51单片机实现LED点阵屏动态扫描显示的设计
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
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） / idvcc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） / ibvcc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}
来源；21ic
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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） / idvcc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） / ibvcc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}
来源；21ic
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