LED點陣顯示系統課堂設計

高 娟 張衛清 崔艷萍

（陸軍工程大學軍械士官學校 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點陣大屏幕仔細觀察，會發現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 結構。

LED點陣可以作為單片機應用系統的顯示器件，用單片機控制它顯示文字或圖形。在《單片機應用技術》課程教學中，LED點陣顯示控制是一個重要的教學內容。下面結合筆者實際教學的過程及任務介紹課堂設計。

首先播放一段LED點陣在生活中應用的小視頻，引起學員對LED點陣的學習興趣，從而引出課堂任務——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技術教育學員，像《單片機應用技術》這種實踐性較強的課程，采用的都是任務驅動、理實一體的教學模式，以任務為載體，將知識與技能的培養放在具體的任務實施中。

為了完成這個任務，需要先介紹LED點陣的基礎知識，讓學員了解LED點陣的內部結構及顯示原理。

1 LED點陣顯示器

1.1 概念

什么是LED點陣顯示器呢？LED是發光二極管，把許多LED發光二極管按矩陣方式排列在一起，通過對每個LED進行發光控制，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點亮的條件是正向導通，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。

設置問題，讓學員思考能否直接把P1口連接到行線，輸出高電平，驅動LED點陣發光。聯系前面知識“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，不足以驅動LED點陣發光”解決問題，所以需要增加一個驅動芯片以增大電流，這個驅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同相三態緩沖驅動器，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口和列線之間串聯一組限流電阻，這里串聯的是一組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。根據前面介紹的顯示原理，要顯示的像素點所在的行應該輸出高電平，列應該輸出低電平。第一行有兩個像素點同時點亮，所以第一行的行線應該輸出1，第4，5列的列線應該同時輸出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該輸出1，第3,4,5,6列的列線應該同時輸出0，這是顯示第二行的條件。當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掃描顯示的方法，什么叫動態掃描顯示呢？動態掃描顯示有兩種，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，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，大家看到應該就是逐行顯示了。為了驗證這個結論，設計了一個實驗。

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，重復若干次，此時已經能看到一個圖形了，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，通過它學員應該能理解逐行掃描法的工作原理了。接下來就可以根據這個原理來編寫程序一行一行的顯示了，所以第四個內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的行數據和列數據，所以，先來介紹行數據和列數據計算。

4.1 行數據和列數據的計算

行數據和列數據與硬件電路密切相關，因為硬件決定軟件。根據前面的硬件電路連接關系，第一行連接的是P1.0，是數據低位，第八行連接的是P1.7，是數據高位，第一列連接的是P0.0，是數據低位，第八列連接的是P0.7，是數據高位。

以第一行為例來計算顯示第一行對應的行數據和列數據，因為行線是1有效，列線是0有效。當第一行顯示的時候，其它7行熄滅，所以第一行的行線應該輸出1，其它七行的行線應該輸出0，高位在前低位在后，所以行數據就是00000001，轉換成十六進制就是0x01。再來計算列數據，第四五列點亮，所以第四五列應該輸出0，其它列熄滅，所以其它列應該輸出1，高位在前低位在后，所以列數據就是11100111，轉換成十六進制就是0xe7。

按照同樣的方法，可以計算出顯示每一行對應的行數據和列數據。計算出行數據和列數據之后，就可以開始編寫程序了。顯示一行的過程是這樣的：P1口輸出行數據，P0口輸出列數據，延時1ms。顯示8行就是重復執行這三步，只是每一次輸出的行數據和列數據不同，同樣的事情重復做，可以用循環結構編程實現。

在講解程序的過程中，為了克服學員因為沒有編程基礎，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，先把最核心的循環框架搭起來，再一層一層把外面的結構搭起來，從而完成整個程序的編寫。

4.2 編寫程序

循環結構的循環體就是重復要做的事情，所以可以把剛才的3條語句作為循環體，然后用for語句循環8次，實現逐行掃描一次，由于要不停的重復掃描才能穩定顯示穩定的圖形，所以需要把for語句包含在while(1)無限循環中，而所有這些內容應該屬于main()主函數。這樣就把程序的主體框架建立起來了，還有一個關鍵的問題是行數據和列數據從哪里來呢？剛才已經計算出顯示每一行對應的行數據和列數據，如果每次執行循環體都能從行數據和列數據中按順序取一個數就好了，這個問題可以用之前學過的數組來解決。

定義一個行數組名稱為row，長度為8，把所有的行數據賦值給這個數組，然后再定義一個列數組名稱為col，把所有的列數據賦值給這個數組。因為每一個數組元素都采用數組名和唯一的下標來表示，且下標從0開始，而for循環的循環次數變量也正好是從0開始，和數組元素下標是相等的關系。所以行數據就可以用row[i]來替代，同理，列數據可以用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，發現實現了箭頭圖形的顯示。

介紹完整個任務的實現過程后，設置了課堂練習環節，讓學員兩人一組自主設計一種點陣圖形并修改程序實現。

5 結語

本文介紹了 LED點陣顯示系統的課堂設計過程。整個教學過程貫穿任務牽引、問題推進、知識服務的教學思路。通過本任務的學習，不僅使學員能夠學到知識，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員的邏輯思維能力，還通過自主設計點陣圖形培養學員的創新意識，使學員魚漁兼得。