在单片机发烧友圈子中，有关用单片机驱动LED、数码管、LCD等的入门文章随处可见，有关驱动LED点阵屏的文章则不多，至于真正能够显示一个国标汉字的16×16点阵屏的则更少。本文向大家介绍一款用ATmega48单片机控制16×16点阵屏显示汉字，并可做出多种动画特效的实验小系统，让你尽显编程技巧，尽情玩转16×16点阵屏这一汉字显示最小单位。
原理说明
1.计算机显示汉字的基本原理
计算机显示屏上的汉字实际上是由一组有序排列的像素构成的。如果有笔画的像素不亮，而其周围的像素都是亮的，就能看到一个黑色笔画的汉字。能够清楚地显示一个汉字的最小像素数是16×16=256，这是DOS时代就定下的规矩。现在的Windows有了矢量字体，大大丰富了汉字的显示，能在屏幕上不失真地显示汉字书法的美。
现在回到16×16LED点阵屏，我们的任务是在这块方寸之地显示一个汉字，而且要能上下、左右地滚动，首先要解决的问题就是如何存放这256个汉字笔画像素的信息。
图11.1
图11.2 系统原理图
当初DOS绝不是随便定下16×16，即16行与16列的标准的。在计算机世界里，8位(bit)组成一个字节(byte)，而双字节则构成一个字。于是办法有了，用两个字节共16位来代表一行的信息，16行共32个字节，用某位是0还是1来控制点亮还是熄灭对应位置的像素，就能在16×16LED屏上显示汉字，存放汉字笔画信息的问题解决了。
下一个要解决的问题是如何得到一个汉字的点阵信息。图11.1所示是中国象棋中的帅字，我们将一个汉字的显示区域划分成4个8×8的子区，即A区、B区、C区、D区。显而易见，可以用一个字节来代表一个子区中一行的信息，32个字节就能表示4个子区。获取点阵信息的方法也就随之产生了，我们只要按照某种顺序，依次将这些信息存入一个容量为32的数组就可以了。存取的顺序可以有多种，比如A、B、C、D或A、C、B、D等，存取顺序的不同，没有大的区别，只是影响将来的编程思路。以图11.1为例，我们按横向每行(区的顺序是A、B、C、D)的顺序取得的数据如下(C 语言的表示方式)：
0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22,
A B A B A B A B
0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25,
A B A B A B A B
0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D,
C D C D C D C D
0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0
C D C D C D C D
图11.3 4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系
2.系统原理
从图11.2的原理图中可以看出，单片机ATmega48的3个端口几乎全部用上。端口D和端口B分别控制纵向左(A区和C区)、右(B区和D区)两组8×8点阵模块的列寻址。端口C则通过一个74HC154译码器将4位地址值转换成15个行控制信号。在硬件设计上，这15个控制信号也被分成两组，分别控制横向的上(A区和B区)、下(C区和D区)两组8×8点阵模块的行寻址。
4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系如图11.3所示。搞清这些关系将是软件设计的基础。
硬件介绍
1.单片机主控板
图11.4所示的是AVR单片机最小系统，因为引脚定义完全一致，所以可换插ATmega48/88/168/328系列单片机和ATmega8单片机。这块板子的电路图见图11.5。
图11.4 AVR单片机最小系统
图11.5 AVR单片机最小系统电路图
该板子的一个设计特点是“资源全开放”，因为ATmega48系列单片机具有引脚功能复用的特点，即所有的B端口、D端口和C端口的6个引脚通过插针全部对外开放，使用者负责定义每个引脚的工作模式和状态。例如，在你的程序中使用了串口功能，D端口的PD0 和PD1两个引脚就不能用作I/O。同理，如果系统使用了外部晶体振荡器，则PB7和PB6也不能用作他用。从图4可以看出，端口B和D都将8个引脚通过排针引了出来。而端口C的设计有些独特，不但将引脚引出，还增加了一排VCC插针和一排GND插针，这主要是为了方便接插伺服电机和众多传感器而设计的。大家知道，伺服电机3根引线的排列顺序是信号、VCC、GND，很多传感器也是如此排列3根引脚，而且端口C的引脚从0至5又具有ADC的第二功能。如此一来，需要接插伺服电机和传感器时就方便多了。板子上还提供专门的位置将串口引出。而外部晶体振荡器则通过开关控制其是否接入系统。当然，改变系统振荡源时不要忘记相关标志位的设置。ISP下载部分则是标准的10针插座，可接插多种下载器。
2. 16×16点阵屏模块
