【51单片机实验笔记】3. LED点阵的基本控制

前言

本章接触的硬件依然与LED息息相关，它是多个LED按矩阵形式封装的一个显示模块。有了它，我们就可以制作出流动字幕，自定义动画等效果了。

硬件介绍

LED点阵的基本单元由LED组成，常见点阵屏大小为8x8或16x16。特点是每行LED共阳极，每列LED共阴极（不同模块会有区别）。

图1 8x8点阵屏

图2 LED点阵原理图

诚然，与数码管类似，我们不可以通过IO口去直接驱动LED点阵，原因有两点：

• 单片机引脚为弱上拉，低电平时可以接受大电流，但高电平难以驱动。
• 点阵屏极其消耗IO口资源，小规格的8x8点阵就要消耗16个IO引脚，这显然是不合理的。

因此，我们一般采用驱动芯片来实现LED点阵屏的驱动。

驱动芯片

在数码管控制中，为节省IO资源，采用了动态扫描的方式实现多个数码管的同时显示。LED点阵的控制思想也与之类似。但稍有不同的是，在数码管中我们采用的是74HC245驱动芯片和74HC138译码器的解决方案（当然也可以应用于LED点阵），而LED点阵采用了74HC595芯片，它可以实现仅使用3个IO口就控制8个引脚，还可以级联。

需要明确一点，任何元器件的控制方案都不止一个，可以通过查阅芯片手册来选择合适的芯片。仅从学习角度而言，不要太局限自己的认知。

74HC595芯片

IO扩展芯片，可以实现将8位串行输入转为三态并行输出。内置移位寄存器和存储寄存器，由各自的时钟控制。

SER引脚为串行输入口。SRCLK引脚为移位寄存器时钟引脚，当接收上升沿时，将串行数据由高位至低位依次存进移位寄存器中（一个上升沿移一位，类似于压栈过程）。RCLK引脚为存储寄存器时钟引脚，当接收上升沿时，将移位寄存器中的所有数据一次性全部存进存储寄存器中。OE为使能引脚。SRCLR为复位引脚。QH'为串行输出，用于74HC595级联（可以实现3个IO控制多个LED点阵！）

MAX7219芯片

MAX7219也是LED点阵屏控制芯片，它内部有8x8的数据寄存器，可以自动扫描显示一张静态图形。这显然优于74HC595，它只有8位的数据寄存器，显示一张静态图形，需要靠动态扫描完成。

现在市面上比较大型的LED点阵基本采用MAX7219芯片，它同样也只用3个IO口，但可以自动完成扫描。

原理分析

LED点阵可以显示静态画面和滚动画面，实现的细节稍有不同，总结如下：

• 规则矩形：无需动态扫描，想要点亮哪排哪列直接给对应的引脚赋电平即可。例如，点亮LED点阵中的某个LED。
• 自定义图形：由于自定义图形往往不规则（非矩形），必须采用动态扫描的方式。图案的设计可以自己手算，或者借助取模工具。例如，点亮一个爱心图形。
• 自定义动画：以上都是静态画面，LED点阵也可以实现比较简陋的动画效果。每一帧的画面需要提前保存在数组中，每一帧都采用动态扫描显示，一段时间后跳至下一帧，连贯成动画。例如，滚动字幕、旋转风车、螺旋线等等。

对于自定义动画，由于片内RAM只有128B，而片内ROM有4KB，可以通过code关键字将动画数据存放在ROM中。另外，有些具备数学规律的动画可以通过算法计算下一帧的数据，而不用将所有的动画帧都存放在数组中占用空间。

软件实现

爱心图片

实现的效果：静态显示一个爱心

#include 
#define LED_PORT P0

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit SER = P3^4; //串行输入
sbit ST = P3^5; //存储寄存器时钟引脚
sbit SH = P3^6; //移位存储器时钟引脚

u8 code LED_portX_Array[] = {0x7e,0xbd,0xdb,0xe7};
u8 code LED_portY_Array[] = {0x38,0x7c,0x7e,0x3f};

void delay(u16 t){
	while(t--);
}

void LED_control(u8 dat){
	u8 i;
	//将一个字节拆分成串行输入
	for(i=0;i<8;i++){
		SER = dat >> 7; //先将最高位送入SER中
		dat <<= 1; //左移1位(去掉最高位)更新数据
		SH = 0; //给移位寄存器时序脉冲
		delay(1);
		SH = 1; //检测到上升沿时将SER数据读入移位寄存器中
		delay(1);
	}
	ST = 0; //当一个字节传输完毕，此时移位寄存器已满。给存储寄存器时序脉冲
	delay(1);
	ST = 1;//检测到上升沿时将移位寄存器中的8位数据全部读入存储寄存器中。通过并行输出引脚可以直接检测到
	delay(1);
}

void main(){
	u8 i; //必须先定义，放在第一个
	P0 = 0xff; //初始全熄灭
	while(1){
		for(i=0;i<4;i++){
			LED_control(0x00); //消影
			LED_control(LED_portY_Array[i]);
			P0 = LED_portX_Array[i];
			delay(100); //1ms
		}
	}
}

