51單片機(jī)對LED點陣屏的設(shè)計
LED點陣屏發(fā)光亮度強(qiáng)，指示效果好，可以制作運動的發(fā)光圖文，更容易吸引人的注意力，信息量大，隨時更新，有著非常好的廣告和告示效果。筆者此處就LED點陣屏動態(tài)掃描顯示作一個簡單的介紹。
1. LED點陣屏顯示原理概述
為一種8x8的LED點陣單色行共陽模塊的內(nèi)部等效電路圖，對于紅光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，其行列交叉的點就被點亮，當(dāng)某一行線為低電平時，無論列線如何，對應(yīng)的這一行的點全部為暗。LED點陣屏顯示就是通過一定的頻率進(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 點陣內(nèi)部原理圖
2. 硬件設(shè)計
微控制器的IO口均不能流過過大的電流，LED點亮?xí)r有約10ms的電流，因此LED點陣引腳不要直接接單片機(jī)IO口，應(yīng)先經(jīng)過一個緩沖器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每點驅(qū)動電流為ID=15ma，這個電流點亮度好，并且有一定的裕度，即使電源輸出電壓偏高也不會燒毀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輸出低電平時電壓，不同灌電流，此值不一樣，估為0.2v，具體查看規(guī)格書，VLED為紅光驅(qū)動電壓，估為1.7v，根據(jù)上式可算出限流電阻為R = 200R。
LED點陣屏需接收逐個掃描信號，掃描到相應(yīng)列(或行)，對應(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)生掃描信號是需要采用專門的譯碼器，如三線八線譯碼器74HC138，這樣可硬件保證任意時刻只有一列(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開發(fā)板對于LED點陣屏的設(shè)計基本都沒有采用譯碼器，直接用單片機(jī)IO產(chǎn)生掃描信號，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。
當(dāng)某一列(或一行)LED點均點亮?xí)r，電流約15max8=90ma流過這一列(或一行)公共端，微控制器IO口無法直接驅(qū)動這個電流，需加三極管驅(qū)動，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。三極管基極電流設(shè)為2ma即可讓三極管飽和，最大驅(qū)動電流遠(yuǎn)大于90ma。基極偏置電阻阻值
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口輸出低電平時電壓，可根據(jù)規(guī)格書估為0.2v，故Rb= 2k即可。
圖2-1 8X8共陰LED點陣原理圖
3. 驅(qū)動實現(xiàn)
LED點陣數(shù)據(jù)口接P0口，掃描選擇線接P2口的0~7位。對于動態(tài)掃描，都是有一個掃描頻率的，LED屏掃描頻率下限為50HZ，低于一定的掃描頻率，顯示會閃爍。頻率過高，則亮度較差且占用cpu資源。一般整個屏掃描一遍時間為約10ms較合適(即掃描頻率100HZ)，我們采用的是8線掃描方式，每一行點亮?xí)r間為1.5ms，掃描一遍為12ms。為保證這個刷新頻率，通常是通過定時器來周期性進(jìn)行點陣屏刷新。
顯示屏顯示往往會涉及到畫點、畫線、畫圖等復(fù)雜的運算，改變屏幕的信息，只需處理顯存中的數(shù)據(jù)，因此對于顯示屏，是需要開辟出一塊內(nèi)存空間作為顯存使用的。8X8點陣每個點可用1 bit表示，一行1字節(jié)，顯存8字節(jié)即可。由于點陣屏像素點太少，沒有必要實現(xiàn)畫線、畫圖等復(fù)雜操作，筆者此處僅對點陣屏畫點、文字上下左右移動進(jìn)行代碼實現(xiàn)。
點陣屏動態(tài)顯示功能模塊文件Matrix.c內(nèi)容如下：
#include“reg52.h”
#include“Matrix.h”
// 每個LED點需1位保存，8X8點陣需8字節(jié)顯存
static unsigned char FrameBuffer[8];
// 外部模塊通過該函數(shù)獲得顯存內(nèi)存位置進(jìn)行處理
unsigned char *MatrixGetBuffer()
{
return FrameBuffer;
}
// 點陣刷新，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)輸出到點陣數(shù)據(jù)端口
MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
// 掃描信號輸出到點陣掃描選擇端口
MatrixOutputSelect(Select);
Select++; // 進(jìn)入到下一行掃描
if (Select 》= 8) {
Select= 0; // 所有行已掃描，回到第一行再次開始掃描
}
}
// LED點陣屏打點函數(shù)，對(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點陣屏清屏，顯存對應(yīng)1的位置，燈滅，0相應(yīng)的燈才點亮
voidMatrixClearScreen()
{
unsigned char i;
for (i=0; i《8; i++) {
FrameBuffer[i] = 0xff;
}
}
// 點陣平移，上下左右四個方向平移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，如此類推
for (i=7; i》=1; i--) {
FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];
}
FrameBuffer[i] = Filling;
break;
default：
break;
}
}
我們在點陣屏模塊頭文件Matrix.h中實現(xiàn)模塊的宏定義及接口訪問宏實現(xiàn)，使之方便移植及修改接口配置。模塊頭文件同時也引出模塊的接口函數(shù)，如MatrixScan()為點陣屏刷新函數(shù)，需周期性調(diào)用刷新點陣屏顯示。點陣屏動態(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)用通過引入點陣屏的模塊頭文件Matrix.h來實現(xiàn)調(diào)用點陣屏驅(qū)動函數(shù)，簡單測試調(diào)用(心形在點陣屏內(nèi)隨機(jī)平移)實現(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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