玩转16×16LED点阵屏

在单片机发烧友圈子中，有关用单片机驱动LED、数码管、LCD等的入门文章随处可见，有关驱动LED点阵屏的文章则不多，至于真正能够显示一个国标汉字的16×16点阵屏的则更少。本文向大家介绍一款用ATmega48单片机控制16×16点阵屏显示汉字，并可做出多种动画特效的实验小系统，让你尽显编程技巧，尽情玩转16×16点阵屏这一汉字显示最小单位。

原理说明

1.计算机显示汉字的基本原理

计算机显示屏上的汉字实际上是由一组有序排列的像素构成的。如果有笔画的像素不亮，而其周围的像素都是亮的，就能看到一个黑色笔画的汉字。能够清楚地显示一个汉字的最小像素数是16×16=256，这是DOS时代就定下的规矩。现在的Windows有了矢量字体，大大丰富了汉字的显示，能在屏幕上不失真地显示汉字书法的美。

现在回到16×16LED点阵屏，我们的任务是在这块方寸之地显示一个汉字，而且要能上下、左右地滚动，首先要解决的问题就是如何存放这256个汉字笔画像素的信息。

图11.1

图11.2 系统原理图

当初DOS绝不是随便定下16×16，即16行与16列的标准的。在计算机世界里，8位(bit)组成一个字节(byte)，而双字节则构成一个字。于是办法有了，用两个字节共16位来代表一行的信息，16行共32个字节，用某位是0还是1来控制点亮还是熄灭对应位置的像素，就能在16×16LED屏上显示汉字，存放汉字笔画信息的问题解决了。

下一个要解决的问题是如何得到一个汉字的点阵信息。图11.1所示是中国象棋中的帅字，我们将一个汉字的显示区域划分成4个8×8的子区，即A区、B区、C区、D区。显而易见，可以用一个字节来代表一个子区中一行的信息，32个字节就能表示4个子区。获取点阵信息的方法也就随之产生了，我们只要按照某种顺序，依次将这些信息存入一个容量为32的数组就可以了。存取的顺序可以有多种，比如A、B、C、D或A、C、B、D等，存取顺序的不同，没有大的区别，只是影响将来的编程思路。以图11.1为例，我们按横向每行(区的顺序是A、B、C、D)的顺序取得的数据如下(C 语言的表示方式)：

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22,

A　B　A　B　A　B　A　B

0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25,

A　B　A　B　A　B　A　B

0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D,

C　D　C　D　C　D　C　D

0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0

C　D　C　D　C　D　C　D

图11.3 4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系

2.系统原理

从图11.2的原理图中可以看出，单片机ATmega48的3个端口几乎全部用上。端口D和端口B分别控制纵向左(A区和C区)、右(B区和D区)两组8×8点阵模块的列寻址。端口C则通过一个74HC154译码器将4位地址值转换成15个行控制信号。在硬件设计上，这15个控制信号也被分成两组，分别控制横向的上(A区和B区)、下(C区和D区)两组8×8点阵模块的行寻址。

4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系如图11.3所示。搞清这些关系将是软件设计的基础。

硬件介绍

1.单片机主控板

图11.4所示的是AVR单片机最小系统，因为引脚定义完全一致，所以可换插ATmega48/88/168/328系列单片机和ATmega8单片机。这块板子的电路图见图11.5。

图11.4 AVR单片机最小系统

图11.5 AVR单片机最小系统电路图

该板子的一个设计特点是“资源全开放”，因为ATmega48系列单片机具有引脚功能复用的特点，即所有的B端口、D端口和C端口的6个引脚通过插针全部对外开放，使用者负责定义每个引脚的工作模式和状态。例如，在你的程序中使用了串口功能，D端口的PD0 和PD1两个引脚就不能用作I/O。同理，如果系统使用了外部晶体振荡器，则PB7和PB6也不能用作他用。从图4可以看出，端口B和D都将8个引脚通过排针引了出来。而端口C的设计有些独特，不但将引脚引出，还增加了一排VCC插针和一排GND插针，这主要是为了方便接插伺服电机和众多传感器而设计的。大家知道，伺服电机3根引线的排列顺序是信号、VCC、GND，很多传感器也是如此排列3根引脚，而且端口C的引脚从0至5又具有ADC的第二功能。如此一来，需要接插伺服电机和传感器时就方便多了。板子上还提供专门的位置将串口引出。而外部晶体振荡器则通过开关控制其是否接入系统。当然，改变系统振荡源时不要忘记相关标志位的设置。ISP下载部分则是标准的10针插座，可接插多种下载器。