代码中比较关键的就是LED_control函数中的内容，只要理解74HC595芯片的工作原理，就不难理解代码的逻辑。需要注意的是，采用了动态扫描就必然会有消影的问题，要记得消影。

为了提高移植性和复用性，我将74HC595驱动显示和延时的代码抽取出来，写在2个单独的C文件里，并对外提供接口。

LED_Matrix.c

#include 
#include "delay.h"
#define LED_PORT P0

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit SER = P3^4; //串行输入
sbit ST = P3^5; //存储寄存器时钟引脚
sbit SH = P3^6; //移位存储器时钟引脚

/**
  *  @brief 串转并驱动代码
  *  @param dat:8位串行数据
  *  @retval 返回值：无
  */
void LED_control(u8 dat){
	u8 i;
	//将一个字节拆分成串行输入
	for(i=0;i<8;i++){
		SER = dat >> 7; //先将最高位送入SER中
		dat <<= 1; //左移1位(去掉最高位)更新数据
		SH = 0; //给移位寄存器时序脉冲
		delay(1);
		SH = 1; //检测到上升沿时将SER数据读入移位寄存器中
		delay(1);
	}
	ST = 0; //当一个字节传输完毕，此时移位寄存器已满。给存储寄存器时序脉冲
	delay(1);
	ST = 1;//检测到上升沿时将移位寄存器中的8位数据全部读入存储寄存器中。通过并行输出引脚可以直接检测到
	delay(1);
}

void LED_Init(){
	LED_PORT = 0xff;
}

/**
  *  @brief 显示对应静态画面（8*8）
  *  @param datX：阴极，datY:阳极
  *  @retval
  */
void LED_Animation_Show(u8 datX, u8 datY){
	LED_control(datY); //阳极码
	LED_PORT = ~(0x80>>datX);
	delay(100);
	LED_Init(); //消影
}

LED_Matrix.h

#ifndef _LED_MATRIX_
#define _LED_MATRIX_

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
void LED_control(u8);
void LED_Init();
void LED_Animation_Show(u8 ,u8);

#endif

delay.c

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
void delay(u16 t){
	while(t--);
}

delay.h

#ifndef __DELAY__
#define __DELAY__

void delay(u16);

#endif

将上述4个文件复制到工程中，并在Keil上添加。接下来我们就只需专心写主函数逻辑即可！

旋转大风车

这个旋转风车比较抽象，哈哈哈哈哈，主要是点阵数太少。

#include 
#include "delay.h"
#include "LED_Matrix.h"
#define SPEED 8 //动画速度

u8 code WindMill_Animation_Array[] = {
	0x40,0x63,0x36,0x1C,0x38,0x6C,0xC6,0x02,
	0x0C,0x18,0x90,0xDE,0x7B,0x09,0x18,0x30,
	0x02,0xC6,0x6C,0x38,0x1C,0x36,0x63,0x40,
};

void main(){
	u8 i, t=0, step=0;
	while(1){
		for(i=0;i<8;i++){
			LED_Animation_Show(i, WindMill_Animation_Array[i+step]);
		}
		t++;
		if(t > SPEED){
			t = 0;
			step += 8;
			if(step > 16){
				step = 0;
			}
		}
	}
}

注意要将之前编写的两个头文件包含。

确定好动画由几帧组成，对于每一帧，都是采用动态扫描显示。而动画的流畅度取决于每一帧停留的时间，可以通过调节SPEED来测试。

滚动日期

#include 
#include "delay.h"
#include "LED_Matrix.h"
// 2022年12月30日
u8 code Animation_Array[] = {
	0x61,0x83,0x85,0x89,0x71,0x00,0x7E,0x81,
	0x81,0x7E,0x00,0x61,0x83,0x85,0x89,0x71,
	0x00,0x61,0x83,0x85,0x89,0x71,0x00,0x44,
	0xDC,0x54,0x7F,0x54,0x44,0x00,0x40,0xFF,
	0x00,0x61,0x83,0x85,0x89,0x71,0x00,0x01,
	0xFE,0xA8,0x82,0xFF,0x00,0x42,0x91,0x99,
	0x66,0x00,0x7E,0x81,0x81,0x7E,0x00,0xFF,
	0x91,0x91,0xFF,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
	0x00,0x00,0x00,};

