Arduino程序设计（十一）8×8 共阳极LED点阵显示（74HC595）

news2024/11/17 19:31:46

8×8 共阳极LED点阵显示

  • 前言
  • 一、74HC595点阵模块
    • 1、74HC595介绍
    • 2、74HC595工作原理
    • 3、1088BS介绍
    • 4、74HC595点阵模块
  • 二、点阵显示实验
    • 1、点阵显示初探
    • 2、点阵显示进阶
    • 3、点阵显示高阶
      • 3.1 点阵显示汉字（方法1）
      • 3.2 点阵显示汉字（方法2）
  • 补充

前言

  • 本文主要介绍8×8 共阳极LED点阵显示实验，分别是：
  • 1、介绍74HC595点阵模块；
  • 2、点阵显示指定行列LED；
  • 3、点阵显示汉字。

一、74HC595点阵模块

  • 由1个8x8共阳极点阵1088BS和2个74HC595组成，通过SPI方式与单片机通信。

1、74HC595介绍

  • 74HC595是一个8位串行输入、并行输出的位移缓存器：并行输出为三态输出。在SCK 的上升沿，串行数据由SDL输入到内部的8位位移缓存器，并由Q7’输出，而并行输出则是在LCK的上升沿将在8位位移缓存器的数据存入到8位并行输出缓存器。当串行数据输入端OE的控制信号为低使能时，并行输出端的输出值等于并行输出缓存器所存储的值。

  • （1）74HC595D引脚介绍及工作范围
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  • （2）逻辑图：
    在这里插入图片描述

  • （3）时序图：
    在这里插入图片描述

  • （4）功能框图：
    在这里插入图片描述

  • 注意：74HC595的移位特性是串行输入，并行输出。

2、74HC595工作原理

  • （1）74HC595引脚图

在这里插入图片描述

  • （2）74HC595D、74HC595和74HC595点阵模块的引脚对照表如下：
引脚编号74HC595D74HC59574HC595点阵模块功能介绍
15Q0QA\一位并行输出位
1~7Q1~Q7QB~QH\七位并行输出位
8GNDVSSGND电源地
9Q7’QH’\级联位，若输入位数大于8位，先进入的位会从此口连续输出，用于多片之间的级联
10MRSRCLR5V主复位，低有效，一般直接接到VCC拉高
11SH_CPSRCLKCLK移位寄存器时钟输入
12ST_CPRCLKLE存储寄存器时钟输入
13OEOEGND输出使能位，低有效，一般全程给低电平
14DSSERDI串行数据输入位
16VCCVDD5V电源5V

  • （3）74HC595工作原理介绍
    在这里插入图片描述

  • ① 在SRCLK上升沿时，来自SER的数据可以存入移位寄存器。移位寄存器只有8位，如果数据溢出，溢出的数据从QH’输出（图中用空心箭头表示）。

  • ② 在RCLK上升沿时，移位寄存器的8位数据全部传给存储寄存器（图中用虚线表示）。此时如果OE是低电平，8位数据会并行输出。

  • ③ SRCLR在低电平时可以清空移位寄存器，一般只在第一次安全上电时拉低，其它时间置高。OE在低电平时允许输出，高电平输出三态。三态既不是高电平，也不是低电平，被称为高阻态。实际应用时OE常常设为低电平。

  • ④ 假设来自于控制芯片的数据是ABCD EFGH，每个字母表示1bit数据，非0即1。那么会把高位的数字A最先存入移位寄存器，第1个数据会从QH输出，存入的第8个数据会从QA输出。

