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7.2  16×16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。
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。
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。
7.4.2系统主程序
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Keil uVision2 V2.30（ V7.0）环境下调试通过。
/*--------------------------------------
16×16点阵LED显示屏程序
MCU AT89C51  XAL 24MHz
Builde by Gavin Hu, 2003.8.15
--------------------------------------*/
#include <reg51.h>
#define BLKN 2      //列锁存器数
sbit G = 0x97;      //P1.7为显示允许控制信号端口
sbit RCLK = 0x96;    //P1.6为输出锁存器时钟信号端
sbit SCLR = 0x95;    //P1.5为移位寄存器清○端
void delay(unsigned int);      //延时函数
printf输出格式用串口助手显示unsigned char data dispram[32]; //显示缓存
/*--------------------------------------
  主函数 void main(void)
--------------------------------------*/
void main(void)
{
unsigned char code Bmp[][32]={//字模表
  {
  0xF9,0xBF,0xC7,0xAF,0xF7,0xB7,0xF7,0xB7,0xF7,0xBF,0x00,0x01,0xF7,0xBF,0xF7,0xB7,

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