1616点阵LED显示屏整个过程及C语言程序1.docx
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1616点阵LED显示屏整个过程及C语言程序1
16×16点阵LED显示屏整个过程及C语言程序
7.1功能要求
设计一个室内用16×16点阵LED图文显示屏，要求在目测条件下LED显示屏各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示图形或文字应稳定、清晰无串扰。
图形或文字显示有静止、移入移出等显示方式。
7.2方案论证
从理论上说，不论显示图形还是文字，只要控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光，就可以得到我们想要的显示结果，这种同时控制各个发光点亮灭的方法称为静态驱动显示方式。
16×16的点阵共有256个发光二极管，显然单片机没有这么多端口，如果我们采用锁存器来扩展端口，按8位的锁存器来计算，16×16的点阵需要256/8=32个锁存器。
这个数字很庞大，因为我们仅仅是16×16的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大的多，这样在锁存器上花的成本将是一个很庞大的数字。
因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另一种称为动态扫描的显示方法。
动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如16行）的同名列共用一套列驱动器。
具体就16×16的点阵来说，我们把所有同一行的发光管的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭；……第十六行之后又重新燃亮第一行，这样反复轮回。
当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。
采用扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。
显示数据通常存储在单片机的存储器中，按8位一个字节的形式顺序排放。
显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个显示数据传输的问题。
从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并行方式或串行方式。
显然，采用并行方式时，从控制电路到列驱动器的线路数量大，相应的硬件数目多。
当列数很多时，并行传输的方案是不可取的。
采用串行传输的方法，控制电路可以只用一根信号线，将列数据一位一位传往列驱动器，在硬件方面无疑是十分经济的。
但是，串行传输过程较长，数据按顺序一位一位地输出给列驱动器，只有当一行的各列数据都已传输到位之后，这一行的各列才能并行地进行显示。
这样，对于一行的显示过程就可以分解成列数据准备（传输）和列数据显示两个部分。
对于串行传输方式来说，列数据准备时间可能相当长，在行扫描周期确定的情况下，留给行显示的时间就太少了，以至影响到LED的亮度。
解决串行传输中列数据准备和列数据显示的时间矛盾问题，可以采用重叠处理的方法。
即在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。
为了达到重叠处理的目的，列数据的显示就需要具有锁存功能。
经过上述分析，可以归纳出列驱动器电路应具备的主要功能。
对于列数据准备来说，它应能实现串入并出的移位功能；对于列数据显示来说，应具有并行锁存的功能。
这样，本行已准备好的数据打入并行锁存器进行显示时，串并移位寄存器就可以准备下一行的列数据，而不会影响本行的显示。
图7.1为显示屏电路实现的结构框图。
图7.1显示屏电路框图
7.3系统硬件电路的设计
硬件电路大致上可以分成单片机系统及外围电路、列驱动电路和行驱动电路三部分。
7.3.1单片机系统及外围电路
单片机采用89C51或其兼容系列的芯片，采用24M或更高频率的晶振，以获得较高的刷新频率，使显示更稳定。
