代码收藏家技术教程 2024-12-04

基于 51 单片机的 8*8 共阴极点阵屏显示爱心图案

摘要： 本文详细介绍了利用 51 单片机控制 88 共阴极点阵屏显示爱心图案的原理、方法及实现过程。首先深入阐述了 88 共阴极点阵屏的工作机制，包括其内部电路结构与显示原理，接着全面展示了硬件系统的设计，涵盖 51 单片机最小系统和点阵屏驱动电路的构建，随后重点讲解了软件设计思路，包含字模提取、显示函数的编写以及相关辅助函数的作用，并给出了完整且详细注释的代码示例。通过对系统调试环节的介绍，阐述了硬件调试和软件调试的要点及可能出现问题的解决方法。最后总结了该项目的实践意义与应用拓展方向，为深入学习 51 单片机图形显示应用提供了全面且实用的参考范例。

一、引言

在嵌入式系统开发领域，51 单片机以其广泛的应用基础和成熟的技术支持备受青睐。8*8 共阴极点阵屏作为一种直观的显示设备，能够以简单的矩阵形式展示丰富的图形与字符信息。将两者结合，实现特定图案如爱心的显示，不仅能加深对单片机控制外部设备的理解，还能提升在图形显示编程方面的技能水平，为开发更复杂的人机交互界面奠定坚实基础。

二、8*8 共阴极点阵屏工作原理

内部电路结构
8*8 共阴极点阵屏由 64 个发光二极管（LED）组成，这些 LED 排列成 8 行 8 列的矩阵。其共阴极特性意味着每一列的 LED 阴极连接在一起，形成公共阴极端。例如，可将 8 个公共阴极分别标记为 C1 – C8，而每行的 LED 阳极则各自独立。当公共阴极端接入低电平，且对应行的阳极输入高电平时，该行该列的 LED 就会点亮。这种结构使得通过控制行和列的电平状态，可以精确地控制每个 LED 的亮灭，从而组合出各种所需的图形和字符。
显示原理
为了在点阵屏上显示完整的图案，采用逐行扫描的方式。在某一时刻，仅使一行的公共阴极端为低电平，其余行为高电平，然后根据图案形状在该行对应的阳极列线上输出相应的电平信号（高电平点亮，低电平熄灭）。例如，若要显示爱心图案的第一行，先将 C1 阴极置为低电平，然后根据爱心在第一行的形状，在阳极列线 A1 – A8 上输出对应的电平信号。完成第一行扫描后，迅速切换到第二行，将 C2 阴极置低，再次输出第二行对应的阳极电平信号，如此循环，依次扫描完 8 行。由于人眼具有视觉暂留特性，当扫描速度足够快（一般大于 50Hz，即每 20ms 内完成 8 行扫描）时，人眼就会看到一个稳定的完整图案。

三、硬件系统设计

51 单片机最小系统
选用常见的 51 单片机型号，如 AT89C51 或 STC89C52。搭建最小系统时，外接 12MHz 晶振，晶振两端分别连接 30pF 左右的电容到地，为单片机提供稳定精确的时钟信号，确保程序运行的时序准确性。设计复位电路，采用 10uF 电解电容与 10K 电阻串联，电容一端连接单片机复位引脚，另一端接电源正端，电阻一端接复位引脚，另一端接地。系统上电时，电容充电使复位引脚电平逐渐升高，实现复位操作，使单片机从初始状态开始运行程序。提供稳定的 5V 电源供电，并在电源引脚附近添加滤波电容，如 100uF 电解电容和 0.1uF 瓷片电容，以减少电源纹波对系统的干扰。
点阵屏驱动电路
由于 51 单片机直接提供的 I/O 口数量有限，难以直接驱动 8*8 共阴极点阵屏的所有行和列，因此需要扩展 I/O 口或采用专门的驱动芯片。这里采用 74HC595 芯片进行 I/O 口扩展。74HC595 是 8 位串行输入并行输出的移位寄存器。将其串行数据输入引脚（DS）连接到单片机的一个 I/O 口，如 P3.4；时钟引脚（SH_CP）连接到 P3.5；锁存引脚（ST_CP）连接到 P3.6。点阵屏的行线（阳极）连接到 74HC595 的并行输出引脚 Q0 – Q7。对于列线（阴极），由于共阴极特性，需要通过三极管驱动电路来控制。采用 NPN 型三极管（如 8050），将三极管的基极连接到单片机的另外几个 I/O 口（如 P2 口），发射极接地，集电极连接到点阵屏的列线。通过控制单片机 P2 口的电平来控制三极管的导通与截止，从而实现列线的低电平选择。

