51单片机对LED点阵屏的设计

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

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ID=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 = (VCC- VCE– VOL– VLED) / ID

VCC为5v供电，VCE为三极管C、E间饱和电压，估为0.2v， VOL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，VLED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

Rb=(VCC- VEB– VOL) / IB

VCC为5v供电，VEB为三极管E、B间的导通电压0.7v，VOL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Rb= 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，