51單片機(jī)開(kāi)發(fā)系列四_LED點(diǎn)陣掃描顯示
LED點(diǎn)陣屏發(fā)光亮度強(qiáng)，指示效果好，可以制作運(yùn)動(dòng)的發(fā)光圖文，更容易吸引人的注意力，信息量大，隨時(shí)更新，有著非常好的廣告和告示效果。筆者此處就LED點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)掃描顯示作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
1. LED點(diǎn)陣屏顯示原理概述圖1-1為一種8x8的LED點(diǎn)陣單色行共陽(yáng)模塊的內(nèi)部等效電路圖，對(duì)于紅光LED其工作正向電壓約為1.8v，其持續(xù)工作的正向電流一般10ma左右，峰值電流可以更大。如下圖，當(dāng)某一行線為高電平而某一列線為低時(shí)，其行列交叉的點(diǎn)就被點(diǎn)亮，當(dāng)某一行線為低電平時(shí)，無(wú)論列線如何，對(duì)應(yīng)的這一行的點(diǎn)全部為暗。LED點(diǎn)陣屏顯示就是通過(guò)一定的頻率進(jìn)行逐行掃描，數(shù)據(jù)端不斷輸入數(shù)據(jù)顯示，只要掃描頻率足夠高，由于人眼的視覺(jué)殘留效應(yīng)，就可以看到完整的文字或圖案信息。通常有4、8、16線掃描方式，掃描行數(shù)越少，點(diǎn)陣的顯示亮度越好，但相應(yīng)硬件數(shù)據(jù)寄存器需求也越多。
圖1-1 點(diǎn)陣內(nèi)部原理圖
2. 硬件設(shè)計(jì)微控制器的IO口均不能流過(guò)過(guò)大的電流，LED點(diǎn)亮?xí)r有約10ms的電流，因此LED點(diǎn)陣引腳不要直接接單片機(jī)IO口，應(yīng)先經(jīng)過(guò)一個(gè)緩沖器74HC573。單片機(jī)IO口只需很小的電流控制74HC573即可間接的控制LED點(diǎn)陣某一行(或某一列)，而74HC573輸出也能負(fù)載約10ms的電流。設(shè)置LED每點(diǎn)驅(qū)動(dòng)電流為ID=15ma，這個(gè)電流點(diǎn)亮度好，并且有一定的裕度，即使電源輸出電壓偏高也不會(huì)燒毀LED，限流電阻值
R = (VCC- VCE– VOL– VLED) / ID
VCC為5v供電，VCE為三極管C、E間飽和電壓，估為0.2v， VOL為74hc573輸出低電平時(shí)電壓，不同灌電流，此值不一樣，估為0.2v，具體查看規(guī)格書(shū)，VLED為紅光驅(qū)動(dòng)電壓，估為1.7v，根據(jù)上式可算出限流電阻為R = 200R。
LED點(diǎn)陣屏需接收逐個(gè)掃描信號(hào)，掃描到相應(yīng)列(或行)，對(duì)應(yīng)的列(或行)數(shù)據(jù)有效，即顯示這一列(或行)的信息。一般產(chǎn)生掃描信號(hào)是需要采用專(zhuān)門(mén)的譯碼器，如三線八線譯碼器74HC138，這樣可硬件保證任意時(shí)刻只有一列(或一行)正在掃描，并且可減少微控制器的IO口占用。市面上的51開(kāi)發(fā)板對(duì)于LED點(diǎn)陣屏的設(shè)計(jì)基本都沒(méi)有采用譯碼器，直接用單片機(jī)IO產(chǎn)生掃描信號(hào)，為兼容軟件，筆者此處也不加譯碼器，軟件保證IO口產(chǎn)生相應(yīng)的掃描信號(hào)。
當(dāng)某一列(或一行)LED點(diǎn)均點(diǎn)亮?xí)r，電流約15max8=90ma流過(guò)這一列(或一行)公共端，微控制器IO口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)這個(gè)電流，需加三極管驅(qū)動(dòng)，由于51單片機(jī)低電平灌電流較大，因此適合采用PNP三極管作為驅(qū)動(dòng)。三極管基極電流設(shè)為2ma即可讓三極管飽和，最大驅(qū)動(dòng)電流遠(yuǎn)大于90ma?；鶚O偏置電阻阻值
Rb=(VCC- VEB– VOL) / IB
VCC為5v供電，VEB為三極管E、B間的導(dǎo)通電壓0.7v，VOL為單片機(jī)IO口輸出低電平時(shí)電壓，可根據(jù)規(guī)格書(shū)估為0.2v，故Rb= 2k即可。
圖2-1 8X8共陰LED點(diǎn)陣原理圖
3. 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣數(shù)據(jù)口接P0口，掃描選擇線接P2口的0~7位。對(duì)于動(dòng)態(tài)掃描，都是有一個(gè)掃描頻率的，LED屏掃描頻率下限為50HZ，低于一定的掃描頻率，顯示會(huì)閃爍。頻率過(guò)高，則亮度較差且占用cpu資源。一般整個(gè)屏掃描一遍時(shí)間為約10ms較合適(即掃描頻率100HZ)，我們采用的是8線掃描方式，每一行點(diǎn)亮?xí)r間為1.5ms，掃描一遍為12ms。為保證這個(gè)刷新頻率，通常是通過(guò)定時(shí)器來(lái)周期性進(jìn)行點(diǎn)陣屏刷新。
顯示屏顯示往往會(huì)涉及到畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線、畫(huà)圖等復(fù)雜的運(yùn)算，改變屏幕的信息，只需處理顯存中的數(shù)據(jù)，因此對(duì)于顯示屏，是需要開(kāi)辟出一塊內(nèi)存空間作為顯存使用的。8X8點(diǎn)陣每個(gè)點(diǎn)可用1 bit表示，一行1字節(jié)，顯存8字節(jié)即可。由于點(diǎn)陣屏像素點(diǎn)太少，沒(méi)有必要實(shí)現(xiàn)畫(huà)線、畫(huà)圖等復(fù)雜操作，筆者此處僅對(duì)點(diǎn)陣屏畫(huà)點(diǎn)、文字上下左右移動(dòng)進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。
點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.c內(nèi)容如下：
