普中51单片机：LED点阵屏组成结构及实现方法详解（九）

2024-07-20 08:08:58

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文章目录

  • 引言
  • 什么是LED点阵屏？
  • 工作原理
  • 74HC595移位寄存器
    • 基本引脚作用
    • 级联工作原理
  • 电路图
  • 代码演示——16*16LED点阵屏轮播点亮每行LED
  • 代码演示——显示数字0
  • 代码演示——16*16游动字幕显示

引言

LED点阵屏作为一种广泛应用于现代显示技术的设备，因其能够高效、清晰地展示文字、图形和视频内容而备受青睐。它们在广告宣传、公共信息发布、交通指引、舞台背景等领域具有重要作用。本文将详细介绍LED点阵屏的工作原理、组成结构及其实现方法，以16x16点阵屏为例进行具体说明，并展示如何通过编程实现LED点阵屏的控制与显示。

什么是LED点阵屏？

LED点阵屏是一种由多个LED（发光二极管）组成的显示设备，通过控制每个LED的亮灭来实现图像和文字的显示。常见的LED点阵屏规格有8x8、16x16等，本文以16x16点阵屏为例进行讲解。根据颜色的不同，LED点阵屏可以分为单色、双色和全彩三种类型，分别适用于不同的应用场景。
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工作原理

LED点阵屏的核心在于如何控制每个LED的亮灭。通常使用行列扫描的方法，通过快速切换行和列的电流来点亮特定的LED。为了实现这一点，常用的控制芯片包括74HC595移位寄存器和MAX7219驱动芯片。利用行线和列线的交叉点上的LED，通过编程控制这些LED的亮灭来实现图像的显示。例如，当某一行电平被拉高，某一列电平被拉低时，对应交叉点的LED就会点亮。需要进行逐行或逐列扫描，利用人眼的余晖效应进行显示。

LED点阵屏的结构类似于数码管，只不过是数码管把每一列的像素以'8'字型排列而已。LED点阵与数码管一样，有共阴极和共阳级两张接法，不同的接法对应的电路结构不同。

  1. 共阳极：所有的LED阳极（正极）连接在一起，通常接到电源正极。点亮某个段时，需将相应的段的阴极（负极）接地 GND。
  2. 共阴极：所有的LED阴极（负极）连接在一起，通常接地。点亮某个段时，需将相应的段的阳极（正极）接电源正极。

在之前第四章数码管也提到的对应讲解：普中51单片机：数码管显示原理与实现详解（四）

74HC595移位寄存器

74HC595是一种常用的串行输入并行输出移位寄存器。它可以将串行数据转换为并行数据，从而控制多个LED。通过级联多个74HC595，可以控制更大规模的LED矩阵。LED点阵屏因为需要多个IO引脚，所以需要使用到74HC595芯片。

基本引脚作用

74HC595移位寄存器有三个主要引脚用于数据传输：

  • DS（数据输入）：串行数据输入引脚。（引脚14）
  • SH_CP（移位时钟）：每次时钟脉冲时，数据向移位寄存器中移位一位。（引脚11）
  • ST_CP（存储时钟）：将移位寄存器中的数据锁存到输出寄存器中。（引脚12）

此外，还有一个 OE（输出使能） 13引脚，用于控制输出是否有效。具体根据电路图上的引脚序号进行查看和说明。在此博客中对74HC595芯片进行的讲解：深入解析74HC595移位寄存器的工作原理