  • ⑤ QH’ 的级联作用：

  • a. 应用场景：8×8 共阳极LED点阵1088BS，驱动此点阵共需要8位段选端和8位位选端，共16位串行数据输入。

  • b. 移位过程：SER 的数据输入端串行输入时，在 SRCLK 的上升沿将数据移入移位寄存器内，每个 SRCLK 上升沿移入一位单bit数据，最先输入的一直向后移直到8个 SRCLK 上升沿后，移位寄存器填满，此时若数据输入端还有数据输入，下一个 SRCLK 上升沿到来时，最先输入的1bit数据就会从 QH’ 输出（此处可理解为队列，先进先出）。在RCLK的上升沿，数据会从移位寄存器进入存储寄存器中，当OE低有效时，存储寄存器中的值从 QA ~ QH 并行输出。

  • c. 级联实现：将第一片 74HC595 的 QH’ 串行输出端接到第二片的数据输入端 SER ，实现级联功能。经过16个时钟SRCLK 上升沿后，数据已经全部移位进入移位寄存器，一次共输入16位数据，那么第一位输入的串行数据会在第二片 74HC595 芯片的 QH 输出，此时给一个上升沿的 SRCLK 信号就可以将信号移入存储寄存器，OE 信号持续给低， 即可输出。

3、1088BS介绍

  • （1） LED点阵屏简介：

  • 通过LED(发光二极管）组成，以灯珠亮灭来显示文字、图片、动画、视频等，LED点阵显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合，如汽车报站器、广告屏、银行窗口屏、叫号屏以及停车系统等。

  • （2） 1088BS实物图：
    在这里插入图片描述

  • （3） 内部结构：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  • （4） LED点阵模块共阳极和共阴极区分：

  • ① 根据其内部接线方式被分为两种：共阳极（BS）和共阴极（AS）。

  • ② 共阳极即每个LED管的阳极共接在行线上，列输入的信号为1不亮，为0亮。

  • ③ 共阴极和共阳极模块相反，每个LED管的阴极共接在行线上，列输入的信号为0不亮，为1亮。

  • ④ 一般只需根据点阵第一个引脚的极性来定义，第一个引脚为阳极则为共阳，反之则为共阴。

4、74HC595点阵模块

  • （1）74HC595点阵模块实物图：
    在这里插入图片描述
  • （2）74HC595点阵模块原理图：
    在这里插入图片描述
  • （3）引脚说明与接线
  • ① 引脚说明：
74HC595点阵模块功能说明
DI串行数据输入
LE锁存器时钟输入
CLK移位寄存器时钟输入
NC空脚，不接
VCC模块供电接口，可用单片机的5V电源口供电
GND电源地
  • ② 与Arduino UNO R3开发板接线：
74HC595点阵模块Arduino UNO R3
DID8
LED9
CLKD10
VCC5V
GNDGND

二、点阵显示实验

1、点阵显示初探

  • （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。

  • （2）点阵显示初探的电路图，如下图所示：
    在这里插入图片描述

  • （3）实现功能：点亮8*8共阳极点阵的第一个LED灯，LED位置（1,1）。

代码实现：

//8*8共阳极点阵实验
//点亮8*8共阳极点阵的第一个LED灯，LED位置（1,1）

#define DIO 8      //DI
#define S_CLK 10   //CLK
#define R_CLK 9   //LE

void setup()
{
  pinMode(DIO, OUTPUT);
  pinMode(S_CLK, OUTPUT);
  pinMode(R_CLK, OUTPUT);
}

void loop()
{
  //ROW 0x80 , COL 0xfe
  int i, dat;//i循环次数  dat需要发送的数据
  dat = 0xfe;//发送列值
  for (i = 0; i < 8; i++) //循环8次
  {
    digitalWrite(S_CLK, LOW);
    digitalWrite(R_CLK, LOW);

    if (dat & 0x01) //发送1
    { 
      digitalWrite(DIO, HIGH);
    }
    else      //发送0
    { 
      digitalWrite(DIO, LOW);
    }
    digitalWrite(S_CLK, HIGH);
    dat >>= 1;//数据右移
  }
  dat = 0x80;//发送行值
  for (i = 0; i < 8; i++) //循环8次
  {
    digitalWrite(S_CLK, LOW);
    digitalWrite(R_CLK, LOW);