单片机的串口与列驱动器相连，用来送显示数据。
P1口低4位与行驱动器相连，送出行选信号；P1.5~P1.7口则用来发送控制信号。
P0和P2口空着，在有必要时可以扩展系统的ROM和RAM。
16×16点阵显示屏的硬件原理图如图7.2。
图7.216×16点阵显示屏硬件原理图
7.3.2列驱动电路
列驱动电路由集成电路74HC595构成，它具有一个8位串入并出的移位寄存器和一个8位输出锁存器的结构，而且移位寄存器和输出锁存器的控制是各自独立的，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据，即达到重叠处理的目的。
74HC595的外形及内部结构如图7.3所示。
它的输入侧有8个串行移位寄存器，每个移位寄存器的输出都连接一个输出锁存器。
引脚SI是串行数据的输入端。
引脚SCK是移位寄存器的移位时钟脉冲，在其上升沿发生移位，并将SI的下一个数据打入最低位。
移位后的各位信号出现在各移位寄存器的输出端，也就是输出锁存器的输入端。
RCK是输出锁存器的打入信号，其上升沿将移位寄存器的输出打入到输出锁存器。
引脚G是输出三态门的开放信号，只有当其为低时锁存器的输出才开放，否则为高阻态。
SCLR信号是移位寄存器的清零输入端，当其为低时移位寄存器的输出全部为零。
由于SCK和RCK两个信号是互相独立的，所以能够做到输入串行移位与输出锁存互不干扰。
芯片的输出端为QA～QH，最高位QH可作为多片74HC595级联应用时，向上一级的级联输出。
但因QH受输出锁存器打入控制，所以还从输出锁存器前引出了QH’，作为与移位寄存器完全同步的级联输出。
引脚说明
符号
引脚
描述
Q0…Q7
15，1，7
并行数据输出
GND
8
地
Q7’
9
串行数据输出
MR
10
主复位（低电平）
SHCP
11
移位寄存器时钟输入
STCP
12
存储寄存器时钟输入
OE
13
输出有效（低电平）
DS
14
串行数据输入
VCC
16
电源
图7.374HC595外形及内部逻辑结构图
7.3.3行驱动电路
单片机P1口低4位输出的行号经4/16线译码器74LS154译码后生成16条行选通信号线，再经过驱动器驱动对应的行线。
一条行线上要带动16列的LED进行显示，按每一LED器件20mA电流计算，16个LED同时发光时，需要320mA电流，选用三极管8550作为驱动管可满足要求。
74LS154引脚功能图及逻辑图如图原理：
这种单片4线—16线译码器非常适合用于高性能存储器的译码器。
当选通端（G1、G2）均为低电平时，可将地址端（ABCD）的二进制编码在一个对应的输出端，以低电平译出。
如果将G1和G2中的一个作为数据输入端，由ABCD对输出寻址，74LS154还可作1线-16线数据分配器。
引脚功能介绍：
A、B、C、D译码地址输入端（低电平有效）
G1、G2选通端（低电平有效）
0－15输出端（低电平有效）
功能表：
图174LS154引脚功能图及逻辑图
7.4系统程序的设计
显示屏软件的主要功能是向屏体提供显示数据，并产生各种控制信号，使屏幕按设计的要求显示。
根据软件分层次设计的原理，我们可把显示屏的软件系统分成两大层：
第一层是底层的显示驱动程序，第二层是上层的系统应用程序。
显示驱动程序负责向屏体送显示数据，并负责产生行扫描信号和其它控制信号，配合完成LED显示屏的扫描显示工作。
显示驱动程序由定时器T0中断程序实现。
系统应用程序完成系统环境设置（初始化）、显示效果处理等工作，由主程序来实现。
从有利于实现较复杂的算法（显示效果处理）和有利于程序结构化考虑，显示屏程序适宜采用C语言编写。
7.4.1显示驱动程序
显示驱动程序在进入中断后首先要对定时器T0重新赋初值以保证显示屏刷新率的稳定，1/16扫描的显示屏的刷新率（帧频）的计算公式如下：
式7-1
其中fosc为晶振频率，t0为定时器T0初值（工作在16位定时器模式）。
然后显示驱动程序查询当前燃亮的行号，从显示缓存区内读取下一行的显示数据，并通过串口发送给移位寄存器。
为消除在切换行显示数据的时候产生拖尾现象，驱动程序先要关闭显示屏，即消隐，等显示数据打入输出锁存器并锁存，然后再输出新的行号，重新打开显示。
图7.4为显示驱动程序（显示屏扫描函数）流程图。
