51 点阵屏

51点阵屏开发与控制：74HC595工作原理与应用

原创已于 2023-12-13 18:16:48 修改 · 253 阅读

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#单片机 #嵌入式硬件 #51单片机

于 2023-12-13 11:22:51 首次发布

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本文详细介绍了51点阵屏的原理、开发板上的74HC595工作方式，包括串行输入并行输出、级联操作，以及如何通过编程实现笑脸显示和动态图像。特别提到了SFR和SBI关键字在点阵屏控制中的作用。

51 点阵屏

文章目录

51 点阵屏

LED点阵屏由若干个独立LED以阵列的形式排列构成，

根据颜色分类有单色、双色（红+绿，一起亮为黄）、全彩；

根据像素分类有8*8、16*16等（点阵可以拼接，大规模的LED点阵通常由很多个小点阵拼接而成）（可以是任意像素，但是一般是8的倍数，因为一个字节是8倍，使字节每一位被充分利用）

显示原理

LED显示屏的连接方式类似于数码管，都是将每行、列的LED以共阳/共阴的方式进行连接

单色点阵屏的连接方式（图源：B站普中科技视频截图）

请添加图片描述

点阵屏上LED的引脚有可能是按最近引脚引出，因此可能是乱序排列

共阴还是共阳对单色点阵影响不大，但对双色或是彩色存在明显影响（电流的输入输出的设置不同）

双色点阵屏的连接方式（图源：B站江协科技视频截图）

请添加图片描述

和数码管一样，点阵屏的图像显示也是通过不断扫描来实现的，扫描方式有逐行扫描和逐列扫描。

开发板上的点阵屏

开发板上的点阵屏（图源：普中科技开发手册）

在这里插入图片描述

阴极直接连到P0，阳极利用74HC595扩展IO，实现三个IO控制8个引脚

开发板上的74HC595（图源：普中科技开发手册）

在这里插入图片描述

用P35、P36、P34来控制（跳线帽的OE要接GND进行短接）

74HC595是串行输入并行输出的移位寄存器，可用3根线输入串行数据，8根线输出并行数据，多片级联后，可输出16位、24位、32位等，常用于IO口扩展。

OE（上面带横线，低电平有效）：输出使能，接低电平才输出（即接GND）

PCLK：接在P35，为寄存器时钟

SRCLR（serial clear）：串行清零，会清空数据，接VCC代表不清零

SRCLK：串行时钟

SER：串行数据

OH’：用于多片级联

74HC595的工作方式

74HC595的工作方式（图源：B站江协科技视频截图）
在这里插入图片描述

左边是移位寄存器，右边是输出缓存

串行数据（数据是一个一个输出的（并行即为所有数据一起输出）输出到移位寄存器，串行时钟每给一次移位上升沿，数据输出一位，当寄存器时钟有上升沿时，将移位寄存器中的数据输出到输出缓存中

eg：输出1010 0000的流程：SRCLK、RCLK置0->SER输出1->SRCLK置1->SER中的1被移入移位寄存器->SRCLK、SER置0->SRCLK置1->1被移到第二位，0被移入寄存器->…->RCLK置1->数据由移位寄存器输出到输出缓存->所有IO同时输出（并行输出）

多片级联时，将QH’接到下一片的SER，两片共用SRCLK、RCLK，当级联的数量过大时，会出现较大延迟，印象影响使用

74HC138也可以扩展IO，但是每次只能输出一位，不能并行输出

如果不用芯片，直接将阳极接到单片机IO口用于电灯不太可行，因为单片机的IO是弱上拉（输出低电平能接受大电流，输出高电平是的电流小（相当于低电平直接到GND，高电平和GND之间有个电阻）），即输出高电平时驱动能力弱，灯会比较暗（可以接一个PNP三极管，三极管上再接一个VCC，IO控制三极管开关，输出0时VCC和LED导通（NPN型则相反））

芯片输出的电流的能力也是有限的（恒压输出），点亮的LED数量多时，亮度下降（恒流输出则可以保证亮度一致）

sfr和sbit关键字

sfr（special function register）：特殊功能寄存器声明

例：sfr P0 = 0x80;

声明P0口寄存器，物理地址为0x80

sbit（special bit）：特殊位声明

例：sbit P0_1 = 0x81; 或 sbit P0_1 = P0^1;

声明P0寄存器的第1位

可位寻址/不可位寻址：在单片机系统中，操作任意寄存器或者某一位的数据时，必须给出其物理地址，又因为一个寄存器里有8位，所以位的数量是寄存器数量的8倍，单片机无法对所有位进行编码，故每8个寄存器中，只有一个是可以位寻址的。对不可位寻址的寄存器，若要只操作其中一位而不影响其它位时，可用“&=”、“|=”、“^=”的方法进行位操作

STC89C52RC上的寄存器（图源：普中科技开发手册）

在这里插入图片描述

点亮点阵屏

简单运用74HC595

#include <STC89C5xRC.H>

sbit RCK = P3^5;
//位声明重新声明IO，方便使用（避免重定义，以CLK位名）
sbit SCK = P3^6;
sbit SER = P3^4;

void _74HC595_WriteByte(unsigned char Byte)
{
    unsigned char i = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
    SER = Byte & (0x80 >> i);//1000 0000
    //SER为一位，赋值时非0即1，即赋值任何非0数，SER = 1
    //取出最高位（第8位是1，则Byte = 0x80，如果是1，则Byte = 0）