这块板子上的主要元件就是4个8×8LED模块和一只74HC154地址译码器，如图11.6所示。本文不准备详述点阵模块这种发光元件的基本原理，爱好者们可以找到很多相关文章，并参照本文前面的说明自行设计搭建。需要强调的是，要搞清模块的引脚排列，不同厂家的产品并不完全相同。另外要搞清模块是共阴的还是共阳的，这主要决定着地址译码器的选择。
图11.6 16×16点阵屏模块
本文中用到的这块板子使用的是共阳模块，就是当某列的引脚为高电位，而某行的引脚为低电位时，处于该行与该列交叉点的LED被点亮。74HC154译码器的输出为低电平有效，因此，当单片机端口B和D的某个引脚输出高电位即1时，此时74HC154译码器的某个引脚有效(输出低电平)，则处于交叉点的LED被点亮。
3.系统搭建
图11.7 系统搭建方法
系统搭建非常简单，如图11.7所示。使用两根8线排缆将单片机主控板的D端口和B端口分别与16×16点阵屏的对应端口插接，用一组4线杜邦头的跳线将单片机主控板C端口的0～3 与16×16点阵屏的4位地址线接插，另用一根电源引线通过单片机主控板C端口任意一组VCC、GND插针引出接入16×16点阵屏，即可完成系统搭建。
程序
所谓程序就是数据+算法。首先设计一个有效的数据结构，再根据硬件电路的寻址方式，有序地将数据送达正确的点位(算法)，我们要求的图案就显示出来了。
笔者选取了几个例子与爱好者朋友分享，作为抛砖引玉，相信朋友们会设计出更丰富多彩的程序。
一个汉字垂直向上移动例程序
#include
#include
#include
#pragma data:eeprom
//中国象棋中的帅字点阵，存储在EEPROM中
char table[]={
0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22, 0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25, 0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D, 0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0};
#pragma data:data
//一个粗略的延时子程
void delay_1ms(void)
{
unsigned int i;
for (i=1;i < 1000;i++) ;
}
//端口初始化函数
void port_init(void)
{
PORTB=0x00;
DDRB=0xFF;
PORTC=0x00;
DDRC=0x0F;
PORTD=0x00;
DDRD=0xFF;
}
void main(void)
{
char i,K,L;
char B_port[32];
port_init();//数据准备
for (i=0;i <32;i++)
{//从EEPROM 读出数据，初始化数组B_port。
EEPROM_READ(i, B_port[i]);
}
K=0;//初始化计数变量K
while(1)//无限循环
{
for(L=0;L<10;L++)//滚屏速度控制
{
for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新
{
PORTD=B_port[i*2];//送端口D
PORTB=B_port[i*2+1];//送端口B
PORTC=i;//行寻址
delay_1ms();
}
}
//将数组中的数据都顺序向前移动一排
for (i=0;i < 29;i+=2)
{
B_port[i]=B_port[i+2];
B_port[i+1]=B_port[i+3];
}
//从EEPROM中取出两个字节，填充到数组最后两个单元中
EEPROM_READ(K, B_port[30]);
K++;
EEPROM_READ(K, B_port[31]);
K++;
if (K >=32)//行更新计数
K=0;
}
}
1.数据准备
从本文前述关于16×16点阵汉字信息的提取，结合实例中的硬件寻址方式，大家不难想象，只要将这32个字节顺序存入一个数组，然后每两个字节为一组送往D端口和B端口形成列地址，再通过C端口给出行地址，对应行的LED将被选中，位于D、B端口字节中高电位的LED被点亮，其他的不亮，该行的点阵就形成了。如此动作16次，将32个字节依次送出，一帧(16×16点阵)的图案就显示出来了。我们只要以小于1ms的时间间隔循环做这组动作，一个汉字(或图案)就能稳定地显示在点阵屏上。
2.文字上下滚动
让汉字在16×16点阵屏上、下滚动(垂直移动)是最为简单的动作。
向右水平移动汉字例程序
#include
#include
//中国象棋中的帅字点阵，以数组形式存储在RAM中
char table[]={
0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x 22,
