LED点阵屏发光亮度强，指示效果好，可以制作运动的发光图文，更容易吸引人的注意力，信息量大，随时更新，有着非常好的广告和告示效果。笔者此处就LED点阵屏动态扫描显示作一个简单的介绍。

1. LED点阵屏显示原理概述

图1-1为一种8x8的LED点阵单色行共阳模块的内部等效电路图，对于红光LED其工作正向电压约为1.8v，其持续工作的正向电流一般10ma左右，峰值电流可以更大。如下图，当某一行线为高电平而某一列线为低时，其行列交叉的点就被点亮，当某一行线为低电平时，无论列线如何，对应的这一行的点全部为暗。LED点阵屏显示就是通过一定的频率进行逐行扫描，数据端不断输入数据显示，只要扫描频率足够高，由于人眼的视觉残留效应，就可以看到完整的文字或图案信息。通常有4、8、16线扫描方式，扫描行数越少，点阵的显示亮度越好，但相应硬件数据寄存器需求也越多。

04_LED点阵扫描显示 - 图1

图1-1 点阵内部原理图

2. 硬件设计

微控制器的IO口均不能流过过大的电流，LED点亮时有约10ms的电流，因此LED点阵引脚不要直接接单片机IO口，应先经过一个缓冲器74HC573。单片机IO口只需很小的电流控制74HC573即可间接的控制LED点阵某一行(或某一列)，而74HC573输出也能负载约10ms的电流。设置LED每点驱动电流为ID =15ma，这个电流点亮度好，并且有一定的裕度，即使电源输出电压偏高也不会烧毁LED，限流电阻值

R=VCC−VCE−VOL−VLEDIDR=\frac{V_{CC}-V_{CE}-V_{OL}-V_{LED}}{I_{D}}

VCC为5v供电，VCE为三极管C、E间饱和电压，估为0.2v， VOL为74hc573输出低电平时电压，不同灌电流，此值不一样，估为0.2v，具体查看规格书，VLED为红光驱动电压，估为1.7v，根据上式可算出限流电阻为R = 200R。

LED点阵屏需接收逐个扫描信号，扫描到相应列(或行)，对应的列(或行)数据有效，即显示这一列(或行)的信息。一般产生扫描信号是需要采用专门的译码器，如三线八线译码器74HC138，这样可硬件保证任意时刻只有一列(或一行)正在扫描，并且可减少微控制器的IO口占用。市面上的51开发板对于LED点阵屏的设计基本都没有采用译码器，直接用单片机IO产生扫描信号，为兼容软件，笔者此处也不加译码器，软件保证IO口产生相应的扫描信号。

当某一列(或一行)LED点均点亮时，电流约15max8=90ma流过这一列(或一行)公共端，微控制器IO口无法直接驱动这个电流，需加三极管驱动，由于51单片机低电平灌电流较大，因此适合采用PNP三极管作为驱动。三极管基极电流设为2ma即可让三极管饱和，最大驱动电流远大于90ma。基极偏置电阻阻值

Rb=VCC−VEB−VOLIB R_b = \frac{V_{CC}-V_{EB}-V_{OL}}{I_B}

VCC为5v供电，VEB为三极管E、B间的导通电压0.7v，VOL为单片机IO口输出低电平时电压，可根据规格书估为0.2v，故Rb = 2k即可。

04_LED点阵扫描显示 - 图2

图2-1 8X8共阴LED点阵原理图

3. 驱动实现

LED点阵数据口接P0口，扫描选择线接P2口的0~7位。对于动态扫描，都是有一个扫描频率的，LED屏扫描频率下限为50HZ，低于一定的扫描频率，显示会闪烁。频率过高，则亮度较差且占用cpu资源。一般整个屏扫描一遍时间为约10ms较合适(即扫描频率100HZ)，我们采用的是8线扫描方式，每一行点亮时间为1.5ms，扫描一遍为12ms。为保证这个刷新频率，通常是通过定时器来周期性进行点阵屏刷新。

显示屏显示往往会涉及到画点、画线、画图等复杂的运算，改变屏幕的信息，只需处理显存中的数据，因此对于显示屏，是需要开辟出一块内存空间作为显存使用的。8X8点阵每个点可用1 bit表示，一行1字节，显存8字节即可。由于点阵屏像素点太少，没有必要实现画线、画图等复杂操作，笔者此处仅对点阵屏画点、文字上下左右移动进行代码实现。

点阵屏动态显示功能模块文件Matrix.c内容如下：

#include"reg52.h"
#include"Matrix.h"

