【51单片机系列】74HC595实现对LED点阵的控制

本文是关于LED点阵的使用,使用74HC595模块实现对LED点阵的控制。

文章目录

  • 一、8x8LED点阵的原理
    • 1.1 LED点阵显示原理
    • 1.2 LED点阵内部结构图
    • 1.3 开发板上的LED点阵原理图
    • 1.4 74HC595芯片
  • 二、使用74HC595模块实现流水灯效果
  • 三、 使用74HC595模块控制LED点阵对角线亮

一、8x8LED点阵的原理

1.1 LED点阵显示原理

LED点阵是由发光二极管排列组成的显示器件,被广泛应用于汽车报站器、广告屏等。如下所示:

image-20231208092451292

proteus中的8x8点阵如下:

PROTEUS中的LED点阵

通常应用较多的是8x8点阵,使用多个8x8点阵可组成不同分辨率的LED点阵显示屏,比如16x16点阵可以使用4个8x8点阵构成。

1.2 LED点阵内部结构图

8x8LED点阵内部结构图如下,这两种图片只是接法不同,要点亮LED,左图需要行置为高电平,列置为低电平;右图则需要行置为低电平,列置为高电平。

8x8LED点阵内部结构图

8x8点阵共由64个发光二极管组成,且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上,当对应的某一行置高电平,某一列置低电平,则相应的二极管将点亮。

比如对于左图,如果要将第一个点点亮,则将第一行的⑨脚接高电平,第一列的13脚接低电平,第一个点就会点亮;如果要将第一行点亮,则第一行的⑨脚接高电平,所有列(13、3、4、10、6、11、15、16脚)接低电平,第一行就会点亮;如果要将第一列点亮,则第一列的13脚接低电平,所有行(9、14、8、12、1、7、2、5脚)接高电平,第一列就会点亮;如果要将对角线点亮,可以动态显示,首先点亮第一个点,然后点亮第2行第2列的点…这样依次循环点亮,就可以显示对角线的点。

如果要显示数字或字符,在需要的位置点亮,比如显示0(如下),可以循环点亮如下位置的LED。

LED点阵显示0

1.3 开发板上的LED点阵原理图

开发板上使用了74HC595芯片实现串转并,接到LED点阵模块,原理图如下:

LED点阵原理图

74HC595起到了扩展IO口的功能,从原理图可以看到74HC595使用3个IO口输入,有8个IO口输出。这8个IO口控制LED点阵的行(从第一行到最后一行分别是D7-D0),使用P0口控制LED点阵的列(从第一列到最后一列分别是P07-P00)。

比如对于如上结构图左图所示,如果要点亮第一个LED,那么P0口应该置为0x7f,D7-D0应该置为0x80。

1.4 74HC595芯片

74HC595芯片具有8为串行输入/输出或者并行输出移位寄存器,具有三态输出(高电平、低电平、高阻态)。是总线驱动的并行输出。通常用于串行输入到并行输出的数据转换。

74HC595引脚说明如下:

符号引脚描述
Q0…Q7(QA…QH)15,1-7并行数据输出
GND8逻辑地
Q7’9串行数据输出
/MR(/SRCLR)10主复位(低电平有效),接到GND就处于复位状态,要接到电源处于高电平状态
SHCP(SRCLK)11移位寄存器时钟输入
STCP(RCLK)12存储寄存器时钟输入
/OE13输出有效(低电平有效),在开发板上有一个端子,如果要使输出有效,就短接到GND,如果要使输出无效,就短接到VCC。也可以连接到一个IO口进行控制。进行LED点阵实验时要短接到地,使输出有效。
DS(SER)14串行数据输入,输入的数据经过74HC595芯片转换为并口输出
VCC16电源

74HC595功能如下,H=高电平,L=低电平,↑=上升沿,↓=下降沿,Z=高阻态,NC=无变化,X=无效

输入输入输入输入输入输出输出功能
SHCPSTCPOEMRDSQ7’Qn
XXLXLNCMR为低电平时仅影响移位寄存器
XLLXLL移位寄存器到输出寄存器,STCP上升沿会将数据输出
XXHLXLZ清空移位寄存器,并行输出为高阻态
XLHHQ6’NC逻辑高电平移入移位寄存器状态0,包含所有的移位寄存器状态移入
XLHXNCQn移位寄存器的内容到达存储寄存器并从并口输出
LHXQ6’Qn’移位寄存器内容移入,先前的移位寄存器的内容到达存储寄存器并输出

从上表可以知道,当主复位MR为高电平,输出使能OE为低电平时,数据在SHCP上升沿进入移位寄存器,在STCP上升沿输出到并行端口。

74HC595的数据端:

