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

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
  
  
  

• （2）逻辑图：
  

• （3）时序图：
  

• （4）功能框图：
  

• 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

• （2）74HC595D、74HC595和74HC595点阵模块的引脚对照表如下：

• （3）74HC595工作原理介绍
  

• 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：
  

• （3） 内部结构：
  
  

• （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：
  
• （2）74HC595点阵模块原理图：
  
• （3）引脚说明与接线
• ① 引脚说明：

• ② 与Arduino UNO R3开发板接线：

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：
  

• （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   //LEvoid setup()
{pinMode(DIO, OUTPUT);pinMode(S_CLK, OUTPUT);pinMode(R_CLK, OUTPUT);
}void loop()
{//ROW 0x80 , COL 0xfeint 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：
  

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：
  

• （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 9int 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10101011void 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0for (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：
  

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：
  

• （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 9uint8_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0for (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：
  

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：
  

• （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：
  

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、本文的8×8 LED点阵特点：
• （1）发送列值，哪列电位为LOW哪列点亮，最高位在左边；
• （2）发送行值，哪行电位为HIGH哪行点亮，最高位在下面。
• 3、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？
参考资料7: 用Arduino操控STM32控制通常在51上才用的六脚8*8LED矩阵