// 每个LED点需1位保存,8X8点阵需8字节显存
static unsigned char FrameBuffer[8];

// 外部模块通过该函数获得显存内存位置进行处理
unsigned char *MatrixGetBuffer()
{
    return FrameBuffer;
}

// 点阵刷新,保证以一定周期调用刷新
void MatrixScan()
{
    static unsigned char Select =0; // 记录扫描的选择线
    // 列数据输出到点阵数据端口
    MatrixOutputData(FrameBuffer[Select]);
    // 扫描信号输出到点阵扫描选择端口
    MatrixOutputSelect(Select);
    Select++; // 进入到下一行扫描
    if (Select >= 8) {
        Select= 0; // 所有行已扫描，回到第一行再次开始扫描
    }
}

// LED点阵屏打点函数,对(x, y)位置进行亮,灭,状态取反
voidMatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation)
{
    if (x>7 || y>7) { // 位置保证在点阵屏区域内
        return;
    }

    switch (Operation) {
    case SET: // (x, y)位置置位,灯灭
        FrameBuffer[x] |= 1<< y;
        break;
    case CLEAR: // (x, y)位置清零,灯亮
        FrameBuffer[x] &= ~(1<< y);
        break;
    case NEGATE: // (x, y)位置取反,灯状态改变
        FrameBuffer[x] ^= 1<< y;
        break;
    default:
        break;
    }
}

// LED点阵屏清屏,显存对应1的位置,灯灭,0相应的灯才点亮
voidMatrixClearScreen()
{
    unsigned char i;

    for (i=0; i<8; i++) {
        FrameBuffer[i] = 0xff;
    }
}

// 点阵平移,上下左右四个方向平移1,平移空缺位置用数据Filling填充
void MatrixMove(unsignedchar Direction, unsigned char Filling)
{
    unsigned char i;

    switch (Direction) { // 判断平衡的方向
    case MOVE_UP: // 向上平移1,每列数据第7位移到第6位,如此类推
        for (i=0; i<8; i++) {
            FrameBuffer[i] =(FrameBuffer[i]>>1) | ((Filling<<(7-i))&0x80);
        }
        break;
    case MOVE_DOWN: // 向下平移1,每列数据第0位移到第1位,如此类推
        for (i=0; i<8; i++) {
            FrameBuffer[i]= (FrameBuffer[i]<<1) | ((Filling>>i)&0x01);
        }
        break;
    case MOVE_LEFT: // 向左平移1,右一列的数据移到当前列中,如此类推
        for (i=0; i<7; i++) {
            FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i+1];
        }
        FrameBuffer[i] = Filling;
        break;
    case MOVE_RIGHT: // 向右平移1,左一列的数据移到当前列中,如此类推
        for (i=7; i>=1; i--) {
            FrameBuffer[i] = FrameBuffer[i-1];
        }
        FrameBuffer[i] = Filling;
        break;
    default:
        break;
    }

}

我们在点阵屏模块头文件Matrix.h中实现模块的宏定义及接口访问宏实现，使之方便移植及修改接口配置。模块头文件同时也引出模块的接口函数，如MatrixScan()为点阵屏刷新函数，需周期性调用刷新点阵屏显示。点阵屏动态显示功能模块文件Matrix.h内容如下：

#ifndef__Matrix_H__
#define__Matrix_H__

#ifdef__cplusplus
extern"C" {
#endif

#define SET         0x1 //置1操作
#define CLEAR       0x2 //清0操作
#define NEGATE      0x3 //取反操作
#define MOVE_UP     0x1 //向上平移1
#define MOVE_DOWN   0x2 //向下平移1
#define MOVE_LEFT   0x3 //向左平移1
#define MOVE_RIGHT  0x4 //向右平移1

// 列数据输出到P0口
#define MatrixOutputData(Dat) {P0 = (Dat);}

// P2口输出对应列的扫描选择线,低有效
#define MatrixOutputSelect(Select) {P2 = ~(1<<(Select));}

void MatrixClearScreen(void);
void MatrixMove(unsigned char Direction, unsigned char Filling);
unsigned char*MatrixGetBuffer(void);

void MatrixScan(void);
void MatrixSetPoint(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char Operation);

#ifdef__cplusplus
}
#endif

#endif/*__Matrix_H__*/

外部应用通过引入点阵屏的模块头文件Matrix.h来实现调用点阵屏驱动函数，简单测试调用(心形在点阵屏内随机平移)实现如下：

#include"reg52.h"
#include"Matrix.h"