系统主程序开始以后首先是对系统环境初始化，包括设置串口、定时器、中断和端口。
然后以“卷帘出”效果显示一个图形（☺），停留约3秒，接着向上滚动显示“我爱单片机☺”五个汉字及一个图形，停留约3秒，再向左跑马显示“我爱单片机☺”这五个汉字及一个图形，然后以“卷帘入”效果隐去图形（☺）。
由于单片机没有停机指令，所以我们可以设置系统程序不断地循环执行上述显示效果。
图7.5是系统主程序的流程图。
7.5调试及性能分析
LED显示屏硬件电路只要器件质量可靠，管脚焊接正确，一般无需调试即可正常工作。
软件部分需要调试的主要有显示屏刷新频率及显示效果两部分。
显示屏刷新率由定时器T0的溢出率和单片机的晶振频率决定，表7.1给出了实验调试时采用的频率及其对应的定时器T0初值。
表7.1显示屏刷新率（帧频）与T0初值关系表（24M晶振）
刷新率（Hz）
25
50
62.5
75
85
100
120
T0初值
0xec78
0xf63c
0xf830
0xf97e
0xfa42
0xfb1e
0xfbee
从理论上来说，24Hz以上的刷新率就能看到连续稳定的显示，刷新率越高，显示越稳定，同时刷新率越高，显示驱动程序占用的CPU时间也越多。
实验证明，在目测条件下刷新率40Hz以下的画面看起来闪烁较严重，刷新率50Hz以上的已基本觉察不出画面闪烁，刷新率达到85Hz以上时再增加画面闪烁将没有明显改善。
显示效果处理程序的内容及方法非常广泛，其调试过程在此不作具体讨论，读者可对照源程序自行分析。
这个方案设计的16×16点阵LED图文显示屏，电路简单，成本较低，且较容易扩展成更大的显示屏；显示屏各点亮度均匀、充足；显示图形或文字稳定、清晰无串扰；可用静止、移入移出等多种显示方式显示图形或文字。
7.6控制源程序清单
以下是16×16点阵LED电子显示屏的源程序，分别采用C及汇编编写，C程序在KeiluVision2V2.30（C51.exeV7.0）环境下调试通过。
/*--------------------------------------
16×16点阵LED显示屏程序
MCUAT89C51XAL24MHz
--------------------------------------*/
#include
#defineBLKN2//列锁存器数
sbitG=0x97;//P1.7为显示允许控制信号端口
sbitRCLK=0x96;//P1.6为输出锁存器时钟信号端
sbitSCLR=0x95;//P1.5为移位寄存器清○端
voiddelay（unsignedint）;//延时函数
unsignedchardatadispram[32];//显示缓存
/*--------------------------------------
主函数voidmain（void）
--------------------------------------*/
voidmain（void）
{
unsignedcharcodeBmp[][32]={//字模表
{
0xF9,0xBF,0xC7,0xAF,0xF7,0xB7,0xF7,0xB7,0xF7,0xBF,0x00,0x01,0xF7,0xBF,0xF7,0xB7,
0xF1,0xD7,0xC7,0xCF,0x37,0xDF,0xF7,0xAF,0xF6,0x6D,0xF7,0xF5,0xD7,0xF9,0xEF,0xFD
}/*我*/,
{
0xFF,0x07,0xC0,0x6F,0xED,0xEF,0xF6,0xDF,0xC0,0x01,0xDD,0xFD,0xBD,0xFF,0xC0,0x03,
0xFB,0xFF,0xF8,0x0F,0xF3,0xDF,0xF4,0xBF,0xEF,0x3F,0x9C,0xCF,0x73,0xF1,0xCF,0xFB
}/*爱*/,
{
0xF7,0xDF,0xF9,0xCF,0xFB,0xBF,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xDE,0xF7,
0xC0,0x07,0xDE,0xF7,0xFE,0xFF,0x00,0x01,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF,0xFE,0xFF