四、软件设计

字模提取
要在 88 共阴极点阵屏上显示爱心图案，首先需要提取爱心图案的字模数据。字模是根据图案形状将每个 LED 的亮灭状态用二进制数据表示。可以使用专业的字模提取软件，如 PCtoLCD2002。在软件中设置点阵屏参数为 88 共阴极、逐行扫描方式，然后绘制爱心图案，软件会自动生成对应的字模数据。例如，爱心图案的字模（以十六进制表示）可能如下：

0x00, 0x3C, 0x42, 0x81, 0x81, 0x42, 0x3C, 0x00,
0x00, 0x42, 0x7E, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x42, 0x00,
0x00, 0x81, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x81, 0x00,
0x00, 0x81, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x81, 0x00,
0x00, 0x42, 0x7E, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x42, 0x00,
0x00, 0x3C, 0x42, 0x81, 0x81, 0x42, 0x3C, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00

这里每个字节对应点阵屏的一行，字节中的每一位对应一列，1 表示点亮 LED，0 表示熄灭 LED。在实际应用中，可根据需要调整字模数据以优化显示效果。
2. 软件功能实现

#include <reg52.h>

// 定义 74HC595 控制引脚
sbit DS = P3^4;
sbit SH_CP = P3^5;
sbit ST_CP = P3^6;

// 定义列线控制引脚
sbit C1 = P2^0;
sbit C2 = P2^1;
sbit C3 = P2^2;
sbit C4 = P2^3;
sbit C5 = P2^4;
sbit C6 = P2^5;
sbit C7 = P2^6;
sbit C8 = P2^7;

// 延时函数，单位为毫秒
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for(i = 0; i < ms; i++)
        for(j = 0; j < 123; j++);
}

// 向 74HC595 写入一个字节数据
void write_595(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        DS = dat & 0x80;  // 将数据的最高位送到 74HC595 的数据引脚
        SH_CP = 1;  // 产生时钟上升沿，将数据移入 74HC595
        SH_CP = 0;
        dat <<= 1;  // 数据左移一位，准备发送下一位
    }
    ST_CP = 1;  // 锁存数据，将数据输出到并行端口
    ST_CP = 0;
}

// 控制列线电平
void set_column(unsigned char col)
{
    C1 =!(col & 0x01);
    C2 =!(col & 0x02) >> 1;
    C3 =!(col & 0x04) >> 2;
    C4 =!(col & 0x08) >> 3;
    C5 =!(col & 0x10) >> 4;
    C6 =!(col & 0x20) >> 5;
    C7 =!(col & 0x40) >> 6;
    C8 =!(col & 0x80) >> 7;
}

// 显示爱心图案函数
void display_heart()
{
    unsigned char heart[8] = {
        0x00, 0x3C, 0x42, 0x81, 0x81, 0x42, 0x3C, 0x00,
        0x00, 0x42, 0x7E, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x42, 0x00,
        0x00, 0x81, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x81, 0x00,
        0x00, 0x81, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0x81, 0x00,
        0x00, 0x42, 0x7E, 0xFF, 0xFF, 0x7E, 0x42, 0x00,
        0x00, 0x3C, 0x42, 0x81, 0x81, 0x42, 0x3C, 0x00,
        0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
        0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
    };
    unsigned char row, col;
    while(1)
    {
        for(row = 0; row < 8; row++)
        {
            write_595(heart[row]);  // 写入行数据到 74HC595
            for(col = 0; col < 8; col++)
            {
                set_column(1 << col);  // 依次选中列线
                delay_ms(1);  // 短暂延时，控制显示亮度和视觉暂留效果
            }
        }
    }
}