0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x 25,
0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x 2D,
0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0x F0};
//工作数组
char A_array[16][4];
//一个粗略的延时子程
void delay_1ms(void)
{
unsigned int i;
for (i=1;i < 1000;i++) ;
}
//端口初始化函数
void port_init(void)
{
PORTB=0x00;
DDRB=0xFF;
PORTC=0x00;
DDRC=0x0F;
PORTD=0x00;
DDRD=0xFF;
}
//数据准备函数
void A_arr_prepare(void)
{
char i,j;
for (i=0;i < 16;i++)
{
j=i*2;
A_array[i][3]=table[j];
A_array[i][2]=table[j+1];
A_array[i][1]=0;
A_array[i][0]=0;
}
}
void main(void)
{
char i,L;
char m0,m1,m2,m3;
//用于存储移出位的变量
port_init();
//数据准备
A_arr_prepare();
while(1)
{
for(L=0;L < 10;L++)//滚屏速度控制
{
for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新
{
PORTD=A_array[i][1];
PORTB=A_array[i][0];
PORTC=i;
delay_1ms();
}
}
//整屏数据右移一列
for (i=0;i < 16;i++)
{
if (A_array[i][0] & 0x01==1)
//保留移出位
m0=0x80;//如果是1，保留在高位。
else
m0=0;
if (A_array[i][1] & 0x01==1)
m1=0x80;
else
m1=0;
if (A_array[i][2] & 0x01==1)
m2=0x80;
else
m2=0;
if (A_array[i][3] & 0x01==1)
m3=0x80;
else
m3=0;
A_array[i][3]=A_array[i][3]>>1;//字节右移一位
A_array[i][3]=A_array[i][3] | m0;//将前一字节的高位移入
A_array[i][2]=A_array[i][2]>>1;
A_array[i][2]=A_array[i][2] | m3;
A_array[i][1]=A_array[i][1]>>1;
A_array[i][1]=A_array[i][1] | m2;
A_array[i][0]=A_array[i][0]>>1;
A_array[i][0]=A_array[i][0] | m1;
}
}
}
向上滚动时的流程图如图11.8所示，其实现程序在ICC 7平台调试通过。这个小例程使用EEPROM存储汉字点阵信息，主要是作为练习，爱好者也可以使用RAM中的数组省去EEPROM的读动作。
3. 文字左右移动
左右移动(水平横向移动)稍微复杂一些，因为要进行数据位的循环移动。在下面的例子中，我们使用一个二维数组A_array[16][4]，目的是在汉字水平移动时有一个字的空格，当然你也可以试着只留半个空格或不留空格。此例程没有使用EEPROM，而是在RAM中建立一个存放点阵数据的数组table[ ]。在数据准备阶段，将数组table[ ]中的数据导入数组A_array[16][4]的后两列，即A_array[16][3]和A_array[16][2]。显示完一帧后，再对这16组4个字节向右移位，实现整帧的右移。数组A_array[16][4]的移动动作顺序如图11.9所示，该例程的流程图如图11.10所示。
图11.8 文字向上滚动的流程图
图11.9 数组A_array[16][4]的移动动作顺序
图11.10 文字向右移动的流程图
拓展练习
本文仅对16×16点阵屏做一浅显介绍，相信单片机爱好者可以借助这个小平台玩出许多花样，例如对角移动、中心开花、中心会聚、对称分开或合拢，以及多字连续移动等。文中例程序是用C语言写的，也可以使用BASIC语言，里面的一些函数可以改成汇编语言的，将会显著提高效率。现在，很多爱好者玩起了Arduino，同样可以驱动这个16×16点阵屏，只是由于Arduino端口开放得不全，所以要加锁存器，并分步传送数据，程序会稍微复杂些，但基本思路是相似的。
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