#include"reg52.h"
#include"Matrix.h"
// 每個(gè)LED點(diǎn)需1位保存,8X8點(diǎn)陣需8字節(jié)顯存
static unsigned char FrameBuffer[8];
// 外部模塊通過(guò)該函數(shù)獲得顯存內(nèi)存位置進(jìn)行處理
unsigned char *MatrixGetBuffer()
{
return FrameBuffer;
}
// 點(diǎn)陣刷新,保證以一定周期調(diào)用刷新
void MatrixScan()
{
static unsigned char Select =0; // 記錄掃描的選擇線
// 列數(shù)據(jù)輸出到點(diǎn)陣數(shù)據(jù)端口
MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
// 掃描信號(hào)輸出到點(diǎn)陣掃描選擇端口
MatrixOutputSelect(Select);
Select++; // 進(jìn)入到下一行掃描
if (Select >= 8) {
Select= 0; // 所有行已掃描，回到第一行再次開(kāi)始掃描
}
}
// LED點(diǎn)陣屏打點(diǎn)函數(shù),對(duì)(x, y)位置進(jìn)行亮,滅,狀態(tài)取反
voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)
{
if (x>7 "| y>7) { // 位置保證在點(diǎn)陣屏區(qū)域內(nèi)
return;
}
switch (Operation) {
case SET: // (x, y)位置置位,燈滅
FrameBuffer[x] |= 1<< y;
break;
case CLEAR: // (x, y)位置清零,燈亮
FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);
break;
case NEGATE: // (x, y)位置取反,燈狀態(tài)改變
FrameBuffer[x] ^= 1<< y;
break;
default:
break;
}
}
// LED點(diǎn)陣屏清屏,顯存對(duì)應(yīng)1的位置,燈滅,0相應(yīng)的燈才點(diǎn)亮
voidMatrixClearScreen()
{
unsigned char i;
for (i=0; i<8; i++) {
FrameBuffer[i] = 0xff;
}
}
// 點(diǎn)陣平移,上下左右四個(gè)方向平移1,平移空缺位置用數(shù)據(jù)Filling填充
void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)
{
unsigned char i;
switch (Direction) { // 判斷平衡的方向
case MOVE_UP: // 向上平移1,每列數(shù)據(jù)第7位移到第6位,如此類(lèi)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,每列數(shù)據(jù)第0位移到第1位,如此類(lèi)推
for (i=0; i<8; i++) {
FrameBuffer[i]= (FrameBuffer[i]<<1) | ((Filling>>i)&0x01);
}
break;
case MOVE_LEFT: // 向左平移1,右一列的數(shù)據(jù)移到當(dāng)前列中,如此類(lèi)推
for (i=0; i<7; i++) {
FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i+1];
}
FrameBuffer[i] = Filling;
break;
case MOVE_RIGHT: // 向右平移1,左一列的數(shù)據(jù)移到當(dāng)前列中,如此類(lèi)推
for (i=7; i>=1; i--) {
FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];
}
FrameBuffer[i] = Filling;
break;
default:
break;
}
}
我們?cè)邳c(diǎn)陣屏模塊頭文件Matrix.h中實(shí)現(xiàn)模塊的宏定義及接口訪問(wèn)宏實(shí)現(xiàn)，使之方便移植及修改接口配置。模塊頭文件同時(shí)也引出模塊的接口函數(shù)，如MatrixScan()為點(diǎn)陣屏刷新函數(shù)，需周期性調(diào)用刷新點(diǎn)陣屏顯示。點(diǎn)陣屏動(dòng)態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.h內(nèi)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
// 列數(shù)據(jù)輸出到P0口
#defineMatrixOutputData(Dat) {P0 = (Dat);}
// P2口輸出對(duì)應(yīng)列的掃描選擇線,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__*/
外部應(yīng)用通過(guò)引入點(diǎn)陣屏的模塊頭文件Matrix.h來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)用點(diǎn)陣屏驅(qū)動(dòng)函數(shù)，簡(jiǎn)單測(cè)試調(diào)用(心形在點(diǎn)陣屏內(nèi)隨機(jī)平移)實(shí)現(xiàn)如下：
#include"reg52.h"
#include"Matrix.h"
// 心形坐標(biāo)數(shù)據(jù)
static unsigned charcode HeartShape[][2] = {
{3, 3}, {4, 2}, {5,3}, {5, 4}, {4, 5},
{3, 6}, {2,
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