LED點陣顯示系統(tǒng)課堂設(shè)計

高 娟 張衛(wèi)清 崔艷萍

（陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校 湖北·武漢 430075）

0 引言

生活中隨處可見LED點陣的身影，比如在學(xué)校，在公交車上，在十字路口，在地鐵站等，LED點陣大屏幕不僅能顯示文字，還可以顯示圖形、圖像，并且能產(chǎn)生各種動畫效果，是廣告宣傳、新聞傳播的有力工具。如果我們走近LED點陣大屏幕仔細(xì)觀察，會發(fā)現(xiàn)它們是由一個個小的LED點陣模塊組成的，而LED點陣模塊是由一個個的LED發(fā)光二極管組成。最常見的 LED 點陣顯示模塊有 5×7、7×9、8×8 結(jié)構(gòu)。

LED點陣可以作為單片機應(yīng)用系統(tǒng)的顯示器件，用單片機控制它顯示文字或圖形。在《單片機應(yīng)用技術(shù)》課程教學(xué)中，LED點陣顯示控制是一個重要的教學(xué)內(nèi)容。下面結(jié)合筆者實際教學(xué)的過程及任務(wù)介紹課堂設(shè)計。

首先播放一段LED點陣在生活中應(yīng)用的小視頻，引起學(xué)員對LED點陣的學(xué)習(xí)興趣，從而引出課堂任務(wù)——用單片機控制8×8LED顯示屏顯示一個像交通燈一樣的指示箭頭，如圖1所示。

圖1：8×8點陣顯示的指示箭頭

本人所在院校為高職院校，所教授的對象為職業(yè)技術(shù)教育學(xué)員，像《單片機應(yīng)用技術(shù)》這種實踐性較強的課程，采用的都是任務(wù)驅(qū)動、理實一體的教學(xué)模式，以任務(wù)為載體，將知識與技能的培養(yǎng)放在具體的任務(wù)實施中。

為了完成這個任務(wù)，需要先介紹LED點陣的基礎(chǔ)知識，讓學(xué)員了解LED點陣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及顯示原理。

1 LED點陣顯示器

1.1 概念

什么是LED點陣顯示器呢？LED是發(fā)光二極管，把許多LED發(fā)光二極管按矩陣方式排列在一起，通過對每個LED進行發(fā)光控制，來完成各種字符或圖形的顯示，就是LED點陣顯示器。

1.2 等效電路

以最常見的8行8列的點陣為例，它的等效電路就是每一個LED連接在行線和列線的交叉處，LED的正極連接在行線上，負(fù)極連接在列線上，8行8列共64個LED。

1.3 顯示原理

LED點亮的條件是正向?qū)?，所以LED點陣顯示的原理就是要點亮的像素點所在的行輸出高電平，所在的列輸出低電平。比如：讓第四行輸出高電平，第四列輸出低電平，則位于第四行第四列處的像素點就點亮了。

認(rèn)識了8×8LED點陣后，接下來問題是它怎么和單片機連接才能顯示圖形呢？所以第二部分就是介紹8×8LED點陣的控制電路。

2 8×8點陣控制電路

8根行線，8根列線一共有16個引腳，所以需要連接單片機的兩個并行口I/O端口，比如用P1口控制行，P0口控制列，通常P1.0連接第一行R1，P0.0連接第一列C1，其它的以此類推。

設(shè)置問題，讓學(xué)員思考能否直接把P1口連接到行線，輸出高電平，驅(qū)動LED點陣發(fā)光。聯(lián)系前面知識“單片機的并行口引腳能夠直接輸出的電流非常小，還不到1mA，不足以驅(qū)動LED點陣發(fā)光”解決問題，所以需要增加一個驅(qū)動芯片以增大電流，這個驅(qū)動芯片增加到行或列都可以，這里選擇在P1口和行線之間增加一個74LS245，它是一個8同相三態(tài)緩沖驅(qū)動器，不改變電平方向，但可以增大電流，這是行線的連接。