    if (dat & 0x01) //发送1
    { 
      digitalWrite(DIO, HIGH);
    }
    else      //发送0
    { 
      digitalWrite(DIO, LOW);
    }

    digitalWrite(S_CLK, HIGH);
    dat >>= 1;//数据右移
  }

  digitalWrite(R_CLK, HIGH);
}
  • （4）实现现象：
    在这里插入图片描述

2、点阵显示进阶

  • （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。

  • （2）点阵显示进阶的电路图，如下图所示：
    在这里插入图片描述

  • （3）实现功能：8*8共阳极点阵，点亮指定行列LED。

代码实现：

//8*8共阳极点阵实验
//8*8共阳极点阵，点亮指定行列LED

#define DI 8
#define CLK 10
#define LE 9

int number[16]={1,0,0,1,1,1,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1};//列数据10011100，行数据10101011

void setup()
{
  pinMode(DI, OUTPUT);
  pinMode(CLK, OUTPUT);
  pinMode(LE, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(LE, LOW);//存储寄存器时钟输入,串行输入数据时置0
  
  for (int i = 0; i < 16; i++)
  {
    DI_data(number[i]);//先发送列数据，再发送行数据
  }

  digitalWrite(LE, HIGH);//存储寄存器时钟输入,并行输出数据时置1
}

void DI_data(int num)
{
  digitalWrite(CLK, LOW);//移位寄存器时钟输入，CLK为低电平
  digitalWrite(DI, num);//串行数据输入
  digitalWrite(CLK, HIGH);//CLK上升沿,DI发送数据
}
  • （4）实现现象：
    在这里插入图片描述

3、点阵显示高阶

3.1 点阵显示汉字（方法1）

  • （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。

  • （2）点阵显示汉字（方法1） 的电路图，如下图所示：
    在这里插入图片描述

  • （3）实现功能：不用shiftOut函数，点阵显示汉字“中”。

代码实现：

//8*8共阳极点阵实验
//不用shiftOut函数，点阵显示汉字“中”

#define DI 8
#define CLK 10
#define LE 9

uint8_t ROW[8][8] = {
  {0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1}, //第一列
  {1, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1}, //第二列
  {1, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 1}, //第三列
  {1, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 1}, //第四列
  {1, 1, 1, 1, 0, 1, 1, 1}, //第五列
  {1, 1, 1, 1, 1, 0, 1, 1}, //第六列
  {1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 1}, //第七列
  {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}  //第八列
};

uint8_t COL[8][8] = {           //汉字“中”
  {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0}, //第一行
  {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0}, //第二行
  {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //第三行
  {1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 0}, //第四行
  {1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0}, //第五行
  {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0}, //第六行
  {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0}, //第七行
  {0, 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0}  //第八行
};

void setup()
{
  pinMode(DI, OUTPUT);
  pinMode(CLK, OUTPUT);
  pinMode(LE, OUTPUT);
}

void loop()
{
  for (int z = 0; z < 8; z++)
  {
    ROW_COL(z);
  }
}

void DI_data(int num)
{
  digitalWrite(CLK, LOW);//移位寄存器时钟输入，CLK为低电平
  digitalWrite(DI, num);//串行数据输入
  digitalWrite(CLK, HIGH);//CLK上升沿,DI发送数据
}

void ROW_COL(int k)
{
  digitalWrite(LE, LOW);//存储寄存器时钟输入,串行输入数据时置0

  for (int i = 0; i < 8; i++)
  {
    DI_data(ROW[k][i]);//发送列数据
  }

  for (int j = 0; j < 8; j++)
  {
    DI_data(COL[k][j]);//发送行数据
  }

  digitalWrite(LE, HIGH);//存储寄存器时钟输入,并行输出数据时置1
}
  • （4）实现现象：
    在这里插入图片描述

3.2 点阵显示汉字（方法2）

  • （1）本实验采用Arduino UNO R3开发板及自主搭建电路的方式，实现预设功能。

  • （2）点阵显示汉字（方法2） 的电路图，如下图所示：
    在这里插入图片描述

  • （3）实现功能：用shiftOut函数，点阵显示汉字“甲”。

代码实现：

//8*8共阳极点阵实验
//用shiftOut函数，点阵显示汉字“甲”