级联工作原理

本次采用的时候16*16LED点阵屏作为演示，所以需要用到级联，级联工作原理与单独595芯片类似，主要分为四个步骤：

  1. 数据输入：数据通过串行输入引脚（SER）输入到第一个74HC595芯片的移位寄存器中。每个时钟脉冲（SCK）的上升沿会使移位寄存器中的数据向左移动一位，新的数据从SER输入。
  2. 数据移位：在每个时钟脉冲的上升沿，移位寄存器中的数据向左移动一位，新的数据从SER输入并进入移位寄存器的最低位。当移位寄存器填满8位数据后，继续输入的数据会从移位寄存器的最后一个位（Q7）挤出，并从串行数据出口引脚（引脚9）输出。
  3. 级联连接：将第一个74HC595芯片的串行数据出口引脚（引脚9）连接到下一个74HC595芯片的串行数据输入引脚（SER）。这样，第一个芯片移位寄存器中的数据在填满后，会自动通过引脚9传递到下一个芯片的移位寄存器中，形成级联。可以继续将下一个74HC595芯片的串行数据出口引脚连接到再下一个芯片的串行数据输入引脚，以此类推，实现多级级联。
  4. 数据锁存：当需要将移位寄存器中的数据输出到并行输出引脚时，通过输出寄存器时钟引脚（RCLK）提供一个上升沿的时钟信号。在RCLK的上升沿，移位寄存器中的数据被锁存到输出寄存器中，并通过并行输出引脚（Q0-Q7）输出。

通常将OE引脚接地（GND），确保输出引脚始终处于使能状态。低电平时使能输出，高电平时禁止输出。

电路图

博主使用的是四个74HC595芯片操作的LED点阵，操作原理相同，由74HC595电路图和LED点阵屏1616电路图可知第三片和第四片的74HC595芯片（级联）用于控制LED点阵屏1616的每一列的阴极（系统默认连接），行需要自行进行连接（第一片控制前八行的阳极，第二片控制后八行的阳极）。

  • LED点阵屏16*16电路图

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  • 74HC595电路图

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代码演示——16*16LED点阵屏轮播点亮每行LED

主函数中的两个循环分别控制LED点阵的前8行和后8行。每个循环中的 hc595_write_data 调用负责发送行数据和清零数据，以实现行的控制。

#include <REGX52.H>

sbit SRCLK = P3^6;
sbit RCK = P3^5;
sbit SEK = P3^4;

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void hc595_write_data(unsigned char dat1,unsigned char dat2,unsigned char dat3,unsigned char dat4)
{
	int i = 0;
	//第四片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat4>>7;
		dat4<<=1;
		SRCLK = 0;
		DelayXms(1);
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		DelayXms(1);
	}
	//第三片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat3>>7;
		dat3<<=1;
		SRCLK = 0;
		DelayXms(1);
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		DelayXms(1);
	}
	//第二片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat2>>7;
		dat2<<=1;
		SRCLK = 0;
		DelayXms(1);
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		DelayXms(1);
	}
	//第一片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat1>>7;
		dat1<<=1;
		SRCLK = 0;
		DelayXms(1);
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		DelayXms(1);
	}
	RCK = 0;
	SRCLK = 1;//产生上升沿,进行存储输出
	RCK = 1;
}

unsigned char hc595_arrbuf[] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};

void main()
{
	unsigned int i = 0;
	while(1)
	{
		for(i = 0;i < 8;i++)//1到8行
		{
			hc595_write_data(hc595_arrbuf[i],0x00,0x00,0x00);
			DelayXms(1000);		
			hc595_write_data(0x00,0x00,0x00,0x00);
		}
		for(i = 0;i < 8;i++)//8到16行
		{
			hc595_write_data(0x00,hc595_arrbuf[i],0x00,0x00);
			DelayXms(1000);		
			hc595_write_data(0x00,0x00,0x00,0x00);
		}
	}
}

代码演示——显示数字0

这段代码是用于控制LED点阵显示数字0的程序，因为是16*16的LED点阵屏使用了四个74HC595移位寄存器进行级联。hc595_col 数组定义了显示数字0的列数据，可以使用对应取模软件进行数据获取。在单片机编程中，_nop_() 是一个非常有用的内联函数，它的作用是执行一个空操作（No Operation）。简单来说，它不进行任何实质性的操作，但会消耗一个或多个机器周期的时间。用于进行纳秒级别延时。实物图连接：SRCLK 是移位寄存器时钟引脚，连接到P3.6。RCK 是存储寄存器时钟引脚，连接到P3.5。SEK 是串行数据输入引脚，连接到P3.4。显示汉字同理。