接下來再介紹列線的連接，如果直接把P0口和列線連接，而此時某一行只有一個LED點亮，可能會因電流過大而燒壞LED，所以需要在P0口和列線之間串聯(lián)一組限流電阻，這里串聯(lián)的是一組300歐的限流電阻。

把單片機和點陣連接起來之后，接下來的問題就是怎樣讓點陣顯示需要的圖形了，所以第三個內(nèi)容就是介紹點陣顯示。

3 點陣顯示

3.1 顯示一行

首先以第一行為例介紹怎樣顯示一行。根據(jù)前面介紹的顯示原理，要顯示的像素點所在的行應(yīng)該輸出高電平，列應(yīng)該輸出低電平。第一行有兩個像素點同時點亮，所以第一行的行線應(yīng)該輸出1，第4，5列的列線應(yīng)該同時輸出0，這是顯示第一行的條件。

3.2 顯示兩行

然后介紹怎樣同時顯示兩行。第二行有4個像素點亮，所以第二行的行線應(yīng)該輸出1，第3,4,5,6列的列線應(yīng)該同時輸出0，這是顯示第二行的條件。當(dāng)看到一個完整的箭頭圖形時，大家看到的是這兩行同時顯示，所以應(yīng)該需要這兩個條件同時滿足，而如果這兩個條件同時滿足，又會導(dǎo)致第1行和第2行的3,4,5,6列的led同時點亮，顯示這不是我們想要的結(jié)果。所以，可以反推出來兩行同時顯示這個條件不成立，也就是兩行不能同時顯示。可是當(dāng)大家看到一個完整圖形的時候，明明看到的就是所有的行同時顯示呀，難道是我們的眼睛欺騙了我們嗎？其實不是我們的眼睛欺騙了我們，而是點陣欺騙了我們的眼睛。為什么呢？

其實點陣顯示采用的是動態(tài)掃描顯示的方法，什么叫動態(tài)掃描顯示呢？動態(tài)掃描顯示有兩種，逐行掃描法和逐列掃描法，兩種方法顯示原理是相同的，下面以逐行掃描法為例來介紹。

3.3 逐行掃描法

逐行掃描法簡單的說就是一行一行的來顯示。首先顯示第1行，其他7行熄滅，延時一段時間，然后顯示第2行，其他7行熄滅，再延時一段時間，以此類推，逐行顯示，直到第8行顯示完畢，再從第一行開始掃描，不斷循環(huán)這個過程，這就是逐行掃描法。

每一行顯示時間取約1ms，一個循環(huán)周期約為8ms，1s大約可以掃描125次，由于人眼具有視覺駐留效應(yīng)，每秒顯示超過30幀人眼就無法分辨了，顯然這里掃描的足夠快，所以大家看到的是一個穩(wěn)定的圖形，而不是逐行顯示，這就是逐行掃描法的工作原理。反過來，如果掃描的比較慢，也就是每行顯示的時間長一些，大家看到應(yīng)該就是逐行顯示了。為了驗證這個結(jié)論，設(shè)計了一個實驗。

3.4 逐行掃描實驗

按照由慢到快的方式編程實現(xiàn)逐行掃描。首先讓每行顯示1s，然后每行顯示0.5s，接下來每行顯示0.1s，實驗現(xiàn)象就是掃描的速度越來越快，但還是逐行顯示。接下來讓每行顯示10ms，重復(fù)若干次，此時已經(jīng)能看到一個圖形了，但是還有些閃爍，最后讓每行顯示1ms，這樣就可以看到一個穩(wěn)定的圖形了。這個實驗很好的展示了逐行掃描法的工作原理，通過它學(xué)員應(yīng)該能理解逐行掃描法的工作原理了。接下來就可以根據(jù)這個原理來編寫程序一行一行的顯示了，所以第四個內(nèi)容就是介紹控制程序的編寫。

4 控制程序

一行一行的顯示，先要找出顯示每一行對應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)，所以，先來介紹行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)計算。

4.1 行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)的計算

行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)與硬件電路密切相關(guān)，因為硬件決定軟件。根據(jù)前面的硬件電路連接關(guān)系，第一行連接的是P1.0，是數(shù)據(jù)低位，第八行連接的是P1.7，是數(shù)據(jù)高位，第一列連接的是P0.0，是數(shù)據(jù)低位，第八列連接的是P0.7，是數(shù)據(jù)高位。