2. 16×16点阵屏模块

这块板子上的主要元件就是4个8×8LED模块和一只74HC154地址译码器，如图11.6所示。本文不准备详述点阵模块这种发光元件的基本原理，爱好者们可以找到很多相关文章，并参照本文前面的说明自行设计搭建。需要强调的是，要搞清模块的引脚排列，不同厂家的产品并不完全相同。另外要搞清模块是共阴的还是共阳的，这主要决定着地址译码器的选择。

图11.6 16×16点阵屏模块

本文中用到的这块板子使用的是共阳模块，就是当某列的引脚为高电位，而某行的引脚为低电位时，处于该行与该列交叉点的LED被点亮。74HC154译码器的输出为低电平有效，因此，当单片机端口B和D的某个引脚输出高电位即1时，此时74HC154译码器的某个引脚有效(输出低电平)，则处于交叉点的LED被点亮。

3.系统搭建

图11.7 系统搭建方法

系统搭建非常简单，如图11.7所示。使用两根8线排缆将单片机主控板的D端口和B端口分别与16×16点阵屏的对应端口插接，用一组4线杜邦头的跳线将单片机主控板C端口的0～3 与16×16点阵屏的4位地址线接插，另用一根电源引线通过单片机主控板C端口任意一组VCC、GND插针引出接入16×16点阵屏，即可完成系统搭建。

程序

所谓程序就是数据+算法。首先设计一个有效的数据结构，再根据硬件电路的寻址方式，有序地将数据送达正确的点位(算法)，我们要求的图案就显示出来了。

笔者选取了几个例子与爱好者朋友分享，作为抛砖引玉，相信朋友们会设计出更丰富多彩的程序。

一个汉字垂直向上移动例程序

#include

#include

#include

#pragma data:eeprom

//中国象棋中的帅字点阵，存储在EEPROM中

char table[]={

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22, 0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25, 0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D, 0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0};

#pragma data:data

//一个粗略的延时子程

void delay_1ms(void)

{

unsigned int i;

for (i=1;i < 1000;i++) ;

}

//端口初始化函数

void port_init(void)

{

PORTB=0x00;

DDRB=0xFF;

PORTC=0x00;

DDRC=0x0F;

PORTD=0x00;

DDRD=0xFF;

}

void main(void)

{

char i,K,L;

char B_port[32];

port_init();//数据准备

for (i=0;i <32;i++)

{//从EEPROM 读出数据，初始化数组B_port。

EEPROM_READ(i, B_port[i]);

}

K=0;//初始化计数变量K

while(1)//无限循环

{

for(L=0;L<10;L++)//滚屏速度控制

{

for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新

{

PORTD=B_port[i*2];//送端口D

PORTB=B_port[i*2+1];//送端口B

PORTC=i;//行寻址

delay_1ms();

}

}

//将数组中的数据都顺序向前移动一排

for (i=0;i < 29;i+=2)

{

B_port[i]=B_port[i+2];

B_port[i+1]=B_port[i+3];

}

//从EEPROM中取出两个字节，填充到数组最后两个单元中

EEPROM_READ(K, B_port[30]);

K++;

EEPROM_READ(K, B_port[31]);

K++;

if (K >=32)//行更新计数

K=0;

}

}

1.数据准备

从本文前述关于16×16点阵汉字信息的提取，结合实例中的硬件寻址方式，大家不难想象，只要将这32个字节顺序存入一个数组，然后每两个字节为一组送往D端口和B端口形成列地址，再通过C端口给出行地址，对应行的LED将被选中，位于D、B端口字节中高电位的LED被点亮，其他的不亮，该行的点阵就形成了。如此动作16次，将32个字节依次送出，一帧(16×16点阵)的图案就显示出来了。我们只要以小于1ms的时间间隔循环做这组动作，一个汉字(或图案)就能稳定地显示在点阵屏上。