    SCK = 1;
    SCK = 0;
    }

    RCK = 1;
    //将数据移入IO进行输出
    RCK = 0;
}


void main()
{
    SCK = 0;
    RCK = 0;
    //时钟复位
    P0 = 0;
    //接通阴极
    while(1)
    {   
        _74HC595_WriteByte(0xF0);
    }
}

显示笑脸

点阵屏在段选和位选循环的过程中，下一次段选的内容可能影响上一次位选，因此需要位清零

即：->段选->位选->位清零->段选

手动计算显示笑脸对应的位码（图源：普中科技开发手册）

在这里插入图片描述

#include <STC89C5xRC.H>
#include"Delay.h"

sbit RCK = P3^5;
//位声明重新声明IO，方便使用（避免重定义，以CLK位名）
sbit SCK = P3^6;
sbit SER = P3^4;

#define MATRIX_LED_PORT   P0

void _74HC595_WriteByte(unsigned char Byte)
{
    unsigned char i = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
    SER = Byte & (0x80 >> i);//1000 0000
    //SER为一位，赋值时非0即1，即赋值任何非0数，SER = 1
    //取出最高位（第8位是1，则Byte = 0x80，如果是1，则Byte = 0）

    SCK = 1;
    SCK = 0;
    }

    RCK = 1;
    //将数据移入IO进行输出
    RCK = 0;
}

void MatrixLED_ShowColmn(unsigned char Column, unsigned char Data)
{
    _74HC595_WriteByte(Data);//选择行
    MATRIX_LED_PORT = ~(0x80 >> Column);//选择列
    Delay(1);
    MATRIX_LED_PORT = 0xff;//位清零
}

void main()
{
    SCK = 0;
    RCK = 0;
    //时钟复位
    while(1)
    {   
        //位选时按列为单位
        MatrixLED_ShowColmn(0, 0x3c);
        MatrixLED_ShowColmn(1, 0x42);
        MatrixLED_ShowColmn(2, 0xa9);
        MatrixLED_ShowColmn(3, 0x85);
        MatrixLED_ShowColmn(4, 0x85);
        MatrixLED_ShowColmn(5, 0xa9);
        MatrixLED_ShowColmn(6, 0x42);
        MatrixLED_ShowColmn(7, 0x3c);
    }
}

模块化点阵屏

#include <STC89C5xRC.H>
#include "Delay.h"

#define MATRIX_LED_PORT   P0

sbit RCK = P3^5;
//位声明重新声明IO，方便使用（避免重定义，以CLK位名）
sbit SCK = P3^6;
sbit SER = P3^4;


/**
 * @brief 74HC595写入一个字节
 * @param Byte 要写入的字节
 * @retval void 
 */

void _74HC595_WriteByte(unsigned char Byte)
{
    unsigned char i = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
    SER = Byte & (0x80 >> i);//1000 0000
    //SER为一位，赋值时非0即1，即赋值任何非0数，SER = 1
    //取出最高位（第8位是1，则Byte = 0x80，如果是1，则Byte = 0）

    SCK = 1;
    SCK = 0;
    }

    RCK = 1;
    //将数据移入IO进行输出
    RCK = 0;
}



/**
 * @brief Led点阵屏显示一列数据
 * 
 * @param Column 要选择的列，范围（0~7）
 * @param Data 选择列显示的数据，高位在上，1为亮，0为灭
 * @retval void
 */

void MatrixLED_ShowColmn(unsigned char Column, unsigned char Data)
{
    _74HC595_WriteByte(Data);//选择行
    MATRIX_LED_PORT = ~(0x80 >> Column);//选择列
    Delay(1);
    MATRIX_LED_PORT = 0xff;//位清零
}


/**
 * @brief 点阵屏初始化
 * 
 */
void MatrixLED_Init()
{
    SCK = 0;
    RCK = 0;
    //时钟复位
}

显示动态图像

我们可以通过文字取模软件自动获得需要显示的图像的位码

在“参数设置-其他设置”中可以选择横向/纵向取模、字节倒序（高位在下时用）

在“基本操作”中选择“新建图像”并设置图像的高（一般为8）和宽（合适即可），并直接用鼠标指针绘制图像

在绘制图像后，选择“取模方式-C51格式”即可生成图像对应位码

在这里插入图片描述

#include <STC89C5xRC.H>
#include"Delay.h"
#include "MatrixLED.h"

unsigned char code Animation[] = {0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 
                            0xFF, 0x10, 0x10, 0x10, 0xFF, 0x00, 0x1F, 0x15,
                            0x15, 0x1D, 0x00, 0x7F, 0x00, 0x7F, 0x00, 0x1F,
                            0x11, 0x11, 0x11, 0x1F, 0x00, 0x3D, 0x00, 0x00,
                            0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};
//显示的图像，在最前面加8位0，用于防止图像突然被切换，实现图像的连贯显示
//ram的空间比较小，不能存放太多数据，且这里的数据无需改变值，可以用code，将数据放入Flash，此时数据不能被更改

void main()
{
    unsigned char i = 0;
    unsigned char offset = 0;
    //偏移量
    unsigned char count = 0;
    MatrixLED_Init();
    while(1)
    {   
       for(i = 0; i < 8; i++)
       {
            MatrixLED_ShowColmn(i, Animation[i + offset]);
            //利用循环，实现一行语句点亮整个点阵屏
       }
       count++;
       if(count>10)
       //在一个状态扫描10次后，进入下一个状态（左移1位）
       {
            count = 0;
            offset++;
            //图像左移
            if(offset > 32)
            //完整显示一次图像后重置
            {
                offset = 0;
            }

       }
    }
}