}/*单*/,
{
0xFF,0xBF,0xEF,0xBF,0xEF,0xBF,0xEF,0xBB,0xE0,0x01,0xEF,0xFF,0xEF,0xFF,0xEF,0xFF,
0xE0,0x0F,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xEF,0xDF,0xEF,0xDF,0xEF,0xBF,0xEF,0x7F,0xEF
}/*片*/,
{
0xEF,0xFF,0xEF,0x07,0xEF,0x77,0x01,0x77,0xEF,0x77,0xEF,0x77,0xC7,0x77,0xCB,0x77,
0xAB,0x77,0xAF,0x77,0x6E,0xF7,0xEE,0xF5,0xED,0xF5,0xED,0xF5,0xEB,0xF9,0xEF,0xFF
}/*机*/,
{
0xF8,0x3F,0xE7,0xCF,0xDF,0xF7,0xBF,0xFB,0xB3,0x9B,0x73,0x9D,0x7F,0xFD,0x7F,0xFD,
0x6F,0xED,0x67,0xCD,0xB3,0x9B,0xB8,0x3B,0xDF,0xF7,0xE7,0xCF,0xF8,0x3F,0xFF,0xFF
}/*☺*/
};
registerunsignedchari,j,k,l;
SCON=0x00;//串口工作模式0：
移位寄存器方式
TMOD=0x01;//定时器T0工作方式1：
16位方式
TR0=1;//启动定时器T0
P1=0x3f;//P1端口初值：
允许接收、锁存、显示
IE=0x82;//允许定时器T0中断
while
（1）
{
delay（2000）;//延时2秒
for（i=0;i<32;i++）//显示效果：
卷帘出┓
{
dispram[i]=Bmp[5][i];
if（i%2）delay（100）;
}//━━━━━━━━┛
delay（3000）;
for（i=0;i<6;i++）//显示效果：
上滚屏┓
{
for（j=0;j<16;j++）
{
for（k=0;k<15;k++）
{
dispram[k*BLKN]=dispram[（k+1）*BLKN];
dispram[k*BLKN+1]=dispram[（k+1）*BLKN+1];
}
dispram[30]=Bmp[i][j*BLKN];
dispram[31]=Bmp[i][j*BLKN+1];
delay（100）;
}
}//━━━━━━━━┛
delay（3000）;
for（i=0;i<6;i++）//显示效果：
左跑马┓
{
for（j=0;j<2;j++）
for（k=1;k<9;k++）
{
for（l=0;l<16;l++）
{
dispram[l*BLKN]=dispram[l*BLKN]<<1|dispram[l*BLKN+1]>>7;
dispram[l*BLKN+1]=dispram[l*BLKN+1]<<1|Bmp[i][l*BLKN+j]>>（8-k）;
}
delay（100）;
}//end（k=0;k<16;k++）
}//endfor（i=0;i<;i++）//━━━━━━━┛
delay（3000）;
for（i=0;i<32;i++）//显示效果：
卷帘入┓
{
dispram[i]=0x00;
if（i%2）delay（100）;
}//━━━━━━━━┛
}//endwhile
（1）
}
/*延时函数*/
voiddelay（unsignedintdt）
{
registerunsignedcharbt;
for（;dt;dt--）
for（bt=0;bt<255;bt++）;
}
/*显示屏扫描（定时器T0中断）函数*/
voidleddisplay（void）interrupt1using1
{
registerunsignedchari,j=BLKN;
TH0=0xF8;//设定显示屏刷新率每秒62.5帧
TL0=0x30;
i=P1;//读取当前显示的行号
i=++i&0x0f;//行号加1，屏蔽高4位
do{
j--;
SBUF=dispram[i*BLKN+j];//送显示数据
while（!