2.文字上下滚动

让汉字在16×16点阵屏上、下滚动(垂直移动)是最为简单的动作。

向右水平移动汉字例程序

#include

#include

//中国象棋中的帅字点阵，以数组形式存储在RAM中

char table[]={

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x 22,

0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x 25,

0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x 2D,

0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0x F0};

//工作数组

char A_array[16][4];

//一个粗略的延时子程

void delay_1ms(void)

{

unsigned int i;

for (i=1;i < 1000;i++) ;

}

//端口初始化函数

void port_init(void)

{

PORTB=0x00;

DDRB=0xFF;

PORTC=0x00;

DDRC=0x0F;

PORTD=0x00;

DDRD=0xFF;

}

//数据准备函数

void A_arr_prepare(void)

{

char i,j;

for (i=0;i < 16;i++)

{

j=i*2;

A_array[i][3]=table[j];

A_array[i][2]=table[j+1];

A_array[i][1]=0;

A_array[i][0]=0;

}

}

void main(void)

{

char i,L;

char m0,m1,m2,m3;

//用于存储移出位的变量

port_init();

//数据准备

A_arr_prepare();

while(1)

{

for(L=0;L < 10;L++)//滚屏速度控制

{

for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新

{

PORTD=A_array[i][1];

PORTB=A_array[i][0];

PORTC=i;

delay_1ms();

}

}

//整屏数据右移一列

for (i=0;i < 16;i++)

{

if (A_array[i][0] & 0x01==1)

//保留移出位

m0=0x80;//如果是1，保留在高位。

else

m0=0;

if (A_array[i][1] & 0x01==1)

m1=0x80;

else

m1=0;

if (A_array[i][2] & 0x01==1)

m2=0x80;

else

m2=0;

if (A_array[i][3] & 0x01==1)

m3=0x80;

else

m3=0;

A_array[i][3]=A_array[i][3]>>1;//字节右移一位

A_array[i][3]=A_array[i][3] | m0;//将前一字节的高位移入

A_array[i][2]=A_array[i][2]>>1;

A_array[i][2]=A_array[i][2] | m3;

A_array[i][1]=A_array[i][1]>>1;

A_array[i][1]=A_array[i][1] | m2;

A_array[i][0]=A_array[i][0]>>1;

A_array[i][0]=A_array[i][0] | m1;

}

}

}

向上滚动时的流程图如图11.8所示，其实现程序在ICC 7平台调试通过。这个小例程使用EEPROM存储汉字点阵信息，主要是作为练习，爱好者也可以使用RAM中的数组省去EEPROM的读动作。

3. 文字左右移动

左右移动(水平横向移动)稍微复杂一些，因为要进行数据位的循环移动。在下面的例子中，我们使用一个二维数组A_array[16][4]，目的是在汉字水平移动时有一个字的空格，当然你也可以试着只留半个空格或不留空格。此例程没有使用EEPROM，而是在RAM中建立一个存放点阵数据的数组table[ ]。在数据准备阶段，将数组table[ ]中的数据导入数组A_array[16][4]的后两列，即A_array[16][3]和A_array[16][2]。显示完一帧后，再对这16组4个字节向右移位，实现整帧的右移。数组A_array[16][4]的移动动作顺序如图11.9所示，该例程的流程图如图11.10所示。

图11.8 文字向上滚动的流程图

图11.9 数组A_array[16][4]的移动动作顺序

图11.10 文字向右移动的流程图

拓展练习

本文仅对16×16点阵屏做一浅显介绍，相信单片机爱好者可以借助这个小平台玩出许多花样，例如对角移动、中心开花、中心会聚、对称分开或合拢，以及多字连续移动等。文中例程序是用C语言写的，也可以使用BASIC语言，里面的一些函数可以改成汇编语言的，将会显著提高效率。现在，很多爱好者玩起了Arduino，同样可以驱动这个16×16点阵屏，只是由于Arduino端口开放得不全，所以要加锁存器，并分步传送数据，程序会稍微复杂些，但基本思路是相似的。

