51单片机驱动LED点阵扫描显示C语言程序

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：

1. #include"reg52.h"
   
2. #include"Matrix.h"
   
3. // 每个LED点需1位保存,8X8点阵需8字节显存
   
4. static unsigned char FrameBuffer[8];
   
5. // 外部模块通过该函数获得显存内存位置进行处理
   
6. unsigned char *MatrixGetBuffer()
   
7. {
   
8.     return FrameBuffer;
   
9. }
   
10. 
    
11. // 点阵刷新,保证以一定周期调用刷新
    
12. void MatrixScan()
    
13. {
    
14.     static unsigned char Select =0; // 记录扫描的选择线
    
15.     // 列数据输出到点阵数据端口
    
16.     MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
    
17.     // 扫描信号输出到点阵扫描选择端口
    
18.     MatrixOutputSelect(Select);
    
19.     Select++; // 进入到下一行扫描
    
20.     if (Select >= 8) {
    
21.         Select= 0; // 所有行已扫描，回到第一行再次开始扫描
    
22.     }
    
23. }
    
24. 
    
25. // LED点阵屏打点函数,对(x, y)位置进行亮,灭,状态取反
    
26. voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)
    
27. {
    
28.     if (x>7 || y>7) { // 位置保证在点阵屏区域内
    
29.         return;
    
30.     }
    
31.     switch (Operation) {
    
32.     case SET: // (x, y)位置置位,灯灭
    
33.         FrameBuffer[x] |= 1<< y;
    
34.         break;
    
35.     case CLEAR: // (x, y)位置清零,灯亮
    
36.         FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);
    
37.         break;
    
38.     case NEGATE: // (x, y)位置取反,灯状态改变
    
39.         FrameBuffer[x] ^= 1<< y;
    
40.         break;
    
41.     default:
    
42.         break;
    
43.     }
    
44. }
    
45. 
    
46. // LED点阵屏清屏,显存对应1的位置,灯灭,0相应的灯才点亮
    
47. voidMatrixClearScreen()
    
48. {
    
49.     unsigned char i;
    
50.     for (i=0; i<8; i++) {
    
51.         FrameBuffer[i] = 0xff;
    
52.     }
    
53. }
    
54. 
    
55. // 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
    
56. void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)
    
57. {
    
58.     unsigned char i;
    
59.     switch (Direction) { // 判断平衡的方向
    
60.     case MOVE_UP: // 向上平移1,每列数据第7位移到第6位,如此类推
    
61.         for (i=0; i<8; i++) {
    
62.             FrameBuffer[i] =(FrameBuffer[i]>>1) | ((Filling<<(7-i))&0x80);
    
63.         }
    
64.         break;
    
65.     case MOVE_DOWN: // 向下平移1,每列数据第0位移到第1位,如此类推
    
66.         for (i=0; i<8; i++) {
    
67.             FrameBuffer[i]= (FrameBuffer[i]<<1) | ((Filling>>i)&0x01);
    
68.         }
    
69.         break;
    
70.     case MOVE_LEFT: // 向左平移1,右一列的数据移到当前列中,如此类推
    
71.         for (i=0; i<7; i++) {
    
72.             FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i+1];
    
73.         }
    
74.         FrameBuffer[i] = Filling;
    
75.         break;
    
76.     case MOVE_RIGHT: // 向右平移1,左一列的数据移到当前列中,如此类推
    
77.         for (i=7; i>=1; i--) {
    
78.             FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];
    
79.         }
    
80.         FrameBuffer[i] = Filling;
    
81.         break;
    
82.     default:
    
83.         break;
    
84.     }
    
85. }

复制代码

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：

1. #ifndef__Matrix_H__
   
2. #define__Matrix_H__
   
3. #ifdef__cplusplus
   
4. extern"C" {
   
5. #endif
   
6. #define SET         0x1 //置1操作
   
7. #define CLEAR           0x2 // 清0操作
   
8. #define NEGATE      0x3 //取反操作
   
9. #defineMOVE_UP     0x1 // 向上平移1
   
10. #defineMOVE_DOWN   0x2 // 向下平移1
    
11. #defineMOVE_LEFT   0x3 // 向左平移1
    
12. #defineMOVE_RIGHT 0x4 // 向右平移1
    
13. // 列数据输出到P0口
    
14. #defineMatrixOutputData(Dat) {P0 = (Dat);}
    
15. // P2口输出对应列的扫描选择线,低有效
    
16. #defineMatrixOutputSelect(Select) {P2 = ~(1<<(Select));}
    
17. void MatrixClearScreen(void);
    
18. void MatrixMove(unsigned char Direction, unsigned char Filling);
    
19. unsigned char*MatrixGetBuffer(void);
    
20. void MatrixScan(void);
    
21. void MatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation);
    
22. #ifdef__cplusplus
    
23. }
    
24. #endif
    
25. #endif/*__Matrix_H__*/
    
26. 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：
    
27. #include"reg52.h"
    
28. #include"Matrix.h"
    
29. // 心形坐标数据
    
30. static unsigned charcode HeartShape[][2] = {
    
31. {3, 3}, {4, 2}, {5,3}, {5, 4}, {4, 5},
    
32. {3, 6}, {2, 5}, {1,4}, {1, 3}, {2, 2},
    
33. };
    
34. 
    