TI）;TI=0;
}while（j）;//完成一行数据的发送
G=1;//消隐（关闭显示）
P1&=0xf0;//行号端口清○
RCLK=1;//显示数据打入输出锁存器
P1|=i;//写入行号
RCLK=0;//锁存显示数据
G=0;//打开显示
}
以下为用汇编编写的字符显示控制程序：
;************************************
;**
;*单个16*16点阵电子屏字符显示器*
;*AT89C5212MHZ晶振*
;************************************
;显示字用查表法，不占内存，字符用16*16共阳LED点阵，
;效果：
向上滚动显示19个字，再重复循环。
;R1：
查表偏址寄存器，B：
查表首址，R2：
扫描地址（从00-0FH）。
;R3：
滚动显示时控制移动速度，单字显示可控制静止显示的时间。
;************;
;中断入口程序;
;************;
;
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
RETI
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG0013H
RETI
ORG001BH
RETI
ORG0023H
RETI
ORG002BH
RETI
;
;************;
;初始化程序;
;************;
;
;
;************;
;主程序;
;************;
;
START:
MOV20H,#00H;清标志,00H为第16行开始扫描标志,01为1帧扫描结束标志
MOVA,#0FFH;端口初始化
MOVP1,A
MOVP2,A
MOVP3,A
MOVP0,A
CLRP1.6;串行寄存器输入打入输出控制位
MOVTMOD,#01H;使用T0作16位定时器,行扫描用。
MOVTH0,#0FCH;1ms初值（12MHZ）
MOVTL0,#18H
MOVSCON,#00H;串口0方式传送显示字节
MOVIE,#82H;T0中断允许,总中断允许
MOVSP,#70H
MAIN:
LCALLDIS1;显示准备，黑屏，1.5秒
MOVDPTR,#TAB
LCALLMOVDISP;向上滚动显示一页（8个字）
INCDPH
LCALLMOVDISP;向上滚动显示一页（8个字）
INCDPH
LCALLMOVDISP;向上滚动显示一页（8个字）
AJMPMAIN
;
;
;********************;
;多字滚动显示子程序;
;********************;
;每次8个字，入口时定义好DPTR值
;
MOVDISP:
MOVB,#00H;向上移动显示，查表偏址暂存（从00开始）
DISLOOP:
MOVR3,#07H;移动速度
DISMOV:
MOVR2,#00H;第0行开始
MOVR1,B;
SETBTR0;开扫描（每次一帧）
WAITMOV:
JBC01H,DISMOV1;标志为1扫描一帧结束（16毫秒为1帧，每行1毫秒）
AJMPWAITMOV
DISMOV1:
DJNZR3,DISMOV;1帧重复显示（控制移动速度）
INCB;显示字的下一行（每行2字节）
INCB;
MOVA,R1;R1为0，8个字显示完
JZMOVOUT;
AJMPDISLOOP;
MOVOUT:
RET;移动显示结束
;
;
;*****************;
;单字显示子程序;
;*****************;
;显示表中某个字
DIS1:
MOVR3,#5AH;静止显示时间控制（16MS*#=1.6秒）
DIS11:
MOVR2,#00H;一帧扫描初始值（行地址从00-0FH）
MOVDPTR,#TAB;取表首址
MOVR1,#00H;查表偏址（显示第一个字）
SETBTR0;开扫描（每次一帧）
WAIT11:
JBC01H,DIS111;为1，扫描一帧结束
AJMPWAIT11
DIS111:
DJNZR3,DIS11
RET
;
;
;************;
;扫描程序;
;************;
;1MS刷新一次，每行显示1秒
INTT0:
PUSHACC
MOVTH0,#0FCH;1ms初值重装
MOVTL0,#18H
JBC00H,GOEND;16行扫描标志为1，结束
INCR1;取行右边字节偏址
MOVA,R1
MOVCA,@A+DPTR;查表
MOVSBUF,A;串口0方式发送
WAIT:
JBCTI,GO;等待发送完毕
AJMPWAIT;
GO:
DECR1;取行左边字节偏址
MOVA,R1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSBUF,A
WAIT1:
JBCTI,GO1
AJMPWAIT1
GO1:
SETBP1.7;关行显示，准备刷新
NOP;串口寄存器数据稳定
SETBP1.6;产生上升沿，行数据打入输出端
NOP;
NOP;
CLRP1.6;恢复低电平
MOVA,R2;修改显示行地址
ORLA,#0F0H;修改显示行地址
MOVR2,A;修改显示行地址
MOVA,P1;修改显示行地址
ORLA,#0FH;修改显示行地址
ANLA,R2;修改显示行地址
MOVP1,A;修改完成
CLRP1.7;开行显示
INCR2;下一行扫描地址值
INCR1;
INCR1;下一行数据地址
MOVA,R2
ANLA,#0FH
JNZGO2
SETB00H;R2为10H，现为末行扫描，置标志
GO2:
POPACC
RETI
GOEND:
CLRTR0;一帧扫描完，关扫描
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