#define LE 9   
#define CLK 10 
#define DI  8  

unsigned int ROW_COL[8][2] = { //汉字“甲”
  {0x7f, 0x00}, //第一个字节是列数据，第二个字节是行数据
  {0xbf, 0x7C},
  {0xdf, 0x54},
  {0xef, 0x7C},
  {0xf7, 0x54}, 
  {0xfb, 0x7C}, 
  {0xfd, 0x10}, 
  {0xfe, 0x10}
};

void setup() 
{
  pinMode(LE, OUTPUT);
  pinMode(CLK, OUTPUT);
  pinMode(DI, OUTPUT); 
}

void loop()
{
  show(ROW_COL);
}

void show(unsigned int a[8][2])
{ 
  for ( int i = 0; i < 8; i++)
  {
    digitalWrite(LE, LOW);
    for (int j = 0; j < 2; j++)
    {
      shiftOut(DI, CLK, LSBFIRST, a[i][j]);//一次向移位寄存器写入一个字节（8个位）
    }
    digitalWrite(LE, HIGH);
  }
}
  • （4）实现现象：
    在这里插入图片描述

补充

  • 1、不推荐使用74HC595 来驱动8x8共阳点阵，由于点阵是扫描显示，所以在一定程度上来说它只能让我们只显示一个图案，如果你需要显示动图或者滚动显示，实现起来会比较麻烦，如果想实现显示动图或者滚动显示，推荐使用max7219芯片驱动8x8共阴点阵。
  • 2、shiftOut函数介绍
  • （1）参数介绍
  • shiftOut(dataPin,clockPin,bitOrder,val)
  • ① dataPin：对于arduino板，它是输出每一位数据的引脚（如某数字口），引脚需配置成输出模式。
  • ② clockPin：为位移芯片提供时钟的脚（即指arduino板上的某个数字口），当我们准备将dataPin的数据推送出去时，发送一个高电平（当然，这个引脚须配置成输出模式）。
  • ③ bitOrder：输出位的顺序，有最高位优先（MSBFIRST）和最低位优先（LSBFIRST）两种方式。
  • ④ val：所要输出的数据值，该数据值将以byte形式输出。
  • （2）与74HC595的对应关系
  • ① dataPin：自然是要对应位移芯片的DS引脚（数据引脚），需要注意的是这些数据必须在SCK引脚（SH_CP）触发上升沿的时候才会被逐位送入位移芯片（如hc595，hc164等芯片）
  • ② clockPin：对应的是位移芯片的SH_CP引脚，负责将dataPin送来的数据一位一位的送到芯片的寄存器中，每出现一个上升沿就送一位进入寄存器。
  • ③ 补充：位移芯片还有一个ST_CP引脚RCK，这个引脚负责输出芯片中已有的数据到8个输出管脚，换句话说，如果没有它的触发，芯片是不会向外输出的，它也是上升沿触发，也就是说需要一个由低到高的电平调变来触发。
  • ④ 总结：SH_CP,负责进，ST_CP负责出，不同的是SH_CP,是逐位的输入，ST_CP一次输出。

参考资料1: 点阵模块原理学习
参考资料2: 电子设计教程49：16*16LED点阵屏驱动-74HC595的原理
参考资料3: 74HC595工作原理及FPGA实现数码管驱动方法
参考资料4: 《别再找了！这是有史以来最棒的Arduino教程系列》感谢佑來老师的奉献无私！
参考资料5: Arduino+2片74hc595 驱动8x8(共阳)点阵(1008BS)
参考资料6: Arduino中shiftOut怎么用？

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