35. // 以定时器时间为计时标准，记录时间间隔
    
36. static volatileunsigned int SystemTick = 0;
    
37. // 定时器1.5ms中断处理进行数码管刷新
    
38. void T0_Interrupt()interrupt 1
    
39. {
    
40.     TH0 = (65536-1500) / 256;
    
41.     TL0 = (65536-1500) % 256;
    
42.     SystemTick++; // 记录时间间隔
    
43.     MatrixScan(); // 刷新数码管
    
44. }
    
45. 
    
46. void T0_Init()
    
47. {
    
48.     TMOD = 0x01; // 定时器0工作方式1
    
49.     // 1.5ms计时中断(12M)
    
50.     TH0 = (65536-1500) / 256;
    
51.     TL0 = (65536-1500) % 256;
    
52.     ET0 = 1; // 定时器T0中断允许
    
53.     EA = 1; // 总中断允许
    
54. }
    
55. 
    
56. void main()
    
57. {
    
58.     unsigned char *pBuffer;
    
59.     unsigned char State = 0;
    
60.     unsigned char Point;
    
61.     unsigned char Direction;
    
62.     unsigned char DataAnd;
    
63.     unsigned char i;
    
64.     // 定时器初始化
    
65.     T0_Init();
    
66.     // 获得点阵显存，以作数据处理
    
67.     pBuffer = MatrixGetBuffer();
    
68.     // 点阵屏清屏
    
69.     MatrixClearScreen();
    
70.     // 开启定时器进行计时以及点阵扫描
    
71.     TR0 = 1;
    
72.     Point = 0;
    
73.     while(1) {
    
74.        switch (State) {
    
75.        case 0:    //状态0为逐点打出心形
    
76.            if (SystemTick > 334) { // 500ms打心形的一个点
    
77.               SystemTick = 0;
    
78.            MatrixSetPoint(HeartShape[Point][0],HeartShape[Point][1], CLEAR);
    
79.               Point++;
    
80.               if (Point >sizeof(HeartShape)/sizeof(HeartShape[0])) {
    
81.                   State = 1; // 心形打完,进入状态1,是否到边界判断
    
82.                   Direction = TL0& 0x3; // 随机得出心形的移动方向
    
83.               }               
    
84.            }
    
85.            break;
    
86.        case 1:    // 状态1为心形是否移动到点阵屏边界的判断
    
87.            switch (Direction) { // 移动方向判断是否到相应方向的边界
    
88.            case 0:    // 左边界判断
    
89.               // 第一列的点有一个亮,则认为图形到了左边界
    
90.               if (pBuffer[0] !=0xff) {
    
91.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
    
92.               } else {
    
93.                   State = 2; // 未到左边界,进入状态2进行左平移
    
94.               }
    
95.               break;
    
96.            case 1:    // 右边界判断
    
97.               // 第八列的点有一个亮,则认为图形到了右边界
    
98.               if (pBuffer[7] !=0xff) {
    
99.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
    
100.               } else {
     
101.                   State = 2; // 未到右边界,进入状态2进行右平移
     
102.               }
     
103.               break;
     
104.            case 2:    // 上边界判断
     
105.               // 所有列的第一行点有一个亮,则认为图形到了上边界
     
106.               DataAnd = 0xff;
     
107.               for (i=0; i<8; i++) {
     
108.                  DataAnd &= pBuffer[i];
     
109.               }
     
110.               if (DataAnd & 0x1) {
     
111.                   State = 2; // 未到上边界,进入状态2进行上平移                           
     
112.               } else {
     
113.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
     
114.               }
     
115.               break;
     
116.            case 3:    // 下边界判断
     
117.               // 所有列的第八行点有一个亮,则认为图形到了下边界
     
118.               DataAnd = 0xff;
     
119.               for (i=0; i<8; i++) {
     
120.                  DataAnd &= pBuffer[i];
     
121.               }
     
122.               if (DataAnd & 0x80) {
     
123.                   State = 2; // 未到下边界,进入状态2进行下平移                           
     
124.               } else {
     
125.                   Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
     
126.               }
     
127.               break;
     
128.            default:
     
129.               break;
     
130.            }
     
131.            break;
     
132.        case 2:    // 状态2为对点阵屏平移
     
133.            if (SystemTick < 667){  // 1s平移1次
     
134.               continue;
     
135.            }
     
136.            SystemTick = 0;
     
137.            switch (Direction) {
     
138.            case 0:    // 左平移,平移后的空缺位置灭
     
139.               MatrixMove(MOVE_LEFT, 0xff);
     
140.               break;
     
141.            case 1: // 右平移,平移后的空缺位置灭
     
142.               MatrixMove(MOVE_RIGHT,0xff);
     
143.               break;
     
144.            case 2:    // 上平移,平移后的空缺位置灭
     
145.               MatrixMove(MOVE_UP, 0xff);
     
146.               break;
     
147.            case 3:    // 下平移,平移后的空缺位置灭
     
148.               MatrixMove(MOVE_DOWN, 0xff);
     
149.               break;
     
150.            default:
     
151.               break;
     
152.            }
     
153.            State = 1; // 平移后再进入状态1进行边界检测
     
154.            break;
     
155.        default:
     
156.            break;
     
157.        }  
     
158.     }
     
159. }

复制代码