#include <REGX52.H>
#include <intrins.h>

sbit SRCLK = P3^6;
sbit RCK = P3^5;
sbit SEK = P3^4;

void DelayXms(unsigned int xms)	//@12.000MHz
{
	unsigned char data i, j;
	
	while(xms)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
		xms--;
	}
}

void hc595_write_data(unsigned char dat1,unsigned char dat2,unsigned char dat3,unsigned char dat4)
{
	int i = 0;
	//第四片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat4>>7;
		dat4<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第三片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat3>>7;
		dat3<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第二片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat2>>7;
		dat2<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第一片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat1>>7;
		dat1<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	RCK = 0;
	SRCLK = 1;//产生上升沿,进行存储输出
	RCK = 1;
}
unsigned char hc595_col[] = {0x00,0x00,0x00,0x00,0xE0,0x07,0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,
0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,0x10,0x08,0xE0,0x07,0x00,0x00,0x00,0x00};
unsigned char hc595_row[] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80};

void main()
{
	unsigned int i = 0;
	while(1)
	{
		for(i = 0;i < 16;i++)
		{
			hc595_write_data(hc595_row[i],hc595_row[i+16],~hc595_col[i*2],~hc595_col[i*2+1]);
			_nop_();;		
			hc595_write_data(0x00,0x00,0x00,0x00);
		}
	}
}

代码演示——16*16游动字幕显示

这段代码是游动字幕显示：Hello!字符，main 函数中的无限循环不断刷新LED矩阵的显示。通过 offset 变量控制动画的播放，每10次刷新后更新 offset，实现动画的循环播放。使用 code 关键字定义的数组存储在代码存储区，通常用于存储只读数据，如动画帧数据。MatrixLed_ShowColumn 函数根据列索引 column 决定如何显示数据。当列索引大于或等于8时，选择第9到16列；否则选择第1到8列。通过位操作选择特定的列。hc595_write_data 函数用于将数据发送到四片74HC595移位寄存器。每片595接收8位数据，通过控制 SEK 引脚发送数据位，SRCLK 引脚控制数据移位。

#include <REGX52.H>
#include <intrins.h>

sbit SRCLK = P3^6;
sbit RCK = P3^5;
sbit SEK = P3^4;

void hc595_write_data(unsigned char dat1,unsigned char dat2,unsigned char dat3,unsigned char dat4)
{
	int i = 0;
	//第四片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat4>>7;
		dat4<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第三片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat3>>7;
		dat3<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第二片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat2>>7;
		dat2<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	//第一片595
	for(i = 0;i < 8;i++)
	{
		SEK = dat1>>7;
		dat1<<=1;
		SRCLK = 0;
		_nop_();
		SRCLK = 1;//产生上升沿,进行移位
		_nop_();
	}
	RCK = 0;
	SRCLK = 1;//产生上升沿,进行存储输出
	RCK = 1;
}

void MatrixLed_ShowColumn(unsigned char column,dat1,dat2)
{
	
	if(column >= 8)
	{
		hc595_write_data(dat1,dat2,~0x00,~(0x01<<column - 8));	
	}
	else
	{
		hc595_write_data(dat1,dat2,~(0x01<<column),~0x00);
	}
}

unsigned char code hc595_Animations_row1[] = {0x02,0xFC,0x80,0x80,0x80,0x80,0x00,0x00,0x00,0xC0,0x20,0x10,0x10,0x10,0x20,0x40,
	0x80,0x00,0x04,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x04,0xF8,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
	0x00,0x80,0x40,0x40,0x40,0x40,0x80,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFC,0x00,0x00,0x00,0x00};
unsigned char code hc595_Animations_row2[] = {0x20,0x1F,0x00,0x00,0x00,0x00,0x1F,0x20,0x00,0x07,0x19,0x21,0x21,0x21,0x21,0x11,
	0x08,0x00,0x00,0x1F,0x20,0x20,0x10,0x00,0x00,0x00,0x1F,0x20,0x20,0x10,0x00,0x00,
	0x0F,0x10,0x20,0x20,0x20,0x20,0x10,0x0F,0x00,0x00,0x00,0x37,0x00,0x00,0x00,0x00};

void main()
{
	unsigned char i,offset = 0,count = 0;
	//0到15分别对应1到16列
	while(1)
	{
		for(i = 0;i < 16;i++)
		{
			MatrixLed_ShowColumn(i,hc595_Animations_row1[i+offset],hc595_Animations_row2[i+offset]);
		}
		count++;
		if(count>=10)
		{
			count = 0;
			offset++;
			if(offset == 32)
			{
				offset = 0;	
			}
		}
	}
}
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