在单片机发烧友圈子里，用单片机驱动LED、数码管、LCD等的入门文章随处可见，驱动LED点阵屏幕的文章数量并不多。实际上，能显示汉字的1616点阵屏幕较少。本文介绍了用ATmega48单片机控制1616点阵屏幕显示汉字、产生多种动画效果的实验小型系统，展示了编程技巧，用1616点阵屏幕这个汉字展示了最小单位。
原理说明
1.电脑展示了汉字的基本原理
电脑显示屏上的汉字实际上是由一组排列有序的像素组成的。如果有笔画的像素不亮，周围的像素都亮，就能看到黑色笔画的汉字。能够清晰显示汉字的最小像素数为1616=256。这是DOS时代制定的规则。目前，Windows拥有矢量字体，大大丰富了汉字显示，可以在屏幕上毫无失真地显示汉字书法的美丽。
现在回到1616LED点阵屏幕，我们的任务是在这个地方显示汉字，并允许上下左右滚动。首先要解决的问题是如何保存这256个汉字笔画像素的信息。
图11.1
图11.2系统结构图
当初DOS不是随便制定1616，也就是16行和16列的标准。在计算机世界中，8位(bit)构成字节(byte)，2字节构成一个单词。所以方法是用2字节的总16位表示一行信息，16行总32字节，可以控制哪些人是0还是1打开该位置的像素。通过在1616LED屏幕上显示汉字，保存汉字笔画信息的问题得到了解决。
下一个要解决的问题是如何获取汉字的点阵信息。图11.1显示了中国象棋的精彩文字，将汉字的显示区域分为四个88子区域：A区、B区、C区、D区。显然，子区域中一行的信息可以用1字节表示，32字节可以表示4个子区域。获得点阵信息的方法也应运而生。我们只需按照某种顺序依次将这些信息存储在容量为32的数组中。访问顺序可以不同，如A、B、C、D或A、C、B、D等。访问顺序没有太大差异，只会影响以后的编程想法。在图11.1中，按每行水平(地区顺序为A、B、C、D)顺序获得的数据如下(以C语言表示):
0x0f、0xf 0，0x30，0x0c、0x44，0x22，0x44，0x22、
A B A B A B A
0x95，0xfd、0x95，0x25，0x95，0x25，0x25，0x95，0x25、
A B A B A B A
0x95，0x25，0x95，0x25，0x85，0x25，0x89，0x2d，
C D C D C D C
0x50，0x22，0x40，0x22，0x30，0x0c、0x0f、0xf0
C D C D C D C
图11.3四个88LED模块与单芯片端口寻址的关系
2.系统原理
如图11.2中的原理图所示，单片机ATmega48上的三个端口几乎全部使用。端口D和端口B分别控制两组88光栅模块的列寻址：纵向左侧(A区和C区)和右侧(B区和D区)。端口C通过74HC154解码器将4位地址值转换为15行控制信号。在硬件设计中，这15个控制信号也分为两组，分别控制水平(A区和B区)、下面(C区和D区)两组88光栅模块的行寻址。
4个88LED模块与单片机端口的寻址关系如图11.3所示。澄清这些关系将是软件设计的基础。
硬件简介
1.单片机控制板
图11.4显示了AVR微控制器最小系统。因为针脚定义完全一致，所以可以更换ATmega48/88/168/328系列微控制器和ATmega8微控制器。这块板子的电路图见图11.5。
图11.4 AVR单片机最低系统
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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