Q0-Q7:八位并行输出端,可以直接控制数码管的8个段。

Q7’:级联输出端,可以接下一个595的SER端。

SER:串行数据输入端。

74HC595控制端说明

  • /SCLR(10脚):主复位脚,低电平时清空移位寄存器,通常接VCC。
  • SCK(11脚):上升沿数据寄存器移位,下降沿移位寄存器数据保持不变。
  • RCK(12脚):上升沿时移位寄存器的数据进入存储寄存器,下降沿存储寄存器数据不变。
  • /OE(13脚):输出使能,高电平时禁止输出。

二、使用74HC595模块实现流水灯效果

在proteus中硬件设计如下,实现的功能为使用74HC595芯片实现流水灯效果。

74HC595实现流水灯效果

根据上面对74HC595的介绍,DS引脚是输入的串行数据,SHCP上升沿会进行移位寄存器的移位操作,STCP上升沿时会将数据输出到并行端口。

软件代码如下:

/*实现功能:74HC595芯片控制LED点阵实现LED流水灯的效果[2023-12-08] zoya
*/
#include "reg52.h"
#include "intrins.h"typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;sbit DS = P3^4;  // 74HC595输入数据端口
sbit STCP = P3^5;  // 74HC595存储寄存器端口,上升沿时移位寄存器进入存储寄存器
sbit SHCP = P3^6;  // 74hc595移位寄存器端口,上升沿时移入数据// 延时函数,i=1延时10us
void Delay(u16 i)
{while(i--);
}// 74HC595芯片将输入的串行数据转换为并行数据输出
void HC595SendByte(u8 dat)
{u8 i;STCP = 1;  // 高电平时存储寄存器数据保持不变SHCP = 1;  // 高电平时移位寄存器数据保持不变for(i=0;i<8;i++){DS = dat >> 7;  // 每次输入最高位数据dat <<= 1;  // 移位后将dat数据左移一位,保证下一次移入的数据在最高位// 实现移位寄存器的时序,需要SHCP有一个上升沿,所以先将SHCP置0,然后置1SHCP = 0;_nop_();  // 空指令,不做任何操作,当做延时使用_nop_();SHCP = 1;}// 数据已经在移位寄存器了,现在将移位寄存器的数据输出到存储寄存器// STCP上升沿时将数据从移位寄存器输出到存储寄存器STCP = 0;_nop_();_nop_();STCP = 1;
}void main()
{u8 ledNum = ~0x01;  // 首先点亮D0// HC595SendByte(0xff);while(1){HC595SendByte(ledNum);ledNum = _crol_(ledNum,1);  // 左移,逐个点亮D0-D7Delay(50000);}
}

仿真结果:

74HC595实现LED流水灯效果

三、 使用74HC595模块控制LED点阵对角线亮

在proteus中设计如下LED点阵,实现使用74HC595控制LED点阵对角线灯亮的功能。

image-20231208151820036

代码实现如下:

/*实现功能:74HC595芯片控制LED点阵实现对角线点亮[2023-12-08] zoya
*/
#include "reg52.h"
#include "intrins.h"#define GPIO_LED P0  // LED点阵列控制IO口typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;sbit DS = P3^4;  // 74HC595输入数据端口
sbit STCP = P3^5;  // 74HC595存储寄存器端口,上升沿时移位寄存器进入存储寄存器
sbit SHCP = P3^6;  // 74hc595移位寄存器端口,上升沿时移入数据
u8 ledNum = 0x01;// 延时函数,i=1时延时10us
void Delay(u16 i)
{while(i--);
}// 74HC595芯片将输入的串行数据转换为并行数据输出
void HC595SendByte(u8 dat)
{u8 i;STCP = 1;  // 高电平时存储寄存器数据保持不变SHCP = 1;  // 高电平时移位寄存器数据保持不变for(i=0;i<8;i++){DS = dat >> 7;  // 每次输入最高位数据dat <<= 1;  // 移位后将dat数据左移一位,保证下一次移入的数据在最高位// 实现移位寄存器的时序,需要SHCP有一个上升沿,所以先将SHCP置0,然后置1SHCP = 0;_nop_();  // 空指令,不做任何操作,当做延时使用_nop_();SHCP = 1;}// 数据已经在移位寄存器了,现在将移位寄存器的数据输出到存储寄存器// STCP上升沿时将数据从移位寄存器输出到存储寄存器STCP = 0;_nop_();_nop_();STCP = 1;
}void main()
{// 点亮LED点阵的第一个灯,P00=0,其它为1u8 dNum = ~0x01;GPIO_LED = ledNum;while(1){HC595SendByte(dNum);GPIO_LED = ledNum;Delay(200);dNum = _crol_(dNum,1);ledNum = _crol_(ledNum,1);}
}

仿真结果:

74HC595实现LED点阵对角线亮的效果

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