在上述代码中，write_595 函数用于向 74HC595 写入一个字节的数据，通过串行方式将数据逐位移入 74HC595。set_column 函数根据传入的参数控制列线的电平状态，由于是共阴极点阵屏，所以这里对列线电平的控制是取反操作。display_heart 函数是核心的显示函数，它首先定义了爱心图案的字模数组，然后在一个无限循环中，逐行扫描点阵屏。对于每一行，先将该行的字模数据写入 74HC595，然后依次选中每一列，并进行短暂延时，以实现稳定的显示效果。

五、系统调试

硬件调试
硬件电路搭建完成后，首先进行目视检查，查看元器件是否焊接正确、有无虚焊、短路等明显问题。使用万用表测量单片机最小系统的晶振两端电压是否正常，复位引脚电平是否正确。检查 74HC595 芯片的电源和接地是否正确，以及与单片机连接的引脚是否连接牢固。对于点阵屏驱动电路，检查三极管是否正常工作，测量其基极、集电极和发射极电压，确保在控制信号作用下能够正常导通和截止。使用示波器观察 74HC595 的时钟信号、数据信号以及点阵屏行线和列线的电平变化，检查信号的时序是否符合要求。例如，观察时钟信号的频率是否稳定，数据信号在写入 74HC595 时是否正确传输，行线和列线的电平切换是否及时准确。
软件调试
在 Keil 等集成开发环境中编写好软件代码后，进行编译调试。首先检查代码是否存在语法错误，若有则根据编译器提示进行修改。在代码语法正确的基础上，通过设置断点、单步执行等调试手段，检查程序的逻辑是否正确。例如，在 write_595 函数中设置断点，观察数据是否正确写入 74HC595；在 display_heart 函数中设置断点，检查行扫描和列控制是否按照预期进行。可以使用串口调试助手等工具输出一些调试信息，如当前扫描的行号、列号等，以便更直观地了解程序的执行情况。若发现程序逻辑错误，仔细分析代码，找出错误原因并进行修正。例如，如果发现爱心图案显示不完整，可能是字模数据错误或者在写入 74HC595 时数据传输有误；如果显示闪烁严重，可能是延时时间设置不合理或者硬件电路存在干扰。
联调
在硬件调试和软件调试都基本通过后，进行系统的联调。将编译好的程序下载到 51 单片机中，观察 8*8 共阴极点阵屏上是否能够正确显示爱心图案。检查图案的形状是否完整、清晰，显示是否稳定，有无闪烁、乱码等异常现象。如果在联调过程中发现问题，需要综合考虑硬件和软件两方面的因素，进行全面的故障排查和问题解决。例如，如果图案显示位置偏移，可能是行列扫描顺序错误或者字模数据与扫描方式不匹配；如果显示颜色异常（对于双色或多色点阵屏），可能是颜色控制信号错误或者硬件驱动电路中颜色切换部分出现故障。

六、结论

通过本文对基于 51 单片机的 88 共阴极点阵屏显示爱心图案的详细阐述，我们全面掌握了从点阵屏工作原理到硬件系统设计、软件编程以及系统调试的完整流程。88 共阴极点阵屏的工作原理为实现复杂图形显示提供了基础，通过合理设计硬件电路，利用 74HC595 芯片有效扩展了单片机的 I/O 口资源，满足了点阵屏驱动需求。在软件方面，字模提取为显示特定图案提供了数据支持，而精心编写的显示函数及辅助函数则确保了图案的准确稳定显示。系统调试环节则为解决实际应用中可能出现的问题提供了方法和思路。这一项目不仅是一个简单的图形显示实例，更是深入学习 51 单片机在图形显示领域应用的重要基石，为进一步开发具有更复杂显示功能的嵌入式系统提供了宝贵的经验和技术参考，在智能仪表、小型游戏机、电子广告牌等领域具有广泛的应用拓展潜力。

作者：罗培丽