void main(){
	u8 i, count=0, j=0;
	LED_Init();
	while(1){
		for(i=0;i<8;i++){
			LED_Animation_Show(i, Animation_Array[i+j]);
		}
		count++;
		if(count > 20){
			count = 0;
			j++;
			if(j > 59){
				j = 0;
			}
		}
	}
}

实现原理和旋转风车类似，只不过旋转风车是一帧一帧移动的（一帧需要8个字节），滚动字幕是一个字节一个字节的移动。

螺旋线动画

PS：所有代码都写在了这一个C文件里。

#include 
#include 
#define LED_PORT P0
#define SPEED 30

typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;

sbit SER = P3^4; //串行数据输入引脚
sbit ST_CP = P3^5; //存储寄存器时钟引脚
sbit SH_CP = P3^6; //移位寄存器时钟引脚

//全局变量
u8 x,y,num_step,count,dir,posY[8] = {0};

//延时函数
void delay(u16 t){
	while(t--);
}

//生成对应位置的二进制代码
u8 produce_B_Code(u8 pos){	
	return 0x01<<pos;
}

//串行数据生成对应并行数据
void Ser2Para(u8 dat){
	u8 i;
	for(i=0;i<8;i++){
		SER = dat>>7;
		dat <<= 1;
		SH_CP = 0;
		_nop_(); // 延迟一个机器周期
		SH_CP = 1; //获得一个上升沿
		_nop_(); 
	}
	ST_CP = 0;
	_nop_();
	ST_CP = 1;
	_nop_();
}

void clear_LED(){
	LED_PORT = 0xff; //清屏
	Ser2Para(0x00); 
}

//显示每帧画面
void display(u8 XDATA,u8 YDATA){
	LED_PORT = ~produce_B_Code(XDATA); //按列由右往左扫描
	Ser2Para(YDATA);
	delay(100);
	clear_LED(); //消影
}

//更新方向与数组
void update_posY(u8 dir){
	//判断方向
	switch(dir%4){
		case 0: //向下
		{
			y = y - 1; //更新当前点坐标
			posY[x] += produce_B_Code(y); //更新需要点亮的Y坐标码
			break;
		}
		case 1: //向右
		{
			x = x - 1;
			posY[x] += produce_B_Code(y); //更新需要点亮的Y坐标码
			break;
		}
			
		case 2: //向上
		{
			y = y + 1; //更新当前点坐标
			posY[x] += produce_B_Code(y); //更新需要点亮的Y坐标码
			break;
		}
		case 3: //向左(往高位走)
		{
			x = x + 1; //更新当前点坐标
			posY[x] += produce_B_Code(y); //更新需要点亮的Y坐标码
			break;
		}
	}
}

//重启
void reset(){
	u8 k;
	x = 4,y = 4,num_step = 1,count=0,dir=0;
	for(k=0;k<8;k++){
		if(k == x){
			posY[x] = produce_B_Code(y);//记录初始化的值
		}else{
			posY[k] = 0;
		}
	}
}


/* 
count: 记录每个动作(上下，左右)需要执行几次
x,y:记录当前点的坐标
posY[]:记录当前需要点亮的灯的十六进制码
*/
void main(){
	u8 i,j=0;
	reset(); //初始化
	while(1){
		for(i=0;i<8;i++){
			//逆时针
			display(i,posY[i]); //把数组传过去
		}
		count++;
		//下一帧
		if(count > SPEED){
			count = 0;
			//更新一下posY数组，显示下一个点
			update_posY(dir);
			//记录每更改一次方向需要几帧
			j++;
			//每两组换向多走一步
			num_step = dir/2 + 1;
			//更新方向
			if(j>=num_step){
				dir++;
				j=0; //复位
			}
		}
		//结束条件
		if(x==0 && y==8){
			delay(10000); //保持画面
			clear_LED(); //清屏
			delay(50000);
			reset(); //重新开始
		}
	}
}

这个动画我没有提前将每一帧都计算出来，而是每次计算出下一步要点亮的灯，同时保留当前的灯。

总结

LED点阵相对来说显示的东西还是很丰富的吧！发挥你的想象力，你也可以创新很多有趣的图案和动画的。