以第一行為例來計算顯示第一行對應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)，因為行線是1有效，列線是0有效。當(dāng)?shù)谝恍酗@示的時候，其它7行熄滅，所以第一行的行線應(yīng)該輸出1，其它七行的行線應(yīng)該輸出0，高位在前低位在后，所以行數(shù)據(jù)就是00000001，轉(zhuǎn)換成十六進制就是0x01。再來計算列數(shù)據(jù)，第四五列點亮，所以第四五列應(yīng)該輸出0，其它列熄滅，所以其它列應(yīng)該輸出1，高位在前低位在后，所以列數(shù)據(jù)就是11100111，轉(zhuǎn)換成十六進制就是0xe7。

按照同樣的方法，可以計算出顯示每一行對應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)。計算出行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)之后，就可以開始編寫程序了。顯示一行的過程是這樣的：P1口輸出行數(shù)據(jù)，P0口輸出列數(shù)據(jù)，延時1ms。顯示8行就是重復(fù)執(zhí)行這三步，只是每一次輸出的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)不同，同樣的事情重復(fù)做，可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)編程實現(xiàn)。

在講解程序的過程中，為了克服學(xué)員因為沒有編程基礎(chǔ)，一看到大段英文就害怕的心理難題，采用積木式編程的教學(xué)方法，把大段的程序進行了分解，就像搭積木一樣，先把最核心的循環(huán)框架搭起來，再一層一層把外面的結(jié)構(gòu)搭起來，從而完成整個程序的編寫。

4.2 編寫程序

循環(huán)結(jié)構(gòu)的循環(huán)體就是重復(fù)要做的事情，所以可以把剛才的3條語句作為循環(huán)體，然后用for語句循環(huán)8次，實現(xiàn)逐行掃描一次，由于要不停的重復(fù)掃描才能穩(wěn)定顯示穩(wěn)定的圖形，所以需要把for語句包含在while(1)無限循環(huán)中，而所有這些內(nèi)容應(yīng)該屬于main()主函數(shù)。這樣就把程序的主體框架建立起來了，還有一個關(guān)鍵的問題是行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)從哪里來呢？剛才已經(jīng)計算出顯示每一行對應(yīng)的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)，如果每次執(zhí)行循環(huán)體都能從行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)中按順序取一個數(shù)就好了，這個問題可以用之前學(xué)過的數(shù)組來解決。

定義一個行數(shù)組名稱為row，長度為8，把所有的行數(shù)據(jù)賦值給這個數(shù)組，然后再定義一個列數(shù)組名稱為col，把所有的列數(shù)據(jù)賦值給這個數(shù)組。因為每一個數(shù)組元素都采用數(shù)組名和唯一的下標(biāo)來表示，且下標(biāo)從0開始，而for循環(huán)的循環(huán)次數(shù)變量也正好是從0開始，和數(shù)組元素下標(biāo)是相等的關(guān)系。所以行數(shù)據(jù)就可以用row[i]來替代，同理，列數(shù)據(jù)可以用col[i]來替代，這樣main()就完成了，main()代碼如下所示。

最后，將程序下載到焊接好的硬件電路板中進行驗證，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)了箭頭圖形的顯示。

介紹完整個任務(wù)的實現(xiàn)過程后，設(shè)置了課堂練習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)員兩人一組自主設(shè)計一種點陣圖形并修改程序?qū)崿F(xiàn)。

5 結(jié)語

本文介紹了 LED點陣顯示系統(tǒng)的課堂設(shè)計過程。整個教學(xué)過程貫穿任務(wù)牽引、問題推進、知識服務(wù)的教學(xué)思路。通過本任務(wù)的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)員能夠?qū)W到知識，掌握如何用單片機控制點陣顯示，而且通過閱讀、修改程序能夠鍛煉學(xué)員的邏輯思維能力，還通過自主設(shè)計點陣圖形培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)新意識，使學(xué)員魚漁兼得。