实验分享——单片机控制LED点阵实验

一、设计目的

设计一个单片机控制的LED点阵显示系统，基本要求为：LED点阵能够“心型”图形。然后在此基础上，可以自行增加功能，例如但不限于：交替显示“心型”一个自定义图形。（自定义图形可选但不限于下列图形：Δ、▲、△、◆、◇、★、☆、♀、♂等）。所谓交替显示是指点阵中依次显示A、B、C三种文字或图形（每个图形点亮若干时间）并循环往复。

二、设计任务及要求

1.学习课程资料中附上的“普中51单片机开发攻略--A5(V5.5).pdf” 其中的第16 章LED 点阵实验。

2.学习完该内容后，设计一个单片机控制的LED点阵显示系统，基本要求为：LED点阵能够“心型”图形。然后在此基础上，同学们可以自行增加功能，例如但不限于：交替显示“心型”一个自定义图形。（自定义图形可选但不限于下列图形：Δ、▲、△、◆、◇、★、☆、♀、♂等）。所谓交替显示是指点阵中依次显示A、B、C三种文字或图形（每个图形点亮若干时间）并循环往复。

3.使用单片机开发板可能需要用到的知识及软件：

详见“普中51单片机开发攻略--A5(V5.5).pdf” --2.2 开发板使用方法（18到25页内容）

三、方案设计

首先将符号进行字模提取，并且编写程序，将单片机的2口和3口作为输出口，分别接入LED点阵的上下两排引脚。使用扫描的方式，使LED点阵可以正常的显示。进一步设计，增加延时函数，使得在一个图形显示完后，能够紧接着显示另一个图像，并循环往复，最终完成设计。

（一）前期准备

心形点阵图

图片

图片

图片

（二）软件设计

#include<reg52.h>

char code hang0[]={0x18,0x24,0x42,0x84,0x84,0x42,0x24,0x18};

char code hang1[]={0x18,0x24,0x42,0x81,0x81,0x42,0x24,0x18};

char code hang2[]={0x18,0x3C,0x7E,0xFF,0xFF,0x7E,0x3C,0x18};

char code lie1[]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F};

char code lie0[]={0x7F,0xBF,0xDF,0xEF,0xF7,0xFB,0xFD,0xFE};

int i;

int num;

int m;

int n;

int c;

void delay(int a)

{

while(a--);

}

void main(){

int t;

t=6;

n=0;

while(1){

n++;

c=n%2;

for(i=0;i<1500;i++){

if(i<500)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang0[num];

delay(t);

}

}

if(i>=500&&i<1000)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang1[num];

delay(t);

}

}

if(i>=1000)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang2[num];

delay(t);

}

}

}

}

}

四、调试及结果

实物图1

实物图2

五、设计总结

单片机控制LED点阵的实验设计总结如下：

1. 材料准备：准备LED点阵、单片机开发板（如Arduino、Raspberry Pi等）、面包板、导线等。

2. 连接电路：将LED点阵与单片机开发板连接起来，确保正确的极性和接线。通常需要使用导线和电阻来连接。

3. 编程：编写控制LED点阵的程序，包括控制LED灯的亮灭、行列扫描和显示图案等功能。具体的编程语言和代码逻辑根据使用的单片机和开发板而有所不同。

4. 上传程序：将编写的程序上传到单片机开发板上。

5. 测试：开启单片机开发板，观察LED点阵是否按照预期的方式显示。可以测试不同的图案、动画或文字，并确保LED点阵能够正确显示。

6. 调整和改进：根据测试结果进行调整和改进，确保LED点阵能够准确显示设计好的图案。

总的来说，单片机控制LED点阵的实验设计需要包括硬件连接和软件编程，通过这个实验可以更好地理解单片机控制外围设备的原理，并且锻炼了编程能力和电路连接能力。

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