平移,平移后的空缺位置灭

              MatrixMove(MOVE_DOWN, 0xff);

              break;

           default:

              break;

           }

           State = 1; // 平移后再进入状态1进行边界检测

           break;

 

       default:

           break;

       }  

    }

}

附录：

此章节的Keil工程，包含源码，Preteus仿真，包含仿真电路，可直接查看效果，Matrix.rar。

http://pan.baidu.com/s/1dDchpYh