// 心形坐标数据
static unsigned charcode HeartShape[][2] = {
    {3, 3}, {4, 2}, {5,3}, {5, 4}, {4, 5},
    {3, 6}, {2, 5}, {1,4}, {1, 3}, {2, 2},
};

// 以定时器时间为计时标准，记录时间间隔
static volatileunsigned int SystemTick = 0;

// 定时器1.5ms中断处理进行数码管刷新
void T0_Interrupt()interrupt 1
{
    TH0 = (65536-1500) / 256;
    TL0 = (65536-1500) % 256;
    SystemTick++; // 记录时间间隔
    MatrixScan(); // 刷新数码管
}

void T0_Init()
{
    TMOD = 0x01; // 定时器0工作方式1
    // 1.5ms计时中断(12M)
    TH0 = (65536-1500) / 256;
    TL0 = (65536-1500) % 256;
    ET0 = 1; // 定时器T0中断允许
    EA = 1; // 总中断允许
}


void main()
{
    unsigned char *pBuffer;
    unsigned char State = 0;
    unsigned char Point;
    unsigned char Direction;
    unsigned char DataAnd;
    unsigned char i;
    // 定时器初始化
    T0_Init();
    // 获得点阵显存，以作数据处理
    pBuffer = MatrixGetBuffer();
    // 点阵屏清屏
    MatrixClearScreen();
    // 开启定时器进行计时以及点阵扫描
    TR0 = 1;
    Point = 0;

    while(1) {
       switch (State) {
       case 0:    //状态0为逐点打出心形
           if (SystemTick > 334) { // 500ms打心形的一个点
              SystemTick = 0;
              MatrixSetPoint(HeartShape[Point][0],HeartShape[Point][1], CLEAR);
              Point++;
              if (Point >sizeof(HeartShape)/sizeof(HeartShape[0])) {
                  State = 1; // 心形打完,进入状态1,是否到边界判断
                  Direction = TL0& 0x3; // 随机得出心形的移动方向
              }
           }
           break;
       case 1:    // 状态1为心形是否移动到点阵屏边界的判断
           switch (Direction) { // 移动方向判断是否到相应方向的边界
           case 0:    // 左边界判断
              // 第一列的点有一个亮,则认为图形到了左边界
              if (pBuffer[0] !=0xff) {
                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
              } else {
                  State = 2; // 未到左边界,进入状态2进行左平移
              }
              break;
           case 1:    // 右边界判断
              // 第八列的点有一个亮,则认为图形到了右边界
              if (pBuffer[7] !=0xff) {
                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
              } else {
                  State = 2; // 未到右边界,进入状态2进行右平移
              }
              break;
           case 2:    // 上边界判断
              // 所有列的第一行点有一个亮,则认为图形到了上边界
              DataAnd = 0xff;
              for (i=0; i<8; i++) {
                  DataAnd &= pBuffer[i];
              }
              if (DataAnd & 0x1) {
                  State = 2; // 未到上边界,进入状态2进行上平移
              } else {
                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
              }
              break;
           case 3:    // 下边界判断
              // 所有列的第八行点有一个亮,则认为图形到了下边界
              DataAnd = 0xff;
              for (i=0; i<8; i++) {
                  DataAnd &= pBuffer[i];
              }

              if (DataAnd & 0x80) {
                  State = 2; // 未到下边界,进入状态2进行下平移
              } else {
                  Direction = TL0& 0x3; // 重新选择移动方向
              }
              break;
           default:
              break;
           }
           break;

       case 2:    // 状态2为对点阵屏平移
           if (SystemTick < 667){  // 1s平移1次
              continue;
           }
           SystemTick = 0;
           switch (Direction) {
           case 0:    // 左平移,平移后的空缺位置灭
              MatrixMove(MOVE_LEFT, 0xff);
              break;
           case 1: // 右平移,平移后的空缺位置灭
              MatrixMove(MOVE_RIGHT,0xff);
              break;
           case 2:    // 上平移,平移后的空缺位置灭
              MatrixMove(MOVE_UP, 0xff);
              break;
           case 3:    // 下平移,平移后的空缺位置灭
              MatrixMove(MOVE_DOWN, 0xff);
              break;
           default:
              break;
           }
           State = 1; // 平移后再进入状态1进行边界检测
           break;
       default:
           break;
       }
    }
}

附录：

此章节的Keil工程，包含源码，Preteus仿真，包含仿真电路，可直接查看效果，Matrix.rar。